CN116388260A - 一种具备直流故障自清除能力的二端口mmc拓扑结构及其控制、均压、降频方法 - Google Patents

一种具备直流故障自清除能力的二端口mmc拓扑结构及其控制、均压、降频方法 Download PDF

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Abstract

本申请属于柔性直流输电领域，提供一种具备直流故障自清除能力的二端口MMC拓扑结构及其控制、均压、降频方法。本发明一种具有直流故障自清除能力的二端口MMC拓扑结构包括两个IGBT，两个二极管以及一个电容，能够输出三种电平，兼具经济性的同时，拥有闭锁和非闭锁两种方法快速清除直流故障，同时基于该拓扑结构的基础上提供了其控制、均压、降频的一整套方法。

Description

一种具备直流故障自清除能力的二端口MMC拓扑结构及其控 制、均压、降频方法
技术领域
本发明涉及柔性直流输电技术领域，特别涉及一种具备直流故障自清除的二端口MMC拓扑结构及其控制、均压、降频方法。
背景技术
柔性直流输电采用全控电力电子器件，典型代表是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。相较于传统直流输电技术，柔性直流输电技术使用电压源换流器，在运行性能上大大超越了传统直流输电技术。柔性直流输电工程中常用的电压源换流器主要有两电平换流器、二极管钳位型三电平换流器以及模块化多电平换流器(MMC)三种。其中，MMC由于其制造难度低，损耗低，波形质量高等优点，得到了越来越广泛的应用和发展。
传统半桥型MMC在直流侧发生短路时，无法依靠自身来清除直流故障，清除手段之一是依靠交流断路器或直流断路器，但其有着故障再恢复时间长以及造价高昂等缺点。另一种方案是采用具有直流故障自清除能力的新型MMC拓扑，但目前业界提出的诸多新拓扑多附加过多开关器件，成本高，损耗大，子模块结构复杂，可靠性低，不利于制造封装。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供一种具备直流故障自清除的二端口MMC拓扑结构及其控制、均压、降频方法；其子模块结构简单，能够在保证良好的经济性前提下，迅速清除直流故障，降低故障恢复时间，保证故障排除后的快速重启。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种具备直流故障自清除能力的二端口MMC拓扑结构，包括A端子、B端子、C端子、D端子、左绝缘栅双极型晶体管T1、右绝缘栅双极型晶体管T2、左反并联二极管D1、右反并联二极管D2、电容C；
所述左绝缘栅双极型晶体管T1的集电极与电容C的正极相连，右绝缘栅双极型晶体管T2的发射极与电容C的负极相连，左反并联二极管D1与左绝缘栅双极型晶体管T1反向并联，右反并联二极管D2与右绝缘栅双极型晶体管T2反向并联，A端子从左绝缘栅双极型晶体管T1的集电极与电容C的正极之间引出，B端子从右绝缘栅双极型晶体管T2的发射极与电容C的负极之间引出，C端子从左绝缘栅双极型晶体管T1的发射极引出，D端子从右绝缘栅双极型晶体管T2的集电极引出。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
进一步地，基于所述具备直流故障自清除能力二端口MMC拓扑结构的工作控制方法，包括：
所述二端口MMC拓扑结构的工作模式包含有正常工作和直流故障两种情况，其中所述二端口MMC拓扑结构也称子模块；
在正常工作模式下，根据左绝缘栅双极型晶体管T1和右绝缘栅双极型晶体管T2的开关状态，以及子模块各端子电流的流入状态，输出零电压、一倍电容电压、负一倍电容电压三种电平中的任意一种；具体为：
在子模块左绝缘栅双极型晶体管T1关断，右绝缘栅双极型晶体管T2导通的条件下，当子模块电流在A端和D端之间流通时，工作状态为正向投入，子模块输出一倍电容电压，当子模块电流在B端和D端之间流通时，工作状态为切除，子模块输出零电压；
在子模块左绝缘栅双极型晶体管T1导通，右绝缘栅双极型晶体管T2关断的情况下，当子模块电流在A端和C端之间流通时，工作状态为切除，子模块输出零电压，当子模块电流在B端和C端之间流通时，工作状态为负向投入，子模块输出负一倍电容电压；
