CN113300622B - 一种模块化多电平换流器五电平钳位交叉型子模块拓扑结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种模块化多电平换流器五电平钳位交叉型子模块拓扑结构，属于柔性直流输电技术领域。本发明包括MMC子模块拓扑，MMC子模块拓扑包括子模块输出端，子模块输出端为电压正极输出端与电压负极输出端，MMC子模块拓扑还包括结构相同的左半桥和右半桥，左半桥和右半桥通过交叉的功率开关组S7和功率开关组S8相连。本发明具有快速直流故障清除能力，不需要跳开交流开关，避免了长久闭锁可能造成的电容电压发散和导致交流断路器动作的问题，非闭锁模式有利于MMC故障后快速恢复平稳运行。
Description
技术领域
本发明涉及一种模块化多电平换流器五电平钳位交叉型子模块拓扑结构，特别是一种具备直流故障清除能力的模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)五电平钳位交叉型子模块拓扑结构，属于柔性直流输电技术领域。
背景技术
基于架空线的模块化多电平换流器MMC型柔性直流电网具有无换相失败、谐波含量小与灵活可控的优势，有望在新能源汇集、分布式电源接入与跨区互联等方面发挥重要作用。架空线路柔性直流电网直流侧线路发生短路故障，较低的阻尼会导致电流上升速度较快，由于电流没有过零点，故障清除难度比交流系统大。目前有以下几种方法可以切断直流侧故障电流：1)跳换流站交流侧断路器；2)断开直流侧断路器；3)换流器采用具备故障自清除能力的子模块。跳交流断路器由于故障切除时间通常在45～150ms之间，故障清除速度慢且不利于系统恢复。断开直流侧断路器，隔离直流侧故障，目前国内外仅有几家公司完成了样机研制，在工程上没有广泛的运用成功案例，价格昂贵，技术不成熟。近年来，多种具备直流故障自清除能力的新型子模块拓扑被提出，被认为是最具有潜力的直流侧短路故障故障解决方案。很多改进型子模块拓扑无一例外都是单一故障闭锁模式实现直流故障抑制，系统闭锁是最简单、快速的直流故障清除策略，但长时间闭锁可能会导致电容电压发散，造成交流断路器动作。发生瞬时性故障时，非闭锁下阻断故障电流，避免换流器闭锁后的电容电压发散，是一个比较好的直流故障清除方式。基于全桥FBSM的MMC不仅具有直流故障阻断功能，还具有故障电流非闭锁抑制功能，而且还具有利用FBSM的负电压状态扩展交流侧输出电压范围的优势，但相对半桥所需功率器件较多。
电容电压的均衡控制问题是MMC研究关键技术之一，分散在子模块中的电容电压为直流侧电压提供了支撑，子模块电容电压均衡控制是MMC换流器稳定运行的重要前提。传统的均压控制方法，其原理简单，电容电压均衡控制效果比较好，但随着子模块数量的增加，其排序算法的计算量增大，导致控制器负担过重，另一方面电容电压微小的波动也会导致子模块反复投切，使得开关频率较高，进一步造成较高的开关损耗，降低了MMC运行的经济性
为了提高MMC-HVDC的运行稳定性，非常有必要研究具体涉及一种具备直流故障清除能力的模块化多电平换流器五电平钳位交叉型子模块拓扑结构。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种模块化多电平换流器五电平钳位交叉型子模块拓扑结构，具备非闭锁模式和闭锁模式下的直流故障自清除能力，故障清除速度较快。
本发明的技术方案是：一种模块化多电平换流器五电平钳位交叉型子模块拓扑结构，其特征在于：包括MMC子模块拓扑，MMC子模块拓扑包括子模块输出端，子模块输出端为电压正极输出端与电压负极输出端，MMC子模块拓扑还包括结构相同的左右两个半桥，左右半桥都是在半桥HBSM子模块的结构上加了一个双向开关，将半桥原来的一个电容拆分成两个电容，两者通过功率开关组S7和功率开关组S8相连，整体构成一个功能类似全桥(FullBridge Sub-module，FBSM)又优于全桥的子模块拓扑。
所述功率开关组S7是由绝缘栅双极型晶体管T7和绝缘栅双极型晶体管T9串设组成。绝缘栅双极型晶体管T7与绝缘栅双极型晶体管T9具有相同的触发信号，绝缘栅双极型晶体管T7、绝缘栅双极型晶体管T9同时触发关断，功率开关组S7关断；绝缘栅双极型晶体管T7、绝缘栅双极型晶体管T9同时触发导通，功率开关组S7则导通。功率开关组S8是由绝缘栅双极型晶体管T8和绝缘栅双极型晶体管T10串设组成。绝缘栅双极型晶体管T8与绝缘栅双极型晶体管T10具有相同的触发信号，绝缘栅双极型晶体管T8、绝缘栅双极型晶体管T10同时触发关断，功率开关组S8关断；绝缘栅双极型晶体管T8、绝缘栅双极型晶体管T10同时触发导通，功率开关组S8则导通。整体构成一个功能类似全桥FBSM又优于全桥的子模块拓扑。
所述MMC子模块拓扑，电容电压可以成组投切，减少了参与电容电压均衡控制排序的电容个数，提高了电容电压排序效率，减轻了控制器的负担。所述MMC子模块结构对称，便于集成化设计，缩短项目周期，节约成本；故障穿越期间非闭锁模式下所述本发明子模块还可以工作在STATCOM模式下为交流系统提供一定的无功支撑；可以低电压过调制运行，抬高交流电压幅值，降低交流电流幅值，进而降低损耗；可在较低直流电压下实现交流侧更好的电能质量，非闭锁模式更有利于故障恢复重启，保证了MMC-HVDC系统的安全可靠运行，与其它具有直流故障自清除能力的子模块相比，具有故障清除速度快、损耗低、均压效果好的优势，在实际工程中具有重要的参考意义和使用价值。
