CN113992037A - 一种双向自阻塞子模块拓扑结构及其故障穿越方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于多电平变换器技术领域，提供了一种双向自阻塞子模块拓扑结构及其故障穿越方法，包括第一半桥结构、第二半桥结构、反向开关管单元，以及并联在所述双向自阻塞子模块的端口处的续流晶闸管；其中，所述第一半桥结构包括第一开关管单元、第三开关管单元和第一电容；所述第二半桥结构包括第二开关管单元、第四开关管单元和第二电容；所述反向开关管单元的一端连接所述第一开关管单元和所述第二开关管单元，另一端连接所述第三开关管单元和所述第四开关管单元；故障穿越方法包括电容放电阶段、故障隔离阶段以及重启动阶段。

Description

一种双向自阻塞子模块拓扑结构及其故障穿越方法
技术领域
本发明属于多电平变换器技术领域，具体涉及一种双向自阻塞子模块拓扑结构及其故障穿越方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，简称MMC）由多个结构相同的子模块(Sub-Module,简称SM)级联构成，已成为柔性直流输电系统的首选换流器拓扑。
基于MMC的柔性直流输电技术因具备电能质量高、灵活可控及易于潮流反转等优势，被广泛认为是实现风能、太阳能等绿色可再生能源有效利用、分布式电源接入及区域电网互联的有效技术手段之一。但是大量的电力电子设备降低了柔性直流电网的系统阻尼及惯量，同时架空线故障率较高，使得直流侧故障快速隔离成为基于架空线的MMC型多端柔性直流电网需解决的问题。为了处理直流侧故障，目前工程所采取的解决方案有如下两种：直流侧断路器和基于换流器子模块故障电流自清除能力的故障隔离方式。
半桥型MMC是目前国内大多数柔直工程采用的拓扑结构，通过直流侧断路器(DC circuit breaker，简称DCCB)来应对直流侧故障。混合式直流断路器同时具备机械式开关的断流能力及固态式开关的动作速度，是目前工程应用及科研创新的首选结构，但较高的建设成本与占地面积限制了其大规模应用。
换流器自清除的方法基于换流器拓扑结构，配合相应的控制策略通过换流器抑制并清除故障电流，以达到隔离故障的目的。基于换流器故障电流自清除能力的故障隔离方式，其故障电流清除能力强，故障消失后重启速度快，且建设与运行投入相较于DCCB要低得多，因此在性能与成本方面具有明显优势，是现阶段直流输电系统故障处理方法的研究热点之一。
现存较为成熟的具备故障电流自清除能力的子模块可分为电容电压钳位型和故障转移型子模块两类；前者基于二极管的单向导通性，在直流侧发生故障后，闭锁子模块使子模块电容反极性接入故障电流流通路径中清除故障电流，优势主要是清除速度快、能量损耗小；后者基于晶闸管的关断特性，闭锁子模块并导通配置的晶闸管，转移故障电流至晶闸管并在完全转移后撤去晶闸管触发信号，故障电流过零晶闸管关断完成故障电流的清除，以较低的成本为突出优点；但两者在性能及成本方面均有较大的提升空间。现存故障转移型子模块无法兼顾保证较低的建设成本、较高的可靠性及控制简便性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种双向自阻塞子模块拓扑结构及其故障穿越方法，针对现存故障转移型子模块无法兼顾性能及成本的缺点进行改进，在确保了较高的可靠性及降低控制难度的前提下，相较于现存故障转移型子模块降低了制造成本及运行成本。
根据一些实施例，本发明的第一方案提供了一种双向自阻塞子模块拓扑结构，采用如下技术方案：
一种双向自阻塞子模块拓扑结构，包括第一半桥结构、第二半桥结构、反向开关管单元，以及并联在所述双向自阻塞子模块的端口处的续流晶闸管；
其中，所述第一半桥结构包括第一开关管单元、第三开关管单元和第一电容；所述第二半桥结构包括第二开关管单元、第四开关管单元和第二电容；所述反向开关管单元的一端连接所述第一开关管单元和所述第二开关管单元，另一端连接所述第三开关管单元和所述第四开关管单元；
所述第一开关管单元、所述第二开关管单元、所述第三开关管单元、所述第四开关管单元和所述反向开关管单元均包括开关管和反向并联的二极管；所述开关管的集电极均与所述二极管的阴极相连接，所述开关管的发射极均与所述二极管的阳极相连接；
