CN113938037A - 模块化多电平换流器、故障穿越方法及电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于电力技术领域，提供了一种模块化多电平换流器、故障穿越方法及电子设备，该模块化多电平换流器为三相拓扑结构且各相拓扑结构相同，每相拓扑均包括：上桥臂、公共桥臂、下桥臂和桥臂切换开关；通过上桥臂、公共桥臂和下桥臂依次串联连接，将模块化多电平换流器的每相拓扑设计为桥臂复用式结构，能够减少桥臂中子模块的使用数量，降低了模块化多电平换流器的体积和成本；同时，通过在上下桥臂或公共桥臂中串入一定比例的全桥子模块，形成FHF型拓扑结构或HFH型拓扑结构，还保证了模块化多电平换流器具有良好的故障穿越能力。

Description

模块化多电平换流器、故障穿越方法及电子设备
技术领域
本发明属于电力技术领域，尤其涉及一种模块化多电平换流器、故障穿越方法及电子设备。
背景技术
随着以新能源为主体的新型电力系统概念的提出，具备谐波含量低、可向无源网络供电以及独立控制有功功率和无功功率等特点的柔性直流输电具有良好的发展前景。其中，模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)更是凭借输出电压质量高、控制灵活和易于拓展等优势，有望成为未来柔性直流输配电系统的主流换流器拓扑。
然而，随着电压等级和输送功率的提升，MMC换流站重量体积大、投资成本高的弊端日趋明显，并且还存在抗直流故障扰动能力较弱的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种模块化多电平换流器、故障穿越方法及电子设备，以解决现有技术中的模块化多电平换流器体积大、成本高的问题。
本发明实施例的第一方面提供了一种模块化多电平换流器，该模块化多电平换流器为三相拓扑结构且各相拓扑相同，每相拓扑均包括：
上桥臂、下桥臂、公共桥臂和桥臂切换开关；
上桥臂、公共桥臂和下桥臂依次串联连接，上桥臂和公共桥臂串联连接的中点、公共桥臂和下桥臂串联连接的中点均通过桥臂切换开关连接至电网的对应交流相；上桥臂中未与公共桥臂连接的一端通过第一电感连接至外部的正极直流母线，下桥臂中未与公共桥臂连接的一端通过第二电感连接至外部的负极直流母线；
其中，拓扑为HFH型拓扑或FHF型拓扑；
若拓扑为HFH型拓扑，则上桥臂和下桥臂均为由多个半桥子模块串联形成的桥臂，公共桥臂为由多个全桥子模块串联形成的桥臂或为由多个半桥子模块、多个全桥子模块混合串联形成的桥臂；
若拓扑为FHF型拓扑，则上桥臂和下桥臂均为由多个全桥子模块串联形成的桥臂或均为由多个半桥子模块、多个全桥子模块混合串联形成的桥臂，公共桥臂为由多个半桥子模块串联形成的桥臂。
可选的，上桥臂、下桥臂和公共桥臂中的子模块数量相等；
若拓扑为HFH型拓扑且公共桥臂为由多个半桥子模块、多个全桥子模块混合串联形成的桥臂，则公共桥臂中全桥子模块所占的比例不小于86.6％；
若拓扑为FHF型拓扑且上桥臂和下桥臂均为由多个半桥子模块、多个全桥子模块混合串联形成的桥臂，则上桥臂和下桥臂中全桥子模块所占的比例相等且不小于86.6％。
可选的，桥臂切换开关包括：第一切换线路和第二切换线路；
第一切换线路包括第一通断单元和第一耐压单元，第一通断单元与第一耐压单元串联，第一切换线路的一端连接至电网的对应交流相，另一端连接至上桥臂和公共桥臂串联连接的中点；
第二切换线路包括第二通断单元和第二耐压单元，第二通断单元与第二耐压单元串联，第二切换线路的一端连接至电网的对应交流相，另一端连接至下桥臂和公共桥臂串联连接的中点。
可选的，若拓扑为FHF型拓扑，则：
第一通断单元、第二通断单元均由两个反向串联的IGBT组成；
第一耐压单元、第二耐压单元均由多个串联的IGBT和/或双向晶闸管组成。
可选的，若拓扑为HFH型拓扑，则：
第一通断单元、第二通断单元均由一个双向子单元组成，第一耐压单元、第二耐压单元均由多个串联的双向子单元组成；
双向子单元包括一个IGBT和四个二极管；其中两个二极管同向串联形成第一支路，另外两个二极管同向串联形成第二支路；第一支路、第二支路的输入端均连接至IGBT的发射极，第一支路、第二支路的输出端均连接至IGBT的集电极，第一支路中两个二极管连接的中点、第二支路中两个二极管连接的中点作为双向子单元的两个连接端。
