CN113193774B - 一种mmc五电平半桥反串联子模块flhasm拓扑结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种MMC五电平半桥反串联子模块FLHASM拓扑结构，属于柔性直流输电技术领域。包括MMC子模块拓扑，所述MMC子模块拓扑包括子模块输出端，所述子模块输出端为电压正极输出端与负极输出端，所述子模块拓扑还包括左半部分和右半部分，左半部分由两个半桥子模块反向串联构成，右半部分是将两个反向的半桥子模块通过一个功率器件组T7和D7连接，两部分再通过一个大功率二极管D10相连构成一个完整的子模块拓扑结构。本发明与输出同样电平数的全桥子模块相比，五电平半桥反串联MMC子模块所使用的开关管数量大幅减少，具有较好的直流故障清除能力。

Description

一种MMC五电平半桥反串联子模块FLHASM拓扑结构
技术领域
本发明涉及一种MMC五电平半桥反串联子模块FLHASM拓扑结构，特别是一种具有直流故障清除能力的模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)五电平半桥反串联子模块FLHASM拓扑结构，属于柔性直流输电技术领域。
背景技术
模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)由于采用了模块化设计，通过调整子模块的串联个数可以实现电压及功率等级的灵活变化，并且可以扩展到任意电平输出，从而解决了传统两电平和三电平电压源换流器的电磁干扰和输出电压的谐波含量高的问题。而基于模块化多电平换流器(MMC)的高压直流输电技术在新能源接入、向无源电网供电、异步电网互联、城市配网等诸多领域有着广阔的应用前景，因此吸引了学术界和工业界越来越多的关注。在实际运行当中，基于MMC的高压直流输电直流侧线路难免发生各种故障。由于MMC拓扑结构和子模块结构的特点，尽管可以闭锁所有的IGBT，但是IGBT反并联二极管为短路电流提供通路，短路电流不能被阻断，从而使其不具备直流短路闭锁能力。因此当发生直流侧故障时，只能断开交流断路器，系统停运，从而使得系统的再启动过程比较缓慢，而且频繁操作交流断路器会缩短其使用寿命。
基于以上原因，许多柔性直流输电工程只能选择昂贵的直流电缆来降低直流侧故障几率，从而使相对经济的架空线路的使用受到限制。同时由于高电压大容量直流断路器的制造工艺尚不成熟，现有多端柔性直流输电工程也要求直流电缆具有极高的可靠性，以降低直流侧故障发生概率，这在一定程度上限制了柔性直流向多端直流输电领域的发展和应用。实现直流故障电流阻断的另一种方案是对现有子模块拓扑进行改进。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种MMC五电平半桥反串联子模块FLHASM拓扑结构，当发生直流短路故障时可将部分子模块电容引入故障回路，从而快速阻断故障电流，有利于MMC的快速重启，从而解决上述问题。
本发明的技术方案是：一种MMC五电平半桥反串联子模块FLHASM拓扑结构，包括MMC子模块拓扑，所述MMC子模块拓扑包括子模块输出端，所述子模块输出端为电压正极输出端与负极输出端，所述子模块拓扑还包括左半部分和右半部分，左半部分由两个传统的半桥子模块(HBSM)反向串联构成，右半部分是将两个反向的半桥子模块通过一个功率器件组T7和D7连接，两部分再通过一个大功率二极管D10相连构成一个完整的子模块拓扑结构。
T1，T2，T3，T4，D1，D2，D3，D4和C1，C2为一组构成子模块左半部分，T5，T6，T7，T8，T9，D5，D6，D7，D8，D9和C3，C4为另一组构成子模块右半部分。正常运行状态时，开关管T1与T2的开关状态相反，两者共同控制电容C1的投入与旁路；开关管T3与T4的开关状态相反，T3与T4共同控制C2的投入与旁路。开关管T7始终导通，T5和T6开关状态相反，两者共同控制电容C3的投入与旁路，T8和T9开关状态相反，两者共同控制电容C4的投入与旁路。
