CN107947611B - 一种应用于柔性直流输电系统的mmc模块拓扑结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种应用于柔性直流输电系统的MMC模块拓扑结构，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，每个子模块均包括第一单元、第二单元，以及连接在二者之间的阻断单元和引导单元，所述第一单元和所述第二单元中的一者包括抵消电容，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子模块的阻断单元关闭，以使故障电流依次流经每个子模块的第二单元、引导单元和第一单元后流入故障点，且所述抵消电容位于故障电流路径上，用于抑制故障电流。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

一种应用于柔性直流输电系统的MMC模块拓扑结构
技术领域
本发明涉及柔性直流输配电技术领域，具体涉及一种应用于柔性直流输电系统的MMC模块拓扑结构。
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。
其中，与传统电压源换流器(Voltage Source Converter,VSC)相比，模块化多电平换流器(Modular Multilever Converter,MMC)因具有扩展性好、谐波小、开关频率低、对器件一致触发要求少等优点，更适用于直流输电应用场合。
MMC模块拓扑结构一般由多个结构相同的子模块(SM,Sub-module)级联构成。为降低损耗和器件数量，用于构成MMC模块拓扑结构的子模块一般采用半桥子模块。但是，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，因此，一旦发生直流故障，势必会烧毁其中的晶体管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，提供一种应用于柔性直流输电系统的MMC模块拓扑结构，其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：
本发明提供一种应用于柔性直流输电系统的MMC模块拓扑结构，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，其中，每个子模块均包括第一单元、第二单元，以及连接在二者之间的阻断单元和引导单元，所述第一单元和所述第二单元中的一者包括抵消电容，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子模块的阻断单元关闭，以使故障电流依次流经每个子模块的第二单元、引导单元和第一单元后流入故障点，且所述抵消电容位于故障电流路径上，用于抑制故障电流。
有益效果：
本发明所述应用于柔性直流输电系统的MMC模块拓扑结构采用了新型子模块，其能够在判断系统出现直流故障时控制每个子模块的阻断单元关闭，从而切断故障通路，以使得故障电流依次流经每个子模块的第二单元、引导单元和第一单元后流入故障点，且第一单元或第二单元中的抵消电容位于故障电流路径上，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，本发明所述应用于柔性直流输电系统的MMC模块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为本发明实施例1提供的应用于柔性直流输电系统的MMC模块拓扑结构的示意图；
图2为本发明实施例2提供的子模块的一种结构示意图；
图3为采用图2所示子模块的拓扑结构的故障电流流向示意图；
图4为本发明实施例2提供的子模块的另一种结构示意图；
图5为本发明实施例3提供的子模块的一种结构示意图；
图6为采用图5所示子模块的拓扑结构的故障电流流向示意图；
图7为本发明实施例3提供的子模块的另一种结构示意图；
图8为本发明实施例4提供的子模块的一种结构示意图；
图9为采用图8所示子模块的拓扑结构的故障电流流向示意图；
图10为本发明实施例4提供的子模块的另一种结构示意图。
图中：1－第一单元；2－第二单元；3－阻断单元；4－引导单元。
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。
实施例1：
如图1所示，本实施例提供一种应用于柔性直流输电系统的MMC(ModularMultilevel Converter，模块化多电平换流器)模块拓扑结构，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和n个子模块。每个相单元的子模块的数量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。本实施例中，每个相单元的子模块的数量m＝2n＝Udc/USM，其中Udc是正负直流母线之间的电压，USM是每个子模块的电容电压，n是每个桥臂上的子模块的数量，且n>1。
