一種應用于柔性直流輸電的MMC拓撲結構的制作方法

本發明涉及柔性直流輸配電技術領域，具體涉及一種應用于柔性直流輸電的MMC拓撲結構。

背景技術：

柔性直流輸電技術是構建智能電網的重要組成部分。與傳統輸電方式相比，柔性直流輸電在孤島供電、城市配電網的增容改造、交流系統互聯、大規模風電場并網等方面具有較強的技術優勢，是改變大電網發展格局的戰略選擇。

基于電壓源換流器(VSC,Voltage Source Converter)和脈寬調制(PWM,Pulse Width Modulation)技術的電壓源換流器型高壓直流輸電(VSC-HVDC,Voltage Source Converter High-Voltage Direct Current)技術是當今世界電力電子技術應用領域的制高點，能有效提高電能質量并確保電網安全穩定運行，是智能電網發展中具有代表性的關鍵技術之一。

但是，已有研究表明，盡管VSC-HVDC性能優良、運行靈活，但因其損耗較高、換流器容量限制等缺陷，使得其在較大型風電場并網中的應用并非最優方案。

此時，一種新型的模塊化多電平換流器(MMC,Modular Multilevel Converter)應運而生。與VSC相比，MMC具有擴展性好、諧波小、開關頻率低、對器件一致觸發要求少等優點，尤其適用于高壓直流輸電應用場合，因而得到了越來越多的關注和研究。

MMC一般由多個結構相同的子模塊(SM,Sub-module)級聯構成。目前，用于構成MMC拓撲結構的子模塊主要有H-MMC(半橋子模塊)、F-MMC(全橋子模塊)和C-MMC(箝位雙子模塊) 三種。其中，半橋子模塊因具有結構簡單、功率器件少、控制算法易于實現、損耗小和系統效率高等優勢而在換流器中得到廣泛應用。但是，半橋子模塊級聯形成的MMC無法有效閉鎖直流故障，因此，一旦發生直流故障，勢必會燒毀其中的IGBT和二極管等電子器件，從而造成極大的損失。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是針對現有技術中所存在的上述缺陷，提供一種應用于柔性直流輸電的MMC拓撲結構，能夠在發生直流故障時有效地減小故障電流，避免燒毀其中的電子器件。

解決本發明技術問題所采用的技術方案是：

本發明提供一種應用于柔性直流輸電的MMC拓撲結構，包括三個相單元，每個相單元均包括上橋臂和下橋臂，每個相單元的上橋臂和下橋臂均包括串聯的電抗器和多個子模塊，每個子模塊均包括彼此連接的第一半橋電路、第二半橋電路和引導晶體管，所述第一半橋電路和第二半橋電路均包括抵消電容，所述拓撲結構還包括控制單元，其用于判斷系統是否出現直流故障，以及在判斷系統出現直流故障時控制每個子模塊的引導晶體管關斷，以使故障電流流經每個子模塊的第一半橋電路的抵消電容和第二半橋電路的抵消電容后流入故障點，從而抑制故障電流。

優選地，所述第一半橋電路包括晶體管VT1及與其反向并聯的二極管VD1、晶體管VT2及與其反向并聯的二極管VD2，以及作為抵消電容的電容C12，晶體管VT1和晶體管VT2串聯，電容C12與二者并聯；

所述第二半橋電路包括晶體管VT3及與其反向并聯的二極管VD3、晶體管VT4及與其反向并聯的二極管VD4，以及作為抵消電容的電容C21，晶體管VT3和晶體管VT4串聯，電容C21與二者并聯；

每個子模塊還包括連接在第一半橋電路和第二半橋電路之間的二極管VD6；

所述控制單元具體用于在判斷出現直流故障時控制每個子模塊的引導晶體管關斷，以使故障電流依次流經每個子模塊的第二半橋電路中的電容C21、二極管VD6、第一半橋電路中的電容C12后，流入故障點。

進一步優選地，所述第一半橋電路還包括與電容C12串聯的電容C11，且電容C11和電容C12與晶體管VT1和晶體管VT2并聯；所述第二半橋電路還包括與電容C22串聯的電容C21，且電容C21和電容C22與晶體管VT3和晶體管VT4并聯；

所述控制單元具體用于在判斷出現直流故障時控制每個子模塊的引導晶體管、晶體管VT1、晶體管VT2、晶體管VT3和晶體管VT4均關斷，以使故障電流依次流經每個子模塊的二極管VD3、電容C21、二極管VD6、電容C12和二極管VD2后，流入故障點。

