CN106877698A - 一种柔性直流输电系统拓扑结构 - Google Patents

一种柔性直流输电系统拓扑结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种柔性直流输电系统拓扑结构，包括三个相单元，每个相单元均包括上桥臂和下桥臂，每个相单元的上桥臂和下桥臂均包括串联的电抗器和多个子模块，所述多个子模块中的部分子模块为第一子模块，其余子模块为第二子模块，且每个第一子模块均包括引导晶体管和抵消电容，所述拓扑结构还包括控制单元，其用于判断系统是否出现直流故障，以及在判断系统出现直流故障时控制每个第一子模块中的引导晶体管关断，以使故障电流流经每个第一子模块的抵消电容后流入故障点，从而抑制故障电流。本发明能够在发生直流故障时有效地减小故障电流，避免烧毁其中的电子器件。

Description

一种柔性直流输电系统拓扑结构
技术领域
本发明涉及柔性直流输配电技术领域，具体涉及一种柔性直流输电系统拓扑结构。
背景技术
柔性直流输电技术是构建智能电网的重要组成部分。与传统输电方式相比，柔性直流输电在孤岛供电、城市配电网的增容改造、交流系统互联、大规模风电场并网等方面具有较强的技术优势，是改变大电网发展格局的战略选择。
模块化多电平换流器(MMC,Modular Multilevel Converter)因具备开关频率低、损耗小等优点，已被广泛应用于柔性直流输电系统，是目前比较主流的柔性直流输电换流器结构之一。
MMC一般由多个结构相同的子模块(SM,Sub-module)级联构成。目前，用于构成MMC拓扑结构的子模块主要有H-MMC(半桥子模块)、F-MMC(全桥子模块)和C-MMC(箝位双子模块)三种。其中，半桥子模块因具有结构简单、功率器件少、控制算法易于实现、损耗小和系统效率高等优势而在换流器中得到广泛应用。但是，半桥子模块级联形成的MMC无法有效闭锁直流故障，因此，一旦发生直流故障，势必会烧毁其中的IGBT和二极管等电子器件，从而造成极大的损失。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中所存在的上述缺陷，提供一种柔性直流输电系统拓扑结构，能够在发生直流故障时有效地减小故障电流，避免烧毁其中的电子器件。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种柔性直流输电系统拓扑结构，包括三个相单元，每个相单元均包括上桥臂和下桥臂，每个相单元的上桥臂和下桥臂均包括串联的电抗器和多个子模块，所述多个子模块中的部分子模块为第一子模块，其余子模块为第二子模块，且每个第一子模块均包括引导晶体管和抵消电容，所述拓扑结构还包括控制单元，其用于判断系统是否出现直流故障，以及在判断系统出现直流故障时控制每个第一子模块中的引导晶体管关断，以使故障电流流经每个第一子模块的抵消电容后流入故障点，从而抑制故障电流。
优选地，所述第一子模块还包括第一半桥电路和第二半桥电路，且第一半桥电路和第二半桥电路中均含有抵消电容，第一半桥电路、第二半桥电路和引导晶体管彼此连接。
进一步优选地，所述第一半桥电路包括晶体管VT11及与其反向并联的二极管VD11、晶体管VT12及与其反向并联的二极管VD12，以及作为抵消电容的电容C11，晶体管VT11和晶体管VT12串联，电容C11与二者并联；
所述第二半桥电路包括晶体管VT13及与其反向并联的二极管VD13、晶体管VT14及与其反向并联的二极管VD14，以及作为抵消电容的电容C12，晶体管VT13和晶体管VT14串联，电容C12与二者并联；
每个第一子模块还包括连接在第一半桥电路的电容C11的正极和第二半桥电路的电容C12的负极之间的二极管VD16；
所述控制单元具体用于在判断出现直流故障时控制每个第一子模块的引导晶体管关断，以使故障电流依次流经每个第一子模块的二极管VD13、电容C12、二极管VD16、电容C11和二极管VD12后，流入故障点。