具体地，如图1所示，对于A相单元的上桥臂，输出端Ag依次连接电抗器LA上、n个子模块后接入直流母线电压的正极Vdc+，其中，子模块1的输出端A与直流母线电压的正极Vdc+连接、输出端B与相邻的子模块2的输出端A连接，子模块n的输出端A与相邻的子模块(n-1)的输出端B连接、子模块n的输出端B与电抗器LA上的一端连接，电抗器LA上的另一端与A相输出端Ag连接，A相单元的上桥臂的其他子模块(除子模块1和子模块n以外的子模块)的输出端A均与其相邻的上一个子模块的输出端B连接，A相单元的上桥臂的其他子模块的输出端B均与其相邻的下一个子模块的输出端A连接。这里，与某一子模块相邻的上一个子模块指的是与该子模块相邻且在电路连接关系上比该子模块更接近直流母线电压的正极Vdc+的子模块，例如子模块2是与子模块3相邻的上一个子模块；与某一子模块相邻的下一个子模块指的是与该子模块相邻且在电路连接关系上比该子模块更接近A相输出端子Ag的子模块，例如子模块3是与子模块2相邻的下一个子模块。电流路径为：A相输出端Ag→电抗器LA上→子模块n的输出端B→子模块n的输出端A→子模块(n-1)的输出端B→子模块(n-1)的输出端A→…→子模块1的输出端B→子模块1的输出端A→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，电流路径也类同，此处不再赘述。
如图1所示，对于A相单元的下桥臂，A相输出端Ag依次连接电抗器LA下、n个子模块后接入直流母线电压的负极Vdc-，其中，子模块1的输出端A与直流母线电压的负极Vdc-连接、输出端B与相邻的子模块2的输出端A连接，子模块n的输出端A与相邻的子模块(n-1)的输出端B连接、子模块n的输出端B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子模块(除子模块1和子模块n以外的子模块)的输出端A均与其相邻的上一个子模块的输出端B连接，A相单元的下桥臂的其他子模块的输出端B均与其相邻的下一个子模块的输出端A连接。这里，与某一子模块相邻的上一个子模块指的是与该子模块相邻且在电路连接关系上比该子模块更接近直流母线电压的负极Vdc-的子模块，例如子模块2是与子模块3相邻的上一个子模块；与某一子模块相邻的下一个子模块指的是与该子模块相邻且在电路连接关系上比该子模块更接近A相输出端子Ag的子模块，例如子模块3是与子模块2相邻的下一个子模块。电流路径为：A相输出端Ag→电抗器LA下→子模块n的输出端B→子模块n的输出端A→子模块(n-1)的输出端B→子模块(n-1)的输出端A→…→子模块1的输出端B→子模块1的输出端A→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，电流路径也类同，此处不再赘述。
本实施例中，每个子模块的结构均相同，包括第一单元1、第二单元2，以及连接在二者之间的阻断单元3和引导单元4，所述第一单元1和所述第二单元2中的一者包括抵消电容，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子模块的阻断单元3关闭，以使故障电流依次流经每个子模块的第二单元2、引导单元4和第一单元1后流入故障点，且所述抵消电容位于故障电流路径上，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，从而能有效抑制故障电流。
具体地，所述第一单元1包括晶体管VT1及与其反向并联的二极管VD1、晶体管VT2及与其反向并联的二极管VD2、以及电容C11，晶体管VT1和晶体管VT2串联，电容C11与二者(即晶体管VT1和晶体管VT2)并联；
所述第二单元2包括晶体管VT3及与其反向并联的二极管VD3、晶体管VT4及与其反向并联的二极管VD4、以及电容C22，晶体管VT3和晶体管VT4串联，电容C22与二者(即晶体管VT3和晶体管VT4)并联；
所述阻断单元3包括晶体管VT5及与其反向并联的二极管VD5；
所述引导单元4包括二极管VD6；
其中，晶体管VT5的发射极与第一单元1连接、集电极与第二单元2连接；二极管VD6的负极与第一单元1连接、正极与第二单元2连接；
所述控制单元具体用于在判断系统出现直流故障时控制每个子模块的晶体管VT5关断，以使故障电流依次流经每个子模块的第二单元2、二极管VD6、第一单元1后流入故障点，所述第一单元1的电容C11和所述第二单元2的电容C22中的一者为抵消电容，且所述抵消电容位于故障电流路径上。
当然，每个桥臂上的n个子模块可以全部采用上述结构，也可以有部分子模块(其数量小于n)采用其他结构，例如，该部分子模块可以采用现有的半桥电路、全桥电路及箝位双子电路等。需要注意的是，采用上述结构的子模块的数量不能太少，其数量至少要满足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。
