本发明涉及电力系统继电保护领域，涉及mmc直流侧故障隔离技术。
背景技术：
近年来，我国风力发电、光伏发电等可再生能源装机容量不断扩大，使得发电中心远离负荷中心。高压直流输电方式因为适用于远距离大容量的输电，获得了较大的关注和发展。目前，具有有功和无功功率独立控制属性的vsc换流器广泛应用在柔性直流输电实际工程中。mmc换流器是一种新型的vsc结构，具有模块化的拓扑，其优点是输出电压等级高、开关损耗低和输出电压波形好，是未来柔性直流输电的发展方向。
目前对于基于mmc的直流电网保护的研究尚处于起步阶段。柔性直流电网发生直流侧故障后，故障危害大且发展迅速。然而关于直流侧的故障清除技术还不完善，一方面高压大容量直流断路器的研究并不成熟，另一方面实际工程中的mmc换流器多为半桥拓扑结构，这种结构在直流侧发生故障时，即使全部闭锁也不能完全清除故障电流。因此在直流侧故障后通常需要开断交流侧断路器才能清除故障，这极大得增加了故障清除时间和故障后恢复时间。近年来许多专家和学者提出了一些新型拓扑结构，能够依靠子模块中电容的电压反向阻断与之并联的二极管，进而切断故障通路，实现故障熄弧。这些结构通常会大量增加开关功率器件的使用量，并使子模块电路结构更加复杂，增加了系统的控制复杂度，降低了系统的可靠性。特别是对于已经建成的基于半桥结构的mmc直流输电系统而言，这些方法都要求对mmc换流站进行彻底的更换，就经济性与工程实际而言是不可行的。
技术实现要素：
本发明提出一种具有直流故障自清除能力的新型mmc子模块拓扑电路，在尽量减少附加器件数量、不增加系统复杂度的同时，保证该结构能在直流侧故障后依靠闭锁动作快速可靠地自动切断直流故障电流，同时能够较为方便地应用于已建成的半桥结构mmc换流站。技术方案如下：
一种具有直流故障自清除能力的mmc换流器子模块电路,将两个半桥结构的子模块sm1和sm2反向串联连接，构成一个结构单元，每个半桥结构的子模块包括三路并联线路，一路为电容c、一路为串联的两个二极管d1、d2，一路为串联的两个igbt，第一二极管d1的阴极与第二二极管d2的阳极相连，第一igbt的发射极与第二igbt的集电极相连，第一二极管d1的阳极、第一igbt的集电极与电容c的正极相连；其中一个子模块的电容电压额定值为2udc，另一个子模块的电容电压额定值为udc，两者方向相反，以便于形成反压用于截至二极管。
本发明相对于现有的技术有以下优点：
(1)在正常运行时，换流器和传统半桥结构相类似，不需要完全改变控制器，可以在原有控制器基础上小幅改动即可实现正常运行；
(2)在发生直流侧故障时，能够通过闭锁动作快速隔离故障，清除故障电流，适用于多端mmc直流电网，省去了大容量直流断路器的使用；
(3)相比于现有的具有直流故障自清除能力的子模块如全桥结构和钳位双子模块结构等，在同等电压等级下使用的功率半导体器件较少，经过测算，本发明所提出的换流器所需功率器件数量是全桥结构的一半，是钳位双子模块结构的三分之二，且故障清除时间也小于另外两种结构；
(4)该拓扑结构的应用便于改造已建成的基于半桥结构的mmc实际工程，可以极大的提高换流站的可靠性和经济性。
附图说明
图1为反向串联双子模块拓扑结构示意图；
图2为mmc直流输电系统双极短路故障换流器电流通路示意图；
图3为换流器子模块开关信号控制器示意图，(a)正向投入子模块(sm2)的触发信号附加控制部分(b)反向投入子模块(sm1)的触发信号附加控制部分。
具体实施方式
本发明提出一种具有直流故障自清除能力的新型mmc子模块电路，在尽量减少附加器件数量、不增加系统复杂度的同时，保证该结构能在直流侧故障后依靠闭锁动作快速可靠地自动切断直流故障电流，同时能够较为方便地应用于已建成的半桥结构mmc换流站。这样不仅提高了mmc换流站的可靠性，还可提高其经济性。本发明可通过以下技术方案实现：
具体拓扑结构如图1所示。
该拓扑结构以传统半桥mmc结构为基础，将两个半桥结构的子模块sm1和sm2反向串联连接，构成一个结构单元，因此将这种结构命名为反向串联双子模块(rsdsm)结构。其中的一个半桥结构由一个电容c、两个二极管和两个igbt并联构成：d1的阴极与d2的阳极相连，t1的发射极与t2的集电极相连，d1的阳极、t1的集电极和电容c的正极相连。rsdsm结构共包含两个电容、四个二极管和四个igbt。其中一个子模块的电容电压额定值为2udc，另一个子模块的电容电压额定值为udc，两者方向相反，以便于形成反压用于截至二极管。
上述mmc换流器的工作原理为：
在正常运行时通过控制t1～t4的开关状态如表1中前三种所示的情况，使两个反向串联的子模块能够产生2uc、uc和0三种电压水平，以实现mmc的正常电压输出。
表1换流器子模块触发信号和输出电压示意表
在直流侧发生故障时，通过控制t1～t4的导通和关断，使rsdsm拓扑结构中的sm1旁路，sm2投入，称为闭锁状态。由表1可知，此时相当于在每个桥臂上投入了电压值为-nuc/2电容(n为每桥臂子模块数量)。桥臂电路等效于二极管和电容的反向串联，可以利用电容电压迫使导通的二极管反向截止，从而切断直流侧故障电流的通路。不同方向的桥臂电流对应不同的故障电流清除等效电路，图2为故障后mmc的等效电路，包括两种电流流通方向。每种电流通路中都有2n个串联接入的二极管，且二极管的阴极正好与子模块电容的正极相连。可以看出，当rsdsm结构进入闭锁状态后，无论桥臂电流方向如何，桥臂上的二极管都会因为承受反压而截止，使得桥臂电流快速地衰减为零，保证了换流站运行的可靠性。
在控制方面，相比于传统半桥结构，需要在原有控制电路基础上增加一部分附加控制器，附加控制器如图3所示。t1a1和t1a2分别为原有控制器输出的两个相邻子模块中ti的触发信号，t1a1d和t2a1d分别为rsdsm结构中sm2部分t3和t4的触发信号，t1a2d和t2a2d分别为rsdsm结构中sm1部分t1和t2的触发信号。