優選地，所述控制單元還用于在判斷系統處于正常工作狀態時控制每個子模塊的引導晶體管始終導通。

優選地，所述控制單元還用于在判斷系統處于正常工作狀態時，通過控制每個子模塊的晶體管VT1導通或晶體管VT2導通而使電容C11和電容C12被接入系統或從系統中切除；以及通過控制每個子模塊的晶體管VT3導通或晶體管VT4導通而使電容C21和電容C22被接入系統或從系統中切除。

進一步優選地，所述控制單元具體用于在判斷系統處于正常工作狀態時，通過控制每個子模塊的晶體管VT1導通、晶體管VT2關斷而使電容C11和電容C12被接入系統，通過控制每個子模塊的晶體管VT1關斷、晶體管VT2導通而使電容C11和電容C12被從系統中切除；以及通過控制每個子模塊的晶體管VT4導通、晶體管VT3關斷而使電容C21和電容C22被接入系統，通過控制每個子模塊的晶體管VT4關斷、晶體管VT3導通而使電容C21和電容C22被從系統中切除。

優選地，每個子模塊還包括與所述引導晶體管反向并聯的二極管VD5。

優選地，每個子模塊中采用的開關器件包括絕緣柵雙極型晶 體管。

有益效果：

本發明所述應用于柔性直流輸電的MMC拓撲結構采用新型子模塊，在判斷系統出現直流故障時控制每個子模塊的引導晶體管關斷，從而切斷故障通路，以使得故障電流流經每個子模塊的第一半橋電路的抵消電容和第二半橋電路的抵消電容后流入故障點，此時第一半橋電路的抵消電容和第二半橋電路的抵消電容能夠為系統回路提供反向電壓，用以抵消交流電壓到故障點之間的電壓差，而電壓差減小，自然就抑制了回路中的故障電流，實現直流故障電流的隔離，從而能有效閉鎖直流故障。因此，本發明所述應用于柔性直流輸電的MMC拓撲結構能夠在發生直流故障時，自動抑制故障電流，從而保護了其中的電子器件。

附圖說明

圖1為本發明實施例提供的應用于柔性直流輸電的MMC拓撲結構的示意圖；

圖2為本發明實施例提供的子模塊的結構示意圖；以及

圖3為本發明實施例提供的故障電流流向示意圖。

具體實施方式

為使本領域技術人員更好地理解本發明的技術方案，下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細描述。

如圖1所示，本發明實施例提供一種應用于柔性直流輸電的MMC(Modular Multilevel Converter，模塊化多電平換流器)拓撲結構，其包括三個相單元，分別為A相單元、B相單元和C相單元，每個相單元均包括上橋臂和下橋臂，每個相單元的上橋臂和下橋臂的結構相同，均包括依次串聯的電抗器L和n個子模塊。每個相單元的子模塊的數量是由系統設計之初通過直流母線電壓、電子器件耐壓等級以及子模塊的類型等因素共同決定的，本實施 例中，每個相單元的子模塊的數量N＝2n＝Udct/Udcs，其中Udct是正負直流母線之間的電壓，Udcs是每個子模塊的電容電壓。

具體地，對于A相單元的上橋臂，輸出端Ag依次連接電抗器L_A上、n個子模塊后接入直流母線電壓的正極Vdc+，其中，子模塊1的輸出端A與直流母線電壓的正極Vdc+連接、輸出端B與相鄰的子模塊2的輸出端A連接，子模塊n的輸出端A與相鄰的子模塊(n-1)的輸出端B連接、子模塊n的輸出端B與電抗器L_A上的一端連接，電抗器L_A上的另一端與輸出端Ag連接，A相單元的上橋臂的其他子模塊的輸出端A均與其相鄰的上一個子模塊的輸出端B連接、輸出端B均與其相鄰的下一個子模塊的輸出端A連接。某一子模塊相鄰的上一個子模塊指的是與該子模塊相鄰且在電路連接關系上比該子模塊更接近直流母線電壓的正極Vdc+的子模塊，例如子模塊2是與子模塊3相鄰的上一個子模塊；某一子模塊相鄰的下一個子模塊指的是與該子模塊相鄰且在電路連接關系上比該子模塊更接近輸出端子Ag的子模塊，例如子模塊3是與子模塊2相鄰的下一個子模塊。電流路徑為：輸出端Ag→電抗器L_A上→子模塊n的輸出端B→子模塊n的輸出端A→子模塊(n-1)的輸出端B→子模塊(n-1)的輸出端A→…→子模塊1的輸出端B→子模塊1的輸出端A→直流母線電壓的正極Vdc+。B相單元和C相單元的上橋臂的結構均與A相單元的上橋臂的結構相同，不再贅述。