所述第一电容的正极与所述第一开关管单元中的开关管的集电极相连接，所述第一电容的负极与所述第三开关管单元中的开关管的发射极相连接；所述第二电容的正极与所述第二开关管单元中的开关管的集电极相连接，所述第二电容的负极与所述第四开关管单元中的开关管的发射极相连接；
所述反向开关管单元中的开关管的发射极分别连接所述第一开关管单元中的开关管的发射极和所述第二开关管单元中的开关管的发射极；所述反向开关管单元中的开关管的集电极分别连接所述第三开关管单元中的开关管的集电极和所述第四开关管单元中的开关管的集电极；
所述续流晶闸管的阴极与所述第一电容的正极相连接，所述续流晶闸管的阳极与所述第二电容的负极相连接；
所述双向自阻塞子模块的端口包括双向自阻塞子模块正极端口和双向自阻塞子模块负极端口；所述双向自阻塞子模块正极端口与所述续流晶闸管的阴极相连接；所述双向自阻塞子模块负极端口与所述续流晶闸管的阳极相连接。
作为进一步的技术限定，所述第一开关管单元、所述第二开关管单元、所述第三开关管单元、所述第四开关管单元和所述反向开关管单元中的开关管均采用IGBT。
根据一些实施例，本发明的第二方案提供了一种双向自阻塞子模块拓扑结构的故障穿越方法，采用如下技术方案：
一种双向自阻塞子模块拓扑结构的故障穿越方法，采用了第一方案中述的双向自阻塞子模块拓扑结构作为子模块单元构建完成模块化多电平换流器；所述方法包括电容放电阶段、故障隔离阶段以及重启动阶段；其中，所述电容放电阶段是在故障发生后到换流器所有子模块IGBT闭锁这一阶段；所述故障隔离阶段从发出续流晶闸管触发信号开始，先后经历子模块所有IGBT闭锁以及续流晶闸管闭锁，当故障电流过零时所有双向自阻塞子模块中的续流晶闸管关断，故障隔离阶段结束；所述重启动阶段是待直流侧故障电流清零后，在供电可靠性允许的范围内考虑一般瞬时故障自行清除的时间，重新根据调制需求向双向自阻塞子模块施加投入或者旁路信号。
作为进一步的技术限定，所述电容放电阶段与所述故障隔离阶段存在着重叠时间，当检测到故障电流后且在子模块所有IGBT闭锁之前，双向自阻塞子模块正常投切，先给续流晶闸管触发信号，续流晶闸管导通后再闭锁双向自阻塞子模块中的所有IGBT,使得交流侧暂时工作在三相短路状态。
进一步的，在续流晶闸管导通之后应尽快进行闭锁子模块所有IGBT操作，以缩短电容放电阶段与故障隔离阶段之间的时间间隔，减少电容放电损失的能量，降低短路电流的影响并便于后续重启动操作。
作为进一步的技术限定，在所述故障隔离阶段，续流晶闸管导通后，子模块快速闭锁，闭锁后因续流晶闸管导通与子模块并联连接，故障电流转移至续流晶闸管，不产生冲击电压，电容经过放电，电压低于额定电压，IGBT不会因电压过高而损坏。
进一步的，故障电流转移后，撤去续流晶闸管的触发信号，待故障电流均过零时，续流晶闸管关断，故障电流清除，故障隔离阶段结束。
作为进一步的技术限定，在所述重启动阶段中，若不再出现过电流情况，表示发生的为瞬时故障，故障穿越成功；否则，则视为永久性故障，需要配合交流侧断路器或直流侧断路器断开线路进行检修。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
从性能角度来讲，单晶闸管半桥子模块(Single ThyristorSwitch Half Bridge Sub-Module,简称STS-HBSM)与双晶闸管半桥子模块 (Double ThyristorSwitches Half Bridge Sub-Module,简称DTS-HBSM)虽然具备制造成本及运行成本方面的优势，但其可靠性非常差，子模块主体部分二极管容易在故障电流清除过程中损坏，因此是属于原理型拓扑结构，为后续创新提供了思路。
