一种具备直流故障自清除能力的二端口MMC拓扑结构及其控制、均压、降频方法

本发明涉及柔性直流输电，特别涉及一种具备直流故障自清除的二端口mmc拓扑结构及其控制、均压、降频方法。

背景技术：

1、柔性直流输电采用全控电力电子器件，典型代表是绝缘栅双极型晶体管(igbt)。相较于传统直流输电技术，柔性直流输电技术使用电压源换流器，在运行性能上大大超越了传统直流输电技术。柔性直流输电工程中常用的电压源换流器主要有两电平换流器、二极管钳位型三电平换流器以及模块化多电平换流器(mmc)三种。其中，mmc由于其制造难度低，损耗低，波形质量高等优点，得到了越来越广泛的应用和发展。

2、传统半桥型mmc在直流侧发生短路时，无法依靠自身来清除直流故障，清除手段之一是依靠交流断路器或直流断路器，但其有着故障再恢复时间长以及造价高昂等缺点。另一种方案是采用具有直流故障自清除能力的新型mmc拓扑，但目前业界提出的诸多新拓扑多附加过多开关器件，成本高，损耗大，子模块结构复杂，可靠性低，不利于制造封装。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中的不足，提供一种具备直流故障自清除的二端口mmc拓扑结构及其控制、均压、降频方法；其子模块结构简单，能够在保证良好的经济性前提下，迅速清除直流故障，降低故障恢复时间，保证故障排除后的快速重启。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种具备直流故障自清除能力的二端口mmc拓扑结构，包括a端子、b端子、c端子、d端子、左绝缘栅双极型晶体管t1、右绝缘栅双极型晶体管t2、左反并联二极管d1、右反并联二极管d2、电容c；

4、所述左绝缘栅双极型晶体管t1的集电极与电容c的正极相连，右绝缘栅双极型晶体管t2的发射极与电容c的负极相连，左反并联二极管d1与左绝缘栅双极型晶体管t1反向并联，右反并联二极管d2与右绝缘栅双极型晶体管t2反向并联，a端子从左绝缘栅双极型晶体管t1的集电极与电容c的正极之间引出，b端子从右绝缘栅双极型晶体管t2的发射极与电容c的负极之间引出，c端子从左绝缘栅双极型晶体管t1的发射极引出，d端子从右绝缘栅双极型晶体管t2的集电极引出。

5、为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

6、进一步地，基于所述具备直流故障自清除能力二端口mmc拓扑结构的工作控制方法，包括：

7、所述二端口mmc拓扑结构的工作模式包含有正常工作和直流故障两种情况，其中所述二端口mmc拓扑结构也称子模块；

8、在正常工作模式下，根据左绝缘栅双极型晶体管t1和右绝缘栅双极型晶体管t2的开关状态，以及子模块各端子电流的流入状态，输出零电压、一倍电容电压、负一倍电容电压三种电平中的任意一种；具体为：

9、在子模块左绝缘栅双极型晶体管t1关断，右绝缘栅双极型晶体管t2导通的条件下，当子模块电流在a端和d端之间流通时，工作状态为正向投入，子模块输出一倍电容电压，当子模块电流在b端和d端之间流通时，工作状态为切除，子模块输出零电压；

10、在子模块左绝缘栅双极型晶体管t1导通，右绝缘栅双极型晶体管t2关断的情况下，当子模块电流在a端和c端之间流通时，工作状态为切除，子模块输出零电压，当子模块电流在b端和c端之间流通时，工作状态为负向投入，子模块输出负一倍电容电压；

11、在直流故障模式下，将子模块闭锁，使得子模块内所有绝缘栅双极型晶体管关断，子模块中的电容输出与子模块中故障直流反方向的一倍电容电压，使得故障直流被抵消。

12、进一步地，在直流故障模式下，除了将子模块闭锁的方式外，还能继续选择不将子模块闭锁，此时通过外界控制模块始终提供与故障直流的反向电压，使得故障直流被抵消，从而保证二端口mmc拓扑结构在非闭锁状态下清除直流故障。

13、进一步地，基于所述具备直流故障自清除能力二端口mmc拓扑结构的多电平换流器桥臂子模块均压方法，包括：

14、s1、基于二端口mmc拓扑结构构建模块化多电平换流器的桥臂连接，具体为：所述模块化多电平换流器包括有a′、b′、c′三相桥臂，每相桥臂由上、下桥臂构成，共六个桥臂，所述二端口mmc拓扑结构也称子模块，将桥臂的最上方连接一个无电容的子模块，并将a端子与b端子短接，然后将每一个子模块的c端子与下一个子模块的b端子相连，d端子和下一个子模块的a端子相连，并将桥臂的最下方子模块的c端子与d端子短接，以此完成模块化多电平换流器的桥臂连接；

15、s2、将模块化多电平换流器的桥臂连接好后，将每条桥臂中的子模块由上至下编号为sm0～smn，由于通过步骤s1的连接后，子模块中的电容正负极连接方向有两种，根据电容在桥臂中的连接方向将包含有电容的子模块，即编号sm1～smn的子模块为两组，计算每组电容电压的平均值；