具有直流故障清除功能的MMC五电平半桥反串联子模块可独立输出五种电平，在NLM调制方式下通过排序算法即可实现电容电压均衡，无需附加闭环均压控制器。子模块输出电压usm与子模块电容电压之间的关系如下：
usm＝T7(T1uc1+T4uc2+T5uc3+T9uc4)
式中：T1、T4、T5、T7、T9分别为相应开关管的触发信号，取值为0或1。usm为子模块输出电压。在电容电压平衡控制方面，具有清除直流故障电流功能的MMC五电平半桥反串联子模块拓扑结构可以等效成四个HBSM的反串联，控制方式与HBSM基本相同。
在正常运行时，MMC五电平半桥反串联子模块拓扑结构通过控制开关管的通断状态可使运行模式可分为15种正常模式和2种闭锁模式。
所述左半部分由四个绝缘栅双极型晶体管T1、T2、T3、T4和四个二极管D1、D2、D3、D4以及两个电容C1和C2构成。
绝缘栅双极型晶体管T1和二极管D1反并联，T1发射极与D1阳极相连，T1集电极与D1阴极相连；绝缘栅双极型晶体管T2和二极管D2反并联，T2发射极与D2阳极相连，T2集电极与D2阴极相连，T1发射极与D1阳极相连的连接节点与T2集电极与D2阴极相连的连接节点相连，电容器C1的正极与T1集电极和D1阴极的连接节点相连，负极与T2发射极和D2阳极的连接节点相连。
绝缘栅双极型晶体管T3和二极管D3反并联，T3发射极与D3阳极相连，T3集电极与D3阴极相连；绝缘栅双极型晶体管T4和二极管D4反并联，T4发射极与D4阳极相连，T4集电极与D4阴极相连，T3集电极与D3阴极相连的连接节点与T4发射极与D4阳极相连的连接节点相连，电容器C2的正极与T4集电极和D4阴极的连接节点相连，负极与T3发射极和D3阳极的连接节点相连。
绝缘栅双极型晶体管T2发射极和二极管D2阳极相连的连接节点与T3集电极与D3阴极相连的连接节点相连的连接节点相连，T1发射极与D1阳极相连的连接节点作为子模块电压正极输出端。
右半部分由五个绝缘栅双极型晶体管T5、T6、T7、T8、T9和五个二极管D5、D6、D7、D8、D9以及两个电容C3和C4构成。
绝缘栅双极型晶体管T5和二极管D5反并联，T5发射极与D5阳极相连，T5集电极与D5阴极相连；绝缘栅双极型晶体管T6和二极管D6反并联，T6发射极与D6阳极相连，T6集电极与D6阴极相连，T6发射极与D6阳极相连的连接节点与T5集电极与D5阴极相连的连接节点相连，电容器C3的正极与T6集电极和D6阴极的连接节点相连，负极与T5发射极和D5阳极的连接节点相连。
绝缘栅双极型晶体管T8和二极管D8反并联，T8发射极与D8阳极相连，T8集电极与D8阴极相连；绝缘栅双极型晶体管T9和二极管D9反并联，T9发射极与D9阳极相连，T9集电极与D9阴极相连，T9集电极与D9阴极相连的连接节点与T8发射极与D8阳极相连的连接节点相连，电容器C4的正极与T8集电极和D8阴极的连接节点相连，负极与T9发射极和D9阳极的连接节点相连。
绝缘栅双极型晶体管T7和二极管D7反并联，T7发射极与D7阳极相连，T7集电极与D7阴极相连，绝缘栅双极型晶体管T5发射极和二极管D6阳极相连的连接节点与T7发射极与D7阳极相连的连接节点相连；绝缘栅双极型晶体管T7集电极和二极管D7阴极相连的连接节点与T8集电极与D8阴极相连的连接节点相连；T8发射极与D8阳极相连的连接节点作为子模块电压负极输出端。
所述电容器C2负极与电容器C3正极相连，电容器C2正极与二极管D10阴极相连，二极管D10阳极与电容器C4负极相连。通过这种方式将左右两部分连接起来，共同构成整个五电平半桥反串联子模块FLHASM拓扑结构。
