一种具有直流故障电流阻断能力的MMC三电平子模块拓扑及其电容电压均衡控制方法与流程

本发明涉及MMC换流器领域，尤其是一种具有直流故障电流阻断能力的MMC三电平子模块拓扑及其电容电压均衡控制方法。

技术背景

随着电力电子技术的飞速发展，多电平变换器及其相关技术的研究已逐渐成为高压大功率电力应用领域的研究热点。模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter，MMC)作为一种新型的多电平变换器拓扑结构，以其独特的结构优势，克服了传统多电平变换器的不足，其模块化结构具有良好的可扩展性，在高压直流输电、无功补偿等对电压和功率等级要求较高的场合具有良好的应用潜力。

直流侧短路故障是直流输电特别是在架空线路中一种较为严重的故障形式。目前，处理直流侧故障主要有三种方式：1)通过交流设备如交流断路器、交流熔断器等切断故障点与交流系统的联系；2)通过直流设备如直流断路器等阻断故障点与换流器的联系；3)通过换流器中功率半导体器件的开关动作实现直流侧故障的隔离。但第一种方式由于其机械动作的限制导致交流设备的响应时间长且重启复杂；第二种方式中的直流断路器的技术尚不成熟且造价高，难以应用于实际工程中；相比于前两种方式，第三种方式响应时间快，故障后可快速恢复运行，成为处理MMC-HVDC直流侧短路故障的一种有效的解决途径。

目前能够实现直流故障防护的子模块结构中具有代表性的是全桥子模块(Full Bridge Sub-Module,FBSM)和箝位双子模块(Clamp Double Sub-Module,CDSM)的结构。对于由全桥子模块或箝位双子模块级联而成的N电平MMC，其任一桥臂的电容数量为N-1。为对每桥臂各模块单元的电容电压进行实时测量及排序，以实现电容电压的均衡控制，每桥臂所需的电压传感器数量也为N-1。对于级联数很大的MMC，需要大量的电压传感器，同时增加了控制系统的复杂程度，降低了系统的可靠性。

技术实现要素：

本发明提供了一种具有直流故障电流阻断能力的MMC三电平子模块拓扑及其电容电压均衡控制方法，能够快速阻断直流侧短路故障电流，并减少所需的电压传感器数量，降低控制系统的复杂程度，提高系统的稳定性。

本发明提供了一种具有直流故障电流阻断能力的MMC三电平子模块拓扑，包括开关管1、开关管2、开关管3、开关管4、开关管5、开关管6、二极管D7、电容C1和电容C2；电容C1的电压为U_C1，电容C2的电压为U_C2；开关管1的集电极与电容C1的正极连接，开关管1的发射极与开关管6的集电极连接，开关管2的发射极与电容C1的负极、开关管5的集电极连接，开关管2的集电极与开关管3的发射极、开关管6的发射极连接，开关管3的集电极与电容C2的正极、二极管D7的阴极连接，开关管4的发射极与电容C2的负极、开关管5的发射极连接，开关管4的集电极与二极管D7的阳极连接。

所述的MMC三电平子模块拓扑，开关管1为绝缘栅双极型晶体管T1与反并联二极管D1，开关管2为绝缘栅双极型晶体管T2与反并联二极管D2，开关管3为绝缘栅双极型晶体管T3与反并联二极管D3，开关管4为绝缘栅双极型晶体管T4与反并联二极管TD，开关管5为绝缘栅双极型晶体管T5与反并联二极管D5，开关管6为绝缘栅双极型晶体管T6与反并联二极管D6。

所述的MMC三电平子模块拓扑，开关管1的发射极作为子模块输出端的正极，开关管4集电极作为子模块输出端的负极，输出电压为U_out，子模块输入电流i的参考方向与所述输出电压U_out的参考方向相同，U_C1＝U_C2＝电容电压额定值U_cref。