优选地，所述控制单元还用于在判断系统处于正常工作状态时控制每个第一子模块的引导晶体管始终导通。
优选地，所述控制单元还用于在判断系统处于正常工作状态时，通过控制每个第一子模块的晶体管VT11导通或晶体管VT12导通而使电容C11被接入系统或从系统中切除；以及通过控制每个第一子模块的晶体管VT13导通或晶体管VT14导通而使电容C12被接入系统或从系统中切除。
优选地，所述控制单元具体用于在判断系统处于正常工作状态时，通过控制每个第一子模块的晶体管VT11导通、晶体管VT12关断而使电容C11被接入系统，通过控制每个第一子模块的晶体管VT11关断、晶体管VT12导通而使电容C11被从系统中切除；以及通过控制每个第一子模块的晶体管VT14导通、晶体管VT13关断而使电容C12被接入系统，通过控制每个第一子模块的晶体管VT14关断、晶体管VT13导通而使电容C12被从系统中切除。
优选地，每个第一子模块还包括与所述引导晶体管反向并联的二极管VD15。
优选地，每个子模块中采用的开关器件包括绝缘栅双极型晶体管。
优选地，每个相单元的上桥臂或下桥臂的第一子模块的数量需满足的条件是，该数量的第一子模块能够阻断的直流故障电流的强度不低于待阻断的直流故障电流的强度。
有益效果：
本发明所述柔性直流输电系统拓扑结构采用新型子模块，在判断系统出现直流故障时控制每个第一子模块的引导晶体管关断，从而切断故障通路，以使得故障电流流经每个第一子模块的抵消电容后流入故障点，此时抵消电容能够为系统回路提供反向电压，用以抵消交流电压到故障点之间的电压差，而电压差减小，自然就抑制了回路中的故障电流，实现直流故障电流的隔离，从而能有效闭锁直流故障。因此，本发明所述柔性直流输电系统拓扑结构能够在发生直流故障时，自动抑制故障电流，从而保护了其中的电子器件。
附图说明
图1为发明实施例提供的柔性直流输电系统拓扑结构的示意图；
图2为本发明实施例提供的第一子模块的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的第二子模块的结构示意图；以及
图4为本发明实施例提供的故障电流流向示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，本发明实施例提供一种柔性直流输电系统拓扑结构，具体涉及一种三相MMC(Modular Multilevel Converter，模块化多电平换流器)拓扑结构，其包括三个相单元，分别为A相单元、B相单元和C相单元，每个相单元均包括上桥臂和下桥臂，每个相单元的上桥臂和下桥臂的结构相同，均包括依次串联的电抗器L、m个第一子模块和n个第二子模块。每个相单元的子模块的总数2(m+n)是由系统设计之初通过直流母线电压、电子器件耐压等级以及子模块的类型等因素共同决定的。
具体地，对于A相单元的上桥臂，输出端Ag依次连接电抗器LA上、m个第一子模块、n个第二子模块后接入直流母线电压的正极Vdc+，其中，第二子模块1的输出端A2与直流母线电压的正极Vdc+连接、输出端B2与相邻的第二子模块2的输出端A2连接，第二子模块n的输出端A2与相邻的第二子模块(n-1)的输出端B2连接、第二子模块n的输出端B2与第一子模块1的输出端A1连接，第一子模块1的输出端B1与相邻的第一子模块2的输出端A1连接，第一子模块m的输出端A1与相邻的第一子模块(m-1)的输出端B1连接，第一子模块m的输出端B1与电抗器LA 上的一端连接，电抗器LA上的另一端与输出端Ag连接，A相单元的上桥臂的其他第一/第二子模块的输出端A1/A2均与其相邻的上一个第一/第二子模块的输出端B1/B2连接、A相单元的上桥臂的其他第一/第二子模块的输出端B1/B2均与其相邻的下一个第一/第二子模块的输出端A1/A2连接，某一个第一/第二子模块相邻的上一个第一/第二子模块指的是与该第一/第二子模块相邻且在电路连接关系上比该第一/第二子模块更接近直流母线电压的正极Vdc+的子模块，例如第一/第二子模块2是与第一/第二子模块3相邻的上一个子模块；某一个第一/第二子模块相邻的下一个第一/第二子模块指的是与该第一/第二子模块相邻且在电路连接关系上比该第一/第二子模块更接近输出端子Ag的子模块，例如第一/第二子模块3是与第一/第二子模块2相邻的下一个子模块。