在直流故障模式下，将子模块闭锁，使得子模块内所有绝缘栅双极型晶体管关断，子模块中的电容输出与子模块中故障直流反方向的一倍电容电压，使得故障直流被抵消。
进一步地，在直流故障模式下，除了将子模块闭锁的方式外，还能继续选择不将子模块闭锁，此时通过外界控制模块始终提供与故障直流的反向电压，使得故障直流被抵消，从而保证二端口MMC拓扑结构在非闭锁状态下清除直流故障。
进一步地，基于所述具备直流故障自清除能力二端口MMC拓扑结构的多电平换流器桥臂子模块均压方法，包括：
S1、基于二端口MMC拓扑结构构建模块化多电平换流器的桥臂连接，具体为：所述模块化多电平换流器包括有A′、B′、C′三相桥臂，每相桥臂由上、下桥臂构成，共六个桥臂，所述二端口MMC拓扑结构也称子模块，将桥臂的最上方连接一个无电容的子模块，并将A端子与B端子短接，然后将每一个子模块的C端子与下一个子模块的B端子相连，D端子和下一个子模块的A端子相连，并将桥臂的最下方子模块的C端子与D端子短接，以此完成模块化多电平换流器的桥臂连接；
S2、将模块化多电平换流器的桥臂连接好后，将每条桥臂中的子模块由上至下编号为SM0～SMn，由于通过步骤S1的连接后，子模块中的电容正负极连接方向有两种，根据电容在桥臂中的连接方向将包含有电容的子模块，即编号SM1～SMn的子模块为两组，计算每组电容电压的平均值；
S3、根据桥臂中电流的方向，当电容充电时，将电容电压平均值低的一组记为均压优先度高，将电容电压平均值高的一组记为均压优先度低，而当电容放电时，将电容电压平均值高的一组记为均压优先度高，将电容电压平均值低的一组记为均压优先度低；
S4、使用改进均压排序算法对优先度高的一组进行电容电压值的排序并确定所要投入的子模块，其中由于步骤S3分组后，优先度高或优先度低一组的子模块投入数量为桥臂总投入子模块数量的一半，而当桥臂中总投入子模块数量为奇数时，将优先度高的一组多投入一个子模块；
S5、对优先度低的一组子模块进行重新分组，重新分组时，由于优先度高的一组已经完成排序并确定了所要投入的子模块，这部分投入的子模块在整个桥臂中会把优先度低的一组子模块隔开，因此以每两个已投入的子模块为界限，将两个界限之间低优先度的子模块重新分为一组；同样的将桥臂中最上方已投入的子模块为界限，将该界限与桥臂最上方之间的低优先度子模块重新分为一组，同样的将桥臂中最下方已投入的子模块为界限，将该界限与桥臂最下方之间的低优先度子模块重新分为一组；然后同样使用改进均压排序算法，对重新分组的低优先度子模块每组进行排序，并确定每组所要投入的子模块，以此完成多电平换流器桥臂子模块的均压。
进一步地，在步骤S4和步骤S5中均使用了改进均压排序算法，通过改进均压排序算法对分组中子模块的电容电压值进行排序并选取所要投入的子模块具体内容为：
以每组中子模块的电容电压值为元素，形成数列，不对数列中的元素进行完全排序，而只通过寻找目标元素的方式，完成数列中元素的快速排序；其中所述目标元素是指在数列中寻找一个元素，以该元素分割为比其值小和比其值大的两组，其中一组正好是投入组，另一组正好是切除组；其中投入组的概念是指该组中的子模块均被投入，切除组是指该组中的子模块均被切除。
进一步地，所述通过寻找目标元素的方式，完成数列中元素的快速排序具体内容为：
(1)当整个数列元素数量小于一定阈值时，采用插入排序，跳至步骤(5)；当整个数列元素数量大于一定阈值时，根据整个数列中的总元素规模，选取一部分元素数量m，对m个元素进行降序排列；
(2)计算目标元素在整个数列降序排序时所在位置Nin，计算内容具体为：当电容放电时，位置Nin的值等于整个数列中需要投入的子模块数量，当电容充电时，位置Nin的值等于整个数列的总元素数减数列中需要投入的子模块数量；
(3)根据位置Nin的值占整个数列元素的总数量比例，从m个元素中确定枢轴元素，将整个数列中比枢轴元素大的元素置于枢轴元素前方，比枢轴元素小的元素置于枢轴元素后方；
(4)当选取的枢轴元素恰好为目标元素，即整个数列恰好被枢轴元素分为投入组和切除组时，代表寻找到了目标元素，跳至步骤(5)，否则将分割后的两部分中，选取含目标元素的一部分重复步骤(1)至步骤(4)；