所述的MMC三电平子模块拓扑，在正常运行状态下可以工作在旁路、并联、串联三种模式，输出三种电平电压(0，U_cref和2U_cref)：旁路模式下输出零电平；并联模式下，两电容电压相同，输出电压U_out＝U_C1＝U_C2＝U_cref；串联模式下输出电压U_out＝U_C1+U_C2＝2U_cref。当故障发生时，闭锁所有IGBT，所述的MMC三电平子模块拓扑输出电压为2U_cref或-U_cref，从而达到迅速闭锁故障电流的目的。

基于上述子模块结构的电容电压均衡控制方法，包括如下步骤：

步骤一：测量每桥臂每个子模块中电容C1的电容电压，生成原始输入电压序列[V_i]_1×(N-1)/2＝[V_C1V_C2…V_Ck…V_C(N-1)/2]；

步骤二：对子模块电容电压[V_i]_1×(N-1)/2由高到低进行排序，其对应的子模块序号也将重新排序，生成序列[N_SM1]_1×(N-1)/2，并将[N_SM1]_1×(N-1)/2中的每一个元素复制产生[N_SM2]_1×(N-1)；

步骤三：对于MMC任一桥臂，利用载波层叠、载波移相或最近电平逼近等调制方法获得桥臂电压参考值即为下一时刻该桥臂所需投入的子模块电容个数n；

步骤四：根据步骤三所求应投入的子模块电容个数n及桥臂电流方向，生成每一子模块的电容开关状态序列[X]_1×(N-1)＝[X₁X₁₁X₂X₂₂…X_kX_kk…X_(N-1)/2X_{(N-1)/2(N-1)/2}]，其中X_k为电容C_k的开关状态，X₁₁为电容C_kk的开关状态；

步骤五：根据步骤四所得的子模块电容开关状态序列[X]_1×(N-1)，查表获得子模块输出电压，生成IGBT触发脉冲。

在所述步骤四中，若桥臂电流I_arm<0，生成序列[N_V]_1×(N-1)＝[1 1…1 0 0…0]，其中元素1的个数等于应投入的子模块电容个数n；若桥臂电流I_arm>0，生成序列[N_V]_1×(N-1)＝[0 0…0 1 1…1]，其中元素1的个数等于应投入的子模块电容个数n。将序列[N_V]_1×(N-1)与所述步骤二序列[N_SM2]_1×(N-1)中的对应元素一一相乘生成新的数列[N_SM3]_1×(N-1)，并将其奇偶元素分离，分别得到奇数序列[N_SM4]_1×(N-1)/2和偶数序列[N_SM5]_1×(N-1)/2，若k等于[N_SM4]_1×(N-1)/2中任一元素，则X_k＝1，否则X_k＝0；若k等于[N_SM5]_1×(N-1)/2中任一元素，则X_kk＝1，否则X_kk＝0。

步骤五所述子模块输出电压及IGBT触发脉冲配置如下：

若X_k＝0，X_kk＝0，则子模块输出电压V_SM＝0，IGBT触发脉冲：T_1k＝0，T_2k＝1，T_3k＝0，T_4k＝1，T_5k＝1，T_6k＝1；

若X_k＝1，X_kk＝0或者X_k＝0，X_kk＝1，则子模块输出电压V_SM＝U_cref，IGBT触发脉冲：T_1k＝1，T_2k＝0，T_3k＝1，T_4k＝1，T_5k＝1，T_6k＝1；

若X_k＝1，X_kk＝1，则子模块输出电压V_SM＝2U_cref，IGBT触发脉冲：T_1k＝1，T_2k＝1，T_3k＝1，T_4k＝1，T_5k＝0，T_6k＝0。

与现有的具备直流故障电流阻断能力的三电平子模块相比，本发明的优势为：对于该新型子模块级联而成的N电平MMC，其任意桥臂的子模块数量为(N-1)/2，由于每个子模块中两电容的电压相同，每桥臂所需的电压传感器数量为也为(N-1)/2，仅为传统子模块所需传感器数量的50％，所需进行排序的电容电压数量也降低了一半，极大的降低了硬件成本及控制系统的计算负担和复杂程度，提高了系统的稳定性。