16、s3、根据桥臂中电流的方向，当电容充电时，将电容电压平均值低的一组记为均压优先度高，将电容电压平均值高的一组记为均压优先度低，而当电容放电时，将电容电压平均值高的一组记为均压优先度高，将电容电压平均值低的一组记为均压优先度低；

17、s4、使用改进均压排序算法对优先度高的一组进行电容电压值的排序并确定所要投入的子模块，其中由于步骤s3分组后，优先度高或优先度低一组的子模块投入数量为桥臂总投入子模块数量的一半，而当桥臂中总投入子模块数量为奇数时，将优先度高的一组多投入一个子模块；

18、s5、对优先度低的一组子模块进行重新分组，重新分组时，由于优先度高的一组已经完成排序并确定了所要投入的子模块，这部分投入的子模块在整个桥臂中会把优先度低的一组子模块隔开，因此以每两个已投入的子模块为界限，将两个界限之间低优先度的子模块重新分为一组；同样的将桥臂中最上方已投入的子模块为界限，将该界限与桥臂最上方之间的低优先度子模块重新分为一组，同样的将桥臂中最下方已投入的子模块为界限，将该界限与桥臂最下方之间的低优先度子模块重新分为一组；然后同样使用改进均压排序算法，对重新分组的低优先度子模块每组进行排序，并确定每组所要投入的子模块，以此完成多电平换流器桥臂子模块的均压。

19、进一步地，在步骤s4和步骤s5中均使用了改进均压排序算法，通过改进均压排序算法对分组中子模块的电容电压值进行排序并选取所要投入的子模块具体内容为：

20、以每组中子模块的电容电压值为元素，形成数列，不对数列中的元素进行完全排序，而只通过寻找目标元素的方式，完成数列中元素的快速排序；其中所述目标元素是指在数列中寻找一个元素，以该元素分割为比其值小和比其值大的两组，其中一组正好是投入组，另一组正好是切除组；其中投入组的概念是指该组中的子模块均被投入，切除组是指该组中的子模块均被切除。

21、进一步地，所述通过寻找目标元素的方式，完成数列中元素的快速排序具体内容为：

22、(1)当整个数列元素数量小于一定阈值时，采用插入排序，跳至步骤(5)；当整个数列元素数量大于一定阈值时，根据整个数列中的总元素规模，选取一部分元素数量m，对m个元素进行降序排列；

23、(2)计算目标元素在整个数列降序排序时所在位置nin，计算内容具体为：当电容放电时，位置nin的值等于整个数列中需要投入的子模块数量，当电容充电时，位置nin的值等于整个数列的总元素数减数列中需要投入的子模块数量；

24、(3)根据位置nin的值占整个数列元素的总数量比例，从m个元素中确定枢轴元素，将整个数列中比枢轴元素大的元素置于枢轴元素前方，比枢轴元素小的元素置于枢轴元素后方；

25、(4)当选取的枢轴元素恰好为目标元素，即整个数列恰好被枢轴元素分为投入组和切除组时，代表寻找到了目标元素，跳至步骤(5)，否则将分割后的两部分中，选取含目标元素的一部分重复步骤(1)至步骤(4)；

26、(5)此时，整个数列中位于目标元素前方的元素都比目标元素大，位于目标元素后方的元素都比目标元素小，根据电容充放电状态即可获得投入组和切除组，具体为：当电容充电时，目标元素及目标元素前方的元素均为切除组，目标元素后方的元素均为投入组，当电容放电时，目标元素及目标元素前方的元素均为投入组，目标元素后方的元素均为切除组。

27、进一步地，在步骤(3)中，所述根据位置nin的值占数列元素总数量的比例，确定枢轴元素具体内容为：

28、设数列中总元素数量为n，随机选取m个元素中的任一元素在排序后在数列中的位置为k，则选取第k个元素作为枢轴元素再次分割数列时，枢轴元素选取到整个数列中第i大的数的概率pmk_i为：

29、

30、式中，参数c的含义排列组合；

31、设选取枢轴元素分割数列后，目标元素所在的部分中，元素数量的期望值为emk_nin，则：

32、

33、通过比较降序排序后的m个元素中各元素作为枢轴元素后，目标元素所在的部分元素数量期望值，选择使得期望值最小的元素作为枢轴元素。

34、进一步地，基于所述具备直流故障自清除能力二端口mmc拓扑结构的降频方法，将具有直流故障自清除能力的二端口mmc拓扑结构去除电容，将电容原正负极连接处短接，作为降频模块；然后在多电平换流器桥臂中，选取任意两个子模块，在两个子模块之间插入降频模块，将上方子模块的c端子与d端子短接，然后与降频模块a端子和b端子短接后相连，降频模块的c端子与下方子模块b端子相连，d端子与下方子模块的a端子相连。

35、本发明的有益效果是：本发明解决了传统半桥子模块无法清除直流故障的缺点，能够采用闭锁与非闭锁两种方式快速清除直流故障。消除了传统具有直流故障自清除能力子模块结构复杂，附加全控器件多成本高的缺点，具有结构简单，输出电平数多的优点，能够显著改善mmc输出波形质量，降低换流器成本。