本发明实施例的第二方面提供了一种故障穿越方法，该方法应用于如上述第一方面的模块化多电平换流器，该方法包括：
获取直流母线的电流和电网各个交流相的相电压；
根据直流母线的电流判断直流侧是否发生故障；
若直流侧发生故障，则闭锁模块化多电平换流器中所有的子模块，并根据模块化多电平换流器的拓扑类型以及每相拓扑对应交流相的相电压，对每相拓扑中桥臂切换开关的状态进行调整。
可选的，根据直流母线的电流判断直流侧是否发生故障，包括：
判断直流母线的电流是否大于预设阈值；
若直流母线的电流大于预设阈值，则判定直流侧发生故障。
可选的，根据模块化多电平换流器的拓扑类型以及每相拓扑对应交流相的相电压，对每相拓扑中桥臂切换开关的状态进行调整，包括：
若拓扑类型为FHF型拓扑，则保持每相拓扑中桥臂切换开关的状态不变；
若拓扑类型为HFH型拓扑，则根据每相拓扑对应交流相的相电压的正负情况，对每相拓扑中桥臂切换开关的状态进行调整。
可选的，若拓扑类型为HFH型拓扑，则根据每相拓扑对应交流相的相电压的正负情况，对每相拓扑中桥臂切换开关的状态进行调整，包括：
若某相拓扑对应交流相的相电压为负，则调整该相拓扑中桥臂切换开关的状态，使该相拓扑运行于下桥臂复用模式；其中，在下桥臂复用模式中，上桥臂和公共桥臂串联连接的中点连接至电网的对应交流相，公共桥臂和下桥臂串联连接的中点断开与电网对应交流相的连接；
若某相拓扑对应交流相的相电压为正，则调整该相拓扑中桥臂切换开关的状态，使该相拓扑运行于上桥臂复用模式；其中，在上桥臂复用模式中，公共桥臂和下桥臂串联连接的中点连接至电网的对应交流相，上桥臂和公共桥臂串联连接的中点断开与电网对应交流相的连接。
本发明实施例的第三方面提供了一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现如上述第二方面的故障穿越方法的步骤。
本发明实施例的第四方面提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上述第二方面的故障穿越方法的步骤。
本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：
本发明实施例通过上桥臂、公共桥臂和下桥臂依次串联连接，将模块化多电平换流器的每相拓扑设计为桥臂复用式结构，能够减少桥臂中子模块的使用数量，降低了模块化多电平换流器的体积和成本；同时，通过在上下桥臂或公共桥臂中串入一定比例的全桥子模块，形成FHF型拓扑结构或HFH型拓扑结构，还保证了模块化多电平换流器具有良好的故障穿越能力。本发明实施例在保证故障穿越能力的基础上有效降低了模块化多电平换流器的体积和成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的模块化多电平换流器的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的模块化多电平换流器中相单元的拓扑结构示意图；
图3是本发明实施例提供的桥臂切换开关的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的故障等效电路示意图；
图5是本发明实施例提供的FHF型和HFH型拓扑的故障电流通路示意图；
图6是本发明实施例提供的FHF型和HFH型拓扑的桥臂电感续流通路的等效电路示意图；
图7是本发明实施例提供的FHF型拓扑潜在的流通路径示意图；
图8是本发明实施例提供的HFH型拓扑潜在的流通路径示意图；
图9是本发明实施例提供的FHF型拓扑的仿真结果图；
图10是本发明实施例提供的HFH型拓扑的仿真结果图；
图11是本发明实施例提供的故障穿越方法的实现流程示意图；
图12是本发明实施例提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
针对MMC换流器轻型化问题，近年来国内外学者做了大量研究，现已提出的许多基于半桥子模块(half bridge submodule,HBSM)的MMC拓扑虽然能够降低换流器的体积，但牺牲了换流器的故障穿越能力。然而，在中高压输配电系统中，架空线路相较于电缆具有优越的经济性，是柔直系统工程化的必然选择，所以直流线路短路故障问题亟待解决。
