本发明涉及船舶中压电力直流系统技术领域，具体涉及一种船舶中压直流系统用的mmc并联拓扑结构。
背景技术：
模块化多电平换流器（modularmultilevelconverter，mmc）作为一种新型换流器，由多个mmc子模块级联而成，可以根据电压需求改变mmc子模块的数量，模块化程度高，输出谐波较少，其在直流输电系统中得到广泛关注。
与传统二极管整流器相比，mmc以其明显的优势（输出电压质量高、效率高、故障响应优越等）被认为非常适用于船舶中压直流电力系统。国外在mmc领域的研究相对较早，但对mmc在船舶中压直流系统中的研究还处于起步阶段。目前对mmc在船舶中压直流电力系统的应用研究涉及的系统功率均较小，随着船舶需求容量的逐渐增大，发电机组需要发出的功率越来越高，随着发电机额定功率的增大，受mmc中电子元件同流与耐压性能的影响，其能够传输的功率也受到阻碍，无法传送过大的功率。
mmc子模块的额定电压主要由其电子元件中的绝缘栅双极型晶体管（igbt，insulatedgatebipolartransistor）决定，由于mmc子模块数量可以灵活改变以分担直流母线电压，所以igbt的额定电压能够以较少的数量达到中压需求。但是，mmc子模块中igbt元件的额定电流决定了mmc桥臂的额定电流，当前mmc子模块中igbt的额定电流最大值是3600a（额定电压为1.7kv），在当前技术条件下，如何克服igbt的通流能力这一障碍是mmc在船舶中压直流电力系统中应用的一个难题，此外，在传统半桥型mmc子模块组成的mmc中，若其直流侧发生短路故障，与igbt反并联的二极管会形成一条通路，无法阻断短路电流，会对mmc造成很大损害，也严重影响整个船舶中压直流系统（mvdc）的运行。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种船舶中压直流系统用的mmc并联拓扑结构，实现了功率增加时mmc的分流，在一定范围内突破了功率输出的限值，并且通过逆阻型mmc子模块的提出来阻断短路电流，有效处理了mmc直流侧的短路故障。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种船舶中压直流系统用的mmc并联拓扑结构，所述的mmc由多个半桥型mmc子模块级联而成，其特征是，所述的船舶中压直流系统用的mmc并联拓扑结构包含：
mmc的交流端通过变压器连接船舶电力系统发电机的交流侧，mmc的直流端连接船舶电力系统直流母线侧；
设置多个mmc，使多个mmc的交流端和直流端分别并联。
上述的船舶中压直流系统用的mmc并联拓扑结构，其中：
将mmc中的半桥型mmc子模块改为逆阻型mmc子模块。
上述的船舶中压直流系统用的mmc并联拓扑结构，其中：
所述的半桥型mmc子模块的拓扑结构为：
第一igbt管t1；
第二igbt管t2，其发射极和集电极分别作为半桥型mmc子模块的输入端和输出端，其发射极连接第一igbt管t1的集电极；
第一二极管d1，其阳极连接第一igbt管t1的集电极，其阴极连接第一igbt管t1的发射极；
第二二极管d2，其阳极连接第二igbt管t2的发射极，其阴极连接第二igbt管t2的集电极；
电容c0，两端分别连接第一igbt管t1的集电极以及第二igbt管t2的集电极。
上述的船舶中压直流系统用的mmc并联拓扑结构，其中，所述的将半桥型mmc子模块改为逆阻型mmc子模块的方式为：
将半桥型mmc子模块中的第二二极管d2改为一第三igbt管t3，第三igbt管t3为一双向可控的开关管，其发射极连接第二igbt管t2的集电极，其集电极连接第二igbt管t2的发射极；
新增一个第三二极管d0，其阳极连接第二igbt管t2的发射极；
新增一个辅助电容c1，其正极连接第三二极管d0的阴极，其负极连接第二igbt管t2的集电极。
上述的船舶中压直流系统用的mmc并联拓扑结构，其中：
第三igbt管t3为一双向可控的开关管。