双向自阻塞子模块(Bidirectional Self-blocking Sub-Module,简称BSBSM)兼具类半桥子模块(Quasi-Half Bridge Sub-Module,简称QHBSM)的无续流通路及双向阻塞子模块(bidirectional blocking sub-module，简称BBSM)可靠性高的优点，且运行损耗与两者基本一致，同时控制简单且成本更低，因此在综合性能方面BSBSM性价比更高。因此，基于双向自阻塞子模块模块化多电平换流器（BSBSM-MMC）的高压直流输电系统可在提高性能的同时，大大降低换流站建造与运行成本。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1（a）是本发明实施例中的单晶闸管半桥子模块的拓扑结构图；
图1（b）是本发明实施例中的单晶闸管半桥子模块的故障电流清除期间的路径图；
图2（a）是本发明实施例中的双晶闸管半桥子模块的拓扑结构图；
图2（b）是本发明实施例中的双晶闸管半桥子模块的故障电流清除期间的路径图；
图3（a）是本发明实施例中的类半桥子模块的拓扑结构图；
图3（b）是本发明实施例中的类半桥子模块的故障电流清除期间的路径图；
图4（a）是本发明实施例中的双向阻塞子模块的拓扑结构图；
图4（b）是本发明实施例中的双向阻塞子模块的故障电流清除期间的路径图；
图4（c）是本发明实施例中的双向阻塞子模块在故障发生后的控制策略图；
图5是本发明实施例中的双向自阻塞子模块的拓扑结构图；
图6（a）是本发明实施例中的双向自阻塞子模块在模式1下的电流通路示意图；
图6（b）是本发明实施例中的双向自阻塞子模块在模式2下的电流通路示意图；
图6（c）是本发明实施例中的双向自阻塞子模块在模式3下的电流通路示意图；
图6（d）是本发明实施例中的双向自阻塞子模块在模式4下的电流通路示意图；
图6（e）是本发明实施例中的双向自阻塞子模块在模式5下的电流通路示意图；
图7（a）是本发明实施例中的双向自阻塞子模块穿越瞬间故障的流程图；
图7（b）是本发明实施例中的双向自阻塞子模块在电容放电阶段及故障隔离阶段的状态示意图；
图8是本发明实施例中的双向自阻塞子模块模块化多电平换流器的等效电路图；
图9是本发明实施例中的双向自阻塞子模块模块化多电平换流器的故障电流路径图；
图10是本发明实施例中的单端模块化多电平换流器高压直流输电系统的结构示意图；
图11（a）是本发明实施例中的双向自阻塞子模块模块化多电平换流器高压直流输电系统在正常工况下的交流侧电压示意图；
图11（b）是本发明实施例中的双向自阻塞子模块模块化多电平换流器高压直流输电系统在正常工况下的直流侧电压示意图；
图11（c）是本发明实施例中的双向自阻塞子模块模块化多电平换流器高压直流输电系统在正常工况下的a相上桥臂电容电压示意图；
图12（a）是本发明实施例中的双向自阻塞子模块模块化多电平换流器高压直流输电系统在直流侧发生双极短路故障工况下的直流侧电流示意图；
图12（b）是本发明实施例中的双向自阻塞子模块模块化多电平换流器高压直流输电系统在直流侧发生双极短路故障工况下的直流侧电压示意图；
图12（c）是本发明实施例中的双向自阻塞子模块模块化多电平换流器高压直流输电系统在直流侧发生双极短路故障工况下的a相上桥臂电容电压示意图；
图13（a）是本发明实施例中的双向自阻塞子模块模块化多电平换流器高压直流输电系统在故障电流清除且假定瞬时故障消失工况下进行重启动后的交流侧电压示意图；
图13（b）是本发明实施例中的双向自阻塞子模块模块化多电平换流器高压直流输电系统在故障电流清除且假定瞬时故障消失工况下进行重启动后的直流侧电流示意图；
图13（c）是本发明实施例中的双向自阻塞子模块模块化多电平换流器高压直流输电系统在故障电流清除且假定瞬时故障消失工况下进行重启动后的直流侧电压示意图；
图13（d）是本发明实施例中的双向自阻塞子模块模块化多电平换流器高压直流输电系统在故障电流清除且假定瞬时故障消失工况下进行重启动后的a相上桥臂电容电压示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本实施例针对故障转移型子模块进行创新改进，先介绍现有的故障转移型子模块的拓扑结构及其故障电流清除机理：
单晶闸管半桥子模块(Single Thyristor Switch Half Bridge Sub-Module,简称STS-HBSM)，其拓扑结构如图1(a)所示，故障电流清除期间路径如图1(b)所示。在故障电流衰减期间，虽然容量较大的二极管分担了大部分的故障电流，但无法避免IGBT反并联的续流二极管也会流过小部分的故障电流，可能会导致续流二极管过流损坏，并且由于晶闸管单向导通的特点，不能解决交流侧向故障点馈入电流的问题。STS-HBSM的突出优点是成本较低，但较低的可靠性限制了大范围应用。
