一种子模块拓扑以及一种MMC换流器的制作方法

本发明涉及一种子模块拓扑以及一种MMC换流器。

背景技术：

随着全控型电力电子器件的发展和电力电子技术在电力系统中的应用，基于电压源换流器的柔性直流输电技术日益受到重视。模块化多电平换流器(Modular multilevel converter，MMC)是柔性直流输电系统应用中电压源换流器的一种，它由多个子模块按照一定的方式连接而成，通过控制各个子模块IGBT组的投入和切除状态使换流器输出的交流电压逼近正弦波，实现能量的高效传输。

传统的模块化多电平换流器中，通常采用半桥式子模块作为基础单元，以降低换流器建设成本。传统的半桥式子模块MMC在直流短路故障发生时无法通过自身特性迅速抑制故障电流，必须依靠交流断路器或直流断路器才能清楚故障电流。一方面由于交流断路器的响应时间较长，有可能导致保护不及时而造成换流器过流损坏；另一方面配置直流断路器提高了对设备的技术要求，增加了系统成本。

为了解决这一问题，有学者提出采用全桥子模块、箝位双子模块等具备直流故障穿越能力的新型子模块拓扑替代半桥子模块。通过故障后迅速闭锁换流器，利用全桥子模块等拓扑中二极管的反向阻断能力迅速抑制故障电流，实现直流故障的自清除。但采用闭锁换流器的方式穿越，会造成交流侧脱网，交流断路器跳闸，不利于故障后输电能力的恢复。而且，虽然在采用全桥子模块时，还可以利用全桥子模块生成负电平的能力，在维持交流侧并网的情况下将直流电压降低至0，从而抑制故障电流，实现在不闭锁状态下的直流故障穿越；但是，在某直流电压等级下，比如MMC的电平数为N+1，那么就需要N个全桥子模块，由于每个全桥子模块中有四个开关器件，那么共需开关器件个数为4N个。由于开关器件在柔性直流输电工程成本中本身就占有较大比重，因此如果利用全桥子模块实现不闭锁直流故障穿越，需要投入的成本较高，并不适合实际工程应用。因此，非常有必要提出一种新型MMC子模块拓扑，使MMC兼具闭锁与不闭锁直流故障穿越功能，且具有一定的成本优势。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种子模块拓扑，用以解决全桥子模块虽然能够实现不闭锁直流故障穿越，但是投入成本较高的问题。本发明同时提供一种MMC换流器。

为实现上述目的，本发明的方案包括一种子模块拓扑，包括第一单元和第二单元，所述第一单元和第二单元均由一条开关支路和一条电容支路并联构成，所述开关支路上串设有两个开关模块，所述电容支路上串设有两个电容；第一单元中的开关支路与电容支路的其中一个连接点与第二单元中的开关支路与电容支路的其中一个连接点之间连接有开关模块T5，第一单元中的两个电容的连接点与第二单元中的两个电容的连接点之间连接有开关模块T6，第一单元中的两个开关模块的连接点与第二单元中的两个开关模块的连接点为所述子模块拓扑的输入输出端。

所述第一单元中的两个开关模块分别为开关模块T1和T2，第一单元中的两个电容模块分别为电容C1和C2，第二单元中的两个开关模块分别为开关模块T3和T4，第二单元中的两个电容模块分别为电容C3和C4；开关模块T1的阳极连接电容C1的正极，开关模块T1的阴极连接开关模块T2的阳极，开关模块T2的阴极连接电容C2的负极；开关模块T3的阳极连接电容C3的正极，开关模块T3的阴极连接开关模块T4的阳极，开关模块T4的阴极连接电容C4的负极；开关模块T2的阴极与电容C2的负极之间的连接点连接开关模块T5的阴极，开关模块T3的阳极与电容C3的正极之间的连接点连接开关模块T5的阳极；电容C1的负极与电容C2的正极之间的连接点连接开关模块T6的阳极，电容C3的负极与电容C4的正极之间的连接点连接开关模块T6的阴极。

各开关模块由开关器件与二极管反向并联构成。

一种MMC换流器，包括3相，每相由上、下两个桥臂组成，每个桥臂由n个子模块级联构成，所述MMC换流器有至少一个子模块包括第一单元和第二单元，所述第一单元和第二单元均由一条开关支路和一条电容支路并联构成，所述开关支路上串设有两个开关模块，所述电容支路上串设有两个电容；第一单元中的开关支路与电容支路的其中一个连接点与第二单元中的开关支路与电容支路的其中一个连接点之间连接有开关模块T5，第一单元中的两个电容的连接点与第二单元中的两个电容的连接点之间连接有开关模块T6，第一单元中的两个开关模块的连接点与第二单元中的两个开关模块的连接点为所述子模块拓扑的输入输出端。