所述左半桥包括绝缘栅双极型晶体管T1、绝缘栅双极型晶体管T2、二极管D1、二极管D2、一个双向开关T5和电容C1、电容C2；
绝缘栅双极型晶体管T1与二极管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与二极管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，电容C1与电容C2相串联，电容C1负极电位点连接于电容C2正极电位点，电容C1正极电位点连接于绝缘栅双极型晶体管T1集电极与二极管D1阴极的连接节点，电容C2负极电位又连接于绝缘栅双极型晶体管T2发射极与二极管D2阳极的连接节点；
绝缘栅双极型晶体管T1发射极和绝缘栅双极型晶体管T2集电极的连接节点为子模块电压正极输出端，该端口连接双向开关T5的一端，双向开关T5的另一端连接于电容C1负极电位点和电容C2正极电位点的连接节点。
所述右半桥包括绝缘栅双极型晶体管T3、绝缘栅双极型晶体管T4、二极管D3、二极管D4、一个双向开关T6和电容C3、电容C4；
绝缘栅双极型晶体管T3与二极管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与二极管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，电容C3与电容C4相串联，电容C3负极电位点连接于电容C4正极电位点，电容C3正极电位点连接于绝缘栅双极型晶体管T3集电极与二极管D3阴极的连接节点，电容C4负极电位点又连接于绝缘栅双极型晶体管T4发射极与二极管D4阳极的连接节点；
绝缘栅双极型晶体管T3发射极和绝缘栅双极型晶体管T4集电极的连接节点为子模块电压负极输出端，该端口连接双向开关T6的一端，双向开关T6的另一端连接于电容C3负极电位点和C4正极电位点的连接节点。
所述功率开关组S7是由绝缘栅双极型晶体管T7和绝缘栅双极型晶体管T9串设组成；
绝缘栅双极型晶体管T7与二极管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T9与二极管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T7集电极与二极管D7阴极的连接节点连接至绝缘栅双极型晶体管T9发射极与二极管D9阳极的连接节点，绝缘栅双极型晶体管T7发射极与二极管D7阳极的连接节点连接至所述电容C2的负极电位点，绝缘栅双极型晶体管T9集电极与二极管D9阴极的连接节点连接至所述电容C3的正极电位点。
所述功率开关组S8是由绝缘栅双极型晶体管T8和绝缘栅双极型晶体管T10串设组成；
绝缘栅双极型晶体管T8与二极管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T10与二极管D10反并联，绝缘栅双极型晶体管T10发射极与二极管D10阳极相连，绝缘栅双极型晶体管T10集电极与二极管D10阴极相连，绝缘栅双极型晶体管T8发射极与二极管D8阳极的连接节点连接至绝缘栅双极型晶体管T10集电极与二极管D10阴极的连接节点，绝缘栅双极型晶体管T8集电极与二极管D8阴极的连接节点连接至所述电容C1的正极电位点，绝缘栅双极型晶体管T10发射极与二极管D10阳极的连接节点连接至所述电容C4的负极电位点。
所述MMC子模块拓扑通过控制绝缘栅双极型晶体管T1和双向开关T5的触发，使得电容C1投入电路；通过控制绝缘栅双极型晶体管T2和双向开关T5的触发，使得电容C2投入电路，通过控制绝缘栅双极型晶体管T3和双向开关T6的触发，使得电容C3投入电路，通过控制绝缘栅双极型晶体管T4和双向开关T6的触发，使得电容C4投入电路。
增加双向开关进行钳位，实现电容C2和电容C3电压的单独输出，双向开关开通时电流双向流通，闭锁时电流双向关断，为2Uc，3Uc电平的输出提供电流通路，双向开关同时闭锁时，子模块可以输出4Uc。功率开关组S7和功率开关组S8为正负投入提供电流通路，正投入时功率开关组S7一直处于触发导通状态，而功率开关组S8一直处于闭锁关断状态；负投入时功率开关组S8一直处于触发导通状态，而功率开关组S7一直处于闭锁关断状态。
正投入时子模块输出电压usm与子模块电容电压之间的关系如下：
负投入时子模块输出电压usm与子模块电容电压之间的关系如下：
式中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和双向开关T5、双向开关T6，功率开关组S7，功率开关组S8取值为0或1，1表示触发导通，0表示处于关断状态，Usm为子模块端口输出电平。
具备直流故障清除能力的模块化多电平换流器五电平钳位交叉型子模块拓扑结构，正投入状态共有4种工作模式，负投入有4种工作模式，加上闭锁和切除共有10种触发工作模式，具体电平数输出模式如下：
模式1中，输出电平数为一个电容电压，电容C2或电容C3被投入，其他电容被旁路，子模块输出电平为Uc2或Uc3。
模式2中，输出电平数为两个电容电压，电容C1、电容C2、电容C3、电容C4中任意两个电容串联投入，剩下一个被旁路，子模块输出电平为Uc1+Uc2或Uc2+Uc3，或是Uc3+Uc4。