所述MMC子模块拓扑还包括T1～T9共九个绝缘栅双极型晶体管。通过控制T1和T2的触发，来控制电容C1的投入或旁路；通过控制T3和T4的触发，来控制电容C2的投入或旁路；通过控制T5和T6的触发，来控制电容C3的投入或旁路；通过控制T8和T9的触发，来控制电容C4的投入或旁路。
若所述T1～T9九个开关管均截止时，即子模块处于闭锁模式；若电流ism从所述MMC子模块的电压正极输出端注入和电压负极输出端流出时，即ism>0，电流的流通路径为：D1-C1-D4-C2-C3-D5-D7-C4-D9，输出电平为：uc1+uc2+uc3+uc4；若电流ism从所述MMC子模块的电压负极输出端注入和电压正极输出端流出时，即ism<0，电流的流通路径为：D8-C4-D10-C2-D3-D2，输出电平为：-(uc2+uc4)。
若所述开关管T2，T3，T6，T7，T8导通，T1，T4，T5，T9截止，子模块输出电平为0。若电流ism从所述MMC子模块的电压正极输出端注入和电压负极输出端流出时，即ism>0，电流的流通路径为：T2-T3-T6-D7-T8；若电流ism从所述MMC子模块的电压负极输出端注入和电压正极输出端流出时，即ism<0，电流的流通路径为：D8-T7-D6-D3-D2。
所述非闭锁模式下子模块的绝缘栅双极型晶体管T1～T9具有15种开关状态组合，根据实际要求所需的子模块输出电平的不同，所述子模块可以独立输出0、uc1、uc2、uc3、uc4、uc1+uc2、uc1+uc3、uc1+uc4、uc2+uc3、uc2+uc4、uc3+uc4、uc1+uc2+uc3、uc1+uc2+uc4、uc1+uc3+uc4、uc1+uc2+uc3+uc4共15种输出方式。
若所述直流侧发生永久性故障时，可采取故障清除方案之所述闭锁模式，监测到故障发生，立即关断开关器件T1～T9，闭锁子模块FLHASM，若电流ism从所述MMC子模块的电压正极输出端注入和电压负极输出端流出时，即ism>0，电流的流通路径为：D1-C1-D4-C2-C3-D5-D7-C4-D9，输出电平为：uc1+uc2+uc3+uc4，电容C1、C2、C3、C4都串联到回路中充电，子模块电容C1、C2、C3、C4提供反向电动势来阻断故障电流；若电流ism从所述MMC子模块的电压负极输出端注入和电压正极输出端流出时，即ism<0，电流的流通路径为：D8-C4-D10-C2-D3-D2，输出电平为：-(uc2+uc4)，电容C2、C4都串联到回路中充电，所述子模块电容C2、C4提供反向电动势来阻断故障电流。
所述MMC子模块拓扑电容C1的电压uc1、电容C2的电压uc2、电容C3的电压uc3和电容C4的电压uc4既可以整组投入输出(uc1+uc2+uc3+uc4)电压与整组切除输出电压零。减少了MMC均压算法中参与排序的电容个数，参与排序的电容数量仅为全桥FBSM或半桥HBSM子模块的十分之一，极大地提高了电容电压的排序效率，减轻了控制器的负担；也可以应用半桥HBSM或全桥FBSM的电容均压排序算法，实现所述子模块中每个电容的均压来达到一个更好的均压效果。
本发明与其它具备清除直流故障电流能力的子模块相比，MMC五电平半桥反串联子模块FLHASM拓扑结构在成本上具有很大的优势，且运行损耗相对较低，不会增加实现系统的复杂度。本发明提供的子模块可使用半桥子模块的电容电压均压算法，算法简单，均压效果好，不会额外增加算法复杂程度。本发明能够很好地运用到大容量的高压柔性直流输电领域。
本发明的有益效果是：
1、五电平半桥反串联子模块拓扑结构(FLHASM)，在正常运行时与半桥结构类似，通过排序算法即可实现电容电压均衡，无需附加闭环均压控制器。
2、在发生直流线路故障时，通过闭锁反向接入子模块电容来关断续流二极管，从而可以实现故障电流的自清除。
3、子模块闭锁后，电容电压达到稳定值，有利于MMC的快速重启。