所述第一单元中的两个开关模块分别为开关模块T1和T2，第一单元中的两个电容模块分别为电容C1和C2，第二单元中的两个开关模块分别为开关模块T3和T4，第二单元中的两个电容模块分别为电容C3和C4；开关模块T1的阳极连接电容C1的正极，开关模块T1的阴极连接开关模块T2的阳极，开关模块T2的阴极连接电容C2的负极；开关模块T3的阳极连接电容C3的正极，开关模块T3的阴极连接开关模块T4的阳极，开关模块T4的阴极连接电容C4的负极；开关模块T2的阴极与电容C2的负极之间的连接点连接开关模块T5的阴极，开关模块T3的阳极与电容C3的正极之间的连接点连接开关模块T5的阳极；电容C1的负极与电容C2的正极之间的连接点连接开关模块T6的阳极，电容C3的负极与电容C4的正极之间的连接点连接开关模块T6的阴极。

各开关模块由开关器件与二极管反向并联构成。

首先，通过闭锁本发明提供的子模块拓扑中的全控型器件的驱动信号实现以闭锁方式进行直流故障穿越；而且，由于该子模块具有输出负电压的能力，在直流故障发生后，能够将直流电压翻转为负值以抑制故障电流，待故障电流接近0后，控制直流电压为0，整个过程中维持交流电压不变，所以，该子模块拓扑还能够以非闭锁方式进行直流故障穿越。因此，该子模块在直流故障发生时，故障穿越可靠性较高，可根据实际控制需要选择相应的直流故障穿越方式。

而且，在同样电压等级下，即同样的电平数下，比如电平数为N+1的全桥子模块MMC中，需要包含全桥子模块为N个，则共需开关器件个数为4N个；而基于本发明提供的子模块的MMC中，由于该子模块输出的最高电压是全桥子模块最高输出电压的两倍，因此，在电平数为N+1的MMC中，只需设置N/2个子模块即可满足要求，则共需开关器件个数为6*N/2＝3N个。由于开关器件在直流输电工程成本中占有较大比重，因此本发明提供的子模块拓扑与全桥子模块相比，在同样的要求下，需要的开关器件的个数更少，能够有效降低直流输电工程的成本，并且，电压等级越高，输出电平数越高时，节约的开关器件的个数就越多。

附图说明

图1是MMC换流器的拓扑结构示意图；

图2是本发明提供的子模块拓扑图；

图3-a至3-h是本发明提供的子模块的八种工作状态示意图；

图4是本发明提供的子模块其中一种闭锁模式下的工作状态示意图；

图5是不闭锁直流故障穿越原理示意图；

图6是子模块基本架构示意图；

图7是子模块另一种实施方式的拓扑图。

具体实施方式

MMC换流器实施例

如图1所示，常规的MMC换流器包括a、b、c 3相，每相由上、下两个桥臂组成，每个桥臂由n个子模块级联构成。该MMC换流器中的子模块中有至少一个子模块是本发明提供的新型子模块，根据实际需要设置该新型子模块的具体个数。

由于MMC换流器属于常规技术，本发明的发明点在于子模块的具体结构，所以，以下对该子模块进行具体说明。

如图2所示，该子模块拓扑包括6个开关模块T1～T6和4个电容C1～C4。其中，开关模块为全压开关模块，每个开关模块由全控型开关器件(比如IGBT)和对应的二极管反向并联构成。电容C1～C4为半压电容，每个电容在正常运行时的电压为额定电压的一半，设定电容电压为Uc，额定电压为Uc_rated，则Uc_rated＝2*Uc。

该子模块整体包括三部分，其中，

第一部分和第二部分均是由一条开关支路和一条电容支路并联构成的电路，第一部分中的开关支路上串设有开关模块T1和T2，第一部分中的电容支路上串设有电容C1和C2，第二部分中的开关支路上串设有开关模块T3和T4，第二部分中的电容支路上串设有电容C3和C4。开关模块T1的阳极连接电容C1的正极，开关模块T1的阴极连接开关模块T2的阳极，开关模块T2的阴极连接电容C2的负极；开关模块T3的阳极连接电容C3的正极，开关模块T3的阴极连接开关模块T4的阳极，开关模块T4的阴极连接电容C4的负极。

第三部分包括开关模块T5和T6，开关模块T2的阴极与电容C2的负极之间的连接点连接开关模块T5的阴极，开关模块T3的阳极与电容C3的正极之间的连接点连接开关模块T5的阳极；电容C1的负极与电容C2的正极之间的连接点连接开关模块T6的阳极，电容C3的负极与电容C4的正极之间的连接点连接开关模块T6的阴极。