双晶闸管半桥子模块(Double Thyristor Switches Half Bridge Sub-Module,简称DTS-HBSM)，其拓扑结构如图2(a)所示，故障电流清除期间路径如图2(b)所示。相比于STS-HBSM，在DTS-HBSM出口处增设并联了一个反方向的续流晶闸管T24，有效地解决了交流侧向故障点馈入电流的问题，使得故障电流在换流器出口处进行衰减，不再经过故障点，一定程度上提高了可靠性，但增加了建设成本，并且依旧无法解决IGBT反并联的续流二极管流过故障电流的问题。
类半桥子模块(Quasi-Half Bridge Sub-Module,简称QHBSM)，其拓扑结构如图3(a)所示，故障电流清除期间路径如图3(b)所示。其突出特点是在闭锁子模块后除晶闸管外不存在续流通路，可以更好的保护相对脆弱的IBGT及二极管，但器件用量较多，经济性不高。
双向阻塞子模块(Bidirectional Blocking Sub-Module,简称BBSM)，其拓扑结构如图4(a)所示，故障电流清除期间路径如图4(b)所示，故障发生后BBSM控制策略如图4(c)所示。同样从去除续流通路的角度出发，采用一组反并联IGBT（T42和T43），通过控制IGBT关断的方式将故障电流全部转移至续流晶闸管T44中，仅比QHBSM节省了两个二极管，控制变得相对复杂且可靠性稍有下降。
本实施例提出了一种双向自阻塞子模块，与QHBSM性能优势相同，即在闭锁子模块后除续流晶闸管之外不存在续流通路，且仅需进行闭锁操作，便可以将故障电流完全转移至续流晶闸管，同时在保证控制简便性的前提下提高了经济性。首先，为了解决半桥子模块（Half Bridge Sub-Module,简称HBSM)闭锁后二极管续流的问题，引入一组反向开关管（T 5和D 5），将反向开关管置于第一半桥结构和第二半桥结构的中间，具体的，所述第一半桥结构包括经反向开关管串联的第一开关管单元和第三开关管单元；所述第二半桥结构包括经反向开关管串联的第二开关管单元和第四开关管单元；所述反向开关管的一端连接所述第一开关管单元和所述第二开关管单元，另一端连接所述第三开关管单元和所述第四开关管单元；第一开关管单元为IGBT T1和反向并联的二极管D1，第二开关管单元为IGBT T2和反向并联的二极管D2，第三开关管单元为IGBT T3和反向并联的二极管D3，第四开关管单元为IGBT T4和反向并联的二极管D4，反向开关管单元为IGBT T5和反向并联的二极管D5；第一电容C1的正极与T1的集电极相连接，第一电容C1的负极与T3的发射极相连接；第二电容C2的正极与T2的集电极相连接，第一电容C2的负极与T4的发射极相连接；T1的集电极作为子模块的正极端口，T4的发射极相为子模块的负极端口；在子模块端口处并联了一个续流晶闸管T 6，用以续流故障电流完成故障电流的清除，T 6阳极与子模块负极端口连接，T 6阴极与子模块正极端口连接，其拓扑结构如图5所示。
BSBSM具有5种工作模式，其开关状态如表1所示。在正常运行状态下，BSBSM可输出2U c(U c1+U c2)、U c(U c1或U c2)和0三种电平。
表1 双向自阻塞子模块的5种工作模式
Figure 716943DEST_PATH_IMAGE001
在模式1下，电容C1、C2均被旁路，双向自阻塞子模块输出电压U sm为0；在模式2下，电容C1被投入，C2被旁路，双向自阻塞子模块输出电压为U c1；在模式3下，电容C2被投入，C1被旁路，双向自阻塞子模块输出电压为U c2；
在模式4下，电容C1和C2串联投入，双向自阻塞子模块输出电压为U c1+U c2；模式5为故障电流清除工作模式，所有的双向自阻塞子模块被闭锁，且因内部拓扑结构使得电容无法通过二极管放电，触发续流晶闸管T6，为三相交流源提供通路防止向故障点馈流。
五种模式下的电流通路如图6所示。