电流路径为：输出端Ag→电抗器LA上→第一子模块m的输出端B1→第一子模块m的输出端A1→···→第一子模块1的输出端B1→第一子模块1的输出端A1→第二子模块n的输出端B2→第二子模块n的输出端A2→···→第二子模块1的输出端B2→第二子模块1的输出端A2→直流母线电压的正极Vdc+。B相单元和C相单元的上桥臂的结构均与A相单元的上桥臂的结构相同，不再赘述。
对于A相单元的下桥臂，输出端Ag依次连接电抗器LA下、m个第一子模块、n个第二子模块后接入直流母线电压的负极Vdc-，其中，第二子模块1的输出端A2与直流母线电压的负极Vdc-连接、输出端B2与相邻的第二子模块2的输出端A2连接，第二子模块n的输出端A2与相邻的第二子模块(n-1)的输出端B2连接、第二子模块n的输出端B2与第一子模块1的输出端A1连接，第一子模块1的输出端B1与相邻的第一子模块2的输出端A1连接，第一子模块m的输出端A1与相邻的第一子模块(m-1)的输出端B1连接，第一子模块m的输出端B1与电抗器LA下的一端连接，电抗器LA下的另一端与输出端Ag连接，A相单元的下桥臂的其他第一/第二子模块的输出端A1/A2均与其相邻的上一个第一/第二子模块的输出端B1/B2连接、A相单元的下桥臂的其他第一/第二子模块的输出端B1/B2均与其相邻的下一个第一/第二子模块的输出端A1/A2连接，某一个第一/第二子模块相邻的上一个第一/第二子模块指的是与该第一/第二子模块相邻且在电路连接关系上比该第一/第二子模块更接近直流母线电压的负极Vdc-的子模块，例如第一/第二子模块2是与第一/第二子模块3相邻的上一个子模块；某一个第一/第二子模块相邻的下一个第一/第二子模块指的是与该第一/第二子模块相邻且在电路连接关系上比该第一/第二子模块更接近输出端子Ag的子模块，例如第一/第二子模块3是与第一/第二子模块2相邻的下一个子模块。电流路径为：输出端Ag→电抗器LA下→第一子模块m的输出端B1→第一子模块m的输出端A1→···→第一子模块1的输出端B1→第一子模块1的输出端A1→第二子模块n的输出端B2→第二子模块n的输出端A2→···→第二子模块1的输出端B2→第二子模块1的输出端A2→直流母线电压的负极Vdc-。B相单元和C相单元的下桥臂的结构均与A相单元的下桥臂的结构相同，不再赘述。
当然，在实际应用中，m个第一子模块和n个第二子模块的连接关系不限于上述描述。例如，输出端Ag不必依次连接电抗器LA上、m个第一子模块、n个第二子模块后接入直流母线电压的正极Vdc+，也可以使输出端Ag依次连接电抗器LA上、n个第二子模块、m个第一子模块后接入直流母线电压的正极Vdc+，或者m个第一子模块(或n个第二子模块)也不必依次连接，比如第一子模块和第二子模块可以互相间隔。
每个子模块中采用的开关器件包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor)和二极管。当然，IGBT也可采用其他类型的能够起到开关作用的晶体管替代。本实施例中，以采用的晶体管为IGBT为例进行描述。
本实施例中，每个第一子模块的结构均相同，每个第二子模块的结构也相同。每个第一子模块均包括引导IGBT和抵消电容，而每个第二子模块可采用现有常用的应用于MMC拓扑结构的子模块，如半桥子模块、全桥子模块或箝位双子模块等，故第二子模块的具体组成和器件连接关系不再赘述。所述拓扑结构还包括控制单元，其用于判断系统是否出现直流故障，以及在判断系统出现直流故障时控制每个第一子模块中的引导IGBT关断，以使故障电流流经每个第一子模块的抵消电容后流入故障点，通过抵消电容提供的反向电压来抵消交流电压到故障点之间的电压差，从而有效抑制直流故障电流，可见，第一子模块具备直流阻断能力。