在面对架空线路多发的直流短路故障时，MMC型直流输电系统需解决故障的快速隔离与穿越问题，目前具备工程可行性的方案主要有“半桥MMC+直流断路器”和“应用具备故障自清除能力子模块MMC”两种。由于当前技术水平限制，前者中作为关键设备的直流断路器研发所用投资成本以及占地面积均较大，难以大规模应用。而后者通过配置具备故障自阻断能力的子模块以实现MMC直流侧故障穿越，具备故障电流清除速度快、可靠性高、经济性好等优势，有望成为MMC型直流输电系统最具潜力的直流故障穿越方案，因此国内外学者对其展开了大量研究并提出了许多新型子模块拓扑，其中，全桥子模块(full bridgesubmodule,FBSM)被广泛应用。但是，由于1个全桥子模块由4个全控型器件IGBT与反并联其两端的二极管以及悬浮电容器构成，相较于半桥子模块，全桥子模块所用器件数量多、运行损耗高，进一步限制了MMC的轻型化实现。综合考虑拓扑经济性以及抗直流故障扰动性能，本发明提出了一种半桥-全桥子模块混合的桥臂复用式模块化多电平换流器。
参见图1所示，本发明实施例提供的模块化多电平换流器为三相拓扑结构，包括A相、B相和C相。每相拓扑(三个相单元的拓扑为对称结构，即三相的拓扑是一致的，图1仅示出了A相拓扑的具体结构)均包括：
上桥臂、下桥臂、公共桥臂和桥臂切换开关，上桥臂、公共桥臂和下桥臂均由多个子模块SM串联组成，各个桥臂中的子模块数量可以相同也可以不同，通常子模块数量设置为相同，以提高效率。上桥臂、公共桥臂和下桥臂依次串联连接，上桥臂和公共桥臂串联连接的中点a1、公共桥臂和下桥臂串联连接的中点a2均通过桥臂切换开关连接至电网的对应交流相uVa。上桥臂中未与公共桥臂连接的一端通过第一电感连接至外部的正极直流母线，下桥臂中未与公共桥臂连接的一端通过第二电感连接至外部的负极直流母线。
其中，相单元拓扑被设计为HFH型拓扑或FHF型拓扑。
参见图2所示，若拓扑为HFH型拓扑，则如图2中的(a)所示，上桥臂和下桥臂均为由多个半桥子模块串联形成的桥臂，公共桥臂为由多个全桥子模块串联形成的桥臂或为由多个半桥子模块、多个全桥子模块混合串联形成的桥臂。若拓扑为FHF型拓扑，则如图2中的(b)所示，上桥臂和下桥臂均为由多个全桥子模块串联形成的桥臂或均为由多个半桥子模块、多个全桥子模块混合串联形成的桥臂，公共桥臂为由多个半桥子模块串联形成的桥臂。
在本方实施例中，针对MMC换流器轻型化问题，通过在每相拓扑中增设公共桥臂及桥臂切换开关，将“时分复用”思想应用到三相桥臂，构建高子模块利用率的桥臂复用式MMC拓扑(arm multiplexing MMC,AM-MMC)。相对于传统的混合型MMC换流器(HF-MMC)，AM-MMC拓扑减少了25％的子模块装配数量，使子模块利用率由50％提升至66.7％，很好地实现了MMC轻型化目标。而对于MMC换流器的故障穿越能力，如果AM-MMC拓扑全部采用半桥子模块，则不具有故障穿越能力；如果AM-MMC拓扑全部采用全桥子模块，则由于全桥子模块所用器件数量多、运行损耗高，进一步限制了MMC的轻型化实现。因此，本发明实施例仅在上下桥臂或公共桥臂中串入一定比例的全桥子模块，形成HFH型HAM-MMC或FHF型HAM-MMC，在降低MMC换流器体积和成本的同时，还兼顾了MMC换流器能够有效隔离直流短路故障以及实现快速降压、阀组在线投退等技术要求。
可见，本发明实施例通过上桥臂、公共桥臂和下桥臂依次串联连接，将模块化多电平换流器的每相拓扑设计为桥臂复用式结构，能够减少桥臂中子模块的数量，降低了模块化多电平换流器的体积和成本；同时，通过在上下桥臂或公共桥臂中串入一定比例的全桥子模块，形成FHF型拓扑结构或HFH型拓扑结构，还保证了模块化多电平换流器具有良好的故障穿越能力。本发明实施例在保证故障穿越能力的基础上有效降低了模块化多电平换流器的体积和成本。
可选的，桥臂切换开关包括：第一切换线路和第二切换线路。
第一切换线路包括第一通断单元和第一耐压单元，第一通断单元与第一耐压单元串联，第一切换线路的一端连接至电网的对应交流相，另一端连接至上桥臂和公共桥臂串联连接的中点。
