6] 2、直流侧拓扑结构
[0037] 如图3所示，换流器直流侧桥臂主要由四个区域组成，分别是：
[0038] 上桥臂半桥区Zpl，由N个半桥子模块(half-SM或h-SM)串联而成；
[0039]上桥臂全桥区Zp2,由K个全桥子模块(full-SM或f-SM)串联而成；
[0040]下桥臂全桥区Zn2,由K个全桥子模块(full-SM或f-SM)串联而成；
[0041 ]下桥臂半桥区Znl，由N个半桥子模块(half-SM或h-SM)串联而成；
[0042]上下桥臂成对称结构(K 2 N)，Zp2与Zn2之间的连接线接地钳位，正负两极直流母 线可通过闭合预充电开关进行短路。
[0043] UAB和UCD通过全波整流桥后，正弦波的负电压波形变正电压，得到周期为31的直流 电压 t/gF 和 Uih 分别通过电感 L〇 接入 Zpl 和 Znl。
[0044] 根据传统MMC有功及无功传送原理，只要换流器桥臂上Zpl和Znl调制出与UEF、U IH 存在一定功角8、幅值与％不相等的电压波形，就可以按需控制有功及无功的输送，UCF = Uij= |N ? Uc ? sin( 〇t-5) I (调制波形滞后5)，UGj = 2Udc = 2K ? Uc(与全波整流桥配合形成直 流电压）。
[0045] 3、全波整流桥
[0046] 如图5所示，两个二极管同向串联构成一组，两组并联构成全波整流桥。串联二极 管的连接点作为输入端，连接交流电压源;两组二极管共阴极和共阳极连接点作为输出端， 通过电感Lo接入Zpl或Znl (通过电感Loi接入Zpl，通过电感L〇2接入Znl，当然，电感Lo也可以 接于全波整流桥的输入端），实现将交流电压UAB和UCD的负电压波形变成正电压 ^F.F=^iir=m，-sin(c^)|〇
[0047] 4、半桥子模块(h-SM)
[0048]如图6所示，1个IGBT(TX)与1个反向并联二极管(Dx)为一组，两组串联再与一个电 容并联则构成半桥子模块(ha 1 f-SM，简称h-SM)。两组串联的连接点和电容器的一个端点 (假设为下端点)作为h-SM对外的输入输出端。
[0049] h-SM有3种工况，分别是闭锁、投入、旁路。假设上桥为TjPDi，下桥为T#PD2,则：
[0050] ①当均关断，电流正反向通路不同，对外电压为0,此为闭锁状态；
[0051] ②当h开通、T2关断，电流通过TjPDi对电容充放电，正反向通路相同，对外电压为 +U C，此为投入状态；
[0052] ③当Ti关断、T2开通，电流通过T#PD2将电容旁路，正反向通路相同，对外电压为0， 此为旁路状态。
[0053]由此可见，h-SM不能提供反电压-U。，但能阻止电容接入通路。
[0054] 5、全桥子模块(f-SM)
[0055]如图7所示，全桥子模块(full-SM，简称f-SM)就是两个半桥子模块h-SM共用一个 电容器，且关于电容器成轴对称的结构。两个半桥各自的串联连接点为f-SM对外的输入输 出端。
[0056] f-SM有4种工况，分别是正投入、反投入、旁路、闭锁。假设左上桥为T3和D3,左下桥 为T4和D4，右上桥ST#PD5，右下桥为T6和D6则：
[0057] ①当T3、T6合上且T4、T5断开时，电流正反可流通，对外电压为+U C，此为正投入状 态；
[0058] ②当T4、T5合上且T3、T6断开时，电流正反可流通，对外电压为-U。，此为反投入状态；
[0059] ③当T4、T6合上且T3、T5断开时，电流正反可流通，对外电压为0,此为旁路状态；
[0060] ④当T3、T4、T5、T6均断开，电流不可流通，对外电压为0，此为闭锁状态。