开关模块T1的阴极与开关模块T2的阳极之间的连接点引出该子模块的一端，开关模块T3的阴极与开关模块T4的阳极之间的连接点引出该子模块的另一端。

上述各开关模块中的阳极为对应的全控型开关器件的阳极，即全控型开关器件的电流流入的一端；各开关模块中的阴极为对应的全控型开关器件的阴极，即全控型开关器件的电流流出的一端。比如：按照图2的方位来说，开关模块T1的阳极为开关模块T1中全控型开关器件的阳极，即开关模块T1的上端，开关模块T1的阴极为开关模块T1中全控型开关器件的阴极，即开关模块T1的下端。

上述6个开关模块中两两一组，开关模块T1和T2为一组，开关模块T3和T4为一组，开关模块T5和T6为一组，各组中的两个开关模块中的全控型开关器件不能同时导通，比如：开关模块T1中的全控型器件导通时，开关模块T2中的全控型器件必须关断。按照上述原则，该子模块包括以下8种运行状态，其中，图3-a至3-h和图4中描述的电流的流向定为电流正向，则，图3和图4中描述的电流流向的反方向为电流反向：

1)如图3-a所示，开关模块T1、T4、T5导通，其余开关模块关断。当电流为正向时，该运行状态是闭锁模式，利用开关模块T1、T4、T5中的二极管实现桥臂电流流过这4个半压电容；当电流为反向时，利用开关模块T1、T4、T5中的全控型开关器件实现桥臂电流流过这4个半压电容。这种运行状态下，该子模块的输出电压为4Uc，即2Uc_rated。

2)如图3-b所示，开关模块T2、T4、T5导通，其余开关模块关断。当电流为正向时，桥臂电流依次流过开关模块T2中的全控型开关器件、开关模块T5中的二极管、电容C3和C4、开关模块T4中的二极管；当电流为反向时，桥臂电流依次流过开关模块T4中的全控型开关器件、电容C3和C4、开关模块T5中的全控型开关器件、开关模块T2中的二极管。这种运行状态下，子模块输出电压为2Uc，即Uc_rated。

3)如图3-c所示，开关模块T1、T3、T5导通，其余开关模块关断。当电流为正向时，桥臂电流依次流过开关模块T1中的二极管、电容C1和C2、开关模块T5中的二极管、开关模块T3中的全控型开关器件；当电流为反向时，桥臂电流依次流过开关模块T3中的二极管、开关模块T5中的全控型开关器件、电容C1和C2、开关模块T1中的全控型开关器件。这种运行状态下，子模块输出电压为2Uc，即Uc_rated。

4)如图3-d所示，开关模块T2、T3、T5导通，其余开关模块关断。当电流为正向时，桥臂电流依次流过开关模块T2中的全控型开关器件、开关模块T5中的二极管、开关模块T3中的全控型开关器件；当电流为反向时，桥臂电流依次流过开关模块T3中的二极管、开关模块T5中的全控型开关器件、开关模块T2中的二极管。这种运行状态下，桥臂电流不流过电容，子模块输出电压为0。

5)如图3-e所示，开关模块T1、T4、T6导通，其余开关模块关断。当电流为正向时，桥臂电流依次流过开关模块T1中的二极管、电容C1、开关模块T6中的全控型开关器件、电容C4、开关模块T4中的二极管；当电流为反向时，桥臂电流依次流过开关模块T4中的全控型开关器件、电容C4、开关模块T6中的二极管、电容C1、开关模块T1中的全控型开关器件。这种运行状态下，子模块输出电压为2Uc，即Uc_rated。

6)如图3-f所示，开关模块T2、T4、T6导通，其余开关模块关断。当电流为正向时，桥臂电流依次流过开关模块T2中的全控型开关器件、电容C2、开关模块T6中的全控型开关器件、电容C4、开关模块T4中的二极管；当电流为反向时，桥臂电流依次流过开关模块T4中的全控型开关器件、电容C4、开关模块T6中的二极管、电容C2、开关模块T2中的二极管。这种运行状态下，子模块输出电压为0。

7)如图3-g所示，开关模块T1、T3、T6导通，其余开关模块关断。当电流为正向时，桥臂电流依次流过开关模块T1中的二极管、电容C1、开关模块T6中的全控型开关器件、电容C3、开关模块T3中的全控型开关器件；当电流为反向时，桥臂电流依次流过开关模块T3中的二极管、电容C3、开关模块T6中的二极管、电容C1、开关模块T1中的全控型开关器件。这种运行状态下，子模块输出电压为0。