第二切换线路包括第二通断单元和第二耐压单元，第二通断单元与第二耐压单元串联，第二切换线路的一端连接至电网的对应交流相，另一端连接至下桥臂和公共桥臂串联连接的中点。
在本发明实施例中，参见图1或图3所示，通过对于第一通断单元Ka1、第二通断单元Ka2的通断控制，能够切换拓扑的工作模式。当Ka1接通、Ka2关断时，公共桥臂与下桥臂串联，相单元工作在下桥臂复用模式。当Ka1关断、Ka2接通时，公共桥臂与上桥臂串联，相单元工作在上桥臂复用模式。每个切换线路上还串接有耐压单元，以承担通断单元关断后产生的反压，在同一线路上，通断单元和耐压单元接收同一触发信号，两者实现可靠的同步动作。
可选的，若拓扑为FHF型拓扑，则：
第一通断单元、第二通断单元均由两个反向串联的IGBT组成。
第一耐压单元、第二耐压单元均由多个串联的IGBT和/或双向晶闸管组成。
在本发明实施例中，针对FHF型拓扑，仅采用HBSM的复用桥臂输出电压范围为(0-N*UCN/2)，其中UCN为子模块的额定电容电压。假设某相拓扑的各个桥臂均包含N/2个子模块，其桥臂切换开关如图3中的(a)所示，通断单元由两个反相串联的IGBT组成，耐压单元可以由(N/2-1)个IGBT串联组成。在此基础上，如图3中的(b)所示，耐压单元中的IGBT可以替换为多个价格低廉且耐压高的双向晶闸管，在满足开关切换同步性的条件下更具备经济优势。
可选的，若拓扑为HFH型拓扑，则：
第一通断单元、第二通断单元均由一个双向子单元组成，第一耐压单元、第二耐压单元均由多个串联的双向子单元组成。
双向子单元包括一个IGBT和四个二极管，其中两个二极管同向串联形成第一支路，另外两个二极管同向串联形成第二支路。第一支路、第二支路的输入端均连接至IGBT的发射极，第一支路、第二支路的输出端均连接至IGBT的集电极，第一支路中两个二极管连接的中点、第二支路中两个二极管连接的中点作为双向子单元的两个连接端。
在本发明实施例中，针对HFH型拓扑，由于FBSM能够输出负电平，其公共桥臂电压uma幅值为±N*UCN/2，故桥臂切换开关需具有双向承压能力。假设某相拓扑的各个桥臂均包含N/2个子模块，设计其桥臂切换开关如图3(c)所示，桥臂切换开关由IGBT单元和二极管整流桥构成，可实现双向电流通断，并在IGBT关断后可承担双向反压。
可选的，上桥臂、下桥臂和公共桥臂中的子模块数量相等。
若拓扑为HFH型拓扑且公共桥臂为由多个半桥子模块、多个全桥子模块混合串联形成的桥臂，则公共桥臂中全桥子模块所占的比例不小于86.6％。
若拓扑为FHF型拓扑且上桥臂和下桥臂均为由多个半桥子模块、多个全桥子模块混合串联形成的桥臂，则上桥臂和下桥臂中全桥子模块所占的比例相等且不小于86.6％。
在本发明实施例中，基于桥臂复用型MMC的特殊结构，将每相拓扑的上下桥臂或复用桥臂装配86.6％以上的FBSM，能够在发生故障时第一时间阻断交流馈流情况，实现良好的故障穿越，若装配比例达到100％，则能够保证交流馈流绝无复燃的可能。具体原理如下：
以危害最严重的双极短路故障为例，双极短路故障发生后、子模块闭锁前，处于投入状态子模块的电容向短路点放电，此阶段为电容放电阶段。由于交流侧存储能量较少，电容放电阶段可近似看做RLC串联电路的电容放电过程，其等效电路如图4所示，其中Nuj、Nmj、Ndj分别为j相(j为a、b、c三相中任意一相)的上桥臂、公共桥臂以及下桥臂投入的子模块数量，Req、Leq、Ceq分别为等效电阻、等效电感和等效电容，可表示为：
Figure BDA0003329104000000091
式中，Rline、Lline分别为线路电阻和线路电感，L0为桥臂电感，αeq为等效电容系数，取值范围为1.2～1.3且变化范围较小。
在子模块闭锁后，故障电流对换流器中FBSM的电容充电，此阶段为电容充电阶段。关于此阶段的故障穿越策略：对于FHF型换流器，应保持桥臂切换开关状态不变；对于HFH型换流器，则应根据交流相电压正负情况实时调整相单元运行模式，即电网相电压大于零对应该相相单元应运行于上桥臂复用模式，反之，运行于下桥臂复用模式。