直流侧输电线路中以双极短路故障最具代表性，并且危害较大，这里以其为对象进行研究。对于BSBSM-MMC穿越瞬时故障的过程，可以分为三个阶段：电容放电阶段、故障隔离电流阻断阶段以及重启动阶段，流程图如图7(a)所示，双向自阻塞子模块在电容放电阶段及故障隔离电流阻断阶段的状态如图7(b)所示，以下详细介绍故障穿越策略三个阶段的工作原理。（1）电容放电阶段
第一阶段电容放电阶段，为故障发生后到闭锁双向自阻塞子模块的时间，这一阶段与第二阶段电流转移阻断阶段存在一部分重叠时间，在系统检测到故障电流后闭锁双向自阻塞子模块之前，BSBSM依旧会按照正常运行模式投切很短时间，及时给每个双向自阻塞子模块端口的续流晶闸管触发信号，使其导通分担部分电流，续流晶闸管可靠导通后再闭锁所有双向自阻塞子模块中的IGBT，使得交流侧暂时工作在三相短路状态。双向自阻塞子模块闭锁在续流晶闸管导通之后是为了防止在没有故障电流回路的情况下闭锁双向自阻塞子模块会引起非常大的反电势击穿器件，两者间隔在保证续流晶闸管完全导通的情况下应尽可能短。
这一阶段双向自阻塞子模块电容电压值迅速降低，电容中部分能量与交流侧注入能量暂时储存在电感中。考虑到交流侧注入能量较少，此阶段可近似等效为RLC串联电路的电容放电过程，BSBSM-MMC的等效电路如图8所示，其中，图中L line和L分别为线路电感和桥臂电感，R line和R分别为线路电阻和桥臂电阻。
（2）故障隔离阶段
第二阶段从发出晶闸管触发信号开始，期间先后经历双向自阻塞子模块闭锁及续流晶闸管闭锁两个环节，当故障电流过零时所有双向自阻塞子模块中的续流晶闸管关断，故障隔离阶段结束，此阶段BSBSM-MMC的电流通路如图9所示。
因双向自阻塞子模块中的续流晶闸管的导通提供了通路，交流侧将会短暂工作在三相短路状态，某时刻的电流路径如路径“交流成分”所示；同时桥臂电感和线路等效电感中的吸收存储的双向自阻塞子模块闭锁前电容放出的能量经路径“直流成分”所示的通路在线路等效电阻上消耗。在续流晶闸管导通后，双向自阻塞子模块会尽可能快速的闭锁，闭锁后因续流晶闸管导通与双向自阻塞子模块并联连接，故障电流会转移至续流晶闸管上，不会产生冲击电压，因此闭锁双向自阻塞子模块仅需考虑器件承压情况，而电容经过放电，电压低于额定电压，IGBT不会因为电压过高而损坏。
故障电流转移完成后，可撤去续流晶闸管触发信号，待两类故障电流均过零时，续流晶闸管会关断，故障电流清除，此阶段结束。
（3）重启阶段
第三阶段为重启动阶段，待直流侧故障电流清零后，在供电可靠性允许的范围内并且考虑一般瞬时故障自行清除的时间，重新根据调制需求向双向自阻塞子模块施加相应的投入或者旁路信号。如果不再出现过电流情况，表示发生的为瞬时故障，故障穿越成功；否则，则视为永久性故障，需要配合交流侧断路器或直流侧断路器断开线路进行检修。
电力电子器件的运行损耗包含导通损耗、截止损耗及开关损耗。对于故障转移型子模块,其续流晶闸管仅在故障时参与工作，因此在运行损耗中不予以考虑。
IGBT和二极管的导通损耗，可由导通电流和管压降相乘计算出：
Figure 422731DEST_PATH_IMAGE002
式中，
Figure 757897DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 283556DEST_PATH_IMAGE004
分别为IGBT的管压降和导通电流，
Figure 362371DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 188244DEST_PATH_IMAGE006
分别为IGBT的导通电阻和擎住电压；
Figure 959891DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 710197DEST_PATH_IMAGE008
分别为二极管的管压降和导通电流，
Figure 592702DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 7503DEST_PATH_IMAGE010
分别为二极管的导通电阻和擎住电压。
IGBT和二极管的截止损耗表示的是器件在关断状态下由于漏电流存在而产生的损耗，可由截止电压和截止电阻相乘计算出：