其中，第一子模块还包括第一半桥电路和第二半桥电路，且第一半桥电路和第二半桥电路中均含有抵消电容，第一半桥电路、第二半桥电路和引导IGBT彼此连接。而第一子模块中的第一半桥电路和第二半桥电路可采用现有的半桥电路，故具体组成和器件连接关系不再赘述。
具体地，第一子模块的第一半桥电路包括IGBT VT11及与其反向并联的二极管VD11、IGBT VT12及与其反向并联的二极管VD12，以及作为抵消电容的电容C11，IGBT VT11和IGBT VT12串联，电容C11与二者并联；第一子模块的第二半桥电路包括IGBT VT13及与其反向并联的二极管VD13、IGBT VT14及与其反向并联的二极管VD14，以及作为抵消电容的电容C12，IGBTVT13和IGBT VT14串联，电容C12与二者并联；每个第一子模块还包括连接在第一半桥电路的电容C11的正极和第二半桥电路的电容C12的负极之间的二极管VD16；所述控制单元具体用于在判断出现直流故障时控制每个第一子模块的引导IGBT、IGBTVT11、IGBT VT12、IGBT VT13和IGBT VT14均关断，以使故障电流依次流经每个第一子模块的二极管VD13、电容C12、二极管VD16、电容C11和二极管VD12后，流入故障点；以及，在判断系统处于正常工作状态时，控制每个第一子模块的引导IGBT始终导通，而第一子模块的其余IGBT则按照工作需要导通或关断。每个第一子模块还包括与所述引导IGBT反向并联的二极管VD15。
因此，系统在正常工作状态时，每个第一子模块的引导IGBT被解锁而始终处于导通状态；系统在出现直流故障时，每个第一子模块的引导IGBT被闭锁而处于关断状态，由其中的二极管VD16提供电流通路。
下面结合图2详细描述每个第一子模块的具体结构。
如图2所示，每个第一子模块均包括5个IGBT、6个二极管和2个电容，每个IGBT均反向并联一个二极管。其中，IGBT VT11、二极管VD11、IGBT VT12、二极管VD12和电容C11构成第一子模块的第一半桥电路，IGBT VT13、二极管VD13、IGBT VT14、二极管VD14和电容C12构成第一子模块的第二半桥电路，IGBTVT15作为引导IGBT，二极管VD16的负极与第一半桥电路的电容C11的正极相连、二极管VD16的正极与第二半桥电路的电容C12的负极相连，即二极管VD6连接在两个半桥电路之间。
具体地，IGBT VT11的集电极分别与二极管VD11的负极、电容C11的正极连接，IGBT VT11的发射极分别与二极管VD11的正极、IGBT VT12的集电极连接，IGBT VT12的集电极还与二极管VD12的负极连接，IGBT VT12的发射极分别与二极管VD12的正极、电容C11的负极连接，输出端A1与IGBT VT11的发射极和IGBT VT12的集电极的连接点相连；IGBT VT13的集电极分别与二极管VD13的负极、电容C12的正极连接，IGBT VT13的发射极分别与二极管VD13的正极、IGBT VT14的集电极连接，IGBT VT14的集电极还与二极管VD14的负极连接，IGBT VT14的发射极分别与二极管VD14的正极、电容C12的负极连接，输出端B1与IGBT VT13的发射极和IGBT VT14的集电极的连接点相连；IGBT VT15的发射极分别与IGBT VT12的发射极、二极管VD15的正极连接，IGBT VT15的集电极分别与IGBT VT13的集电极、二极管VD15的负极连接；二极管VD16的负极与电容C11的正极相连，二极管VD6的正极与电容C12的负极相连；IGBTVT11至IGBT VT15的栅极均与控制单元相连，以接收控制单元发出的驱动信号，并在驱动信号的驱动下导通或关断。