4、在构成输出同样电平数的MMC时，五电平半桥反串联子模块拓扑结构(FLBSSM)所需开关器件的数量远小于全桥MMC子模块，经济性较好。
附图说明
图1是本发明子模块拓扑结构图；
图2是本发明整体拓扑图；
图3是本发明直流侧极间短路故障子模块闭锁后从直流侧向MMC看进去的等效电路图；
图4是本发明五电平半桥反串联子模块正常模式电流回路图；
图5是本发明五电平半桥反串联子模块闭锁模式电流回路图；
图6是本发明五电平半桥反串联子模块优先系数电容均衡策略图；
图7是本发明MATLAB/Simulink仿真平台搭建的双端柔性直流输电系统模型原理图；
图8是本发明直流侧双极短路故障交流侧电流仿真波形图；
图9是本发明直流侧双极短路故障直流侧电流仿真波形图；
图10是本发明直流侧双极短路故障直流侧电压仿真波形图；
图11是本发明直流侧双极短路故障A相上桥臂电容电压仿真波形图；
图12是本发明直流侧双极短路故障A相上下桥臂电流仿真波形图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1：如图1所示，一种MMC五电平半桥反串联子模块FLHASM拓扑结构，包括MMC子模块拓扑，所述MMC子模块拓扑包括子模块输出端，所述子模块输出端为电压正极输出端与负极输出端，所述子模块拓扑还包括左半部分和右半部分，左半部分由两个传统的半桥子模块(HBSM)反向串联构成，右半部分是将两个反向的半桥子模块通过一个功率器件组T7和D7连接，两部分再通过一个大功率二极管D10相连构成一个完整的子模块拓扑结构。
T1，T2，T3，T4，D1，D2，D3，D4和C1，C2为一组构成子模块左半部分，T5，T6，T7，T8，T9，D5，D6，D7，D8，D9和C3，C4为另一组构成子模块右半部分。
图2是具有清除故障电流功能五电平半桥反串联子模块MMC换流器的整体拓扑图。五电平半桥反串联子模块MMC换流器的整体拓扑包含由子模块组成的A、B、C三相电路，每一相包含上下两个桥臂，每个桥臂由N个子模块串联组成，在A、B、C三相电路上下桥臂之间存在两个桥臂电抗器。
A相电路的上桥臂第1个子模块的上输入端连接直流端母线正极，下输入端连接第2个子模块的上输入端，第2个子模块的下输入端连接第3个子模块的上输入端，第3个子模块的下输出端连接第4个子模块的上输入端，第i个子模块的上输入端连接第i-1个子模块的下输入端，下输入端连接第i+1个子模块的上输入端，上桥臂的第N个子模块的上输入端连接第N-1个子模块的下输入端，下输入端连接A相电路的桥臂电抗器，上桥臂电抗器连接下桥臂电抗器，在上下桥臂电抗器的连接点引出A相电路的交流输入端口。A相电路下桥臂的第1个子模块的上输入端连接下桥臂电抗器，下输入端连接下桥臂的第2个子模块的上输入端，对于下桥臂第i个子模块的上输入端连接第i-1个子模块的下输入端，下输入端连接第i+1个子模块的上输入端，对于下桥臂的第N个子模块，上输入端连接第N-1个子模块的下输入端，下输入端连接直流母线的负极。B、C两相电路的子模块的连接方式与A相相同。
图3是直流侧极间短路故障子模块闭锁后从直流侧向MMC看进去的等效电路图。此时故障电流流过相单元中所有子模块。下面对故障电流idc(t进行分析。
设闭锁时刻MMC的直流侧电压为UdcB、故障电流值为IdcB，并设闭锁时刻为时间起点t＝0，图3左侧电路的等效运算电路为右侧电路。对该运算电路进行求解可得：
对式(1)进行拉普拉斯反变换，得：
式中：
θ′dc＝arctan(τ′dcω′dc) (5)
根据式(2)，idc(t)包含两个分量，一个分量是电感元件电流不能突变而产生的续流，其方向是向子模块电容充电；另一个分量是子模块电容的放电电流，其方向与故障电流流向相反；两个分量叠加后就使故障电流迅速下降到零；由于二极管的单向导电性，故障电流下降到零后不会向负的方向发展；因此故障电流下降到零后保持不变。因此五电平半桥反串联子模块可以实现清除直流故障。