[0061 ]由此可见，f-SM可提供正反电压土U。，且能阻止电容接入通路。
[0062] 6、有功无功输送原理
[0063] 如图8所示，HF-MMC输送功率原理与交流电网输送功率原理相类似。换流器桥臂上 与交流电网相连的区域Zpl、Znl调制出半正弦电压波形，使之与UEF、UIH的相位和幅值存在 一定差异，就可与交流电网进行有功和无功交换。
[0064]不妨假设Zpl调制出的电压波形幅值为N ? UC，比交流电网的电压波形滞后一个角 度S，则交流电网输送的有功及无功为：
[0067] Zpl、Znl上下两路同时送功率为2P和2Q，调节功角S和投入的模块数N，即可改变输 送的有功及无功。
[0068] 直流侧功率等于交流输送的功率，但直流侧电压不等于2N ? UC，而是等于2K ? Uc， 这是因为半桥区和全桥区可互相配合，使直流侧正负极间投入的子模块数量恒等于2K个， 因此用功率计算直流电流时应按2K ? UC计算。
[0069] 7、HF_MMC工作原理和控制方法
[0070] HF-MMC与传统MMC的有功及无功传送原理类似，只要换流器桥臂上Zpl和Znl调制 出与uEF、uIH存在一定功角5、幅值与C4不相等的电压波形，就可与交流电网进行有功和无 功交换。
[0071] 然而与传统MMC不同的是，HF-MMC在上下桥臂间加入2K个f-SM，从而分离出上下两 路调制电路，由此：
[0072]①可以将交流a、b、c三相分成两路接入同一个桥臂的Zpl和Znl，不是三相的三个 桥臂并联，从而不会产生相间环流；
[0073]②2K个f-SM可以产生反电压-U。，从而快速关断直流故障电流；
[0074] ③传统MMC三个桥臂需要12N个h-SM产生2Udc，而HF-MMC只有一个桥臂，只需相当于 6N个h-SM( 2N个h-SM、2N个f-SM)就可产生2Ud。，可节省一半器件。
[0075]④可以增加 f-SM的数量K，从而增强直流电压，减低直流电流。
[0076]为实现以上功能，HF-MMC各阶段的控制方法具体如下：
[0077] 7.1、预充电控制
[0078] HF-MMC给电容器预充电时需投入限流电阻Riim，利用交流电压uab、ucd对h-SM及f-SM逐一进行预充电。
[0079] 7.1.1、首先进行上下桥臂半桥区Zpl、Znl预充电。两区域互相独立，可以同时进行 逐一预充电。每次各自投入预充电的1个h-SM，采取闭锁的状态(Ti关断、T2关断），其余采取 旁路的状态(h关断、T2开通），直至上下共2N个h-SM全部充满电。
[0080] 7.1.2、然后进行上下桥臂全桥区Zp2、Zn2预充电。由于上下两路交流回路不通过 2口2、2112，因此需借助直流侧闭合预充电开关，通过直流电流对2口2、2112预充电，具体做法 是:可以先闭锁Zpl、Znl的所有h-SMUi关断、T 2关断），再闭合直流侧预充电开关，此时上下 两路电压源(波形相同）与Zp2、Zn2形成串联的回路。因两区域串联，每次只能正向投入1个 f-SM进行预充电，其余进行旁路，直至上下共2K个f-SM全部充满电。预充电结束后，HF-MMC 可以投入运行送功率。
[0081] 7.2、电平逼近和反投入直流充电策略
[0082] 7.2.1、电平逼近:根据需调制的电压波形，采用电平逼近(NLM)的方式，按需投退 相应的h-SM和f-SM，如图4所示。其原理与传统丽C类似，只是N个半桥模块可以全部用来调 制出电压幅值N ? UC而不是只投一半数量器件，从而更充分利用h-SM。
[0083]由于上下两路的电压波形一致，因此可知上下半桥区域同时投退h-SM，所