直流故障阻断能力等效全桥子模块的MMC子模块拓扑结构的制作方法

本发明属于柔性直流输电技术领域，涉及一种直流故障阻断能力等效全桥子模块的mmc子模块拓扑结构。

背景技术：

近年来柔性直流输电技术成为输电领域研究的热点，其在促进大规模风电并网、城市供电和孤岛供电等新技术的发展，满足持续增长的能源需求和推动能源的清洁高效利用等方面具有显著的作用。目前柔性直流输电工程采用的电压源换流器主要有三种：两电平电压源换流器，三电平电压源换流器，模块化多电平换流器(mmc)。两电平和三电平的电压源换流器均存在电容均压问题和谐波含量大的问题，mmc可以通过增加子模块数目，减少输出交流电压的谐波含量，提高电能质量，其换流器损耗小，成为柔直工程的首选。

mmc模块拓扑一般由多个结构相同的子模块级联构成，一般采用半桥子模块或全桥子模块。半桥子模块级联形成的mmc模块拓扑结构无法有效闭锁直流故障，一旦发生直流故障，晶体管和二极管等功率器件会因流过故障电流被烧毁；全桥子模块可以闭锁直流故障，但所需晶体管数目多，成本较高。目前已有很多学者提出改进的子模块拓扑，大多数都存在直流故障阻断能力较弱的问题，或是直流故障时要求晶体管能承受较高电压，这为晶体管的选型带来困难，增加了设备成本。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种直流故障阻断能力等效全桥子模块的mmc子模块拓扑结构，该结构具备等同于全桥子模块的直流故障阻断能力，能够在发生直流故障时有效阻断故障电流，且成本较低。

为达到上述目的，本发明所述的直流故障阻断能力等效全桥子模块的mmc子模块拓扑结构包括第一输出端、第二输出端、第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第一稳压电容及第二稳压电容，其中，第一稳压电容、第一晶体管、第二晶体管、第一二极管及第二二极管组成第一半桥子模块；第二稳压电容、第三晶体管、第四晶体管、第三二极管及第四二极管组成第二半桥子模块；

第一输出端与第一晶体管的发射极及第二晶体管的集电极相连接，第二晶体管的发射极与第五晶体管的发射极及第一稳压电容的负极相连接，第一稳压电容的正极与第一晶体管的集电极及第七二极管的负极相连接，第五晶体管的集电极与第六晶体管的发射极、第七二极管的正极及第八二极管的负极相连接，第六晶体管的发射极与第二稳压电容的正极及第三晶体管的集电极相连接，第三晶体管的发射极与第四晶体管的集电极相连接，第四晶体管的发射极与第二稳压电容的负极及第八二极管的正极相连接；

第一二极管的负极与第一晶体管的集电极相连接，第一二极管的正极与第一晶体管的发射极相连接；

第二二极管的负极与第二晶体管的集电极相连接，第二二极管的正极与第二晶体管的发射极相连接；

第三二极管的负极与第三晶体管的集电极相连接，第三二极管的正极与第三晶体管的发射极相连接；

第四二极管的负极与第四晶体管的集电极相连接，第四二极管的正极与第四晶体管的发射极相连接；

第五二极管的负极与第五晶体管的集电极相连接，第五二极管的正极与第五晶体管的发射极相连接；

第六二极管的负极与第六晶体管的集电极相连接，第六二极管的正极与第六晶体管的发射极相连接。

当系统正常工作时，第五晶体管及第六晶体管处于导通状态，工作电流依次经第五晶体管及第六晶体管；当系统出现直流故障时，第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管及第六晶体管关闭，第一稳压电容及第二稳压电容处于故障回路上，通过第一稳压电容及第二稳压电容提供二倍阻断电压，以抑制故障电流，mmc子模块拓扑结构的故障阻断能力等同于全桥子模块。

当系统出现直流故障时，第五晶体管或第六晶体管关闭。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的直流故障阻断能力等效全桥子模块的mmc子模块拓扑结构在具体操作时，当系统出现直流故障时，第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管及第六晶体管关闭，第一稳压电容及第二稳压电容处于故障回路上，通过第一稳压电容及第二稳压电容提供二倍阻断电压，以抑制故障电流，mmc子模块拓扑结构的故障阻断能力等同于全桥子模块，从而保护其中的功率器件。与全桥子模块相比，本发明节省了两个晶体管及与其反并联的二极管，用两个普通二极管替代，当所需mmc子模块数目较多时，可以显著降低经济成本。