图4是具有清除故障电流功能五电平半桥反串联子模块正常运行模式，图5是具有清除故障电流功能五电平半桥反串联子模块闭锁运行模式，表1是五电平MMC五电平半桥反串联子模块工作模式表。
MMC五电平半桥反串联子模块拓扑结构通过控制开关T1～T9的通断状态可使运行模式可分为15种正常投入模式和2种闭锁模式，MMC五电平半桥反串联子模块工作于以下15种模式：
模式1：开关管T1，T3，T6，T7，T8导通，T2，T4，T5，T9截止，电流正向从子模块上输入端流入子模块，电流通路为D1-C1-T3-T6-D7-T8，电流正向从子模块下输入端流入子模块，电流通路为D8-T7-D6-D3-C1-T1。电容C1投入电路，电容C2，C3，C4均被旁路，MMC五电平半桥反串联子模块输出电压为uc1。
模式2：开关管T2，T4，T6，T7，T8导通，T1，T3，T5，T9截止，电流正向从子模块上输入端流入子模块，电流通路为T2-D4-C2-T6-D7-T8，电流正向从子模块下输入端流入子模块，电流通路为D8-T7-D6-C2-T4-D2。电容C2投入电路，电容C1，C3，C4均被旁路，MMC五电平半桥反串联子模块输出电压为uc2。
模式3：开关管T2，T3，T5，T7，T8导通，T1，T4，T6，T9截止，电流正向从子模块上输入端流入子模块，电流通路为T2-T3-C3-D5-D7-T8，电流正向从子模块下输入端流入子模块，电流通路为D8-T7-T5-C3-D3-D2。电容C3投入电路，电容C1，C2，C4均被旁路，MMC五电平半桥反串联子模块输出电压为uc3。
模式4：开关管T2，T3，T6，T7，T9导通，T1，T4，T5，T8截止，电流正向从子模块上输入端流入子模块，电流通路为T2-T3-T6-D7-C4-D9，电流正向从子模块下输入端流入子模块，电流通路为T9-C4-T7-D6-D3-D2。电容C4投入电路，电容C1，C2，C3均被旁路，MMC五电平半桥反串联子模块输出电压为uc4。
模式5：开关管T1，T4，T6，T7，T8导通，T2，T3，T5，T9截止，电流正向从子模块上输入端流入子模块，电流通路为D1-C1-D4-C2-T6-D7-T8，电流正向从子模块下输入端流入子模块，电流通路为D8-T7-D6-C2-T4-C1-T1。电容C1，C2投入电路，电容C3，C4均被旁路，MMC五电平半桥反串联子模块输出电压为uc1+uc2。
模式6：开关管T1，T3，T5，T7，T8导通，T2，T4，T6，T9截止，电流正向从子模块上输入端流入子模块，电流通路为D1-C1-T3-C3-D5-D7-T8，电流正向从子模块下输入端流入子模块，电流通路为D8-T7-T5-C3-D3-C1-T1。电容C1，C3投入电路，电容C2，C4均被旁路，MMC五电平半桥反串联子模块输出电压为uc1+uc3。
模式7：开关管T1，T3，T6，T7，T9导通，T2，T4，T5，T8截止，电流正向从子模块上输入端流入子模块，电流通路为D1-C1-T3-T6-D7-C4-D9，电流正向从子模块下输入端流入子模块，电流通路为T9-C4-T7-D6-D3-C1-T1。电容C1，C4投入电路，电容C2，C3均被旁路，MMC五电平半桥反串联子模块输出电压为uc1+uc4。
模式8：开关管T2，T4，T5，T7，T8导通，T1，T3，T6，T9截止，电流正向从子模块上输入端流入子模块，电流通路为T2-D4-C2-C3-D5-D7-T8，电流正向从子模块下输入端流入子模块，电流通路为D8-T7-T5-C3-C2-T4-D2。电容C2，C3投入电路，电容C1，C4均被旁路，MMC五电平半桥反串联子模块输出电压为uc2+uc3。