本发明与现有技术相比具有以下优点：实现了功率增加时mmc的分流，在一定范围内突破了功率输出的限值，并且通过逆阻型mmc子模块的提出，有效处理了mmc直流侧的短路故障。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为传统半桥型mmc子模块的拓扑结构图；
图3为本发明实施例中采用双mmc并联的结构示意图；
图4为本发明实施例中采用的逆阻型mmc子模块的拓扑结构图；
图5为图3的具体电路图。
具体实施方式
以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
如图1所示，本发明提出了一种船舶中压直流系统用的mmc并联拓扑结构，所述的mmc传统是由多个半桥型mmc子模块级联而成，本发明提出的所述的船舶中压直流系统用的mmc并联拓扑结构包含：mmc的交流端通过变压器连接船舶电力系统发电机的交流侧，mmc的直流端连接船舶电力系统直流母线侧；根据不同的功率需求，设置n个mmc，n≥2，使n个mmc的交流端和直流端分别并联，达到直流母线与交流母线都处于共用的状态。本发明提出的上述mmc并联拓扑结构可以达到分流的效果，并联后桥臂电流可以跨越3600a，目前世界上igbt最大额定电流为3600a，当桥臂电流超过3600a时，采用本发明的mmc并联拓扑结构可以使桥臂电流大于3600a。
将mmc中的半桥型mmc子模块改为逆阻型mmc子模块。
具体的，如图2所示，传统的半桥型mmc子模块的拓扑结构为：第一igbt管t1；第二igbt管t2，其发射极和集电极分别作为半桥型mmc子模块的输入端和输出端，其发射极连接第一igbt管t1的集电极；第一二极管d1，其阳极连接第一igbt管t1的集电极，其阴极连接第一igbt管t1的发射极；第二二极管d2，其阳极连接第二igbt管t2的发射极，其阴极连接第二igbt管t2的集电极；电容c0，两端分别连接第一igbt管t1的集电极以及第二igbt管t2的集电极。
将半桥型mmc子模块改为逆阻型mmc子模块的方式为：如图4所示，将半桥型mmc子模块中的第二二极管d2改为一第三igbt管t3，第三igbt管t3为一双向可控的开关管，其发射极连接第二igbt管t2的集电极，其集电极连接第二igbt管t2的发射极；新增一个第三二极管d0，其阳极连接第二igbt管t2的发射极；新增一个辅助电容c1，其正极连接第三二极管d0的阴极，其负极连接第二igbt管t2的集电极。逆阻型mmc子模块相对半桥型mmc子模块少了二极管d2，为避免igbt在电流过大时被击穿，设置了第三二极管d0和辅助电容c1以缓冲电流冲击。c1的值较小所占空间不大，用于缓冲电流和反向隔断第三二极管d0，t2和t3共同组成了逆阻型igbt发生直流短路故障时，逆阻型mmc子模块结构可以将所有的igbt（t1，t2，t3）触发信号关断，当t3关断后，故障电流将无法形成回路。
如图3、5所示，为实施例中以一双mmc（mmc1、mmc2）并联结构为例，对本发明的工作原理以及可达到的技术效果进行进一步说明，为了使双mmc并联前后桥臂电流跨越3600a，取母线标准电压为10kv。图中，sm1~smn是逆阻型mmc子模块的示意图，sm（submodel），mmc由上下桥臂组成，每个桥臂由n个逆阻型mmc子模块构成，具体需要多少个子模块，由所需电平数而定。正常工作状态下应使mmc每一相中处于“投入”状态的子模块数量保持为n，这时交流侧输出n+1电平的相电压。