本实施例中，每个子模块中采用的晶体管为全控型半导体器件，具体可以为IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)或IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristors，集成门极换流晶闸管)。
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-。每个子模块中的晶体管的栅极均与控制单元连接，用于在接收到控制单元发出的栅极驱动信号(触发脉冲为1)时使该晶体管导通，而在未接收到控制单元发出的栅极驱动信号(触发脉冲为0)时使该晶体管关断。
本实施例所述拓扑结构通过控制各子模块中的晶体管的导通和关断实现输出电平数的控制与直流故障阻断功能。
下面通过实施例2至4详细描述本发明中子模块的具体结构。
实施例2：
如图2所示，本实施例提供一种子模块，在该子模块的第一单元1中，晶体管VT1的集电极分别与二极管VD1的负极、电容C11的正极连接，晶体管VT1的发射极分别与二极管VD1的正极、晶体管VT2的集电极连接，晶体管VT2的集电极还与二极管VD2的负极连接，晶体管VT2的发射极分别与二极管VD2的正极、电容C11的负极连接，输出端A与晶体管VT1的发射极和晶体管VT2的集电极的连接点相连；
在该子模块的第二单元2中，晶体管VT3的集电极分别与二极管VD3的负极、电容C22的正极连接，晶体管VT3的发射极分别与二极管VD3的正极、晶体管VT4的集电极连接，晶体管VT4的集电极还与二极管VD4的负极连接，晶体管VT4的发射极分别与二极管VD4的正极、电容C22的负极连接，输出端B与晶体管VT3的发射极和晶体管VT4的集电极的连接点相连；
在该子模块的阻断单元3中，晶体管VT5的发射极与第一单元1的晶体管VT2的发射极连接，晶体管VT5的集电极与第二单元2的晶体管VT3的集电极连接；
在该子模块的引导单元4中，二极管VD6的负极与晶体管VT2的发射极和电容C11的负极的连接点相连，二极管VD6的正极与晶体管VT4的发射极和电容C22的负极的连接点相连；
控制单元具体用于在判断出现直流故障时控制每个子模块的晶体管VT1至VT5关断，以使故障电流依次流经每个子模块的二极管VD3、作为抵消电容的电容C22、二极管VD6、二极管VD2后流入故障点(如图3所示)；以及，在判断系统处于正常工作状态时，控制每个子模块的晶体管VT5始终导通，而其余晶体管则按照工作需要导通或关断。
可见，系统在正常工作状态时，每个子模块的晶体管VT5被解锁而始终处于导通状态；而在系统出现直流故障时，每个子模块的晶体管VT5被闭锁而处于关断状态，由其中的二极管VD6提供电流通路，并由作为抵消电容的电容C22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。
具体地，当控制单元检测出系统发生直流故障时，如果不进行任何控制，故障电流在每个子模块的路径为：输出端B→二极管VD3→晶体管VT5→二极管VD2→输出端A→故障点。可见，该路径中未经过任何模块电容，无法提供反向的电压来抵消故障造成的过电流。为了抵消故障电流，如图3所示，控制单元一旦检测到系统发生直流故障，则向每个子模块的所有晶体管发送驱动信号以闭锁所有的晶体管，则故障电流在每个子模块的路径为：输出端B→二极管VD3→电容C22→二极管VD6→二极管VD2→输出端A→故障点，可见，该路径中故障电流会流经电容C22，而电容C22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。
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，通过控制每个子模块的第一单元1的晶体管VT1导通或晶体管VT2导通而使电容C11被接入系统或从系统中切除；以及通过控制每个子模块的第二单元2的晶体管VT3导通或晶体管VT4导通而使电容C22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，通过控制每个子模块的第一单元1的晶体管VT1导通、晶体管VT2关断而使电容C11被接入系统以提供电容电压，通过控制每个子模块的第一单元1的晶体管VT1关断、晶体管VT2导通而使电容C11从系统中切除以不再提供电容电压；以及通过控制每个子模块的第二单元2的晶体管VT4导通、晶体管VT3关断而使电容C22被接入系统以提供电容电压，通过控制每个子模块的第二单元2的晶体管VT4关断、晶体管VT3导通而使电容C22从系统中切除以不再提供电容电压。
下面结合图2详细描述电容C11和电容C22被接入系统或从系统中切除的具体情况。
1)若电流从子模块的输出端A流向输出端B，
当控制单元控制晶体管VT1、晶体管VT3和晶体管VT5导通，晶体管VT2和晶体管VT4关断时，
则每个子模块中电流路径为：输出端A→二极管VD1→电容C11→二极管VD5→晶体管VT3→输出端B；