模式9：开关管T2，T4，T6，T7，T9导通，T1，T3，T5，T8截止，电流正向从子模块上输入端流入子模块，电流通路为T2-D4-C2-T6-D7-C4-D9，电流正向从子模块下输入端流入子模块，电流通路为T9-C4-T7-D6-C2-T4-D2。电容C2，C4投入电路，电容C1，C3均被旁路，MMC五电平半桥反串联子模块输出电压为uc2+uc4。
模式10：开关管T2，T3，T5，T7，T9导通，T1，T4，T6，T8截止，电流正向从子模块上输入端流入子模块，电流通路为T2-T3-C3-D5-D7-C4-D9，电流正向从子模块下输入端流入子模块，电流通路为T9-C4-T7-T5-C3-D3-D2。电容C3，C4投入电路，电容C1，C2均被旁路，MMC五电平半桥反串联子模块输出电压为uc3+uc4。
模式11：开关管T1，T4，T5，T7，T8导通，T2，T3，T6，T9截止，电流正向从子模块上输入端流入子模块，电流通路为D1-C1-D4-C2-C3-D5-D7-T8，电流正向从子模块下输入端流入子模块，电流通路为D8-T7-T5-C3-C2-T4-C1-T1。电容C1，C2，C3投入电路，电容C4被旁路，MMC五电平半桥反串联子模块输出电压为uc1+uc2+uc3。
模式12：开关管T1，T4，T6，T7，T9导通，T2，T3，T5，T9截止，电流正向从子模块上输入端流入子模块，电流通路为D1-C1-D4-C2-T6-D7-C4-D9，电流正向从子模块下输入端流入子模块，电流通路为T9-C4-T7-D6-C2-T4-C1-T1。电容C1，C2，C4投入电路，电容C3被旁路，MMC五电平半桥反串联子模块输出电压为uc1+uc2+uc4。
模式13：开关管T2，T4，T5，T7，T9导通，T1，T3，T6，T8截止，电流正向从子模块上输入端流入子模块，电流通路为T2-D4-C2-C3-D5-D7-C4-D9，电流正向从子模块下输入端流入子模块，电流通路为T9-C4-T7-T5-C3-C2-T4-D2。电容C2，C3，C4投入电路，电容C1被旁路，MMC五电平半桥反串联子模块输出电压为uc2+uc3+uc4。
模式14：开关管T1，T4，T5，T7，T9导通，T2，T3，T6，T8截止，电流正向从子模块上输入端流入子模块，电流通路为D1-C1-D4-C2-C3-D5-D7-C4-D9，电流正向从子模块下输入端流入子模块，电流通路为T9-C4-T7-T5-C3-C2-T4-C1-T1。电容C1，C2，C3，C4全部投入电路，MMC五电平半桥反串联子模块输出电压为uc1+uc2+uc3+uc4。
模式15：开关管T2，T3，T6，T7，T8导通，T1，T4，T5，T9截止，电流正向从子模块上输入端流入子模块，电流通路为T2-T3-T6-D7-T8，电流正向从子模块下输入端流入子模块，电流通路为D8-T7-D6-D3-D2。电容C1，C2，C3，C4均被旁路，MMC五电平半桥反串联子模块输出电压为0。
表1：17工作模式下输出不同电平对应的开关导通状态
当直流侧故障发生时，使IGBT均进入闭锁模式，电流通过IGBT的反并联二极管和二极管D10流通。MMC五电平半桥反串联子模块工作于以下2种闭锁模式。
模式1：电流正向从子模块上输入端流入子模块，所有IGBT截止，电流通路为D1-C1-D4-C2-C3-D5-D7-C4-D9，电容C1，C2，C3，C4均投入，MMC五电平半桥反串联子模块输出电压为uc1+uc2+uc3+uc4。
模式2：电流正向从子模块下输入端流入子模块，所有开关管截止，电流通路为D8-C4-D10-C2-D3-D2。电容C2，C4投入，电容C1，C3旁路，MMC五电平半桥反串联子模块输出电压为-(uc2+uc4)。