本实施例中，控制单元还用于在判断系统处于正常工作状态时，通过控制每个第一子模块的晶体管VT11导通或晶体管VT12导通而使电容C11被接入系统或从系统中切除；以及通过控制每个第一子模块的晶体管VT13导通或晶体管VT14导通而使电容C12被接入系统或从系统中切除。通过将电容C11投入或切除系统，以及将电容C12投入或切除系统，可以调整阀侧交流输出端Ag、Bg和Cg处的电压，从而通过电压的调整达到输出相应功率的目的。
可见，每个第一子模块在控制单元的控制下按照工作要求输出或不输出电容电压，或者输出不同等级的电容电压，从而通过对各个第一子模块的控制使各个相单元输出近似正弦的电压。
进一步地，控制单元具体用于在判断系统处于正常工作状态时，通过控制每个第一子模块的晶体管VT11导通、晶体管VT12关断而使电容C11被接入系统，通过控制每个第一子模块的晶体管VT11关断、晶体管VT12导通而使电容C11被从系统中切除；以及通过控制每个第一子模块的晶体管VT14导通、晶体管VT13关断而使电容C12被接入系统，通过控制每个第一子模块的晶体管VT14关断、晶体管VT13导通而使电容C12被从系统中切除。
下面结合图2详细描述电容C11和电容C12被接入系统或从系统中切除的具体情况。
11)若电流从输出端A1流向输出端B1，
当控制单元控制IGBT VT11和IGBT VT13导通，IGBT VT12和IGBT VT14关断时，
则每个第一子模块中电流路径为：输出端A1→二极管VD11→电容C11→二极管VD15→IGBT VT13→输出端B1；
当控制单元控制IGBT VT11和IGBT VT14导通，IGBT VT12和IGBT VT13关断时，
则每个第一子模块中电流路径为：输出端A1→二极管VD11→电容C11→二极管VD15→电容C12→二极管VD14→输出端B1；
当控制单元控制IGBT VT12和IGBT VT13导通，IGBT VT11和IGBT VT14关断时，
则每个第一子模块中电流路径为：输出端A1→IGBT VT12→二极管VD15→IGBT VT13→输出端B1；
当控制单元控制IGBT VT12和IGBT VT14导通，IGBT VT11和IGBT VT13关断时，
则每个第一子模块中电流路径为：输出端A1→IGBT VT12→二极管VD15→电容C12→二极管VD14→输出端B1。
12)若电流从输出端B1流向输出端A1，
当控制单元控制IGBT VT11和IGBT VT13导通，IGBT VT12和IGBT VT14关断时，
则每个第一子模块中电流路径为：输出端B1→二极管VD13→IGBT VT15→电容C11→IGBT VT11→输出端A1；
当控制单元控制IGBT VT11和IGBT VT14导通，IGBT VT12和IGBT VT13关断时，
则每个第一子模块中电流路径为：输出端B1→IGBT VT14→电容C12→IGBT VT15→电容C11→IGBT VT11→输出端A1；
当控制单元控制IGBT VT12和IGBT VT13导通，IGBT VT11和IGBT VT14关断时，
则每个第一子模块中电流路径为：输出端B1→二极管VD13→IGBT VT15→二极管VD12→输出端A1；
当控制单元控制IGBT VT12和IGBT VT14导通，IGBT VT11和IGBT VT13关断时，
则每个第一子模块中电流路径为：输出端B1→IGBT VT14→电容C12→IGBT VT15→二极管VD12→输出端A1。
本实施例中，第二子模块也包括第一半桥电路和第二半桥电路，且第一半桥电路与第二半桥电路相连。第二子模块的第一半桥电路和第二半桥电路也可采用现有的半桥电路，故具体组成和器件连接关系不再赘述。