(5)此时，整个数列中位于目标元素前方的元素都比目标元素大，位于目标元素后方的元素都比目标元素小，根据电容充放电状态即可获得投入组和切除组，具体为：当电容充电时，目标元素及目标元素前方的元素均为切除组，目标元素后方的元素均为投入组，当电容放电时，目标元素及目标元素前方的元素均为投入组，目标元素后方的元素均为切除组。
进一步地，在步骤(3)中，所述根据位置Nin的值占数列元素总数量的比例，确定枢轴元素具体内容为：
设数列中总元素数量为n，随机选取m个元素中的任一元素在排序后在数列中的位置为k，则选取第k个元素作为枢轴元素再次分割数列时，枢轴元素选取到整个数列中第i大的数的概率Pmk_i为：
Figure BDA0004085957240000041
式中，参数C的含义排列组合；
设选取枢轴元素分割数列后，目标元素所在的部分中，元素数量的期望值为Emk_Nin，则：
Figure BDA0004085957240000042
通过比较降序排序后的m个元素中各元素作为枢轴元素后，目标元素所在的部分元素数量期望值，选择使得期望值最小的元素作为枢轴元素。
进一步地，基于所述具备直流故障自清除能力二端口MMC拓扑结构的降频方法，将具有直流故障自清除能力的二端口MMC拓扑结构去除电容，将电容原正负极连接处短接，作为降频模块；然后在多电平换流器桥臂中，选取任意两个子模块，在两个子模块之间插入降频模块，将上方子模块的C端子与D端子短接，然后与降频模块A端子和B端子短接后相连，降频模块的C端子与下方子模块B端子相连，D端子与下方子模块的A端子相连。
本发明的有益效果是：本发明解决了传统半桥子模块无法清除直流故障的缺点，能够采用闭锁与非闭锁两种方式快速清除直流故障。消除了传统具有直流故障自清除能力子模块结构复杂，附加全控器件多成本高的缺点，具有结构简单，输出电平数多的优点，能够显著改善MMC输出波形质量，降低换流器成本。
附图说明
图1是本发明具有直流故障自清除能力的二端口MMC拓扑结构示意图。
图2是本发明具有直流故障自清除能力的二端口MMC拓扑结构的工作状态示意图。
图3是本发明具有直流故障自清除能力的二端口MMC拓扑结构中正投、负投、切除、闭锁四种工作状态的各自电流流通路径示意图。
图4是本发明使用具有直流故障自清除能力的二端口MMC拓扑结构的MMC桥臂连接方式及降频子模块的接入方式示意图。
图5是本发明提供的一种现有的三相模块化多电平换流器基本拓扑结构示意图。
图6是本发明所提出的均压方法仿真结果示意图。
图7是本发明所提出的基于动态枢轴值改进快速排序算法的电容均压算法与传统快速排序算法均压策略排序耗时对比示意图。
图8是本发明所提出的基于动态枢轴值改进快速排序算法逻辑示意图。
图9是本发明加入降频模块前后的绝缘栅双极型晶体管开关频率对比示意图。
图10是本发明发生直流故障闭锁后的模块化多电平换流器等效电路示意图。
图11是本发明清除直流侧故障过程直流侧电流波形示意图。
图12是本发明清除直流侧故障过程交流侧电流波形示意图。
图13是本发明清除直流侧故障过程子模块电容电压示意图。
图14是本发明非闭锁模式清除直流侧故障过程直流侧电流波形示意图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
实施例1，参考图1，提出了一种具有直流故障自清除能力的二端口MMC拓扑结构，包括A端子，B端子，C端子，D端子，左绝缘栅双极型晶体管T1，右绝缘栅双极型晶体管T2，左反并联二极管D1，右反并联二极管D2，电容C。所述的左绝缘栅双极型晶体管T1集电极与电容C正极相连，右绝缘栅双极型晶体管T2发射极与电容C负极相连，左反并联二极管D1与左绝缘栅双极型晶体管T1反向并联，右反并联二极管D2与右绝缘栅双极型晶体管T2反向并联，A端子从左绝缘栅双极型晶体管T1集电极与电容C正极之间引出，B端子从右绝缘栅双极型晶体管T2发射极与电容C负极之间引出，C端子从左绝缘栅双极型晶体管T1发射极引出，D端子从右绝缘栅双极型晶体管T2集电极引出。
实施例2，提出了一种具有直流故障自清除能力的二端口MMC拓扑结构的控制方法(参考图2-图3，其中工作状态如图2所示，子模块各工作状态的电流流通路径如图3所示，其中关于正投/负投中正负定义的内容是：以子模块上面两个端为正极，下面两个端为负极看，正投时，电流方向不一样，电容电压方向是朝正极的，子模块输出的电压是电容电压，即以电容的电压方向来判定的，方向朝正极的时候是正投，方向朝负极的时候是负投)，包括具有直流故障自清除能力的二端口MMC拓扑结构的工作状态不仅依赖于左绝缘栅双极型晶体管T1和右绝缘栅双极型晶体管T2的开关状态，还依赖于子模块电流的流入端子。该拓扑结构有正常工作和闭锁两种工作模式，正常工作时根据左绝缘栅双极型晶体管T1和右绝缘栅双极型晶体管T2的开关状态，以及子模块电流的流入端子可以输出零电压，一倍电容电压和负一倍电容电压三种电平。