Figure 950051DEST_PATH_IMAGE011
式中，
Figure 715882DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 136499DEST_PATH_IMAGE013
分别为IGBT和二极管的截止电阻，其取值可在器件说明手册中查取。
对于IGBT和二极管的开关损耗，IGBT的开关损耗包括开通损耗和关断损耗，二极管仅需考虑关断损耗，又可以称为反向恢复损耗，表达式如下：
Figure 405806DEST_PATH_IMAGE014
式中，
Figure 519256DEST_PATH_IMAGE015
表示IGBT的开关损耗，包含开通损耗
Figure 506804DEST_PATH_IMAGE016
和关断损耗
Figure 731112DEST_PATH_IMAGE017
；
Figure 120505DEST_PATH_IMAGE018
表示二极管的反向恢复损耗。
Figure 404855DEST_PATH_IMAGE019
、
Figure 614120DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 642119DEST_PATH_IMAGE021
和
Figure 151597DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 341270DEST_PATH_IMAGE023
、
Figure 29042DEST_PATH_IMAGE024
分别为IGBT和二极管开关损耗曲线的拟合系数。
基于MATLAB/Simulink搭建单端MMC仿真模型，用以计算BSBSM及其他典型故障转移型子模块的运行损耗，因模型的局限性暂不考虑电力电子器件的截止损耗，仿真结果如表2所示。
表2子模块运行损耗
Figure 595152DEST_PATH_IMAGE025
BSBSM在保证了无续流通路的前提下，降低了成本，保证了控制的简便性，并且运行损耗水平基本与QHBSM、BBSM保持一致。
MMC的投资成本由单位电平所需要的器件数量决定，由图6分析每种工作模式下器件承压情况，除去D 3和D 4最大承压需求为0.5U c ，其它器件的最大承压需求均为U c 。考虑到在相同承压需求下续流晶闸管相比IGBT价格要低，假设双向自阻塞子模块电容电压U c 为1kV，在这一规格下续流晶闸管价格大概是IGBT的一半，为了方便对比，此处单个续流晶闸管等效为半个IGBT进行成本计算。表3给出了BSBSM及其他典型故障转移型子模块成本对比结果。
表3 子模块器件数量及成本
Figure 959138DEST_PATH_IMAGE026
为了更好的比较各子模块成本，考虑二极管及晶闸管成本，构建子模块成本C t 等效表达式：
Figure 319712DEST_PATH_IMAGE027
式中，
Figure 34727DEST_PATH_IMAGE028
表示子模块单位电平IGBT数量；
Figure 404528DEST_PATH_IMAGE029
表示子模块单位电平二极管数量；
Figure 91862DEST_PATH_IMAGE030
表示子模块单位电平晶闸管数量；M为二极管相对于IGBT的价格比，本实施例取0.2。
为了验证所提出BSBSM及故障穿越策略的可行性与优越性，基于MATLAB/Simulink仿真平台搭建了单端MMC-HVDC系统，系统结构图如图10所示。BSBSM-MMC每个桥臂设置5个子模块，每个子模块含有两个电容，即可以产生11电平，调制方式采用最近电平逼近调制策略(Nearest Level Modulation,简称NLM) ，系统参数如表4所示。
表4 MMC-HVDC系统参数
Figure 888916DEST_PATH_IMAGE031
设置0.25s时在距离换流站8km处发生双极短路故障，0.27s时检测到故障电流，向子模块所有晶闸管发出导通信号，0.275s闭锁所有子模块IGBT，0.28s时撤去晶闸管导通信号，0.352s时检测到故障电流清除，0.4s时解锁子模块IGBT并尝试重启换流站。