当控制单元控制晶体管VT1、晶体管VT4和晶体管VT5导通，晶体管VT2和晶体管VT3关断时，
则每个子模块中电流路径为：输出端A→二极管VD1→电容C11→二极管VD5→电容C22→二极管VD4→输出端B；
当控制单元控制晶体管VT2、晶体管VT3和晶体管VT5导通，晶体管VT1和晶体管VT4关断时，
则每个子模块中电流路径为：输出端A→晶体管VT2→二极管VD5→晶体管VT3→输出端B；
当控制单元控制晶体管VT2、晶体管VT4和晶体管VT5导通，晶体管VT1和晶体管VT3关断时，
则每个子模块中电流路径为：输出端A→晶体管VT2→二极管VD5→电容C22→二极管VD4→输出端B。
2)若电流从子模块的输出端B流向输出端A，
当控制单元控制晶体管VT1、晶体管VT3和晶体管VT5导通，晶体管VT2和晶体管VT4关断时，
则每个子模块中电流路径为：输出端B→二极管VD3→晶体管VT5→电容C11→晶体管VT1→输出端A；
当控制单元控制晶体管VT1、晶体管VT4和晶体管VT5导通，晶体管VT2和晶体管VT3关断时，
则每个子模块中电流路径为：输出端B→晶体管VT4→电容C22→晶体管VT5→电容C11→晶体管VT1→输出端A；
当控制单元控制晶体管VT2、晶体管VT3和晶体管VT5导通，晶体管VT1和晶体管VT4关断时，
则每个子模块中电流路径为：输出端B→二极管VD3→晶体管VT5→二极管VD2→输出端A；
当控制单元控制晶体管VT2、晶体管VT4和晶体管VT5导通，晶体管VT1和晶体管VT3关断时，
则每个子模块中电流路径为：输出端B→晶体管VT4→电容C22→晶体管VT5→二极管VD2→输出端A。
如图4所示，本实施例还提供一种子模块，其与本实施例中上述子模块的区别仅在于：引导单元4还包括晶体管VT6，且晶体管VT6的集电极与二极管VD6的负极连接，晶体管VT6的发射极与二极管VD6的正极连接。换言之，图4所示子模块只比图2所示子模块多个一个晶体管VT6。
虽然在子模块中增加了一个晶体管VT6会增加些许成本，但增加该晶体管VT6能够带来如下好处：系统处于正常工作状态时，通过控制该晶体管VT6的导通和关断可以在晶体管VT5/二极管VD5与晶体管VT6/二极管VD6之间起到均衡损耗的作用。同时在充电结束后，导通晶体管VT6可以达到均衡电容电压的作用。
具体地，系统处于正常工作状态时，在可控升压阶段，如果没有晶体管VT6，则电流总是从晶体管VT5或二极管VD5中流过，导致晶体管VT5和二极管VD5的损耗较大，在散热设计上存在一定的困难，同时成为制约模块功率密度的主要瓶颈。而本实施例中，控制单元可通过控制晶体管VT6的导通和关断，并配合其他晶体管VT1至VT5的导通和关断，使得晶体管VT6/二极管VD6与晶体管VT5/二极管VD5轮换提供电流通路，以均衡晶体管VT5/二极管VD5上的损耗，解决晶体管VT5/二极管VD5上损耗过大的问题。
而且，本实施例所述控制单元在不控整流充电结束后、可控升压阶段开始前，向各子模块的晶体管VT6发出栅极驱动信号，以使晶体管VT6导通。当晶体管VT6导通后，每个子模块的充电路径作出如下变化，当电流从输出端A流向输出端B时，其电流路径为：输出端A→二极管VD1→电容C11→晶体管VT6→二极管VD4→输出端B；而电流从输出端B流向输出端A时，其电流路径为：输出端B→二极管VD3→电容C22→二极管VD6→二极管VD2→输出端B。由上述电流路径可以看出，电容C11和电容C22的充电几率相同，经过若干充电周期达到稳定之后，电容C11和电容C22的电容电压基本一致，从而通过晶体管VT6的导通来解决充电过程中引发的电容电压不一致问题。
因此，可选地，控制单元还用于控制每个子模块的晶体管VT1至VT5持续关断、晶体管VT6持续导通，直至各子模块的电容C11和电容C22的电容电压基本一致且稳定。
本发明中，各电容电压基本一致指的是，各电容电压的绝对值之差小于预设的阈值。此处预设的“阈值”可由本领域技术人员根据实际情况进行设定。
可见，通过控制各子模块的晶体管VT6的导通，可以在充电过程中起到均衡子模块内各电容电压的作用。
但是，发明人发现，对于各个相单元而言，一次性导通该相单元中所有子模块的晶体管VT6会产生较大的电压差，从而导致出现冲击电流，严重影响各子模块中电子器件的寿命。
为了解决上述问题，本实施例所述控制单元可在不控整流充电结束之后、可控升压阶段开始之前，对于各个相单元而言，根据子模块对冲击电流的耐受能力，逐步向该相单元中的各子模块的晶体管VT6发出栅极驱动信号(触发脉冲为1)，以使各子模块的晶体管VT6逐步导通，以限制冲击电流，避免产生较大的电压差，直至该相单元中所有子模块的晶体管VT6都导通。
因此，较优地，对于各相单元而言，控制单元还用于控制该相单元中所有子模块的晶体管VT1至VT5持续关断，以及逐次控制该相单元中的i*k个子模块的晶体管VT6导通，其中i依次取1,2,……,s，且s＝m/k，1≤k＜m，m为各相单元中子模块的总数，且i、k、s和m均为整数，直至该相单元中的所有子模块的晶体管VT6都导通；