具体地，第二子模块的第一半桥电路包括IGBT VT21及与其反向并联的二极管VD21、IGBT VT22及与其反向并联的二极管VD22，以及电容C21，IGBT VT21和IGBT VT22串联，电容C21与二者并联；第二子模块的第二半桥电路包括IGBT VT23及与其反向并联的二极管VD23、IGBT VT24及与其反向并联的二极管VD24，以及电容C22，IGBT VT23和IGBT VT24串联，电容C22与二者并联；电容C21和电容C22串联；所述控制单元具体用于在判断出现直流故障时控制每个第二子模块的IGBT VT21、IGBTVT22、IGBT VT23和IGBT VT24均关断，则故障电流依次流经每个第二子模块的二极管VD23和二极管VD22后流入故障点，可见第二子模块不具备能够抵消直流故障时产生的电压差的抵消电容，因而不具备直流阻断能力；以及，控制单元在判断系统处于正常工作状态时，控制每个第二子模块的各IGBT按照工作需要导通或关断。
下面结合图3详细描述每个第二子模块的具体结构。
如图3所示，每个第二子模块均包括4个IGBT、4个二极管和2个电容，每个IGBT均反向并联一个二极管。其中，IGBT VT21、二极管VD21、IGBT VT22、二极管VD22和电容C21构成第二子模块的第一半桥电路，IGBT VT23、二极管VD23、IGBT VT24、二极管VD24和电容C22构成第二子模块的第二半桥电路。
具体地，IGBT VT21的集电极分别与二极管VD21的负极、电容C21的正极连接，IGBT VT21的发射极分别与二极管VD21的正极、IGBT VT22的集电极连接，IGBT VT22的集电极还与二极管VD22的负极连接，IGBT VT22的发射极分别与二极管VD22的正极、电容C21的负极连接，输出端A与IGBT VT21的发射极和IGBT VT22的集电极的连接点相连；IGBT VT23的集电极分别与二极管VD23的负极、电容C22的正极连接，IGBT VT23的发射极分别与二极管VD23的正极、IGBT VT24的集电极连接，IGBTVT24的集电极还与二极管VD24的负极连接，IGBT VT24的发射极分别与二极管VD24的正极、电容C22的负极连接，输出端B与IGBT VT23的发射极和IGBT VT24的集电极的连接点相连；电容C21的负极与电容C22的正极连接；IGBT VT21至IGBT VT24的栅极均与控制单元相连，以接收控制单元发出的驱动信号，并在驱动信号的驱动下导通或关断。
本实施例中，控制单元还用于在判断系统处于正常工作状态时，通过控制每个第二子模块的晶体管VT21导通或晶体管VT22导通而使电容C21被接入系统或从系统中切除；以及通过控制每个第二子模块的晶体管VT23导通或晶体管VT24导通而使电容C22被接入系统或从系统中切除。通过将电容C21投入或切除系统，以及将电容C22投入或切除系统，可以调整阀侧交流输出端Ag、Bg和Cg处的电压，从而通过电压的调整达到输出相应功率的目的。
可见，每个第二子模块在控制单元的控制下按照工作要求输出或不输出电容电压，或者输出不同等级的电容电压，从而通过对各个第二子模块的控制使各个相单元输出近似正弦的电压。
进一步地，控制单元具体用于在判断系统处于正常工作状态时，通过控制每个第二子模块的晶体管VT21导通、晶体管VT22关断而使电容C21被接入系统，通过控制每个第二子模块的晶体管VT21关断、晶体管VT22导通而使电容C21被从系统中切除；以及通过控制每个第二子模块的晶体管VT24导通、晶体管VT23关断而使电容C22被接入系统，通过控制每个第二子模块的晶体管VT24关断、晶体管VT23导通而使电容C22被从系统中切除。
下面结合图3详细描述电容C21和电容C22被接入系统或从系统中切除的具体情况。
21)若电流从输出端A2流向输出端B2，
当控制单元控制IGBT VT21和IGBT VT23导通，IGBT VT22和IGBT VT24关断时，
则每个第二子模块中电流路径为：输出端A2→二极管VD21→电容C21→IGBT VT23→输出端B2；