由此可见，闭锁状态所有开关管关断，无论桥臂电流方向如何，都有电容串联投入充电。系统直流短路故障后，子模块电容所提供的反电势，无论桥臂电流方向如何，子模块内的电容总是处于充电状态，故障电流随着回路中的电容电压的升高而迅速降低，并最终衰减为零。因此，五电平半桥反串联子模块MMC换流器具有直流故障清除功能。
图6是具有清除直流故障功能五电平半桥反串联子模块优先系数电容均衡策略。
子模块电容是实现MMC交直流能量传递的基础，保持各子模块电容电压均衡是MMC稳定运行的必要条件。优先系数电容电压均衡算法简单，容易实现。使用优先系数电容电压均衡策略不仅可以保证各电容电压之间的均衡，还可以有效降低开关管开关频率，减小开关损耗。
应用优先系数电容电压均衡策略，根据桥臂电流方向，先检测各电容电压值，当给子模块电容充电时，先判断桥臂上每个子模块在上一控制周期内的运行状态。如果第i个子模块的第k个电容已处于投入状态，则将该电容电压值Uik乘以优先系数K1，得到一个修正后的排序电压值。如果第i个子模块的第k个电容处于切除状态，则将第i个子模块的第k个电容电压值与设定的阈值电压Umin相比较，判断电容电压是否越限，若该电容电压已小于等于Umin，则将Uik乘以优先系数K2，得到修正后的排序电压值，若当前电容电压值高于Umin，则排序电压值为Uik。最后将所有所有排序电容电压值按升序排序，根据NLM输出的需要投入的子模块电容个数N1，投入前N1个子模块电容。当子模块电容放电时，先判断桥臂上每个子模块在上一控制周期内的运行状态。如果第i个子模块的第k个电容已处于投入状态，则将该电容电压值Uik乘以优先系数K3，得到一个修正后的排序电压值。如果第i个子模块的第k个电容处于切除状态，则将第i个子模块的第k个电容电压值与设定的阈值电压Umax相比较，判断电容电压是否越限，若该电容电压已大于等于Umax，则将Uik乘以优先系数K4，得到修正后的排序电压值，若当前电容电压值小于Umax，则排序电压值为Uik。最后将所有所有排序电容电压值按降序排序，根据NLM输出的需要投入的子模块电容个数N1，投入前N1个子模块电容。
为验证本发明的可行性，在MATLAB/Simulink仿真平台中搭建了如图7所示的应用五电平半桥反串联子模块的双端柔性直流输电系统模型，并控制在2s时直流侧极间发生永久短路故障，图8是直流侧双极短路故障交流侧电流仿真波形。图9是直流侧双极短路故障直流侧电流仿真波形。图10是直流侧双极短路故障直流侧电压仿真波形。图11是直流侧双极短路故障A相上桥臂电容电压仿真波形。图12是直流侧双极短路故障A相上下桥臂电流仿真波形。从以上仿真波形可以看出，本发明能够实现对直流侧极间短路故障的清除，并且各子模块电容电压的均衡效果较好。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (2)

1.一种MMC五电平半桥反串联子模块拓扑结构，其特征在于：包括MMC子模块拓扑，所述MMC子模块拓扑包括子模块输出端，所述子模块输出端为电压正极输出端与电压负极输出端，所述MMC子模块拓扑还包括左半部分和右半部分，左半部分由两个半桥子模块反向串联构成，右半部分是将两个反向的半桥子模块通过一个由绝缘栅双极型晶体管T7和二极管D7所构成的功率器件组连接，左半部分和右半部分再通过一个二极管D10相连构成一个完整的MMC子模块拓扑；
所述左半部分由绝缘栅双极型晶体管T1、绝缘栅双极型晶体管T2、绝缘栅双极型晶体管T3、绝缘栅双极型晶体管T4和二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4以及两个电容器C1和电容器C2构成；