维持各子模块的晶体管VT1至VT5的关断状态以及晶体管VT6的导通状态，直至各子模块的电容C11和电容C22的电容电压基本一致且稳定。
本发明中，可控升压阶段指的是系统解锁后进入正常控制模式。而系统解锁状态指的是系统中各子模块的开关器件(晶体管)的控制信号从全零状态(不控整流状态)变为正常状态。
实施例3：
如图5所示，本实施例提供一种子模块，在该子模块的第一单元1中，晶体管VT1的集电极分别与二极管VD1的负极、电容C11的正极连接，晶体管VT1的发射极分别与二极管VD1的正极、晶体管VT2的集电极连接，晶体管VT2的集电极还与二极管VD2的负极连接，晶体管VT2的发射极分别与二极管VD2的正极、电容C11的负极连接，输出端A与晶体管VT1的发射极和晶体管VT2的集电极的连接点相连；
在该子模块的第二单元2中，晶体管VT3的集电极分别与二极管VD3的负极、电容C22的正极连接，晶体管VT3的发射极分别与二极管VD3的正极、晶体管VT4的集电极连接，晶体管VT4的集电极还与二极管VD4的负极连接，晶体管VT4的发射极分别与二极管VD4的正极、电容C22的负极连接，输出端B与晶体管VT3的发射极和晶体管VT4的集电极的连接点相连；
在该子模块的阻断单元3中，晶体管VT5的发射极与第一单元1的晶体管VT2的发射极连接，晶体管VT5的集电极与第二单元2的晶体管VT3的集电极连接；
在该子模块的引导单元4中，二极管VD6的负极与晶体管VT1的集电极和电容C11的正极的连接点相连，二极管VD6的正极与晶体管VT3的集电极和电容C22的正极的连接点相连；
控制单元具体用于在判断出现直流故障时控制每个子模块的晶体管VT1至VT5关断，以使故障电流依次流经每个子模块的二极管VD3、二极管VD6、作为抵消电容的电容C11、二极管VD2后流入故障点(如图6所示)；以及，在判断系统处于正常工作状态时，控制每个子模块的晶体管VT5始终导通，而其余晶体管则按照工作需要导通或关断。
可见，系统在正常工作状态时，每个子模块的晶体管VT5被解锁而始终处于导通状态；而在系统出现直流故障时，每个子模块的晶体管VT5被闭锁而处于关断状态，由其中的二极管VD6提供电流通路，并由作为抵消电容的电容C11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。
具体地，当控制单元检测出系统发生直流故障时，如果不进行任何控制，故障电流在每个子模块的路径为：输出端B→二极管VD3→晶体管VT5→二极管VD2→输出端A→故障点。可见，该路径中未经过任何模块电容，无法提供反向的电压来抵消故障造成的过电流。为了抵消故障电流，如图6所示，控制单元一旦检测到系统发生直流故障，则向每个子模块的所有晶体管发送驱动信号以闭锁所有的晶体管，则故障电流在每个子模块的路径为：输出端B→二极管VD3→二极管VD6→电容C11→二极管VD2→输出端A→故障点，可见，该路径中故障电流会流经电容C11，而电容C11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。
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，通过控制每个子模块的第一单元1的晶体管VT1导通或晶体管VT2导通而使电容C11被接入系统或从系统中切除；以及通过控制每个子模块的第二单元2的晶体管VT3导通或晶体管VT4导通而使电容C22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，通过控制每个子模块的第一单元1的晶体管VT1导通、晶体管VT2关断而使电容C11被接入系统以提供电容电压，通过控制每个子模块的第一单元1的晶体管VT1关断、晶体管VT2导通而使电容C11从系统中切除以不再提供电容电压；以及通过控制每个子模块的第二单元2的晶体管VT4导通、晶体管VT3关断而使电容C22被接入系统以提供电容电压，通过控制每个子模块的第二单元2的晶体管VT4关断、晶体管VT3导通而使电容C22从系统中切除以不再提供电容电压。
本实施例中，使电容C11和电容C22被接入系统或从系统中切除时，无论是电流从子模块的输出端A流向输出端B，还是电流从子模块的输出端B流向输出端A，电流途径的电子器件均与实施例2相同，此处不再赘述。
如图7所示，本实施例还提供一种子模块，其与本实施例中上述子模块的区别仅在于：引导单元4还包括晶体管VT6，且晶体管VT6的集电极与二极管VD6的负极连接，晶体管VT6的发射极与二极管VD6的正极连接。换言之，图7所示子模块只比图5所示子模块多个一个晶体管VT6。
虽然在子模块中增加了一个晶体管VT6会增加些许成本，但增加该晶体管VT6能够带来如下好处：系统处于正常工作状态时，通过控制该晶体管VT6的导通和关断可以在晶体管VT5/二极管VD5与晶体管VT6/二极管VD6之间起到均衡损耗的作用。同时在充电结束后，导通晶体管VT6可以达到均衡电容电压的作用。