模式3中，输出电平数为三个电容电压，电容C1、电容C2、电容C3串联投入，电容电容C4被旁路，或是电容C2、电容C3、电容C4串联投入，电容C1被旁路，子模块输出电平为Uc1+Uc2+Uc3或Uc2+Uc3+Uc4。
模式4中，输出电平数为四个电容电压，电容C1、电容C2、电容C3、电容C4都串联投入，子模块输出电平为Uc1+Uc2+Uc3+Uc4。
模式5中，输出电平数为零，所有电容被旁路，子模块输出电平为0。
模式6中，输出电平数为一个电容的负电压，电容C1或电容C4被投入，其他电容被旁路，子模块输出电平为-Uc1或-Uc4。
模式7中，输出电平数为两个电容的负电压，电容C1和电容C2、电容C1和电容C4、电容C3和电容C4中任意两个电容串联投入，剩下一个被旁路，子模块输出电平为-(Uc1+Uc2)或-(Uc1+Uc4)，或是-(Uc3+Uc4)。
模式8中，输出电平数为三个电容的负电压，电容C1、电容C2、电容C4串联投入，电容C3被旁路，或是电容C1、电容C3、电容C4串联投入，电容C2被旁路，子模块输出电平为-(Uc1+Uc2+Uc4)或-(Uc1+Uc3+Uc4)。
模式9中，输出电平数为四个电容的负电压，电容C1、电容C2、电容C3、电容C4都串联投入，子模块输出电平为-(Uc1+Uc2+Uc3+Uc4)。
模式10中，ism>0时，输出电平数为四个电容电压，电容C1、电容C2、电容C3、电容C4都串联投入，子模块输出电平为Uc1+Uc2+Uc3+Uc4；ism<0时，子模块输出电平为-(Uc1+Uc2+Uc3+Uc4)。
非闭锁模式下子模块具有16种开关状态组合，根据电流ism方向的不同，本发明子模块选择不同正负电平输出方式，若ism>0时，选择正投入方式，输出电平大于零，可以输出Uc2或Uc3或Uc1+Uc2或Uc2+Uc3，或是Uc3+Uc4
或Uc1+Uc2+Uc3或Uc2+Uc3+Uc4或Uc1+Uc2+Uc3+Uc4；
若ism<0时，选择负投入方式，输出电平小于零，可以输出-Uc1或-Uc4或-(Uc1+Uc2)或-(Uc1+Uc4)或-(Uc3+Uc4)或-(Uc1+Uc2+Uc4)或-(Uc1+Uc3+Uc4)或-(Uc1+Uc2+Uc3+Uc4)。
为了具有更好的故障清除效果，一般选择输出电平数较多的开关状态组合。
当绝缘栅双极型晶体管T1、T2、T3、T4、T7、T8、T9、T10和双向开关T5、T6触发关断时；
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，电流流通路径为：D1→C1→C2→D7→D9→C3→C4→D4，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，电流流通路径为：D3→C3→C4→D10→D8→C1→C2→D2，输出电平为-(Uc1+Uc2+Uc3+Uc4)；
若所述绝缘栅双极型晶体管T2、T3、T7、T9触发导通，所述绝缘栅双极型晶体管T1、T4、T8、T10和双向开关T5、T6触发关断，输出电平为0，电流方向为正ism>0时，电流流通路径为：T2→D7→D9→T3；电流方向为负ism<0时，电流流通路径为：D3→T9→T7→D2。
若所述绝缘栅双极型晶体管T1、T4、T7、T9管触发导通，所述绝缘栅双极型晶体管T2、T3、T8、T10和双向开关T5、T6触发关断，输出电平为Uc1+Uc2+Uc3+Uc4，电流方向为正ism>0时，电流流通路径为：D1→C1→C2→D7→D9→C3→C4→D4，电流方向为负ism<0时，电流流通路径为：T4→C4→C3→T9→T7→C2→C1→T1；
若所述绝缘栅双极型晶体管T2、T3、T8、T10触发导通，所述绝缘栅双极型晶体管T1、T4、T7、T9和双向开关T5、T6触发关断，输出电平为-(Uc1+Uc2+Uc3+Uc4)，电流方向为正ism>0时，电流流通路径为：T2→C2→C1→T8→T10→C4→C3→T3，电流方向为负ism<0时，电流流通路径为：T4→C4→C3→T9→T7→C2→C1→T1。
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，立即将绝缘栅双极型晶体管T1、T2、T3、T4、T7、T8、T9、T10和双向开关T5、T6触发关断，闭锁子模块，无论ism方向是正还是负，电容C1、电容C2、电容C3、电容C4都串联投入到电流回路中充电，该方案利用子模块充电吸收故障回路能量，子模块电容C1、电容C2、电容C3、电容C4提供反向电动势来阻断故障电流。
若所述直流侧发生瞬时性故障时，可采取故障清除方案之所述非闭锁模式，通过控制绝缘栅双极型晶体管T1、T2、T3、T4、T7、T8、T9、T10和双向开关T5、T6的导通与关断，不完全关断绝缘栅双极型晶体管T1、T2、T3、T4、T7、T8、T9、T10和双向开关T5、T6，使子模块具备正负电平的输出能力。电流方向为正ism>0时，绝缘栅双极型晶体管T2、T3、T8、T10触发导通，绝缘栅双极型晶体管T1、T4、T7、T9和双向开关T5、T6触发关断，输出电平为Uc1+Uc2+Uc3+Uc4，电容C1、C2、C3、C4都串联投入到电流回路中充电，阻断故障电流；电流方向为负ism<0时，绝缘栅双极型晶体管T2、T3、T8、T10开关管触发导通，绝缘栅双极型晶体管T1、T4、T7、T9和双向开关T5、T6触发关断，输出电平为-(Uc1+Uc2+Uc3+Uc4)，电容C1、电容C2、电容C3、电容C4都串联投入到电流回路中充电，阻断故障电流。