当控制单元控制IGBT VT21和IGBT VT24导通，IGBT VT22和IGBT VT23关断时，
则每个第二子模块中电流路径为：输出端A2→二极管VD21→电容C21→电容C22→二极管VD24→输出端B2；
当控制单元控制IGBT VT22和IGBT VT23导通，IGBT VT21和IGBT VT24关断时，
则每个第二子模块中电流路径为：输出端A2→IGBT VT22→IGBT VT23→输出端B2；
当控制单元控制IGBT VT22和IGBT VT24导通，IGBT VT21和IGBT VT23关断时，
则每个第二子模块中电流路径为：输出端A2→IGBT VT22→电容C22→二极管VD24→输出端B2。
22)若电流从输出端B2流向输出端A2，
当控制单元控制IGBT VT21和IGBT VT23导通，IGBT VT22和IGBT VT24关断时，
则每个第二子模块中电流路径为：输出端B2→二极管VD23→电容C21→IGBT VT21→输出端A2；
当控制单元控制IGBT VT21和IGBT VT24导通，IGBT VT22和IGBT VT23关断时，
则每个第二子模块中电流路径为：输出端B2→IGBT VT24→电容C22→电容C21→IGBT VT21→输出端A2；
当控制单元控制IGBT VT22和IGBT VT23导通，IGBT VT21和IGBT VT24关断时，
则每个第二子模块中电流路径为：输出端B2→二极管VD23→二极管VD22→输出端A2；
当控制单元控制IGBT VT22和IGBT VT24导通，IGBT VT21和IGBT VT23关断时，
则每个第二子模块中电流路径为：输出端B2→IGBT VT24→电容C22→二极管VD22→输出端A2。
本发明实施例在判断系统发生直流故障时，闭锁每个第一子模块的引导IGBT，使故障电流流经每个第一子模块的二极管VD13、电容C12、二极管VD16、电容C11和二极管VD12后流入故障点，而电容C11和电容C12能够提供反向电压，从而有效地减小了直流故障电流，闭锁直流故障。下面结合图4，以A相单元上桥臂为例详细描述故障电流的流向。A相单元的下桥臂、B相单元的上桥臂与下桥臂、C相单元的上桥臂与下桥臂均与A相单元上桥臂的情形相同或相类似，此处不再赘述。
当控制单元检测出系统发生直流故障时，为了抵消故障电流，如图4所示，控制单元一旦检测到系统发生直流故障，则向每个第一子模块的所有IGBT发送驱动信号以闭锁所有的IGBT，则故障电流在每个第一子模块的路径为：输出端B1→二极管VD13→电容C12→二极管VD16→电容C11→二极管VD12→输出端A1→故障点E，可见，该路径中故障电流会流经电容C11和电容C12，而电容C11和电容C12会为电流回路提供一个反向电压，用以抵消交流电压到故障点之间的电压差。电压差减小，故障电流自然得到抑制。
需要说明的是，各个相单元的上桥臂的故障点位于直流母线电压的正极Vdc+，各个相单元的下桥臂的故障点位于直流母线电压的负极Vdc-。
此外，前已述及，第一子模块具备直流阻断能力，而第二子模块不具备直流阻断能力，但是第二子模块比第一子模块的电子器件少，即，缺少一个IGBT和两个二极管，故第二子模块的功耗及成本比第一子模块低，在每个相单元的上桥臂或下桥臂的子模块总数(m+n)一定的前提下，合理设计第一子模块的数量m和第二子模块的数量n既能够阻断直流故障电流又能降低成本、节约功耗。
优选地，每个相单元的上桥臂或下桥臂的第一子模块的数量m需满足的条件是，m个第一子模块能够阻断的直流故障电流的强度不低于待阻断的直流故障电流的强度。
具体地，每个相单元的上桥臂或下桥臂的第一子模块的数量m需满足的条件为：
单极接地故障时满足：
m*(Uc11+Uc12)≥Uphp (1)
两极短路故障时满足： (2)
2*m*(Uc11+Uc12)≥Ullp
式(1)和式(2)中，Uc11和Uc12分别是第一子模块中电容C11和电容C12的电压，Uphp是交流相电压的峰值，Ullp是交流线电压的峰值。较优地，m取式(1)和式(2)中较大的值。