实施例4：
如图8所示，本实施例提供一种子模块，在该子模块的第一单元1中，晶体管VT1的集电极分别与二极管VD1的负极、电容C11的正极连接，晶体管VT1的发射极分别与二极管VD1的正极、晶体管VT2的集电极连接，晶体管VT2的集电极还与二极管VD2的负极连接，晶体管VT2的发射极分别与二极管VD2的正极、电容C11的负极连接，输出端A与晶体管VT1的发射极和晶体管VT2的集电极的连接点相连；
在该子模块的第二单元2中，晶体管VT3的集电极分别与二极管VD3的负极、电容C22的正极连接，晶体管VT3的发射极分别与二极管VD3的正极、晶体管VT4的集电极连接，晶体管VT4的集电极还与二极管VD4的负极连接，晶体管VT4的发射极分别与二极管VD4的正极、电容C22的负极连接，输出端B与晶体管VT4的发射极和电容C22的负极的连接点相连；
在该子模块的阻断单元3中，晶体管VT5的发射极与第一单元1的晶体管VT2的发射极连接，晶体管VT5的集电极与第二单元2的晶体管VT3的发射极和晶体管VT4的集电极的连接点相连；
在该子模块的引导单元4中，二极管VD6的负极与晶体管VT1的集电极和电容C11的正极的连接点相连，二极管VD6的正极与晶体管VT5的集电极、晶体管VT3的发射极和晶体管VT4的集电极的连接点相连；
控制单元具体用于在判断出现直流故障时控制每个子模块的晶体管VT1至VT5关断，以使故障电流依次流经每个子模块的二极管VD4、二极管VD6、作为抵消电容的电容C11、二极管VD2后流入故障点(如图9所示)；以及，在判断系统处于正常工作状态时，控制每个子模块的晶体管VT5始终导通，而其余晶体管则按照工作需要导通或关断。
可见，系统在正常工作状态时，每个子模块的晶体管VT5被解锁而始终处于导通状态；而在系统出现直流故障时，每个子模块的晶体管VT5被闭锁而处于关断状态，由其中的二极管VD6提供电流通路，并由作为抵消电容的电容C11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。
具体地，当控制单元检测出系统发生直流故障时，如果不进行任何控制，故障电流在每个子模块的路径为：输出端B→二极管VD4→晶体管VT5→二极管VD2→输出端A→故障点。可见，该路径中未经过任何模块电容，无法提供反向的电压来抵消故障造成的过电流。为了抵消故障电流，如图9所示，控制单元一旦检测到系统发生直流故障，则向每个子模块的所有晶体管发送驱动信号以闭锁所有的晶体管，则故障电流在每个子模块的路径为：输出端B→二极管VD4→二极管VD6→电容C11→二极管VD2→输出端A→故障点，可见，该路径中故障电流会流经电容C11，而电容C11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。
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，通过控制每个子模块的第一单元1的晶体管VT1导通或晶体管VT2导通而使电容C11被接入系统或从系统中切除；以及通过控制每个子模块的第二单元2的晶体管VT3导通或晶体管VT4导通而使电容C22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，通过控制每个子模块的第一单元1的晶体管VT1导通、晶体管VT2关断而使电容C11被接入系统以提供电容电压，通过控制每个子模块的第一单元1的晶体管VT1关断、晶体管VT2导通而使电容C11从系统中切除以不再提供电容电压；以及通过控制每个子模块的第二单元2的晶体管VT4导通、晶体管VT3关断而使电容C22从系统中切除以不再提供电容电压，通过控制每个子模块的第二单元2的晶体管VT4关断、晶体管VT3导通而使电容C22被接入系统以提供电容电压。
下面结合图8详细描述电容C11和电容C22被接入系统或从系统中切除的具体情况。
1)若电流从子模块的输出端A流向输出端B，
当控制单元控制晶体管VT1、晶体管VT3和晶体管VT5导通，晶体管VT2和晶体管VT4关断时，
则每个子模块中电流路径为：输出端A→二极管VD1→电容C11→二极管VD5→晶体管VT3→电容C22→输出端B；
当控制单元控制晶体管VT1、晶体管VT4和晶体管VT5导通，晶体管VT2和晶体管VT3关断时，
则每个子模块中电流路径为：输出端A→二极管VD1→电容C11→二极管VD5→晶体管VT4→输出端B；
当控制单元控制晶体管VT2、晶体管VT3和晶体管VT5导通，晶体管VT1和晶体管VT4关断时，
则每个子模块中电流路径为：输出端A→晶体管VT2→二极管VD5→二极管VD3→电容C22→输出端B；
当控制单元控制晶体管VT2、晶体管VT4和晶体管VT5导通，晶体管VT1和晶体管VT3关断时，
则每个子模块中电流路径为：输出端A→晶体管VT2→二极管VD5→晶体管VT4→输出端B。
2)若电流从子模块的输出端B流向输出端A，