在子模块左绝缘栅双极型晶体管T1关断，右绝缘栅双极型晶体管T2导通的条件下，当子模块电流在A端和D端之间流通时，工作状态为正向投入，子模块输出一倍电容电压，当子模块电流在B端和D端之间流通时，工作状态为切除，子模块输出零电压。
在子模块左绝缘栅双极型晶体管T1导通，右绝缘栅双极型晶体管T2关断的情况下，当子模块电流在A端和C端之间流通时，工作状态为切除，子模块输出零电压，当子模块电流在B端和C端之间流通时，工作状态为负向投入，子模块输出负一倍电容电压。
当子模块闭锁时，所有绝缘栅双极型晶体管关断，子模块输出与子模块电流反向的一倍电容电压。
实施例3，提出了一种具有直流故障自清除能力的二端口MMC拓扑结构的均压方法(参考图6，其是本发明的均压算法仿真结果的示意图，所述的均压策略能够保证具有直流故障自清除能力的二端口MMC拓扑子模块电容电压均衡)，包括：
S1、首先参考图5中现有的一种三相MMC基本拓扑结构，包括三个相单元，每个相单元都有上下桥臂构成，每个桥臂内都有N个子模块，图5中：UDC为直流侧总电压；L为桥臂电感；iAu、iBu、iCu为三相上桥臂电流；iAd、iBd、iCd为三相下桥臂电流；uA、uB、uC为MMC交流侧输出的三相电压，SM为MMC子模块，通过对MMC子模块的设计，能够在保证MMC正常工作的前提下时期具有故障穿越能力；
本申请中基于二端口MMC拓扑结构构建模块化多电平换流器的桥臂连接，具体为：所述模块化多电平换流器包括有A′、B′、C′三相桥臂，每相桥臂由上、下桥臂构成，共六个桥臂，所述二端口MMC拓扑结构也称子模块，将桥臂的最上方连接一个无电容的子模块，并将A端子与B端子短接，然后将每一个子模块的C端子与下一个子模块的B端子相连，D端子和下一个子模块的A端子相连，并将桥臂的最下方子模块的C端子与D端子短接，以此完成模块化多电平换流器的桥臂连接(参考图4左侧图)；
S2、将模块化多电平换流器的桥臂连接好后，将每条桥臂中的子模块由上至下编号为SM0～SMn，将SM1～SMn根据在桥臂中的连接方向分为两组，计算每组电容电压的平均值；
S3、根据桥臂电流的方向，当电容充(放)电时，将电容电压平均值低(高)的一组记为均压优先度高，将电容电压平均值高(低)的一组记为均压优先度低；
S4、使用改进均压排序算法对优先度高的一组进行排序，投入数为桥臂总投入数的一半，当总投入数为奇数时，优先度高的一组多投入一个；
S5、依据优先度高的一组子模块中被投入的子模块将优先度低的一组子模块分割情况，将优先度低的一组子模块重新分组，每两个投入的子模块之间和最上及最下投入子模块上下的低优先度子模块为一组；
S6、对重新分组的低优先度子模块每组进行排序，根据需要选择投入的子模块。
其中，关于基于动态枢轴值改进快速排序算法的电容均压算法，具体为：不对电容电压数列进行完全排序，而只找到目标元素，将数列分割为比目标元素小和目标元素大的两组，其中一组元素数量恰好为投入数为投入组，另一组则为切除组，并且快速排序每次选择枢轴元素的策略，依据数列元素数量和投入数占数列元素数量比例动态变化。
其中，参照图8，所提出的基于动态枢轴值改进快速排序算法逻辑，其具体实施步骤为：
(1)当数列元素数量过少时，采用插入排序，跳至步骤(5)。当数列元素数量较大时，根据需要排序的数列规模确定抽取的元素数量m，对m个元素降序排序；
(2)计算目标元素在数列降序排序时的位置Nin，当电容放电时，Nin为数列中需要投入的子模块数量，当电容充电时，Nin为数列元素数减数列中需要投入的子模块数量；
(3)根据Nin占数列元素数量的比例，从m个元素中确定枢轴元素，将数列中比枢轴大的元素置于枢轴前方，比枢轴小的元素置于枢轴后方；
(4)当选取的枢轴恰好为目标元素，即数列恰好被枢轴分为投入组和切除组时，跳至步骤(5)。否则将分割后的两部分中含目标元素的部分重复步骤(1)至步骤(4)；
(5)此时，数列中位于目标元素前方的元素都比目标元素大，位于目标元素后方的元素都比目标元素小，根据电容充放电状态即可获得投入组和切除组。