以A相为例，假设交流电网相电压满足usa>usc>0>usb，则前者A相相单元应运行于下桥臂复用模式，后者A相相单元应运行于上桥臂复用模式。基于假设条件，根据上述故障穿越策略，图5中的(a)、(b)分别展示了两种拓扑的故障电流通路。可以看到，所提拓扑均存在两个流通路径，分别为桥臂电感续流通路以及由于桥臂电感泵生电压的存在所形成的由交流侧流向直流侧故障点的交流馈流通路。其中，电感续流可近似看作RLC串联电路的电容充电过程，两种拓扑的等效电路分别如图6中的(a)、(b)所示。其中等效电容Ceq＝3C/(PFBN)，PFB分别为上、下桥臂中或公共桥臂中FBSM的装配比例。当故障电流约为0时，各相之间存在的交流馈流通路可能致使故障电流复燃，图7和图8分别示出了FHF型HAM-MMC拓扑和HFH型HAM-MMC拓扑潜在的流通路径，在图7和图8中，(a),(b),(c)分别表示A与B相之间、B与C相之间、A与C相之间所可能存在的四条馈流通路。对应所提两种拓扑，每两相之间存在的可能馈流通路相应的串入电容个数如表1所示。其中，PFB为FBSM装配比例，拓扑1表示FHF型HAM-MMC拓扑，拓扑2表示HFH型HAM-MMC拓扑。
表1 FHF型和HFH型HAM-MMC拓扑潜在流通路径串入电容数量表
Figure BDA0003329104000000101
由表2可知，通路2为串入电容最少的通路，且电容数最少为PFBN或PFBN/2。则交流馈流回路的方程可统一表示为：
UL＝X·Uc+UD+Urst
式中，UL代表交流侧线电压，X表示通路最少串入电容个数即X＝PFBN或PFBN/2，Uc为电容电压，UD为二极管导通压降，Urst为故障点两端残压。
为了保证交流侧馈流能被阻断且无法复燃，应选择可能流通路径中串入电容个数最少通路，并使该通路子模块中IGBT两端反并联二极管的端电压满足UD<0，即在X＝PFBN时
Figure BDA0003329104000000111
在X＝PFBN/2时，由于usa>usc>0，线电压UAC最大为Umsin(2π/3)，二极管两端电压需满足
Figure BDA0003329104000000112
由于一般调制比m不超过1，根据上式可知，当上、下桥臂中或复用桥臂中FBSM装配比例PFB>86.6％时，交流馈流通路中的二极管会因承受反压而关断，交流侧无法继续向直流侧馈流，换流器完成直流故障穿越。当PFB<86.6％时，交流馈流无法在第一时间被阻断，FBSM继续充电，直至二极管因承受反压关断，致使故障电流清除时间延长且可能导致FBSM器件过压。参照上述分析过程，可判断usa、usb和usc取其它值时的交流馈流情况，且能够得出相同的FBSM配置结果。因此，为了提高故障穿越可靠性，可以将PFB提高至100％，即在FHF型MMC的上、下桥臂全部装配FBSM，在HFH型MMC的复用桥臂全部装配FBSM，确保二极管承受反压，交流侧馈流无复燃可能。
以下，对本发明实施例提出的FHF型HAM-MMC拓扑和HFH型HAM-MMC拓扑进行可行性验证：
首先，本发明实施例提出的FHF型HAM-MMC拓扑、HFH型HAM-MMC拓扑以及常规的HF-MMC拓扑所使用的器件数量对比如表2所示。
表2不同拓扑的器件数量对比表
Figure BDA0003329104000000121
由表2可知，在开关器件方面，使用IGBT型桥臂切换开关的FHF型HAM-MMC与HF-MMC含有几乎相同数量的IGBT单元，开关成本相当。而采用混合型桥臂切换开关的FHF型HAM-MMC在使用了相同开关器件数量前提下，将一定数量IGBT单元由双向晶闸管替代，降低了开关成本。对于HFH型HAM-MMC，所需IGBT单元数量降低16.7％，虽然采用双向开关需使用更多的二极管，但由于二极管较为廉价，在开关器件成本上仍具有一定优势。在电容使用量方面，本发明实施例所提两种拓扑相较于HBSM和FBSM按1:1构成的常规HF-MMC，电容器使用量均减少了25％，降低了成本和体积。
其次，利用仿真软件搭建交流输出电压为21电平(N＝20)的单端HAM-MMC仿真系统模型，对所提两种新型拓扑的运行特性及故障穿越策略下系统直流故障电流阻断能力进行验证。
设置2.0s时在距离换流站15km处发生架空线路直流双极短路故障，当检测到直流侧故障电流大于四倍额定电流时闭锁两种拓扑的所有子模块。