①正常工况仿真结果及分析
图11为基于BSBSM-MMC的单端HVDC系统在正常工况下的仿真结果。
由图11(a)可知，换流站交流侧输出电压为11电平阶梯波，对调制波的逼近效果较好；由图11(b)可知，直流侧输出电压在10kV附近小幅度波动，波动幅度仅为0.5%，满足直流输电的要求；NLM是基于桥臂中电容电压大小排序的调制方法，可以实现电容电压相对均衡，a相上桥臂电容电压情况如图11(c)所示，电容电压在1kV左右波动，波动幅度为2%，稳定性满足要求。
②故障隔离仿真结果及分析
图12为基于BSBSM-MMC的单端HVDC系统在直流侧发生双极短路故障及完成故障电流清除的仿真结果，0到0.25s系统处于正常工作模式，0.25s时故障发生，经过预先设定的故障电流转移清除策略，到0.375s左右，故障电流被完全清除。
由图12(a)，故障发生后续流晶闸管导通前，故障电流持续快速升高，增至最大约为1.2kA，续流晶闸管导通并且子模块闭锁后，子模块电容不再放电，故障电流由两部分组成，分别是线路储存的能量产生的直流故障电流成分和交流侧对称三相故障产生的交流故障电流，前者持续衰减，因续流晶闸管在0.28s被撤去了导通信号，待合成的故障电流过零时，续流晶闸管断流，故障电流被清除，故障电流清除过程经历了77ms。图12(b)所示为直流侧电压，故障发生瞬间，电压会因线路分压会骤降，后因电容电压持续放电，直流侧电压也会持续下降，当续流晶闸管导通后，直流侧电压同样是由两部分组成，第一部分是线路电感电压，此电压值会随着能量的耗散而下降，因续流晶闸管导通使换流站工作在三相短路状态，使得另外一部分是交流侧线电压，合成电压波形也是逐渐衰减的类正弦波，当故障电流清除后，交流侧与直流侧隔离，所测电压变为0。图12(c)所示为a相上桥臂电容电压，故障发生后子模块未闭锁前，电容持续放电，使得电容电压持续下降，直到双向自阻塞子模块闭锁后，电容不再放电，电容电压保持恒定，且在故障放电的过程中，依旧采用NLM根据子模块电容电压大小进行排序投切，使得闭锁后子模块电容电压基本一致，十分有利于系统重启。
系统重启动仿真结果
图13所示是系统在故障电流清除且假定瞬时故障消失后，系统尝试重新启动恢复正常工作模式的仿真结果。仿真结果选取开始时间为0.38s，故障电流已完全被清除，模拟0.39s故障消失，系统于0.40s尝试重启。
图13(a)所示为重启过程中换流器交流侧电压的情况，虚线所代表的是调制波，在重启初期，调制波出现了过电压情况，在0.46s后逐渐恢复正常，但由于MMC子模块电容的配置情况及直流侧电压的配合，对于换流器实际输出的阶梯波幅值影响不大，仅对逼近效果产生了较小影响。直流侧电流及电压变化情况如图13(b)、图13(c)所示，在经历短暂小幅度超调后直流侧电流电压均恢复到正常工作状态。图13(d)所示为a相上桥臂子模块电容电压在重启动过程中的变化情况，解锁子模块IGBT的次序及后续投切方式以NLM为依据，因此在整个过程中，桥臂子模块电容电压均衡情况很好，电容电压出现过电压情况，曲线趋势基本与直流侧电压超调曲线一致，过电压最大为1181.62V，过电压率为18.162%，且一般在选用器件时会考虑过流过压的情况，且过电压时间不足0.1s，因此不会造成器件损坏。
根据仿真及分析结果，BSBSM-MMC能够有效地完成交直流换流，且在直流侧发生故障后可以快速清除故障电流并且实现交流源与故障点的隔离，同时子模块电容电压的均衡性较好，在故障清除后可以快速恢复至正常工况。
从性能角度来讲，STS-HBSM与DTS-HBSM虽然具备制造成本及运行成本方面的优势，但其可靠性非常差，子模块主体部分二极管容易在故障电流清除过程中损坏，因此是属于原理型拓扑结构，为后续创新提供了思路。
BSBSM兼具QHBSM的无续流通路及BBSM可靠性高的优点，且运行损耗与两者基本一致，同时控制简单且成本更低，因此在综合性能方面BSBSM性价比更高。因此，基于BSBSM- MMC的高压直流输电系统可在提高性能的同时，大大降低换流站建造与运行成本。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种双向自阻塞子模块拓扑结构，其特征在于，包括第一半桥结构、第二半桥结构、反向开关管单元，以及并联在所述双向自阻塞子模块的端口处的续流晶闸管；