所述非闭锁模式与闭锁模式相比，故障穿越期间非闭锁模式下所述本发明子模块还可以工作在STATCOM模式下为交流系统提供一定的无功支撑；可以低电压过调制运行，抬高交流电压幅值，降低交流电流幅值，进而降低损耗；可在较低直流电压下实现交流侧更好的电能质量。
本发明子模块选择不同正负电平输出方式，若ism>0时，选择正投入方式，输出电平大于零，可以输出Uc2或Uc3或Uc1+Uc2或Uc2+Uc3，或是Uc3+Uc4或Uc1+Uc2+Uc3或Uc2+Uc3+Uc4或Uc1+Uc2+Uc3+Uc4；若ism<0时，选择负投入方式，输出电平小于零，可以输出-Uc1或-Uc4或-(Uc1+Uc2)或-(Uc1+Uc4)或-(Uc3+Uc4)或-(Uc1+Uc2+Uc4)或-(Uc1+Uc3+Uc4)或-(Uc1+Uc2+Uc3+Uc4)。为了具有更好的故障清除效果，一般选择输出电平数较多的开关状态组合。
若所述直流侧发生故障时，未能判断瞬时性故障还是永久性故障，可采取非闭锁模式与闭锁模式配合，第一步采取非闭锁模式，经过一时段的故障清除，故障后重启未成功，第二步再采取闭锁模式。非闭锁模式下可以保证直流输电系统不停运，故障清除后快速恢复到正常稳态运行，两种模式的配合提高了柔性直流输电系统的安全可靠运行。
所述MMC子模块拓扑电容C1的电压为Uc1、电容C2的电压为Uc2、电容C3的电压为Uc3和电容C4的电压为Uc4，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(HalfBridge Sub-module，HBSM)子模块的四分之一，极大地提高了电容电压的排序效率，减轻了控制器的负担。
本发明的有益效果是：
本发明非闭锁模式下具有快速直流故障清除能力，不需要跳开交流开关，避免了长久闭锁可能造成的电容电压发散和导致交流断路器动作的问题，非闭锁模式有利于MMC故障后快速恢复平稳运行。
本发明闭锁模式下具有快速直流故障清除能力，故障清除速度较快，减小了开关器件的热损耗和降低开关器件的开端应力。
本发明采用最近电平逼近调制(NLM)策略下的电容电压均衡控制算法，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，降低了硬件成本。
本发明在未知直流侧故障是瞬时性故障还是永久性故障时，可采取非闭锁模式与闭锁模式配合，故障清除方式灵活，非闭锁模式下可以保证直流输电系统不停运，保证了MMC-HVDC系统的安全可靠运行
本发明拓扑结构对称，便于实现集成化设计，并且触发方式灵活，提高了功率开关器件的利用率，与全桥FBSM子模块相比，输出相同电平数的条件下使用更少的功率器件，仅为全桥FBSM子模块的八分之五，从而减少成本，且开关损耗较低。
附图说明
图1是本发明五电平钳位交叉型子模块拓扑结构示意图；
图2是以本发明子模块为MMC子模块的单端换流站拓扑结构示意图；
图3是本发明五电平钳位交叉型子模块拓扑结构的双端MMC仿真模型示意图；
图4为本发明五电平钳位交叉型子模块拓扑结构的10种工作模式电流通路示意图；
图4(1)是本发明拓扑切除模式输出零电平的第一种触发方式电流通路示意图；
图4(2)是本发明拓扑切除模式输出零电平的第二种触发方式电流通路示意图；
图4(3)是本发明拓扑正投入模式输出Uc2电平的触发方式电流通路示意图；
图4(4)是本发明拓扑正投入模式输出Uc3电平的触发方式电流通路示意图；
图4(5)是本发明拓扑正投入模式输出(Uc1+Uc2)电平的触发方式电流通路示意图；
图4(6)是本发明拓扑正投入模式输出(Uc2+Uc3)电平的触发方式电流通路示意图；
图4(7)是本发明拓扑正投入模式输出(Uc3+Uc4)电平的触发方式电流通路示意图；
图4(8)是本发明拓扑正投入模式输出(Uc1+Uc2+Uc3)电平的触发方式电流通路示意图；
图4(9)是本发明拓扑正投入模式输出(Uc2+Uc3+Uc4)电平的触发方式电流通路示意图；
图4(10)是本发明拓扑正投入模式输出(Uc1+Uc2+Uc3+Uc4)电平的触发方式电流通路示意图；
图4(11)是本发明拓扑负投入模式输出-Uc1电平的触发方式电流通路示意图；
图4(12)是本发明拓扑负投入模式输出-Uc4电平的触发方式电流通路示意图；
图4(13)是本发明拓扑负投入模式输出-(Uc1+Uc2)电平的触发方式电流通路示意图；
图4(14)是本发明拓扑负投入模式输出-(Uc1+Uc4)电平的触发方式电流通路示意图；
图4(15)是本发明拓扑负投入模式输出-(Uc3+Uc4)电平的触发方式电流通路示意图；
图4(16)是本发明拓扑负投入模式输出-(Uc1+Uc2+Uc4)电平的触发方式电流通路示意图；
图4(17)是本发明拓扑负投入模式输出-(Uc1+Uc3+Uc4)电平的触发方式电流通路示意图；
图4(18)是本发明拓扑负投入模式输出-(Uc1+Uc2+Uc3+Uc4)电平的触发方式电流通路示意图；