附图说明

图1为本发明一种具有直流故障电流阻断能力的MMC三电平子模块拓扑；

图2a、2b、2c分别为本发明一种具有直流故障电流阻断能力的MMC三电平子模块拓扑稳态条件下的1、2、3三种工作模式；

图3为本发明一种具有直流故障电流阻断能力的MMC三电平子模块拓扑电路闭锁后的两个工作模式；

图4a、4b、4c为本发明一种具有直流故障电流阻断能力的MMC三电平子模块拓扑的电容电压均衡控制方法流程图。

具体实施方式

为进一步阐述本发明的内容和特点，以下结合附图对本发明的具体实施方式进行说明，但本发明的实施不限于此。以下若有未特别说明的控制过程，均为本领域技术人员可参照现有控制技术实现的。

参照图1，所述的一种具有直流故障电流阻断能力的MMC三电平子模块拓扑结构包括开关管1、开关管2、开关管3、开关管4、开关管5、开关管6、二极管D7、电容C1和电容C2；电容C1的电压为U_C1，电容C2的电压为U_C2；开关管1的集电极与电容C1的正极连接、开关管1的发射极与开关管6的集电极连接，开关管2的发射极与电容C1的负极、开关管5的集电极连接，开关管2的集电极与开关管3的发射极、开关管6的发射极连接，开关管3的集电极与电容C2的正极、二极管D7的阴极连接，开关管4的发射极与电容C2的负极、开关管5的发射极连接，开关管4的集电极与二极管D7的阳极连接。

开关管1为绝缘栅双极型晶体管T1与反并联二极管D1，开关管2为绝缘栅双极型晶体管T2与反并联二极管D2，开关管3为绝缘栅双极型晶体管T3与反并联二极管D3，开关管4为绝缘栅双极型晶体管T4与反并联二极管TD，开关管5为绝缘栅双极型晶体管T5与反并联二极管D5，开关管6为绝缘栅双极型晶体管T6与反并联二极管D6。

开关管1的发射极作为子模块输出端的正极，开关管4的集电极作为子模块输出端的负极，输出电压为U_out，子模块输入电流i的参考方向与所述输出电压U_out的参考方向相同，U_C1＝U_C2＝电容电压额定值U_cref。

参照图2，所述一种具有直流故障电流阻断能力的MMC三电平子模块拓扑在正常运行时具有三种工作模式：

模式1：如图2a所示，控制开关管2、4、5、6导通，开关管1、3关断。所述子模块工作在旁路模式，输出电压U_out＝0。当所述子模块输入电流i>0时，电流流通路径如图中实线所示，电流i流经T6、T2、T5和D4，电容C1和电容C2被旁路；当所述子模块输入电流i<0时，电流流通路径如图中虚线所示，电流i流经T4、D5、D2和D6，电容C1和电容C2被旁路。

模式2：如图2b所示，控制开关管1、3、4、5、6导通，开关管2关断。所述子模块工作在并联模式，输出电压U_out＝U_cref。当所述子模块输入电流i>0时，电流流通路径如图中实线所示，电流i流经D1、T5和D4，向电容C1充电，流经T6、D3和D4，向电容C2充电；当所述子模块输入电流i<0时，电流流通路径如图中虚线所示，电流i流经T4、D5和T1，电容C1放电，流经T4、T3和D6，电容C2放电。

模式3：如图2c所示，控制开关管1、2、3、4导通，开关管5、6关断。所述子模块工作在串联模式，输出电压U_out＝2U_cref。当所述子模块输入电流i>0时，电流流通路径如图中实线所示，电流i流经D1、D2、D3和D4，向电容C1和电容C2充电；当所述子模块输入电流i<0时，电流流通路径如图中虚线所示，电流i流经T4、T3、T2和T1，电容C1和电容C2放电。

所述一种具有直流故障电流阻断能力的MMC三电平子模块拓扑，工作在模式2时，通过并联连接将两电容电压控制在相同水平，进入下一工作模式3时，两电容器的初始电压及电流流通路径相同，因此电容电压仍保持一致，即使两电容电压存在微小偏差，这一偏差也将在下一次并联模式开始时消除，因此每个子模块只需一个电压传感器进行监控。