8)如图3-h所示，开关模块T2、T3、T6导通，其余开关模块关断。当电流为正向时，桥臂电流依次流过开关模块T2中的全控型开关器件、电容C2、开关模块T6中的全控型开关器件、电容C3、开关模块T3中的全控型开关器件；当电流为反向时，桥臂电流依次流过开关模块T3中的二极管、电容C3、开关模块T6中的二极管、电容C2、开关模块T2中的二极管。这种运行状态下，子模块输出电压为-2Uc，即-Uc_rated。

通过上述8种运行状态可以看出该子模块可以输出4个电压等级，分别是两倍额定电压2Uc_rated、额定电压Uc_rated、零电压、负向额定电压-Uc_rated。

对于上述几种运行状态中的电流反向时的情况，基于当二极管两端有反向截止电压时二极管关断的原理，电流反向时的电流流向只能够有一种，就是上述八种运行状态中描述的情况。

另外，该子模块有两种闭锁模式，分别是电流正向时的闭锁模式和电流反向时的闭锁模式，其中，可以利用图3-a来表示电流正向时该子模块在闭锁模式下的运行状态，利用图4来表示电流反向时该子模块在闭锁模式下的运行状态。

该子模块应用在如图1所示的MMC换流器中时，通过不同状态的组合可以实现子模块的排序均压，能够满足正常状态及直流短路故障状态下的需求。

该子模块能够实现采用闭锁方式进行直流故障穿越和采用不闭锁方式进行直流故障穿越两种方式。

若采用闭锁方式进行直流故障穿越，利用拓扑中电容C2和电容C3的反向电动势，即该子模块可以为换流器提供1倍的反向额定子模块电压-Uc_rated，电流流向如图4所示，电流方向为负。若MMC换流器桥臂中全部采用该子模块，则在闭锁情况下该桥臂输出的电压与直流母线电压大小相等，方向相反。所以采用闭锁方式能够使得直流故障电流迅速减小，达到直流故障穿越的目的。待故障清除后，重新排序均压并解锁，完成整个故障穿越过程。

若采用不闭锁方式进行直流故障穿越，则需要利用子模块输出负电压的能力，即在直流故障发生后，将子模块的直流电压翻转为负值，以抑制故障电流，待故障电流接近0后，控制直流电压为0，整个过程中维持交流侧的并网状态，且交流电压不变。待故障清除后，不需要进行排序均压和解锁流程，只需要提升直流电压即可。

不闭锁直流故障穿越原理如图5所示，假设MMC每个桥臂中包括N个该子模块，则能够输出的最大反向直流电压为：

-U_{dc_max}＝2(U_{ac_peak}-2NU_C)＝2(U_{ac_peak}-NU_{C_rated})

其中U_{ac_peak}为运行所需的交流电压峰值。

对于该子模块的经济性，可以与相同电平数、相同直流电压等级的全桥子模块MMC进行对比。电平数为N+1的全桥子模块MMC中，包含全桥子模块N个，共需开关器件个数为4N个；而采用本发明提供的子模块的MMC中，在同样的直流电压等级下，输出N+1电平时，由于本发明提供的子模块最大输出电压是全桥子模块最大输出电压的两倍，因此，只需包含N/2个子模块，共需开关器件个数为6*N/2＝3N个。由于开关器件在柔性直流输电工程成本中本身就占有较大比重，因此本发明提供的子模块拓扑与全桥子模块相比，能够有效降低柔性直流工程成本，而且，电压等级越高，输出电平数越高时，节约的开关器件的个数就越多。

子模块拓扑实施例

本实施例提供的子模块拓扑为图2所示的拓扑，由于该拓扑的具体结构以及工作原理等在上述换流器实施例中已做出了具体描述，本实施例就不再说明。

而且，本实施例中的子模块适用于MMC换流器中，但是，也不排除应用在其他场合的可能性。

以上给出了具体的实施方式，如图2所示，给出了该子模块的具体拓扑图，但本发明不局限于具体拓扑。本发明的基本思路在于该子模块的基本架构，如图6所示，其中，矩形框表示开关模块，对本领域普通技术人员而言，在不改变该子模块的基本原理的前提下，对该拓扑的等效变换并不需要花费创造性劳动，比如：调换开关模块T5和T6；或者第一部分和第二部分位置互换，如图7所示。上述两种实施方式中，在相应的控制策略进行相应修改的情况下，同样能够实现相应功能。因此，在不脱离该子模块的基本原理的情况下对该子模块进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。