附图说明

图1为本发明的拓扑图；

图2为流过正向工作电流时子模块的电流路径图；

图3为流过反向工作电流时子模块得到电流路径图；

图4为直流故障时子模块的故障电流路径图；

图5为柔性直流输电系统的仿真模型图；

图6为mmc拓扑图；

图7为正常工作时系统传输的有功、无功功率的波形图；

图8为正常工作时直流侧的电流图；

图9为正常工作时桥臂的电压图；

图10为正常工作时子模块的电流图；

图11为直流故障时直流侧的电流图；

图12为直流侧故障时子模块的电流图；

图13为直流侧故障时流过二极管vd7的故障电流图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述的直流故障阻断能力等效全桥子模块的mmc子模块拓扑结构包括第一输出端a、第二输出端b、第一晶体管vt1、第二晶体管vt2、第三晶体管vt3、第四晶体管vt4、第五晶体管vt5、第六晶体管vt6、第一二极管vd1、第二二极管vd2、第三二极管vd3、第四二极管vd4、第五二极管vd5、第六二极管vd6、第七二极管vd7、第八二极管vd8、第一稳压电容c1及第二稳压电容c2，其中，第一稳压电容c1、第一晶体管vt1、第二晶体管vt2、第一二极管vd1及第二二极管vd2组成第一半桥子模块1；第二稳压电容c2、第三晶体管vt3、第四晶体管vt4、第三二极管vd3及第四二极管vd4组成第二半桥子模块2；第一输出端a与第一晶体管vt1的发射极及第二晶体管vt2的集电极相连接，第二晶体管vt2的发射极与第五晶体管vt5的发射极及第一稳压电容c1的负极相连接，第一稳压电容c1的正极与第一晶体管vt1的集电极及第七二极管vd7的负极相连接，第五晶体管vt5的集电极与第六晶体管vt6的发射极、第七二极管vd7的正极及第八二极管vd8的负极相连接，第六晶体管vt6的发射极与第二稳压电容c2的正极及第三晶体管vt3的集电极相连接，第三晶体管vt3的发射极与第四晶体管vt4的集电极相连接，第四晶体管vt4的发射极与第二稳压电容c2的负极及第八二极管vd8的正极相连接；

第一二极管vd1的负极与第一晶体管vt1的集电极相连接，第一二极管vd1的正极与第一晶体管vt1的发射极相连接；第二二极管vd2的负极与第二晶体管vt2的集电极相连接，第二二极管vd2的正极与第二晶体管vt2的发射极相连接；第三二极管vd3的负极与第三晶体管vt3的集电极相连接，第三二极管vd3的正极与第三晶体管vt3的发射极相连接；第四二极管vd4的负极与第四晶体管vt4的集电极相连接，第四二极管vd4的正极与第四晶体管vt4的发射极相连接；第五二极管vd5的负极与第五晶体管vt5的集电极相连接，第五二极管vd5的正极与第五晶体管vt5的发射极相连接；第六二极管vd6的负极与第六晶体管vt6的集电极相连接，第六二极管vd6的正极与第六晶体管vt6的发射极相连接。

当系统正常工作时，第五晶体管vt5及第六晶体管vt6处于导通状态，工作电流依次经第五晶体管vt5及第六晶体管vt6；当系统出现直流故障时，第一晶体管vt1、第二晶体管vt2、第三晶体管vt3、第四晶体管vt4、第五晶体管vt5及第六晶体管vt6关闭，第一稳压电容c1及第二稳压电容c2处于故障回路上，通过第一稳压电容c1及第二稳压电容c2提供二倍阻断电压，以抑制故障电流，mmc子模块拓扑结构的故障阻断能力等同于全桥子模块；当系统出现直流故障时，第五晶体管vt5或第六晶体管vt6关闭。

当系统正常工作时，第五晶体管vt5和第六晶体管vt6始终处于导通状态，第一晶体管vt1及第二晶体管vt2轮流导通，第三晶体管vt3及第四晶体管vt4轮流导通。当子模块流过正向电流和流过反向电流时，两个半桥子模块分别存在4种工作状态。设两个稳压电容的电压均为vdc，流过正向电流和流过反向电流时分别对应的4种工作状态和输出电压如表1所示。

表1

子模块流过正向工作电流时，4种工作状态下对应的电流路径如图2所示。

1)第一晶体管vt1、第三晶体管vt3导通，第二晶体管vt2、第四晶体管vt4关闭：第一输出端a→第一二极管vd1→第一稳压电容c1→第五二极管vd5→第六二极管vd6→第三晶体管vt3→第二输出端b。