对于FHF型HAM-MMC拓扑，应保证故障发生前后的桥臂切换开关状态不变，图9给出了上、下桥臂FBSM装配率PFB＝100％时的故障穿越仿真结果。图9中的(a)为正常运行状态下换流器交流侧输出电压，可知FHF型HAM-MMC可以输出完整的交流侧21电平阶梯波形，顺利完成交直变换以及功率传输。图9中的(b)为A相桥臂切换开关电流，相单元在交流侧相电压过零点附近进行运行模式切换，当系统功率因数较高时，桥臂切换开关通断电流较小能够保证运行模式可靠切换。由图9中的(c)可知，双极短路故障发生后，直流侧电流激增，子模块闭锁后，直流故障在4s内降为0。图9中的(d)为故障发生前后交流侧电流变化过程，由于二极管承受反压关断，交流馈流通路在第一时间被阻断，使得交流电流迅速降为0且无法复燃。
对于HFH型HAM-MMC拓扑，在检测到短路故障后，应根据交流电网相电压正负情况实时调整桥臂切换开关的通断状态，使相单元在电压为正时运行于上桥臂复用模式、在电压为负时运行于下桥臂复用模式。图10给出了在公共桥臂的FBSM装配比例PFB＝100％时的HFH型HAM-MMC的故障穿越仿真结果。在正常运行阶段，如图10中的(a)、(d)所示，HFH型HAM-MMC同样能够输出完整的交流侧阶梯波形，顺利完成交直流电压变换，且电容电压维持在额定值附近。由图10中的(b)、(c)可知，该拓扑可在4ms内将因双极短路故障引起激增的直流电流迅速降为0，可快速清除直流侧短路故障电流，并成功第一时间阻断交流侧馈流且无法复燃。在闭锁期间，上桥臂和下桥臂中的HBSM不参与故障电流清除过程，故障电流仅对公共桥臂中的FBSM充电，因此上下桥臂电容电压保持恒定，公共桥臂电容电压有所抬升并保持稳定，如图10中的(d)所示。
综上，本发明实施例提出的FHF型HAM-MMC拓扑和HFH型HAM-MMC拓扑具有以下优势：
(1)FHF型HAM-MMC拓扑和HFH型HAM-MMC拓扑结合相应的故障穿越策略，具备直流短路故障阻断能力，并且可搭载除FBSM以外的其它故障电流自清除子模块，在拓扑层面具有良好的通用性。
(2)针对FHF型HAM-MMC拓扑和HFH型HAM-MMC拓扑，设计了配套的桥臂切换开关，可以实现开关切换时的可靠通断与同步动作。并且，对于FHF型HAM-MMC拓扑，考虑到开关切换频率为工频50Hz以及器件成本问题，设计的混合型桥臂切换开关兼备开关切换同步性以及器件成本优势；对于HFH型HAM-MMC拓扑，桥臂切换开关具有双向承压能力。
(3)相较于HBSM和FBSM按1:1比例构成的常规混合型MMC，FHF型HAM-MMC拓扑以及HFH型HAM-MMC拓扑所配备电容器均减少了25％，并且IGBT单元使用量减少16.7％，器件成本和体积更低。
参见图11所示，基于上述的模块化多电平换流器，本发明实施例还提供了一种故障穿越方法，该方法包括：
步骤S1101，获取直流母线的电流和电网各个交流相的相电压。
步骤S1102，根据直流母线的电流判断直流侧是否发生故障。
步骤S1103，若直流侧发生故障，则闭锁模块化多电平换流器中所有的子模块，并根据模块化多电平换流器的拓扑类型以及每相拓扑对应交流相的相电压，对每相拓扑中桥臂切换开关的状态进行调整。
可选的，在步骤S1102中，根据直流母线的电流判断直流侧是否发生故障，可以详述为：
判断直流母线的电流是否大于预设阈值；
若直流母线的电流大于预设阈值，则判定直流侧发生故障。
在本发明实施例中，预设阈值可以为四倍额定电流，即当检测到直流侧故障电流大于四倍额定电流时，判定直流侧发生故障。
可选的，步骤S1103中，根据模块化多电平换流器的拓扑类型以及每相拓扑对应交流相的相电压，对每相拓扑中桥臂切换开关的状态进行调整，包括：
若拓扑类型为FHF型拓扑，则保持每相拓扑中桥臂切换开关的状态不变；
若拓扑类型为HFH型拓扑，则根据每相拓扑对应交流相的相电压的正负情况，对每相拓扑中桥臂切换开关的状态进行调整。
可选的，若拓扑类型为HFH型拓扑，则根据每相拓扑对应交流相的相电压的正负情况，对每相拓扑中桥臂切换开关的状态进行调整，包括：
若某相拓扑对应交流相的相电压为负，则调整该相拓扑中桥臂切换开关的状态，使Ka1接通、Ka2关断，该相拓扑运行于下桥臂复用模式；其中，在下桥臂复用模式中，上桥臂和公共桥臂串联连接的中点连接至电网的对应交流相，公共桥臂和下桥臂串联连接的中点断开与电网对应交流相的连接；