上述的mmc并联拓扑结构，由于直流侧采用并联连接，故而两个mmc（mmc1、mmc2）输出的直流电压完全相同，两个mmc（mmc1、mmc2）的直流正负极分别汇聚到中压直流母线上的正负极，所以电压是相等的；所述两个mmc（mmc1、mmc2）并联时，单个mmc（mmc1）与并联之后的mmc（mmc2）的交直流侧电流均发生了改变。iy（y=a，b，c）为双mmc并联拓扑结构交流母线电流，idc为直流母线电流，iy1与iy2（y=a，b，c）分别为mmc1和mmc2阀侧（连接到整流器一侧）交流电流，idc1与idc2分别为mmc1和mmc2直流侧电流，ipy1与iny1（y=a，b，c）（p是上桥臂（positive），n是下桥臂（negative））分别为mmc1上下桥臂电流，而ipy2与iny2（y=a，b，c）分别为mmc2上下桥臂电流。由于mmc本身结构够具有严格对称性，mmc并联拓扑结构是建立在mmc基本结构的基础上，也具有严格对称性。基于上述条件，并联mmc拓扑结构的交流母线电流由mmc1和mmc2的交流侧均分，同时此结构的中压直流母线电流也被mmc1和mmc2的直流侧电流均分。为了简单描述，在忽略环流的情况下，以mmc1和mmc2中a相上、下桥臂电流为分析对象，mmc1中ipa1=1/6(idc)+1/4(ia)，ina1=1/4(ia)-1/6(idc)，由对称性可知在mmc2中，ipa2=1/6(idc)+1/4(ia)，ina2=1/4(ia)-1/6(idc)，同理，对b、c两相也有类似的结果。需要传输更大功率时，可以再并联几个mmc模块，以达到分流的效果，从而降低mmc中桥臂电流，克服igbt额定电流较小的障碍。
所述的逆阻型mmc子模块结构跟传统半桥型mmc子模块结构差别不大，跟第一igbt管t1和第一二极管d1组成的传统igbt有所不同，其正反方向都具有耐压能力；除此之外，正常工作时，t3导通跟续流二极管作用相同，此时逆阻型mmc子模块和传统半桥型mmc子模块的工作模式和控制策略均完全一致，为其在船舶中压直流电力系统中的应用提供了参考；
所述的逆阻型mmc子模块结构，当发生直流短路故障时，可以将所有的igbt触发信号关断，当t3关断后，故障电流将无法形成回路，为了避免igbt在电流过大时被击穿设置了第三二极管d0，辅助电容c1以缓冲电流冲击。故障引起所有igbt触发信号关闭以后，如果直流短路故障电流从ism正方向流过逆阻型mmc子模块，电容c0提供的反向电压阻止故障电流继续导通，从整个故障回路而言，忽略电阻消耗，可将每个桥臂等效为n个二极管与n个电容串联，所以当故障电流id给电容充电时，上述n个等效电容电压使n个等效二极管反向偏置，限制了故障短路电流的危害。如果直流短路故障电流从ism负方向流过逆阻型mmc子模块，t3已被关断，虽然n个等效串联的t3具有直接阻断故障电流的能力，为了避免igbt受到电流冲击损害，加入了由辅助电容c1和第三二极管d0串联而成的缓冲电路，整个回路可以等效成电容2n个辅助电容c1和2n个第三二极管d0，故障电流通过第三二极管d0给辅助电容c1充电，由于辅助电容c1较小，所以电容电压迅速增加以提供反向电压来阻断故障电流；
所述并联mmc拓扑结构，mmc每个相单元中的逆阻型mmc子模块数为2n，船舶中压直流母线电压为udc，由于mmc并联的mmc1和mmc2直流侧为并联，所以它们的直流侧均为udc，记mmc子模块的平均电压为ucap，此时忽略因桥臂电抗引起的电压降，则应有：udc≤nucap,在不考虑任何裕度时取等号,同时考虑到谐波问题便可合理选择mmc子模块数量。
所述mmc中的直流电容分布在六个桥臂的各逆阻型mmc子模块中，电容过大不仅会造成成本上升，还会引起调节过程缓慢的问题，电容过小难以限制电压的波动，mmc子模块电容c0满足的条件是c0=ps[1-(kcosφ/2)2](3/2)/3knεω0(ucap)2，其中，ps为mmc整流器的视在功率，ω0为三相交流电的基波角频率，ε为电容电压的波动百分比，一般不超过5%；
所述mmc主电路中，电感与桥臂mmc子模块串联在一起，每个桥臂各有一个，首先它可以减弱桥臂中的纹波，具有滤波功能，当电路发生故障而产生浪涌电流时，电感也可以减弱电流对系统的冲击，同时，电感还可以抑制环流。电感满足：lo=[ps/3ikm+udc]/8(ω0)2coucap，其中ikm为环流分量的幅值，根据桥臂电流取值，一般取桥臂电流基波分量幅值的1/5。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。