上述枢轴元素确定的方法为，设总元素数量为n，随机选取数列元素中m个元素进行排序，选取的元素在排序后数列中位置为k，则选取第k个元素作为枢轴分割数组时，枢轴选取到总数列中第i大的数的概率Pmk_i为：
Figure BDA0004085957240000071
设目标元素在数列降序排序时的位置Nin，选取枢轴元素分割数列后，目标元素落入的部分元素数量期望值为Emk_Nin，则：
Figure BDA0004085957240000072
通过比较选取排序后数列中各位置元素作为枢轴后，目标元素落入的部分元素数量期望值，选择使得期望值最小的元素作为枢轴元素。
下面以一个具体的例子进一步说明上述步骤(1)-(5)中阐述的内容：
设桥臂的子模块数为100，不同电容方向两组中每组元素为50个，选取一组子模块电容电压值数列中位置为1，25和50的共三个元素，进行降序排序。根据Emk_Nin的计算公式可得，当选取三个元素即m取3，Nin小于当前数列子模块数的约13％时，选降序数列中第一个元素作为枢轴，Emk_Nin最小，同样的，当Nin占数列子模块数14％-87％时以及大于88％时，分别选取降序数列中第二和第三个元素作为枢轴，Emk_Nin最小。
若桥臂子模块投入数为奇数如89，则均压优先度高的一组投入数为45，均压优先度低的一组投入数为44。均压优先度高的组中有50个子模块，当桥臂子模块电容充电时，得Nin值为5，占数列子模块数的10％，根据事先确定的比例，选取降序排序的3个元素中第一个值作为枢轴元素，将数列中比枢轴大的置于枢轴之前，比枢轴小的置于枢轴之后。
若此时枢轴在数列中的位置恰好为5，则枢轴恰好为目标元素，枢轴及枢轴之前的元素作为切除组，枢轴之后的元素作为投入组。若此时枢轴在数列中的位置恰好为6，则枢轴之前的元素作为切除组，枢轴及枢轴之后的元素作为投入组。
当不满足以上条件时，若此时枢轴在数列中的位置小于5，则表示目标元素在枢轴之后，则需要将枢轴之后的元素重复排序过程，若此时枢轴在数列中的位置大于5，则表示目标元素在枢轴之前，则需要将枢轴之前的元素重复排序过程。
当均压优先度高的组确定的投入组后，对均压优先度低的组重新分组，以每两个已投入的子模块为界限，两个界限之间低优先度的子模块共44组，均压优先度低的子模块共需要投入44个子模块，每组经过排序选择一个子模块投入。将桥臂中最上方已投入的子模块为界限，该界限与桥臂最上方之间的低优先度子模块，以及将桥臂中最下方已投入的子模块为界限，该界限与桥臂最下方之间的低优先度子模块，这两部分子模块数不为0，也不需要再选择子模块投入。但是如果桥臂子模块投入数为偶数例如88，则均压优先度高和均压优先度低两组投入数相同为44个，以每两个已投入的子模块为界限，两个界限之间低优先度的子模块共43组，均压优先度低的子模块共需要投入44个子模块。则将桥臂中最上方已投入的子模块为界限，该界限与桥臂最上方之间的低优先度子模块，以及将桥臂中最下方已投入的子模块为界限，该界限与桥臂最下方之间的低优先度子模块，这两部分子模块数至少有一个不为0，两部分共同排序选择一个子模块投入。
参照图7，本申请所提出的基于动态枢轴值改进快速排序算法的电容均压算法与传统快速排序算法均压策略排序耗时对比如图7所示，使用改进均压排序算法相较于传统快速排序均压算法可以节省约70％～90％的排序时间。
实施例4，当使用二端口子模块的MMC桥臂投入数较少时，少量的投入子模块变化也会导致桥臂的电流流经端口发生变化，使得其他子模块在两个切除状态之间切换，导致开关频率上升，为解决此问题，提出了一种具有直流故障自清除能力的二端口MMC拓扑结构的降频方法，包括将具有直流故障自清除能力的二端口MMC拓扑结构去除电容，将电容原正负极连接处短接，作为降频模块使用，将降频模块连接到桥臂之间(参考图4右侧图)，可以在不影响电平输出的情况下切换其他模块的电流流入端子，显著降低绝缘栅双极型晶体管的开关频率；即通过降频模块将一个桥臂分为两个桥臂串联，解除被降频模块分割的桥臂两部分之间的电流方向耦合，显著降低绝缘栅双极型晶体管的开关频率。
参照图9，加入降频模块前后对比如图9所式，图中曲线为子模块绝缘栅双极型晶体管开关频率与子模块电容投切频率的比值，可见本发明子模块开关频率与电容投切频率的比值明显优于传统半桥与全桥子模块，并且本发明所述的降频策略具有良好的降频效果。