若某相拓扑对应交流相的相电压为正，则调整该相拓扑中桥臂切换开关的状态，使Ka1关断、Ka2接通，该相拓扑运行于上桥臂复用模式；其中，在上桥臂复用模式中，公共桥臂和下桥臂串联连接的中点连接至电网的对应交流相，上桥臂和公共桥臂串联连接的中点断开与电网对应交流相的连接。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
图12是本发明实施例提供的电子设备120的示意图。如图12所示，该实施例的电子设备120包括：处理器121、存储器122以及存储在存储器122中并可在处理器121上运行的计算机程序123，例如故障穿越程序。处理器121执行计算机程序123时实现上述各个故障穿越方法实施例中的步骤，例如图11所示的步骤S1101至S1103。示例性的，计算机程序123可以被分割成一个或多个模块，一个或者多个模块被存储在存储器122中，并由处理器121执行，以完成本发明。一个或多个模块可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述计算机程序123在电子设备120中的执行过程。例如，计算机程序123可以被分割成获取模块、判断模块、控制模块(虚拟装置中的模块)，各模块具体功能如下：
获取模块，用于获取直流母线的电流和电网各个交流相的相电压。
判断模块，用于根据直流母线的电流判断直流侧是否发生故障。
控制模块，用于若直流侧发生故障，则闭锁模块化多电平换流器中所有的子模块，并根据模块化多电平换流器的拓扑类型以及每相拓扑对应交流相的相电压，对每相拓扑中桥臂切换开关的状态进行调整。
电子设备120可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。电子设备120可包括但不仅限于，处理器121、存储器122。本领域技术人员可以理解，图12仅仅是电子设备120的示例，并不构成对电子设备120的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如电子设备120还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所称处理器121可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器122可以是电子设备120的内部存储单元，例如电子设备120的硬盘或内存。存储器122也可以是电子设备120的外部存储设备，例如电子设备120上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(FlashCard)等。进一步地，存储器122还可以既包括电子设备120的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器122用于存储计算机程序以及电子设备120所需的其他程序和数据。存储器122还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/电子设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/电子设备实施例仅仅是示意性的，例如，模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模块化多电平换流器，其特征在于，所述模块化多电平换流器为三相拓扑结构且各相拓扑相同，每相拓扑均包括：
上桥臂、下桥臂、公共桥臂和桥臂切换开关；
所述上桥臂、所述公共桥臂和所述下桥臂依次串联连接，所述上桥臂和所述公共桥臂串联连接的中点、所述公共桥臂和所述下桥臂串联连接的中点均通过所述桥臂切换开关连接至电网的对应交流相；所述上桥臂中未与所述公共桥臂连接的一端通过第一电感连接至外部的正极直流母线，所述下桥臂中未与所述公共桥臂连接的一端通过第二电感连接至外部的负极直流母线；
所述拓扑为HFH型拓扑或FHF型拓扑；
若所述拓扑为HFH型拓扑，则所述上桥臂和所述下桥臂均为由多个半桥子模块串联形成的桥臂，所述公共桥臂为由多个全桥子模块串联形成的桥臂或为由多个半桥子模块、多个全桥子模块混合串联形成的桥臂；
若所述拓扑为FHF型拓扑，则所述上桥臂和所述下桥臂均为由多个全桥子模块串联形成的桥臂或均为由多个半桥子模块、多个全桥子模块混合串联形成的桥臂，所述公共桥臂为由多个半桥子模块串联形成的桥臂。