對于A相單元的下橋臂，輸出端Ag依次連接電抗器L_A下、n個子模塊后接入直流母線電壓的負極Vdc-，其中，子模塊1的輸出端A與直流母線電壓的負極Vdc-連接、輸出端B與相鄰的子模塊2的輸出端A連接，子模塊n的輸出端A與相鄰的子模塊(n-1)的輸出端B連接、子模塊n的輸出端B與電抗器L_A下的一端連接，電抗器L_A下的另一端與輸出端Ag連接，A相單元的下橋臂的其他子模塊的輸出端A均與其相鄰的上一個子模塊的輸出端B連接、輸出端B均與其相鄰的下一個子模塊的輸出端A連接。某一子模塊相鄰的上一個子模塊指的是與該子模塊相鄰且在電路連接關系 上比該子模塊更接近直流母線電壓的負極Vdc-的子模塊，例如子模塊2是與子模塊3相鄰的上一個子模塊；某一子模塊相鄰的下一個子模塊指的是與該子模塊相鄰且在電路連接關系上比該子模塊更接近輸出端子Ag的子模塊，例如子模塊3是與子模塊2相鄰的下一個子模塊。電流路徑為：輸出端Ag→電抗器L_A下→子模塊n的輸出端B→子模塊n的輸出端A→子模塊(n-1)的輸出端B→子模塊(n-1)的輸出端A→…→子模塊1的輸出端B→子模塊1的輸出端A→直流母線電壓的負極Vdc-。B相單元和C相單元的下橋臂的結構均與A相單元的下橋臂的結構相同，不再贅述。

每個子模塊中采用的開關器件包括絕緣柵雙極型晶體管(IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor)和二極管。當然，IGBT也可采用其他類型的能夠起到開關作用的晶體管替代。本實施例中，以采用的晶體管為IGBT為例進行描述。

本實施例中，每個子模塊的結構均相同，包括彼此連接的第一半橋電路、第二半橋電路和引導IGBT，所述第一半橋電路和第二半橋電路均包括抵消電容，所述拓撲結構還包括控制單元，其用于判斷系統是否出現直流故障，以及在判斷系統出現直流故障時控制每個子模塊的引導IGBT關斷，以使故障電流流經每個子模塊的第一半橋電路的抵消電容和第二半橋電路的抵消電容后流入故障點，通過抵消電容提供的反向電壓來抵消交流電壓到故障點之間的電壓差，從而能有效抑制故障電流。其中，第一半橋電路和第二半橋電路可采用現有的半橋電路，故具體組成和器件連接關系不再贅述。

具體地，第一半橋電路包括IGBT VT1及與其反向并聯的二極管VD1、IGBT VT2及與其反向并聯的二極管VD2，以及作為抵消電容的電容C12，IGBT VT1和IGBT VT2串聯，電容C12與二者(即VT1和VT2)并聯；第二半橋電路包括IGBT VT3及與其反向并聯的二極管VD3、IGBT VT4及與其反向并聯的二極管VD4，以及作為抵消電容的電容C21，IGBT VT3和IGBT VT4串聯，電容C21與二者(即VT3和VT4)并聯；每個子模塊還包括 連接在第一半橋電路和第二半橋電路之間的二極管VD6；控制單元具體用于在判斷出現直流故障時控制每個子模塊的引導IGBT關斷，以使故障電流依次流經每個子模塊的第二半橋電路中的電容C21、二極管VD6、第一半橋電路中的電容C12后，流入故障點。

進一步地，第一半橋電路還包括與電容C12串聯的電容C11，且電容C11和電容C12與IGBT VT1和IGBT VT2并聯；第二半橋電路還包括與電容C22串聯的電容C21，且電容C21和電容C22與IGBT VT3和IGBT VT4并聯；控制單元具體用于在判斷出現直流故障時控制每個子模塊的引導IGBT、IGBT VT1、IGBT VT2、IGBT VT3和IGBT VT4均關斷，以使故障電流依次流經每個子模塊的二極管VD3、電容C21、二極管VD6、電容C12和二極管VD2后，流入故障點；以及，在判斷系統處于正常工作狀態時，控制每個子模塊的引導IGBT始終導通，而其余IGBT則按照工作需要導通或關斷。每個子模塊還包括與所述引導IGBT反向并聯的二極管VD5。