当每个相单元的上桥臂或下桥臂的第一子模块的数量m满足上述条件时，m的数值越大，直流阻断效果越好，但成本和功耗越高；m的数值越小，成本和功耗越低，但直流阻断效果越差。本领域技术人员可根据实际情况选择m的取值，而由于(m+n)为定值，故在m的值确定以后，n的值也就确定了。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种柔性直流输电系统拓扑结构，包括三个相单元，每个相单元均包括上桥臂和下桥臂，每个相单元的上桥臂和下桥臂均包括串联的电抗器和多个子模块，其特征在于，所述多个子模块中的部分子模块为第一子模块，其余子模块为第二子模块，且每个第一子模块均包括引导晶体管和抵消电容，所述拓扑结构还包括控制单元，其用于判断系统是否出现直流故障，以及在判断系统出现直流故障时控制每个第一子模块中的引导晶体管关断，以使故障电流流经每个第一子模块的抵消电容后流入故障点，从而抑制故障电流。
2.根据权利要求1所述的拓扑结构，其特征在于，所述第一子模块还包括第一半桥电路和第二半桥电路，且第一半桥电路和第二半桥电路中均含有抵消电容，第一半桥电路、第二半桥电路和引导晶体管彼此连接。
3.根据权利要求2所述的拓扑结构，其特征在于，
所述第一半桥电路包括晶体管VT11及与其反向并联的二极管VD11、晶体管VT12及与其反向并联的二极管VD12，以及作为抵消电容的电容C11，晶体管VT11和晶体管VT12串联，电容C11与二者并联；
所述第二半桥电路包括晶体管VT13及与其反向并联的二极管VD13、晶体管VT14及与其反向并联的二极管VD14，以及作为抵消电容的电容C12，晶体管VT13和晶体管VT14串联，电容C12与二者并联；
每个第一子模块还包括连接在第一半桥电路的电容C11的正极和第二半桥电路的电容C12的负极之间的二极管VD16；
所述控制单元具体用于在判断出现直流故障时控制每个第一子模块的引导晶体管关断，以使故障电流依次流经每个第一子模块的二极管VD13、电容C12、二极管VD16、电容C11和二极管VD12后，流入故障点。
4.根据权利要求3所述的拓扑结构，其特征在于，所述控制单元还用于在判断系统处于正常工作状态时控制每个第一子模块的引导晶体管始终导通。
5.根据权利要求4所述的拓扑结构，其特征在于，所述控制单元还用于在判断系统处于正常工作状态时，通过控制每个第一子模块的晶体管VT11导通或晶体管VT12导通而使电容C11被接入系统或从系统中切除；以及通过控制每个第一子模块的晶体管VT13导通或晶体管VT14导通而使电容C12被接入系统或从系统中切除。
6.根据权利要求5所述的拓扑结构，其特征在于，所述控制单元具体用于在判断系统处于正常工作状态时，通过控制每个第一子模块的晶体管VT11导通、晶体管VT12关断而使电容C11被接入系统，通过控制每个第一子模块的晶体管VT11关断、晶体管VT12导通而使电容C11被从系统中切除；以及通过控制每个第一子模块的晶体管VT14导通、晶体管VT13关断而使电容C12被接入系统，通过控制每个第一子模块的晶体管VT14关断、晶体管VT13导通而使电容C12被从系统中切除。
7.根据权利要求1所述的拓扑结构，其特征在于，每个第一子模块还包括与所述引导晶体管反向并联的二极管VD15。
8.根据权利要求1所述的拓扑结构，其特征在于，每个子模块中采用的开关器件包括绝缘栅双极型晶体管。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的拓扑结构，其特征在于，每个相单元的上桥臂或下桥臂的第一子模块的数量需满足的条件是，该数量的第一子模块能够阻断的直流故障电流的强度不低于待阻断的直流故障电流的强度。
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