图4(19)是本发明拓扑闭锁模式输出(Uc1+Uc2+Uc3+Uc4)电平的触发方式电流通路示意图；
图4(20)是本发明拓扑闭锁模式输出(Uc1+Uc2+Uc3+Uc4)电平的触发方式电流通路示意图；
图5是本发明故障闭锁模式下的故障电路等效图；
图6是本发明五电平钳位交叉型子模块拓扑在最近电平逼近调制(NLM)策略下的电容电压均衡控制算法流程图；
图7(1)是本发明五电平钳位交叉型子模块拓扑永久性故障清除流程图；
图7(2)是本发明五电平钳位交叉型子模块拓扑瞬时性故障清除流程图；
图7(3)是本发明五电平钳位交叉型子模块拓扑未知故障类型故障清除流程图；
图8是本发明故障闭锁模式下的故障电流仿真波形示意图；
图9是本发明非闭锁模式下的故障电流仿真波形图；
图10是本发明电容电压均衡效果示意图。
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。
如图1所示，一种具备直流故障清除能力的模块化多电平换流器五电平钳位交叉型子模块拓扑结构，包括MMC子模块拓扑，所述MMC子模块拓扑包括子模块输出端，所述输出端为电压正极输出端与电压负极输出端，所述子模块结构还包括结构相同的左右两个半桥，两个半桥通过交叉的功率开关组S7和功率开关组S8相连，所述功率开关组S7是由绝缘栅双极型晶体管T7及其反并联二极管D7开关和绝缘栅双极型晶体管T9及其反并联二极管D9开关串设组成；所述功率开关组S8是由由绝缘栅双极型晶体管T8及其反并联二极管D8开关和绝缘栅双极型晶体管T10及其反并联二极管D10开关串设组成，整体构成一个功能类似全桥FBSM又优于全桥的子模块拓扑。
所述左半桥包括绝缘栅双极型晶体管T1、绝缘栅双极型晶体管T2、二极管D1、二极管D2、一个双向开关T5和电容C1、电容C2构成。绝缘栅双极型晶体管T1与二极管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T1与二极管D2反并联，绝缘栅双极型晶体T2发射极与二极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。电容C1与电容C2相串联，电容C1负极电位点连接于电容C2正极电位点，所述电容C1正极电位点连接于T1集电极与D1阴极的连接节点，所述电容C2负极电位又连接于T2发射极与D2阳极的连接节点；绝缘栅双极型晶体管T1发射极和绝缘栅双极型晶体管T2集电极的连接节点为子模块电压正极输出端，子模块电压正极输出端连接双向开关T5的一端，双向开关T5的另一端连接于电容C1负极电位点和C2正极电位点的连接节点。
所述右半桥包括绝缘栅双极型晶体管T3、缘栅双极型晶体管T4、二极管D3、二极管D4，一个双向开关T6和电容C3、电容C4构成。绝缘栅双极型晶体管T3与二极管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与二极管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。电容C3与电容C4相串联，电容C3负极电位点连接于电容C4正极电位点，所述电容C3正极电位点连接于绝缘栅双极型晶体管T3集电极与二极管D3阴极的连接节点，所述电容C4负极电位点又连接于绝缘栅双极型晶体管T4发射极与二极管D4阳极的连接节点；绝缘栅双极型晶体管T3发射极和绝缘栅双极型晶体管T4集电极的连接节点为子模块电压负极输出端，子模块电压负极输出端连接双向开关T6的一端，双向开关T6的另一端连接于电容C3负极电位点和电容C4正极电位点的连接节点。
所述功率开关组S7是由绝缘栅双极型晶体管T7及其反并联二极管D7开关和绝缘栅双极型晶体管T9及其反并联二极管D9开关串设组成。绝缘栅双极型晶体管T7与二极管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T9与二极管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T7集电极与二极管D7阴极的连接节点连接至绝缘栅双极型晶体管T9发射极与二极管D9阳极的连接节点。绝缘栅双极型晶体管T7发射极与二极管D7阳极的连接节点连接至所述电容C2的负极电位点，绝缘栅双极型晶体管T9集电极与二极管D9阴极的连接节点连接至所述电容C3的正极电位点。
所述开关组S8是由绝缘栅双极型晶体管T8及其反并联二极管D8开关和绝缘栅双极型晶体管T10及其反并联二极管D10开关串设组成。绝缘栅双极型晶体管T8与二极管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T10与二极管D10反并联，绝缘栅双极型晶体管T10发射极与二极管D10阳极相连，绝缘栅双极型晶体管T10集电极与二极管D10阴极相连。绝缘栅双极型晶体管T8发射极与二极管D8阳极的连接节点连接至绝缘栅双极型晶体管T10集电极与二极管D10阴极的连接节点。绝缘栅双极型晶体管T8集电极与二极管D8阴极的连接节点连接至所述电容C1的正极电位点，绝缘栅双极型晶体管T10发射极与二极管D10阳极的连接节点连接至所述电容C4的负极电位点。