本申请具体实验过程如下：
参照图10，使用本发明的模块化多电平换流器在发生直流故障闭锁后的等效电路图如图10所示，为保证MMC完全闭锁，二极管承受的最大电压应小于零，使得二极管处于反向截止状态，切断故障电流流通路径。
二极管承受的电压Ud应为交流线电压与桥臂子模块电容提供的反向电压之差，当交流电压等于其幅值时
Figure BDA0004085957240000091
MMC输出电压调制比m的定义有
Figure BDA0004085957240000092
0≤m≤1(5)
由式(4)、(5)可知
2Um≤Udc(6)
MMC每个桥臂子模块电容应能够承担分到的全部直流电压Udc，并留有一定的裕度，每个子模块电容电压Uc与一个桥臂级联的子模块数N应能满足
NUC≥Udc(7)
由式(3)、(6)、(7)可得
Figure BDA0004085957240000093
由式(8)可以看出二极管始终承受反向电压，故障电流被阻断无法流通，因此，本发明所提出的子模块拓扑结构能够实现直流侧故障的自清除。
在MATLAB/Simulink平台搭建了21电平模块化多电平换流器单端直流输电系统，直流电压为±200kV，系统额定容量为400MW，交流侧电压峰值200kV，子模块电容容量为666μF，额定电压20kV，桥臂电感值为76mH，调制策略为最近电平逼近调制，采用发明所述的均压方法，系统在稳定运行0.5s后发生直流两相短路故障，检测时间为1ms，模块化多电平换流器会在0.501s的时候采取措施清除直流侧故障，具体措施有闭锁与非闭锁两种模式。闭锁的方法特征是当检测到直流故障时，子模块闭锁；而采用非闭锁模式清除直流故障时，子模块不闭锁，桥臂电流控制模块根据桥臂中电流方向投入与电流相反方向电压，从而阻断故障电流，保证MMC在非闭锁状态下清除直流故障。
参照图11-13，如图11所示，在系统稳定运行0.5s后，加入直流两相短路故障，故障电流迅速上升，1ms后模块化多电平换流器闭锁，直流电流迅速降至零。如图12所示，稳态运行时交流电流为正弦波，闭锁瞬间，交流测电流上升，向直流侧馈入电流，最终迅速降低至零，子模块提供的反向电动势起到了隔离交直流的作用。如图13所示，子模块电容由于吸收了直流网络能量，电容电压有所上升，随后保持不变，维持在子模块电容电压额定值附近，有利于故障排除后的快速重启。
参照图14，如图14所示为非闭锁模式清除直流侧故障时，直流侧电流波形。在系统稳态运行至0.500s时，直流系统发生瞬时性故障，0.501s时MMC采取非闭锁模式抑制故障电流，0.502s故障电流被清除至零附加波动，0.505s时故障排除，MMC恢复稳态运行。
进一步，需补充以下内容：
1、关于对子模块进行排序的意义是：电容电压平衡是模块化多电平换流器正常运行的前提，是所有控制算法必须考虑的基本问题。当电流流向电容时，电容充电电压升高，电流流出电容时，电容放电电压降低，因为桥臂中电容有的投入，有电流流过，电压变化，有的切除，无电流流过，电压不变，如果不进行排序，在充电时选择电压低的充电，放电时选电压高的放电，电容电压会不平衡，导致输出波形差，甚至电压过高烧毁器件，而通过排序后即可实现均压的目的，避免这种情况。
2、目标元素的定义及其作用：比如说，放电时，要投入K个电压高的子模块，就要对电容电压进行排序，找到在降序数列中位置为K的子模块，即为目标元素。这样，把数列分为比目标元素值低和高的两部分，高的那部分加目标元素，刚好就等于投入子模块的数量，即为投入组。这样，并没有对数列进行完整的排序，只找到了电压值降序数列中位置为K的子模块，其他值仍然是无序的，但是投入模块的选择结果是和完全排序一致的，也就是说均压的效果与完全排序一样，计算量却减少了很多。目标元素实际就是数列元素中恰好能将数列分为投入和切除两组的元素。
3、关于优先度高的一组和优先度低的一组子模块投切：因为子模块被分为了两组，所以每一组子模块投入的数量为桥臂总投入子模块数量的一半。为了两组之间电容电压保持平衡，当桥臂总的子模块投入数为奇数时，如果电容充电，就让电压平均值低的一组多投入一个子模块，充电量多于另一组；放电就让电容电压平均值高的多投入一个子模块，放电量多余另一组，这也就是区分均压优先度高和低的原因，为了实现两组之间的电压均衡。此外因为二端口子模块的投切状态与电流有关，在桥臂中需要相邻两个投入的子模块，在桥臂里面电容方向相反，也就是分别位于两个组里面，所以需要先把优先度高的投入后，每两个投入的模块中间，再投入一个另一个方向的子模块，即均压优先度低的组里面子模块，因为有这种限制，所以采取此种均压方式。