(2)第一晶体管vt1、第四晶体管vt4导通，第二晶体管vt2、第三晶体管vt3关闭：第一输出端a→第一二极管vd1→第一稳压电容c1→第五二极管vd5→第六二极管vd6→第二稳压电容c2→第四二极管vd4→第二输出端b。

(3)第二晶体管vt2、第三晶体管vt3导通，第一晶体管vt1、第四晶体管vt4关闭：第一输出端a→第二晶体管vt2→第五二极管vd5→第六二极管vd6→第三晶体管vt3→第二输出端b。

(4)第二晶体管vt2、第四晶体管vt4导通，第一晶体管vt1、第三晶体管vt3关闭：第一输出端a→第二晶体管vt2→第五二极管vd5→第六二极管vd6→第二稳压电容c2→第四二极管vd4→第二输出端b。

子模块流过反向工作电流时，4种工作状态下对应的电流路径如图3所示。

(1)第一晶体管vt1、第三晶体管vt3导通，第二晶体管vt2、第四晶体管vt4关闭：第二输出端b→第三二极管vd3→第六晶体管vt6→第五晶体管vt5→第一稳压电容c1→第一晶体管vt1→第一输出端a。

(2)第一晶体管vt1、第四晶体管vt4导通，第二晶体管vt2、第三晶体管vt3关闭：第二输出端b→第四晶体管vt4→第二稳压电容c2→第六晶体管vt6→第五晶体管vt5→第一稳压电容c1→第一晶体管vt1→第一输出端a。

(3)第二晶体管vt2、第三晶体管vt3导通，第一晶体管vt1、第四晶体管vt4关闭：第二输出端b→第三二极管vd3→第六晶体管vt6→第五晶体管vt5→第二二极管vd2→第一输出端a。

(4)第二晶体管vt2、第四晶体管vt4导通，第一晶体管vt1、第三晶体管vt3关闭：第二输出端b→第四晶体管vt4→第二稳压电容c2→第六晶体管vt6→第五晶体管vt5→第二二极管vd2→第一输出端a。

当系统发生直流故障时，子模块中所有晶体管全部关闭，故障电流路径如图4所示。

(1)故障电流为正向时，电流路径为：第一输出端a→第一二极管vd1→第一稳压电容c1→第五二极管vd5→第六二极管vd6→第二稳压电容c2→第四二极管vd4→第二输出端b，此时第一输出端a及第二输出端b的电压为2vdc，第五晶体管vt5和第六晶体管vt6承受的反压均为二极管的导通压降。

(2)故障电流为反向时，电流路径为：第二输出端b→第三二极管vd3→第二稳压电容c2→第八二极管vd8→第七二极管vd7→第一稳压电容c1→第二二极管vd2→第一输出端a，此时第二输出端b及第一输出端a的电压为-2vdc，第五晶体管vt5和第六晶体管vt6承受的反压为vdc。

可见，当系统发生直流故障时，两个稳压电容均处于故障回路中，能有效阻断故障电流，从而保护其中的功率器件。且故障时，第五晶体管vt5和第六晶体管vt6不需要承受较高的反压，因此无需与子模块中其他晶体管进行区分，无需增加额外的成本。

实施例一

在matlab/simulink中搭建柔性直流输电系统仿真模型，如图5所示，mmc换流站拓扑如图6所示，其中，每个桥臂包含子模块数n＝6，子模块采用本发明所提出的拓扑结构，柔直系统仿真模型参数如下表2所示。

表2

当系统正常工作时，系统传输的有功、无功功率波形图如图7所示，直流侧电流如图8所示，桥臂电压如图9所示，子模块电流如图10所示。可以看到，系统运行平稳，有功功率和无功功率波动小，直流侧电流波动小，桥臂电压接近正弦，子模块电流正弦性、对称性良好，表明该拓扑具有良好的工作性能。

为验证本发明的直流故障阻断能力，在t＝5s时，构造直流故障，此时，直流侧电流如图11所示，子模块电流如图12所示，流过第七二极管vd7的故障电流如图13所示，可以看到，当直流侧出现故障时，反向故障电流通过第七二极管vd7及第八二极管vd8续流，两个稳压电容均处于故障回路中，子模块电流在0.15毫秒内降为0，直流侧电流在2.5毫秒内降为零，实现直流闭锁，表明本发明具有良好的直流故障阻断能力，能够迅速阻断故障电流，从而保护了其中的功率器件。