如图2所示，本发明拓扑的MMC单端换流器整体拓扑结构，换流器整体拓扑结构由A、B、C三相个相单元构成，每一相单元由上下两个桥臂串联组成，每个桥臂由N个子模块(SM)和一个桥臂电抗器L0串联而成，每个桥臂有N个FCSM模块，每一相单元共由2N个子模块，10N个IGBT，16N个二极管，4N个电容。每一相上桥臂的第一个子模块上端口连接直流母线正极，第一个子模块的下端口连接第二个子模块的上端口，第二个子模块的下端口又连接到第三个子模块的上端口，第i个子模块的上端口连接到第i-1个子模块的下端口，下端口连接第i+1个的上端口，相领子模块依次相连，第N个子模块的上端口连接第N-1个子模块的下端口，下端口连接至上桥臂电抗器L0。每一相下桥臂的第N个子模块的下端口连接直流母线的负极，上端口连接第N-1个子模块的下端口，对于下桥臂第i-1个子模块的下端口连接第i个子模块的上端口，相邻子模块依次相连，第1个子模块的上端口连接到下桥臂电抗器L0，下端口连接第二个子模块上端口。2≤i≤N-1，i为自然数
每一相的上桥臂直流侧输出端与直流母线正极相连，交流侧输出端与上桥臂电抗器L0相连；下桥臂直流侧输出端与直流母线负极相连，交流侧输出端与下桥臂电抗器L0相连。在上下桥臂电抗器的连接点引出交流侧输出端口。
如图3所示，本发明拓扑的MMC双端仿真模型结构图，其包括整流站和逆变站，整流站和逆变站通过直流线路相连，整流站和逆变站都是由模块化多电平换流器MMC构成，MMC子模块拓扑结构采用本发明拓扑。其中MMC换流器高压端连接直流母线正极，换流器低压端连接直流母线负极。
具备直流故障清除能力的模块化多电平换流器五电平钳位交叉型子模块拓扑结构，正投入状态共有4种工作模式，负投入有4种工作模式，加上闭锁和切除共有10种工作模式，除了模式2、模式7有三种信号触发方式，其它工作模式都有两种信号触发方式，信号触发方式灵活。
表1：10种工作模式下输出不同电平相应的开关导通状态
如图4和表1所示，10种工作模式具体输出模式如下：
如图4(3)和图4(4)所示，模式1中，正投入输出电平数为一个电容电压，电容C2或C3被投入，其他电容被旁路，子模块输出电平为Uc2或Uc3。
如图4(5)、图4(6)和图4(7)所示，所示模式2中，正投入输出电平数为两个电容电压，电容C1、C2、C3、C4中任意两个电容串联投入，剩下一个被旁路，子模块输出电平为Uc1+Uc2或Uc2+Uc3，或是Uc3+Uc4。
如图4(8)和图4(9)所示，模式3中，正投入输出电平数为三个电容电压，C1、C2、C3串联投入，电容C4被旁路，或是电容C2、C3、C4串联投入，电容C1被旁路，子模块输出电平为Uc1+Uc2+Uc3或Uc2+Uc3+Uc4。
如图4(10)所示，模式4中，正投入输出电平数为四个电容电压，电容C1、C2、C3、C4都串联投入，子模块输出电平为Uc1+Uc2+Uc3+Uc4。
如图4(1)和图4(2)，所示模式5中，切除模式输出电平数为零，所有电容被旁路，子模块输出电平为0。
如图4(11)和图4(12)所示，模式6中，负投入输出电平数为一个电容的负电压，电容C1或C4被投入，其他电容被旁路，子模块输出电平为-Uc1或-Uc4。
如图4(13)、图4(14)和图4(15)所示，模式7中，负投入输出电平数为两个电容的负电压，电容C1和C2、C1和C4、C3和C4中任意两个电容串联投入，剩下一个被旁路，子模块输出电平为-(Uc1+Uc2)或-(Uc1+Uc4)，或是-(Uc3+Uc4)。
如图4(16)和图4(17)所示，模式8中，负投入输出电平数为三个电容的负电压，C1、C2、C4串联投入，电容C3被旁路，或是电容C1、C3、C4串联投入，电容C2被旁路，子模块输出电平为-(Uc1+Uc2+Uc4)或-(Uc1+Uc3+Uc4)。
如图4(18)所示，模式9中，负投入输出电平数为四个电容的负电压，电容C1、C2、C3、C4都串联投入，子模块输出电平为-(Uc1+Uc2+Uc3+Uc4)。
如图4(19)和图4(20)所示，模式10中，闭锁模式，ism>0时，输出电平数为四个电容电压，电容C1、C2、C3、C4都串联投入，子模块输出电平为Uc1+Uc2+Uc3+Uc4；ism<0时，子模块输出电平为-(Uc1+Uc2+Uc3+Uc4)。
如图5所示，故障闭锁模式下的电流通路图，从图中可以看出无论电流方向为正还是负，四个电容C1、C2、C3、C4总是串联投入到故障电路中，所有电容处于充电状态，故障电流逐渐衰减为零。求解图5所示的直流侧运算等效电路，可得：
对式(3)进行拉普拉斯反变换，可得：
/>
θ'dc＝arctan(τ'dcω'dc) (7)
直流侧故障电流分量包含两个分量，一个分量是电感元件存储的能量不能突变而产生的续流，向子模块电容充电；另一个子模块电容的放电电流，其方向与故障电流方向相反，两个分量叠加使故障电流迅速下降至零。随着交流侧电源馈流对电容充电，电容电压快速上升使二极管承受反偏电压截止，交流电源馈流被阻断，直流侧故障得到彻底清除。
故障非闭锁模式下以电流方向为判据，通过上下桥臂正负投入的配合，所有电容串联在电路中充电，同样可以达到故障电流清除效果。直流线路发生短路故障时，通过调整子模块开关状态，使得子模块具有正负电平输出条件，上下桥臂电压大小相等、极性相反，使得直流电压、电流快速抑制为零。直流电压与上下桥臂电压、之间关系为
Udc＝unj+upj (9)
当上下桥臂电压unj、upj大小相等、极性相反时，直流电压Udc快速下将为零。故障电流分量以电容充电电流为主导分量，电流快速衰减到零。直流侧故障电流公式10所示