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种具备直流故障自清除能力的二端口MMC拓扑结构，其特征在于，包括A端子、B端子、C端子、D端子、左绝缘栅双极型晶体管T1、右绝缘栅双极型晶体管T2、左反并联二极管D1、右反并联二极管D2、电容C；
所述左绝缘栅双极型晶体管T1的集电极与电容C的正极相连，右绝缘栅双极型晶体管T2的发射极与电容C的负极相连，左反并联二极管D1与左绝缘栅双极型晶体管T1反向并联，右反并联二极管D2与右绝缘栅双极型晶体管T2反向并联，A端子从左绝缘栅双极型晶体管T1的集电极与电容C的正极之间引出，B端子从右绝缘栅双极型晶体管T2的发射极与电容C的负极之间引出，C端子从左绝缘栅双极型晶体管T1的发射极引出，D端子从右绝缘栅双极型晶体管T2的集电极引出。
2.基于权利要求1所述具备直流故障自清除能力二端口MMC拓扑结构的工作控制方法，其特征在于，
所述二端口MMC拓扑结构的工作模式包含有正常工作和直流故障两种情况，其中所述二端口MMC拓扑结构也称子模块；
在正常工作模式下，根据左绝缘栅双极型晶体管T1和右绝缘栅双极型晶体管T2的开关状态，以及子模块各端子电流的流入状态，输出零电压、一倍电容电压、负一倍电容电压三种电平中的任意一种；具体为：
在子模块左绝缘栅双极型晶体管T1关断，右绝缘栅双极型晶体管T2导通的条件下，当子模块电流在A端和D端之间流通时，工作状态为正向投入，子模块输出一倍电容电压，当子模块电流在B端和D端之间流通时，工作状态为切除，子模块输出零电压；
在子模块左绝缘栅双极型晶体管T1导通，右绝缘栅双极型晶体管T2关断的情况下，当子模块电流在A端和C端之间流通时，工作状态为切除，子模块输出零电压，当子模块电流在B端和C端之间流通时，工作状态为负向投入，子模块输出负一倍电容电压；
在直流故障模式下，将子模块闭锁，使得子模块内所有绝缘栅双极型晶体管关断，子模块中的电容输出与子模块中故障直流反方向的一倍电容电压，使得故障直流被抵消。
3.根据权利要求2所述的一种具备直流故障自清除能力二端口MMC拓扑结构的工作控制方法，其特征在于，
在直流故障模式下，除了将子模块闭锁的方式外，还能继续选择不将子模块闭锁，此时通过外界控制模块始终提供与故障直流的反向电压，使得故障直流被抵消，从而保证二端口MMC拓扑结构在非闭锁状态下清除直流故障。
4.基于权利要求1所述具备直流故障自清除能力二端口MMC拓扑结构的多电平换流器桥臂子模块均压方法，其特征在于：
S1、基于二端口MMC拓扑结构构建模块化多电平换流器的桥臂连接，具体为：所述模块化多电平换流器包括有A′、B′、C′三相桥臂，每相桥臂由上、下桥臂构成，共六个桥臂，所述二端口MMC拓扑结构也称子模块，将桥臂的最上方连接一个无电容的子模块，并将A端子与B端子短接，然后将每一个子模块的C端子与下一个子模块的B端子相连，D端子和下一个子模块的A端子相连，并将桥臂的最下方子模块的C端子与D端子短接，以此完成模块化多电平换流器的桥臂连接；
S2、将模块化多电平换流器的桥臂连接好后，将每条桥臂中的子模块由上至下编号为SM0～SMn，由于通过步骤S1的连接后，子模块中的电容正负极连接方向有两种，根据电容在桥臂中的连接方向将包含有电容的子模块，即编号SM1～SMn的子模块为两组，计算每组电容电压的平均值；
S3、根据桥臂中电流的方向，当电容充电时，将电容电压平均值低的一组记为均压优先度高，将电容电压平均值高的一组记为均压优先度低，而当电容放电时，将电容电压平均值高的一组记为均压优先度高，将电容电压平均值低的一组记为均压优先度低；
S4、使用改进均压排序算法对优先度高的一组进行电容电压值的排序并确定所要投入子的模块，其中由于步骤S3分组后，优先度高或优先度低一组投入的子模块数量为桥臂总投入子模块数量的一半，而当桥臂中总投入子模块数量为奇数时，将优先度高的一组多投入一个子模块；