当控制单元控制晶体管VT1、晶体管VT3和晶体管VT5导通，晶体管VT2和晶体管VT4关断时，
则每个子模块中电流路径为：输出端B→电容C22→晶体管VT3→晶体管VT5→电容C11→晶体管VT1→输出端A；
当控制单元控制晶体管VT1、晶体管VT4和晶体管VT5导通，晶体管VT2和晶体管VT3关断时，
则每个子模块中电流路径为：输出端B→二极管VD4→晶体管VT5→电容C11→晶体管VT1→输出端A；
当控制单元控制晶体管VT2、晶体管VT3和晶体管VT5导通，晶体管VT1和晶体管VT4关断时，
则每个子模块中电流路径为：输出端B→电容C22→晶体管VT3→晶体管VT5→二极管VD2→输出端A；
当控制单元控制晶体管VT2、晶体管VT4和晶体管VT5导通，晶体管VT1和晶体管VT3关断时，
则每个子模块中电流路径为：输出端B→二极管VD4→晶体管VT5→二极管VD2→输出端A。
如图10所示，本实施例还提供一种子模块，其与本实施例中上述子模块的区别仅在于：引导单元4还包括晶体管VT6，且晶体管VT6的集电极与二极管VD6的负极连接，晶体管VT6的发射极与二极管VD6的正极连接。换言之，图10所示子模块只比图8所示子模块多个一个晶体管VT6。
虽然在子模块中增加了一个晶体管VT6会增加些许成本，但增加该晶体管VT6能够带来如下好处：系统处于正常工作状态时，通过控制该晶体管VT6的导通和关断可以在晶体管VT5/二极管VD5与晶体管VT6/二极管VD6之间起到均衡损耗的作用。同时在充电结束后，导通晶体管VT6可以达到均衡电容电压的作用。
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)

1.一种应用于柔性直流输电系统的MMC模块拓扑结构，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，每个子模块均包括第一单元、第二单元，以及连接在二者之间的阻断单元和引导单元，所述第一单元和所述第二单元中的一者包括抵消电容，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子模块的阻断单元关闭，以使故障电流依次流经每个子模块的第二单元、引导单元和第一单元后流入故障点，且所述抵消电容位于故障电流路径上，用于抑制故障电流；
所述第一单元包括晶体管VT1及与其反向并联的二极管VD1、晶体管VT2及与其反向并联的二极管VD2、以及电容C11，晶体管VT1和晶体管VT2串联，电容C11与二者并联；
所述第二单元包括晶体管VT3及与其反向并联的二极管VD3、晶体管VT4及与其反向并联的二极管VD4、以及电容C22，晶体管VT3和晶体管VT4串联，电容C22与二者并联；
所述阻断单元包括晶体管VT5及与其反向并联的二极管VD5；
所述引导单元包括二极管VD6；
其中，晶体管VT5的发射极与第一单元连接、集电极与第二单元连接；二极管VD6的负极与第一单元连接、正极与第二单元连接；
所述控制单元具体用于在判断系统出现直流故障时控制每个子模块的晶体管VT5关断，以使故障电流依次流经每个子模块的第二单元、二极管VD6、第一单元后流入故障点，所述第一单元的电容C11和所述第二单元的电容C22中的一者为抵消电容，且所述抵消电容位于故障电流路径上；
所述引导单元还包括晶体管VT6，且晶体管VT6的集电极与二极管VD6的负极连接，晶体管VT6的发射极与二极管VD6的正极连接；
在不控整流充电结束之后、可控升压阶段开始之前，对于每相单元而言，控制单元还用于控制该相单元中所有子模块的晶体管VT1至VT5持续关断，以及逐次控制该相单元中的i*k个子模块的晶体管VT6导通，其中i依次取1,2,……,s，且s＝m/k，1≤k＜m，m为各相单元中子模块的总数，且i、k、s和m均为整数，直至该相单元中的所有子模块的晶体管VT6都导通；
维持各子模块的晶体管VT1至VT5的关断状态以及晶体管VT6的导通状态，直至各子模块的电容C11和电容C22的电容电压基本一致且稳定。
2.根据权利要求1所述的拓扑结构，其特征在于，
在所述第一单元中，晶体管VT1的集电极分别与二极管VD1的负极、电容C11的正极连接，晶体管VT1的发射极分别与二极管VD1的正极、晶体管VT2的集电极连接，晶体管VT2的集电极还与二极管VD2的负极连接，晶体管VT2的发射极分别与二极管VD2的正极、电容C11的负极连接，输出端A与晶体管VT1的发射极和晶体管VT2的集电极的连接点相连；
在所述第二单元中，晶体管VT3的集电极分别与二极管VD3的负极、电容C22的正极连接，晶体管VT3的发射极分别与二极管VD3的正极、晶体管VT4的集电极连接，晶体管VT4的集电极还与二极管VD4的负极连接，晶体管VT4的发射极分别与二极管VD4的正极、电容C22的负极连接，输出端B与晶体管VT3的发射极和晶体管VT4的集电极的连接点相连；
晶体管VT5的发射极与第一单元的晶体管VT2的发射极连接，晶体管VT5的集电极与第二单元的晶体管VT3的集电极连接；