如图6所示，具备直流故障清除能力的模块化多电平换流器(Modular MultilevelConverter,MMC)五电平钳位交叉型子模块FLCCSM拓扑结构的调制策略流程图，FLCCSM采用的是NLM调制算法，当子模块有负投入状态参与时，调制比m就会超过1，出现超调现象。本文所提子模块的负投入主要用于发生瞬时性故障时，通过上下桥臂正负投入的配合，实现非闭锁模式的故障自清除。FLCCSM采用了保持因子排序和整组投入的电容电压均衡控制策略，实际直流输电工程中由于电压很高，子模块数目较多，一般正常工作中使用较多的是工作模式4和工作模式5，即输出为4Uc和0的触发模式。电容电压是以4个一组一组的投入，可以取四个电容电压的平均值Ucav作为一个子模块参与排序的电容电压值，大量减少了参与排序的电容压数量，简化了电容电压均衡控制算法，减小了排序算法的计算量，减轻了控制器的负担。具体调制策略如下：
1)根据NLM算法计算Non，即要插入的电容器数量。
4)判断桥臂电流大小，确定电容器充放电情况。
5)采用保持因子排序和整组投入的电容电压均衡控制策略对电容电压均衡控制。
6)对每个子模块的电容电压平均值Ucav的监检测进行排序。
7)充电则依次投入电压较小的子模块，放电则投入电压较大的子模块。
8)然后通过NLM计算出每个桥臂所需要投入的电容个数n，判断n是否可以被4整除。整除后商整数部分记为N，余数记为M，若M＝0，排序之后以输出电平为4Uc投入N个子模块，其余子模块处于切除状态；若M＝1，排序之后以输出电平为4Uc投入N个子模块，第N+1个子模块投入Uc；若M＝2，排序之后以输出电平为4Uc投入N个子模块，第N+1个子模块投入2Uc；若M＝3，排序之后以输出电平为4Uc投入N个子模块，第N+1个子模块投入3Uc。
因此，一般正常情况下仅使用输出为4Uc和0的触发方式，单个子模块以四个电容一组整体投入与切除，减少了均压算法排序的计算量，降低了硬件成本，提高了排序效率。
如图7(1)所示，发生永久性故障时，检测到故障后立即闭锁IGBT来阻断故障电流，故障消失后断开交流断路器进行故障隔离和检修；如图7(2)所示，发生瞬时性故障时，检测到故障后采取非闭锁模式，利用子模块具有负电平输出能力来清除故障，故障清除后立即重启恢复正常运行；如图7(3)所示，当未知故障类型时，未能判断是瞬时性故障还是永久性故障，先采用非闭锁模式，故障清除后重启，重启失败，则在采用闭锁模式，断开交流断路器。
为了验证本发明非闭锁下具有故障自清除能力及电容电压均衡效果，在MATLAB/Simulink仿真平台中搭建±100kV双端MMC-HVDC系统仿真模型，额定功率200MW，交流电源电压230kV，直流侧额定电压200kV，直流线路长度200km，交流频率50Hz，单个桥臂电容数20个。在2.50s时平波电抗器直流侧线路发生双极短路永久故障，2.502s检测到故障时闭锁所有IGBT。为了验证非闭锁模式下的故障清除效果，同样设置2.50s时平波电抗器直流侧线路发生双极短路瞬时性故障，2.502s检测到故障时正负投入模式配合投入，0.05s故障结束。仿真波形如图8～10所示，从仿真图可以看出，故障非闭锁模式也具有故障闭锁模式的故障电流清除效果，电容电压均衡效果也比较好，非闭锁模式下桥臂电流未超过额定电流的2倍，对功率器件起到了保护作用，子模块负电平的输出可以抬高交流电压的峰值。
上述具体实施方式的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于提供不同模式下具备直流故障自清除能力的新型子模块结构，而不在于该子模块结构所应用的换流系统，任何换流系统只要使用了本发明提供的子模块结构，均落入本发明的保护范围之内。而且对MMC换流系统中采用的本发明提供的子模块结构的个数也不做限定，可以全部采用这种子模块结构，当然也可以不全采用，与其他子模块共同构成各个桥臂，只要涉及一个该新型子模块结构，就在本发明的保护范围内。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种模块化多电平换流器五电平钳位交叉型子模块拓扑结构，其特征在于：包括MMC子模块拓扑，MMC子模块拓扑包括子模块输出端，子模块输出端为电压正极输出端与电压负极输出端，MMC子模块拓扑还包括结构相同的左半桥和右半桥，左半桥和右半桥通过交叉的功率开关组S7和功率开关组S8相连；
所述左半桥包括绝缘栅双极型晶体管T1、绝缘栅双极型晶体管T2、二极管D1、二极管D2、一个双向开关T5和电容C1、电容C2；
绝缘栅双极型晶体管T1与二极管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与二极管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，电容C1与电容C2相串联，电容C1负极电位点连接于电容C2正极电位点，电容C1正极电位点连接于绝缘栅双极型晶体管T1集电极与二极管D1阴极的连接节点，电容C2负极电位点又连接于绝缘栅双极型晶体管T2发射极与二极管D2阳极的连接节点；