2.如权利要求1所述的模块化多电平换流器，其特征在于，所述上桥臂、所述下桥臂和所述公共桥臂中的子模块数量相等；
若所述拓扑为HFH型拓扑且所述公共桥臂为由多个半桥子模块、多个全桥子模块混合串联形成的桥臂，则所述公共桥臂中全桥子模块所占的比例不小于86.6％；
若所述拓扑为FHF型拓扑且所述上桥臂和所述下桥臂均为由多个半桥子模块、多个全桥子模块混合串联形成的桥臂，则所述上桥臂和所述下桥臂中全桥子模块所占的比例相等且不小于86.6％。
3.如权利要求1所述的模块化多电平换流器，其特征在于，所述桥臂切换开关包括：第一切换线路和第二切换线路；
所述第一切换线路包括第一通断单元和第一耐压单元，所述第一通断单元与所述第一耐压单元串联，所述第一切换线路的一端连接至电网的对应交流相，另一端连接至所述上桥臂和所述公共桥臂串联连接的中点；
所述第二切换线路包括第二通断单元和第二耐压单元，所述第二通断单元与所述第二耐压单元串联，所述第二切换线路的一端连接至电网的对应交流相，另一端连接至所述下桥臂和所述公共桥臂串联连接的中点。
4.如权利要求3所述的模块化多电平换流器，其特征在于，若所述拓扑为FHF型拓扑，则：
所述第一通断单元、所述第二通断单元均由两个反向串联的IGBT组成；
所述第一耐压单元、所述第二耐压单元均由多个串联的IGBT和/或双向晶闸管组成。
5.如权利要求3所述的模块化多电平换流器，其特征在于，若所述拓扑为HFH型拓扑，则：
所述第一通断单元、所述第二通断单元均由一个双向子单元组成，所述第一耐压单元、所述第二耐压单元均由多个串联的双向子单元组成；
所述双向子单元包括一个IGBT和四个二极管；其中两个二极管同向串联形成第一支路，另外两个二极管同向串联形成第二支路；所述第一支路、所述第二支路的输入端均连接至IGBT的发射极，所述第一支路、所述第二支路的输出端均连接至IGBT的集电极，所述第一支路中两个二极管连接的中点、所述第二支路中两个二极管连接的中点作为所述双向子单元的两个连接端。
6.一种故障穿越方法，其特征在于，所述方法应用于如权利要求1-5任一项所述的模块化多电平换流器，所述方法包括：
获取直流母线的电流和电网各个交流相的相电压；
根据所述直流母线的电流判断直流侧是否发生故障；
若直流侧发生故障，则闭锁所述模块化多电平换流器中所有的子模块，并根据所述模块化多电平换流器的拓扑类型以及每相拓扑对应交流相的相电压，对每相拓扑中桥臂切换开关的状态进行调整。
7.如权利要求6所述的故障穿越方法，其特征在于，根据所述直流母线的电流判断直流侧是否发生故障，包括：
判断所述直流母线的电流是否大于预设阈值；
若所述直流母线的电流大于预设阈值，则判定直流侧发生故障。
8.如权利要求6所述的故障穿越方法，其特征在于，根据所述模块化多电平换流器的拓扑类型以及每相拓扑对应交流相的相电压，对每相拓扑中桥臂切换开关的状态进行调整，包括：
若拓扑类型为FHF型拓扑，则保持每相拓扑中桥臂切换开关的状态不变；
若拓扑类型为HFH型拓扑，则根据每相拓扑对应交流相的相电压的正负情况，对每相拓扑中桥臂切换开关的状态进行调整。
9.如权利要求8所述的故障穿越方法，其特征在于，若拓扑类型为HFH型拓扑，则根据每相拓扑对应交流相的相电压的正负情况，对每相拓扑中桥臂切换开关的状态进行调整，包括：
若某相拓扑对应交流相的相电压为负，则调整该相拓扑中桥臂切换开关的状态，使该相拓扑运行于下桥臂复用模式；其中，在所述下桥臂复用模式中，所述上桥臂和所述公共桥臂串联连接的中点连接至电网的对应交流相，所述公共桥臂和所述下桥臂串联连接的中点断开与电网对应交流相的连接；
若某相拓扑对应交流相的相电压为正，则调整该相拓扑中桥臂切换开关的状态，使该相拓扑运行于上桥臂复用模式；其中，在所述上桥臂复用模式中，所述公共桥臂和所述下桥臂串联连接的中点连接至电网的对应交流相，所述上桥臂和所述公共桥臂串联连接的中点断开与电网对应交流相的连接。
10.一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求6至9任一项所述方法的步骤。
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