绝缘栅双极型晶体管T1和二极管D1反并联，绝缘栅双极型晶体管T1发射极与二极管D1阳极相连，绝缘栅双极型晶体管T1集电极与二极管D1阴极相连；绝缘栅双极型晶体管T2和二极管D2反并联，绝缘栅双极型晶体管T2发射极与二极管D2阳极相连，绝缘栅双极型晶体管T2集电极与二极管D2阴极相连，绝缘栅双极型晶体管T1发射极与二极管D1阳极相连的连接节点与绝缘栅双极型晶体管T2集电极与二极管D2阴极相连的连接节点相连，电容器C1的正极与绝缘栅双极型晶体管T1集电极和二极管D1阴极的连接节点相连，电容器C1的负极与绝缘栅双极型晶体管T2发射极和二极管D2阳极的连接节点相连；
绝缘栅双极型晶体管T3和二极管D3反并联，绝缘栅双极型晶体管T3发射极与二极管D3阳极相连，绝缘栅双极型晶体管T3集电极与二极管D3阴极相连；绝缘栅双极型晶体管T4和二极管D4反并联，绝缘栅双极型晶体管T4发射极与二极管D4阳极相连，绝缘栅双极型晶体管T4集电极与二极管D4阴极相连，绝缘栅双极型晶体管T3集电极与二极管D3阴极相连的连接节点与绝缘栅双极型晶体管T4发射极与二极管D4阳极相连的连接节点相连，电容器C2的正极与绝缘栅双极型晶体管T4集电极和二极管D4阴极的连接节点相连，电容器C2的负极与绝缘栅双极型晶体管T3发射极和二极管D3阳极的连接节点相连；
绝缘栅双极型晶体管T2发射极和二极管D2阳极相连的连接节点与绝缘栅双极型晶体管T3集电极与二极管D3阴极相连的连接节点相连，绝缘栅双极型晶体管T1发射极与二极管D1阳极相连的连接节点作为电压正极输出端；
右半部分由绝缘栅双极型晶体管T5、绝缘栅双极型晶体管T6、绝缘栅双极型晶体管T7、绝缘栅双极型晶体管T8、绝缘栅双极型晶体管T9和二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8、二极管D9以及两个电容器C3和电容器C4构成；
绝缘栅双极型晶体管T5和二极管D5反并联，绝缘栅双极型晶体管T5发射极与二极管D5阳极相连，绝缘栅双极型晶体管T5集电极与二极管D5阴极相连；绝缘栅双极型晶体管T6和二极管D6反并联，绝缘栅双极型晶体管T6发射极与二极管D6阳极相连，绝缘栅双极型晶体管T6集电极与二极管D6阴极相连，绝缘栅双极型晶体管T6发射极与二极管D6阳极相连的连接节点与绝缘栅双极型晶体管T5集电极与二极管D5阴极相连的连接节点相连，电容器C3的正极与绝缘栅双极型晶体管T6集电极和二极管D6阴极的连接节点相连，电容器C3的负极与绝缘栅双极型晶体管T5发射极和二极管D5阳极的连接节点相连；
绝缘栅双极型晶体管T8和二极管D8反并联，绝缘栅双极型晶体管T8发射极与二极管D8阳极相连，绝缘栅双极型晶体管T8集电极与二极管D8阴极相连；绝缘栅双极型晶体管T9和二极管D9反并联，绝缘栅双极型晶体管T9发射极与二极管D9阳极相连，绝缘栅双极型晶体管T9集电极与二极管D9阴极相连，绝缘栅双极型晶体管T9集电极与二极管D9阴极相连的连接节点与绝缘栅双极型晶体管T8发射极与二极管D8阳极相连的连接节点相连，电容器C4的正极与绝缘栅双极型晶体管T8集电极和二极管D8阴极的连接节点相连，电容器C4的负极与绝缘栅双极型晶体管T9发射极和二极管D9阳极的连接节点相连；
绝缘栅双极型晶体管T7和二极管D7反并联，绝缘栅双极型晶体管T7发射极与二极管D7阳极相连，绝缘栅双极型晶体管T7集电极与二极管D7阴极相连，绝缘栅双极型晶体管T6发射极和二极管D6阳极相连的连接节点与T7发射极与二极管D7阳极相连的连接节点相连；绝缘栅双极型晶体管T7集电极和二极管D7阴极相连的连接节点与绝缘栅双极型晶体管T8集电极与二极管D8阴极相连的连接节点相连；绝缘栅双极型晶体管T8发射极与二极管D8阳极相连的连接节点作为电压负极输出端。
2.根据权利要求1所述的MMC五电平半桥反串联子模块拓扑结构，其特征在于：所述电容器C2负极与电容器C3正极相连，电容器C2正极与二极管D10阴极相连，二极管D10阳极与电容器C4负极相连。
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