其中，所述第一半桥结构包括第一开关管单元、第三开关管单元和第一电容；所述第二半桥结构包括第二开关管单元、第四开关管单元和第二电容；所述反向开关管单元的一端连接所述第一开关管单元和所述第二开关管单元，另一端连接所述第三开关管单元和所述第四开关管单元；
所述第一开关管单元、所述第二开关管单元、所述第三开关管单元、所述第四开关管单元和所述反向开关管单元均包括开关管和反向并联的二极管；所述开关管的集电极均与所述二极管的阴极相连接，所述开关管的发射极均与所述二极管的阳极相连接；
所述第一电容的正极与所述第一开关管单元中的开关管的集电极相连接，所述第一电容的负极与所述第三开关管单元中的开关管的发射极相连接；所述第二电容的正极与所述第二开关管单元中的开关管的集电极相连接，所述第二电容的负极与所述第四开关管单元中的开关管的发射极相连接；
所述反向开关管单元中的开关管的发射极分别连接所述第一开关管单元中的开关管的发射极和所述第二开关管单元中的开关管的发射极；所述反向开关管单元中的开关管的集电极分别连接所述第三开关管单元中的开关管的集电极和所述第四开关管单元中的开关管的集电极；
所述续流晶闸管的阴极与所述第一电容的正极相连接，所述续流晶闸管的阳极与所述第二电容的负极相连接；
所述双向自阻塞子模块的端口包括双向自阻塞子模块正极端口和双向自阻塞子模块负极端口；所述双向自阻塞子模块正极端口与所述续流晶闸管的阴极相连接；所述双向自阻塞子模块负极端口与所述续流晶闸管的阳极相连接。
2.如权利要求1中所述的一种双向自阻塞子模块拓扑结构，其特征在于，所述第一开关管单元、所述第二开关管单元、所述第三开关管单元、所述第四开关管单元和所述反向开关管单元中的开关管均采用IGBT。
3.一种双向自阻塞子模块拓扑结构的故障穿越方法，采用了如权利要求1-2中任一项所述的双向自阻塞子模块拓扑结构作为子模块单元的模块化多电平换流器，其特征在于，所述方法包括电容放电阶段、故障隔离阶段以及重启动阶段；其中，所述电容放电阶段是在故障发生后到换流器所有子模块IGBT闭锁这一阶段；所述故障隔离阶段从发出续流晶闸管触发信号开始，先后经历子模块所有IGBT闭锁以及续流晶闸管闭锁，当故障电流过零时所有双向自阻塞子模块中的续流晶闸管关断，故障隔离阶段结束；所述重启动阶段是待直流侧故障电流清零后，在供电可靠性允许的范围内考虑一般瞬时故障自行清除的时间，重新根据调制需求向双向自阻塞子模块施加投入或者旁路信号。
4.如权利要求3中所述的一种双向自阻塞子模块拓扑结构的故障穿越方法，其特征在于，所述电容放电阶段与所述故障隔离阶段存在着重叠时间，当检测到故障电流后且在子模块所有IGBT闭锁之前，双向自阻塞子模块正常投切，先给续流晶闸管触发信号，续流晶闸管导通后再闭锁双向自阻塞子模块中的所有IGBT,使得交流侧暂时工作在三相短路状态。
5.如权利要求4中所述的一种双向自阻塞子模块拓扑结构的故障穿越方法，其特征在于，在续流晶闸管导通之后应尽快进行闭锁子模块所有IGBT操作，以缩短电容放电阶段与故障隔离阶段之间的时间间隔，减少电容放电损失的能量，降低短路电流的影响并便于后续重启动操作。
6.如权利要求3中所述的一种双向自阻塞子模块拓扑结构的故障穿越方法，其特征在于，在所述故障隔离阶段，续流晶闸管导通后，子模块快速闭锁，闭锁后因续流晶闸管导通与子模块并联连接，故障电流转移至续流晶闸管，不产生冲击电压，电容经过放电，电压低于额定电压，IGBT不会因电压过高而损坏。
7.如权利要求6中所述的一种双向自阻塞子模块拓扑结构的故障穿越方法，其特征在于，故障电流转移后，撤去续流晶闸管的触发信号，待故障电流均过零时，续流晶闸管关断，故障电流清除，故障隔离阶段结束。
8.如权利要求3中所述的一种双向自阻塞子模块拓扑结构的故障穿越方法，其特征在于，在所述重启动阶段中，若不再出现过电流情况，表示发生的为瞬时故障，故障穿越成功；否则，则视为永久性故障，需要配合交流侧断路器或直流侧断路器断开线路进行检修。
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