绝缘栅双极型晶体管T1发射极和绝缘栅双极型晶体管T2集电极的连接节点为电压正极输出端，电压正极输出端连接双向开关T5的一端，双向开关T5的另一端连接于电容C1负极电位点和电容C2正极电位点的连接节点；
所述右半桥包括绝缘栅双极型晶体管T3、绝缘栅双极型晶体管T4、二极管D3、二极管D4、一个双向开关T6和电容C3、电容C4；
绝缘栅双极型晶体管T3与二极管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与二极管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，电容C3与电容C4相串联，电容C3负极电位点连接于电容C4正极电位点，电容C3正极电位点连接于绝缘栅双极型晶体管T3集电极与二极管D3阴极的连接节点，电容C4负极电位点又连接于绝缘栅双极型晶体管T4发射极与二极管D4阳极的连接节点；
绝缘栅双极型晶体管T3发射极和绝缘栅双极型晶体管T4集电极的连接节点为电压负极输出端，电压负极输出端连接双向开关T6的一端，双向开关T6的另一端连接于电容C3负极电位点和电容C4正极电位点的连接节点；
所述功率开关组S7是由绝缘栅双极型晶体管T7和绝缘栅双极型晶体管T9串设组成；
绝缘栅双极型晶体管T7与二极管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T9与二极管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T7集电极与二极管D7阴极的连接节点连接至绝缘栅双极型晶体管T9发射极与二极管D9阳极的连接节点，绝缘栅双极型晶体管T7发射极与二极管D7阳极的连接节点连接至所述电容C2的负极电位点，绝缘栅双极型晶体管T9集电极与二极管D9阴极的连接节点连接至所述电容C3的正极电位点；
功率开关组S8是由绝缘栅双极型晶体管T8和绝缘栅双极型晶体管T10串设组成；
绝缘栅双极型晶体管T8与二极管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T10与二极管D10反并联，绝缘栅双极型晶体管T10发射极与二极管D10阳极相连，绝缘栅双极型晶体管T10集电极与二极管D10阴极相连，绝缘栅双极型晶体管T8发射极与二极管D8阳极的连接节点连接至绝缘栅双极型晶体管T10集电极与二极管D10阴极的连接节点，绝缘栅双极型晶体管T8集电极与二极管D8阴极的连接节点连接至所述电容C1的正极电位点，绝缘栅双极型晶体管T10发射极与二极管D10阳极的连接节点连接至所述电容C4的负极电位点；
通过控制绝缘栅双极型晶体管T1和双向开关T5的触发，使得电容C1投入电路；通过控制绝缘栅双极型晶体管T2和双向开关T5的触发，使得电容C2投入电路，通过控制绝缘栅双极型晶体管T3和双向开关T6的触发，使得电容C3投入电路，通过控制绝缘栅双极型晶体管T4和双向开关T6的触发，使得电容C4投入电路。
2.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器五电平钳位交叉型子模块拓扑结构，其特征在于：当绝缘栅双极型晶体管T1、T2、T3、T4、T7、T8、T9、T10和双向开关T5、T6触发关断时；
所述MMC子模块拓扑电容C1的电压为Uc1、电容C2的电压为Uc2、电容C3的电压为Uc3和电容C4的电压为Uc4；
若电流ism从所述MMC子模块拓扑的电压正极输出端注入和电压负极输出端流出时，即ism>0，电流流通路径为：D1→C1→C2→D7→D9→C3→C4→D4，输出电平为Uc1+Uc2+Uc3+Uc4；
若电流ism从所述MMC子模块拓扑的电压负极输出端注入和电压正极输出端流出时，即ism<0，电流流通路径为：D3→C3→C4→D10→D8→C1→C2→D2，输出电平为-(Uc1+Uc2+Uc3+Uc4)；
若所述绝缘栅双极型晶体管T2、T3、T7、T9触发导通，所述绝缘栅双极型晶体管T1、T4、T8、T10和双向开关T5、T6触发关断，输出电平为0，电流方向为正ism>0时，电流流通路径为：T2→D7→D9→T3；电流方向为负ism<0时，电流流通路径为：D3→T9→T7→D2。
3.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器五电平钳位交叉型子模块拓扑结构，其特征在于：
若所述绝缘栅双极型晶体管T1、T4、T7、T9触发导通，所述绝缘栅双极型晶体管T2、T3、T8、T10和双向开关T5、T6触发关断，输出电平为Uc1+Uc2+Uc3+Uc4，电流方向为正ism>0时，电流流通路径为：D1→C1→C2→D7→D9→C3→C4→D4，电流方向为负ism<0时，电流流通路径为：T4→C4→C3→T9→T7→C2→C1→T1；
若所述绝缘栅双极型晶体管T2、T3、T8、T10触发导通，所述绝缘栅双极型晶体管T1、T4、T7、T9和双向开关T5、T6触发关断，输出电平为-(Uc1+Uc2+Uc3+Uc4)，电流方向为正ism>0时，电流流通路径为：T2→C2→C1→T8→T10→C4→C3→T3，电流方向为负ism<0时，电流流通路径为：T4→C4→C3→T9→T7→C2→C1→T1。
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