因此，系統在正常工作狀態時，每個子模塊的IGBT VT5被解鎖而始終處于導通狀態；系統在出現直流故障時，每個子模塊的IGBT VT5被閉鎖而處于關斷狀態，由其中的二極管VD6提供電流通路。

下面結合圖2詳細描述每個子模塊的具體結構。

如圖2所示，每個子模塊均包括5個IGBT、6個二極管和4個電容，每個IGBT均反向并聯一個二極管。其中，IGBT VT1、二極管VD1、IGBT VT2、二極管VD2、電容C11和電容C12構成第一半橋電路，IGBT VT3、二極管VD3、IGBT VT4、二極管VD4、電容C21和電容C22構成第二半橋電路，IGBT VT5作為引導IGBT，二極管VD6的負極與第一半橋電路中的電容C11和電容C12的連接點相連、正極與第二半橋電路中的電容C21和電容C22的連接點相連，即二極管VD6連接在兩個半橋電路之間。

具體地，IGBT VT1的集電極分別與二極管VD1的負極、電 容C11的正極連接，IGBT VT1的發射極分別與二極管VD1的正極、IGBT VT2的集電極連接，IGBT VT2的集電極還與二極管VD2的負極連接，IGBT VT2的發射極分別與二極管VD2的正極、電容C12的負極連接，電容C11的負極與電容C12的正極連接，輸出端A與IGBT VT1的發射極和IGBT VT2的集電極的連接點相連；IGBT VT3的集電極分別與二極管VD3的負極、電容C21的正極連接，IGBT VT3的發射極分別與二極管VD3的正極、IGBT VT4的集電極連接，IGBT VT4的集電極還與二極管VD4的負極連接，IGBT VT4的發射極分別與二極管VD4的正極、電容C22的負極連接，電容C21的負極與電容C22的正極連接，輸出端B與IGBT VT3的發射極和IGBT VT4的集電極的連接點相連；IGBT VT5的發射極分別與IGBT VT2的發射極、二極管VD5的正極連接，IGBT VT5的集電極分別與IGBT VT3的集電極、二極管VD5的負極連接；二極管VD6的負極與電容C11和電容C12的連接點相連，二極管VD6的正極與電容C21和電容C22的連接點相連；IGBT VT1至IGBT VT5的柵極均與控制單元相連，以接收控制單元發出的驅動信號，并在驅動信號的驅動下導通或關斷。

本實施例中，控制單元還用于在判斷系統處于正常工作狀態時，通過控制每個子模塊的IGBT VT1導通或IGBT VT2導通而使電容C11和電容C12被接入系統或從系統中切除；以及通過控制每個子模塊的IGBT VT3導通或IGBT VT4導通而使電容C21和電容C22被接入系統或從系統中切除。通過將電容C11和電容C12投入或切除系統，以及將電容C21和電容C22投入或切除系統，可以調整閥側交流輸出端Ag、Bg和Cg處的電壓，從而通過電壓的調整達到輸出相應功率的目的。

可見，每個子模塊在控制單元的控制下按照工作要求輸出或不輸出電容電壓，或者輸出不同等級的電容電壓，從而通過對各個子模塊的控制使各個相單元輸出近似正弦的電壓。

進一步地，控制單元具體用于在判斷系統處于正常工作狀態時，通過控制每個子模塊的IGBT VT1導通、IGBT VT2關斷而使 電容C11和電容C12被接入系統以提供電容電壓，通過控制每個子模塊的IGBT VT1關斷、IGBT VT2導通而使電容C11和電容C12被從系統中切除以不再提供電容電壓；以及通過控制每個子模塊的IGBT VT4導通、IGBT VT3關斷而使電容C21和電容C22被接入系統以提供電容電壓，通過控制每個子模塊的IGBT VT4關斷、IGBT VT3導通而使電容C21和電容C22被從系統中切除以不再提供電容電壓。