当控制器检测到直流短路故障信号，闭锁MMC所有IGBT，所述一种具有直流故障电流阻断能力的MMC三电平子模块拓扑具有两种故障模式。

故障模式1：如图3实线所示，故障电流i>0，电流流经D1、D2、D3和D4，向电容C1和电容C2充电，所述子模块输出电压U_out＝2U_cref。

故障模式2：如图3虚线所示，故障电流i<0，电流流经D7、D5、D2和D6，向电容C2充电，所述子模块输出电压U_out＝-U_cref。

可见，当故障发生时，闭锁所有IGBT，无论桥臂电流方向如何，都会对所述子模块进行充电，从而达到快速闭锁故障电流的目的。

参照图4a，基于上述子模块结构的电容电压均衡控制方法，包括如下步骤：

步骤一：测量每桥臂每个子模块中电容C1的电容电压，生成原始输入电压序列[V_i]_1×(N-1)/2＝[V_C1V_C2…V_Ck…V_C(N-1)/2]；

步骤二：对子模块电容电压[V_i]_1×(N-1)/2由高到低进行排序，其对应的子模块序号也将重新排序，生成序列[N_SM1]_1×(N-1)/2，并将[N_SM1]_1×(N-1)/2中的每一个元素复制产生[N_SM2]_1×(N-1)；

步骤三：对于MMC任一桥臂，利用载波层叠、载波移相或最近电平逼近等调制方法获得桥臂电压参考值即为下一时刻该桥臂所需投入的子模块电容个数n；

步骤四：根据步骤三所求应投入的子模块电容个数n及桥臂电流方向，生成每一子模块的电容开关状态序列[X]_1×(N-1)＝[X₁X₁₁X₂X₂₂…X_kX_kk…X_(N-1)/2X_{(N-1)/2(N-1)/2}]，其中X_k为电容C_k的开关状态，X₁₁为电容C_kk的开关状态；

步骤五：根据步骤四所得的子模块电容开关状态序列[X]_1×(N-1)，查表获得子模块输出电压，生成IGBT触发脉冲。

如图4b，在所述步骤四中，若桥臂电流I_arm<0，生成序列[N_V]_1×(N-1)＝[1 1…1 0 0…0]，其中元素1的个数等于应投入的子模块电容个数n；若桥臂电流I_arm>0，生成序列[N_V]_1×(N-1)＝[0 0…0 1 1…1]，其中元素1的个数等于应投入的子模块电容个数n。将序列[N_V]_1×(N-1)与所述步骤二序列[N_SM2]_1×(N-1)中的对应元素一一相乘生成新的数列[N_SM3]_1×(N-1)，并将其奇偶元素分离，分别得到奇数序列[N_SM4]_1×(N-1)/2和偶数序列[N_SM5]_1×(N-1)/2，若k等于[N_SM4]_1×(N-1)/2中任一元素，则X_k＝1，否则X_k＝0；若k等于[N_SM5]_1×(N-1)/2中任一元素，则X_kk＝1，否则X_kk＝0。

如图4c，步骤五所述子模块输出电压及IGBT触发脉冲配置如下：

若X_k＝0，X_kk＝0，则子模块输出电压V_SM＝0，IGBT触发脉冲：T_1k＝0，T_2k＝1，T_3k＝0，T_4k＝1，T_5k＝1，T_6k＝1；

若X_k＝1，X_kk＝0或者X_k＝0，X_kk＝1，则子模块输出电压V_SM＝U_cref，IGBT触发脉冲：T_1k＝1，T_2k＝0，T_3k＝1，T_4k＝1，T_5k＝1，T_6k＝1；

若X_k＝1，X_kk＝1，则子模块输出电压V_SM＝2U_cref，IGBT触发脉冲：T_1k＝1，T_2k＝1，T_3k＝1，T_4k＝1，T_5k＝0，T_6k＝0。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例限制，其他的任何未背离本实施新型的精神实质与原理下的所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包括在本发明的保护范围内。