二极管VD6的负极与晶体管VT2的发射极和电容C11的负极的连接点相连，二极管VD6的正极与晶体管VT4的发射极和电容C22的负极的连接点相连；
所述控制单元具体用于在判断出现直流故障时控制每个子模块的晶体管VT1至VT5关断，以使故障电流依次流经每个子模块的二极管VD3、作为抵消电容的电容C22、二极管VD6、二极管VD2后流入故障点。
3.根据权利要求1所述的拓扑结构，其特征在于，
在所述第一单元中，晶体管VT1的集电极分别与二极管VD1的负极、电容C11的正极连接，晶体管VT1的发射极分别与二极管VD1的正极、晶体管VT2的集电极连接，晶体管VT2的集电极还与二极管VD2的负极连接，晶体管VT2的发射极分别与二极管VD2的正极、电容C11的负极连接，输出端A与晶体管VT1的发射极和晶体管VT2的集电极的连接点相连；
在所述第二单元中，晶体管VT3的集电极分别与二极管VD3的负极、电容C22的正极连接，晶体管VT3的发射极分别与二极管VD3的正极、晶体管VT4的集电极连接，晶体管VT4的集电极还与二极管VD4的负极连接，晶体管VT4的发射极分别与二极管VD4的正极、电容C22的负极连接，输出端B与晶体管VT3的发射极和晶体管VT4的集电极的连接点相连；
晶体管VT5的发射极与第一单元的晶体管VT2的发射极连接，晶体管VT5的集电极与第二单元的晶体管VT3的集电极连接；
二极管VD6的负极与晶体管VT1的集电极和电容C11的正极的连接点相连，二极管VD6的正极与晶体管VT3的集电极和电容C22的正极的连接点相连；
所述控制单元具体用于在判断出现直流故障时控制每个子模块的晶体管VT1至VT5关断，以使故障电流依次流经每个子模块的二极管VD3、二极管VD6、作为抵消电容的电容C11、二极管VD2后流入故障点。
4.根据权利要求1所述的拓扑结构，其特征在于，
在所述第一单元中，晶体管VT1的集电极分别与二极管VD1的负极、电容C11的正极连接，晶体管VT1的发射极分别与二极管VD1的正极、晶体管VT2的集电极连接，晶体管VT2的集电极还与二极管VD2的负极连接，晶体管VT2的发射极分别与二极管VD2的正极、电容C11的负极连接，输出端A与晶体管VT1的发射极和晶体管VT2的集电极的连接点相连；
在所述第二单元中，晶体管VT3的集电极分别与二极管VD3的负极、电容C22的正极连接，晶体管VT3的发射极分别与二极管VD3的正极、晶体管VT4的集电极连接，晶体管VT4的集电极还与二极管VD4的负极连接，晶体管VT4的发射极分别与二极管VD4的正极、电容C22的负极连接，输出端B与晶体管VT4的发射极和电容C22的负极的连接点相连；
晶体管VT5的发射极与第一单元的晶体管VT2的发射极连接，晶体管VT5的集电极与第二单元的晶体管VT3的发射极和晶体管VT4的集电极的连接点相连；
二极管VD6的负极与晶体管VT1的集电极和电容C11的正极的连接点相连，二极管VD6的正极与晶体管VT5的集电极、晶体管VT3的发射极和晶体管VT4的集电极的连接点相连；
所述控制单元具体用于在判断出现直流故障时控制每个子模块的晶体管VT1至VT5关断，以使故障电流依次流经每个子模块的二极管VD4、二极管VD6、作为抵消电容的电容C11、二极管VD2后流入故障点。
5.根据权利要求2或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子模块的晶体管VT5始终导通。
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，通过控制每个子模块的第一单元的晶体管VT1导通、晶体管VT2关断而使电容C11被接入系统，通过控制每个子模块的第一单元的晶体管VT1关断、晶体管VT2导通而使电容C11从系统中切除；以及通过控制每个子模块的第二单元的晶体管VT4导通、晶体管VT3关断而使电容C22被接入系统，通过控制每个子模块的第二单元的晶体管VT4关断、晶体管VT3导通而使电容C22从系统中切除。
7.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控制每个子模块的晶体管VT5始终导通。
8.根据权利要求7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，通过控制每个子模块的第一单元的晶体管VT1导通、晶体管VT2关断而使电容C11被接入系统，通过控制每个子模块的第一单元的晶体管VT1关断、晶体管VT2导通而使电容C11从系统中切除；以及通过控制每个子模块的第二单元的晶体管VT4导通、晶体管VT3关断而使电容C22从系统中切除，通过控制每个子模块的第二单元的晶体管VT4关断、晶体管VT3导通而使电容C22被接入系统。
9.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晶体管为全控型半导体器件。
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