下面結合圖2詳細描述電容C11和電容C12，以及電容C21和電容C22被接入系統或從系統中切除的具體情況。

1)若電流從輸出端A流向輸出端B，

當控制單元控制IGBT VT1和IGBT VT3導通，IGBT VT2和IGBT VT4關斷時，

則每個子模塊中電流路徑為：輸出端A→二極管VD1→電容C11→電容C12→二極管VD5→IGBT VT3→輸出端B；

當控制單元控制IGBT VT1和IGBT VT4導通，IGBT VT2和IGBT VT3關斷時，

則每個子模塊中電流路徑為：輸出端A→二極管VD1→電容C11→電容C12→二極管VD5→電容C21→電容C22→二極管VD4→輸出端B；

當控制單元控制IGBT VT2和IGBT VT3導通，IGBT VT1和IGBT VT4關斷時，

則每個子模塊中電流路徑為：輸出端A→IGBT VT2→二極管VD5→IGBT VT3→輸出端B；

當控制單元控制IGBT VT2和IGBT VT4導通，IGBT VT1和IGBT VT3關斷時，

則每個子模塊中電流路徑為：輸出端A→IGBT VT2→二極管VD5→電容C21→電容C22→二極管VD4→輸出端B。

2)若電流從輸出端B流向輸出端A，

當控制單元控制IGBT VT1和IGBT VT3導通，IGBT VT2和IGBT VT4關斷時，

則每個子模塊中電流路徑為：輸出端B→二極管VD3→IGBT VT5→電容C12→電容C11→IGBT VT1→輸出端A；

當控制單元控制IGBT VT1和IGBT VT4導通，IGBT VT2和IGBT VT3關斷時，

則每個子模塊中電流路徑為：輸出端B→IGBT VT4→電容C22→電容C21→IGBT VT5→電容C12→電容C11→IGBT VT1→輸出端A；

當控制單元控制IGBT VT2和IGBT VT3導通，IGBT VT1和IGBT VT4關斷時，

則每個子模塊中電流路徑為：輸出端B→二極管VD3→IGBT VT5→二極管VD2→輸出端A；

當控制單元控制IGBT VT2和IGBT VT4導通，IGBT VT1和IGBT VT3關斷時，

則每個子模塊中電流路徑為：輸出端B→IGBT VT4→電容C22→電容C21→IGBT VT5→二極管VD2→輸出端A。

本發明實施例在判斷系統發生直流故障時，閉鎖每個子模塊的引導IGBT，從而切斷故障通路，以使故障電流流經每個子模塊的二極管VD3、電容C21、二極管VD6、電容C12和二極管VD2后流入故障點，而電容C21和電容C12能夠提供反向電壓，從而有效地減小了直流故障電流，閉鎖直流故障。下面結合圖3，以A相單元上橋臂為例詳細描述故障電流的流向。A相單元的下橋臂、B相單元的上橋臂與下橋臂、C相單元的上橋臂與下橋臂均與A相單元上橋臂的情形相同或相類似，此處不再贅述。

當控制單元檢測出系統發生直流故障時，如果不進行任何控制，則以子模塊1為例，故障電流在每個子模塊的路徑為：輸出端B→二極管VD3→IGBT VT5→二極管VD2→輸出端A→故障點E，可見，該路徑中未經過任何模塊電容，無法提供反向的電壓來抵消故障造成的過電流。為了抵消故障電流，如圖3所示，控制單元一旦檢測到系統發生直流故障，則向每個子模塊的所有IGBT發送驅動信號以閉鎖所有的IGBT，則故障電流在每個子模塊的路 徑為：輸出端B→二極管VD3→電容C21→二極管VD6→電容C12→二極管VD2→輸出端A→故障點E，可見，該路徑中故障電流會流經電容C12和電容C21，而電容C12和電容C21會為電流回路提供一個反向電壓，用以抵消交流電壓到故障點之間的電壓差。電壓差減小，故障電流自然得到抑制。

此外，每個子模塊中，電容C12和電容C21容值的選擇會影響對故障電流的抑制效果，當電容C12和電容C21的電容電壓所占的比重越大，即電容C12的電容電壓與電容C11、電容C12、電容C21和電容C22的電容電壓之和的比值越大，以及電容C21的電容電壓與電容C11、電容C12、電容C21和電容C22的電容電壓之和的比值越大，對故障電流的抑制效果越好。

需要說明的是，各個相單元的上橋臂的故障點位于直流母線電壓的正極Vdc+，各個相單元的下橋臂的故障點位于直流母線電壓的負極Vdc-。

可以理解的是，以上實施方式僅僅是為了說明本發明的原理而采用的示例性實施方式，然而本發明并不局限于此。對于本領域內的普通技術人員而言，在不脫離本發明的精神和實質的情況下，可以做出各種變型和改進，這些變型和改進也視為本發明的保護范圍。