S5、对优先度低的一组子模块进行重新分组，重新分组时，由于优先度高的一组已经完成排序并确定了所要投入的子模块，这部分投入的子模块在整个桥臂中会把优先度低的一组子模块隔开，因此以每两个已投入的子模块为界限，将两个界限之间低优先度的子模块重新分为一组；同样的将桥臂中最上方已投入的子模块为界限，将该界限与桥臂最上方之间的低优先度子模块重新分为一组，同样的将桥臂中最下方已投入的子模块为界限，将该界限与桥臂最下方之间的低优先度子模块重新分为一组；然后同样使用改进均压排序算法，对重新分组的低优先度子模块每组进行排序，并确定每组所要投入的子模块，以此完成多电平换流器桥臂子模块的均压。
5.根据权利要求4所述的一种基于具备直流故障自清除能力二端口MMC拓扑结构的多电平换流器桥臂子模块均压方法，其特征在于，在步骤S4和步骤S5中均使用了改进均压排序算法，通过改进均压排序算法对分组中子模块的电容电压值进行排序并选取所要投入的子模块具体内容为：
以每组中子模块的电容电压值为元素，形成数列，不对数列中的元素进行完全排序，而只通过寻找目标元素的方式，完成数列中元素的快速排序；其中所述目标元素是指在数列中寻找一个元素，以该元素分割为比其值小和比其值大的两组，其中一组正好是投入组，另一组正好是切除组；其中投入组的概念是指该组中的子模块均被投入，切除组是指该组中的子模块均被切除。
6.根据权利要求5所述的一种基于具备直流故障自清除能力二端口MMC拓扑结构的多电平换流器桥臂子模块均压方法，其特征在于，所述通过寻找目标元素的方式，完成数列中元素的快速排序具体内容为：
(1)当整个数列元素数量小于一定阈值时，采用插入排序，跳至步骤(5)；当整个数列元素数量大于一定阈值时，根据整个数列中的总元素规模，选取一部分元素数量m，对m个元素进行降序排列；
(2)计算目标元素在整个数列降序排序时所在位置Nin，计算内容具体为：当电容放电时，位置Nin的值等于整个数列中需要投入的子模块数量，当电容充电时，位置Nin的值等于整个数列的总元素数减数列中需要投入的子模块数量；
(3)根据位置Nin的值占整个数列元素的总数量比例，从m个元素中确定枢轴元素，将整个数列中比枢轴元素大的元素置于枢轴元素前方，比枢轴元素小的元素置于枢轴元素后方；
(4)当选取的枢轴元素恰好为目标元素，即整个数列恰好被枢轴元素分为投入组和切除组时，代表寻找到了目标元素，跳至步骤(5)，否则将分割后的两部分中，选取含目标元素的一部分重复步骤(1)至步骤(4)；
(5)此时，整个数列中位于目标元素前方的元素都比目标元素大，位于目标元素后方的元素都比目标元素小，根据电容充放电状态即可获得投入组和切除组，具体为：当电容充电时，目标元素及目标元素前方的元素均为切除组，目标元素后方的元素均为投入组，当电容放电时，目标元素及目标元素前方的元素均为投入组，目标元素后方的元素均为切除组。
7.根据权利要求6所述的一种基于具备直流故障自清除能力二端口MMC拓扑结构的多电平换流器桥臂子模块均压方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述根据位置Nin的值占数列元素总数量的比例，确定枢轴元素具体内容为：
设整个数列中总元素数量为n，随机选取m个元素中的任一元素在数列中的位置为k，则选取第k个元素作为枢轴元素再次分割数列时，枢轴元素选取到整个数列中第i大的数的概率Pmk_i为：
Figure FDA0004085957230000031
式中，参数C的含义排列组合；
设选取枢轴元素分割数列后，目标元素所在的部分中，元素数量的期望值为Emk_Nin，则：
Figure FDA0004085957230000041
通过比较降序排序后的m个元素中各元素作为枢轴元素后，目标元素所在的部分元素数量期望值，选择使得期望值最小的元素作为枢轴元素。
8.基于权利要求1所述具备直流故障自清除能力二端口MMC拓扑结构的降频方法，其特征在于，将具有直流故障自清除能力的二端口MMC拓扑结构去除电容，将电容原正负极连接处短接，作为降频模块；然后在多电平换流器桥臂中，选取任意两个子模块，在两个子模块之间插入降频模块，将上方子模块的C端子与D端子短接，然后与降频模块A端子和B端子短接后相连，降频模块的C端子与下方子模块B端子相连，D端子与下方子模块的A端子相连。
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