CN116722760A - 一种用于无闭锁故障穿越的桥臂拓扑结构及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种用于无闭锁故障穿越的桥臂拓扑结构及其控制方法，包括桥臂整流开关和桥臂串联子模块，桥臂整流开关包括第一通断环节、第一耐压环节、第二通断环节和第二耐压环节，第一通断环节和第二通断环节的拓扑结构一致，第一耐压环节和第二耐压环节的拓扑结构一致；第一耐压环节包括若干个串联的双向晶闸管；第一通断环节包括三个开关管，两个开关管反向并联，反向并联的开关管的一端与另一个开关管相连接，反向并联的开关管的另一端分别连接第一耐压环节、以及桥臂串联子模块，另一个开关管的另一端连接第二耐压环节。本发明基于单方向负电平输出能力子模块，实现无闭锁故障穿越，有效地利用其负电平输出能力。

Description

一种用于无闭锁故障穿越的桥臂拓扑结构及其控制方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种用于无闭锁故障穿越的桥臂拓扑结构及其控制方法。
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。
在柔性直流输电技术中，模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，简称MMC)具备高电压质量，易于扩展，控制灵活等特点，现已广泛应用于柔性直流输电工程中，且有望在新能源汇集以及分布式电源接入等方面发挥关键作用。MMC作为电压源换流器，其抗直流故障扰动能力较差，在直流侧发生短路故障后如何实现故障穿越是当前面临的关键问题。
MMC完成直流故障穿越可采用配置交流断路器、配置直流断路器以及采用具备故障自清除能力的换流器。若配备交流侧断路器，当直流输电线路发生短路故障后，通过切断交流侧中断功率传输实现故障电流的清除，待有效排除故障后再对换流站进行重启恢复功率传输；但是，电流切断时间长、重启速度慢，无法很好地应用于架空线路中。若配置直流断路器，发生故障时可快速隔离故障线路，直流断路器可以快速切断故障电流并隔离故障线路，但因技术水平的限制导致其造价较高，单个直流断路器的造价高，难以广泛应用于柔直工程中。若采用具备故障自清除能力的换流器，通过改变子模块或桥臂等拓扑结构，或加入限流模块等额外回路，在故障发生后，配合相应的控制策略，使得故障电流得到有效控制，且换流器可以运行于低直流电压工况以维持部分传输功率，且具备响应速度快、运行灵活、安全可靠等优势，其工程可行性已在工程实践中得以验证。
在换流器中配备具有故障电流自清除能力的子模块，故障发生后，通过闭锁换流器隔离故障或者利用子模块的负电平输出能力使换流器运行于低压模式以维持部分传输功率。因此，基于故障电流自清除子模块的故障穿越策略可分为闭锁式故障穿越策略和无闭锁式故障穿越策略两类。
闭锁式故障穿越子模块根据故障电流的清除机理不同，可分为“电容电压钳位型”和“故障转移型”两种。“电容电压钳位型”基于二极管的单向导通性，在直流侧发生故障后，闭锁子模块使得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；“故障转移型”是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，在完全转移后撤去晶闸管的触发信号，待故障电流过零，晶闸管关断，完成故障电流清除。
无闭锁式故障穿越策略是利用子模块的负电平输出能力，在保证交流侧输出波形不变的前提下，通过调整直流侧输出电压。当直流侧输出电压于故障端之间没有压差时，故障电流衰减完成故障电流清除。无闭锁式故障穿越具有更高的运行灵活度，在故障发生后可根据故障的严重程度选择适应的控制方式保证最大程度的功率传输，提高稳定性；具有单方向负电平输出能力的子模块可以实现闭锁故障清除，且成本相对全桥子模块较低；但是无法在无闭锁故障穿越中有效地利用其电流单方向输出负电平这一特性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种用于无闭锁故障穿越的桥臂拓扑结构及其控制方法，基于单方向负电平输出能力子模块，实现无闭锁故障穿越，有效地利用其负电平输出能力，提高子模块桥臂拓扑结构的使用价值。
根据一些实施例，本发明的第一方案提供了一种用于无闭锁故障穿越的桥臂拓扑结构，采用如下技术方案：
一种用于无闭锁故障穿越的桥臂拓扑结构，包括桥臂整流开关和桥臂串联子模块，所述桥臂整流开关包括第一通断环节、第一耐压环节、第二通断环节和第二耐压环节，其中，所述第一通断环节和第二通断环节的拓扑结构一致，第一耐压环节和第二耐压环节的拓扑结构一致；所述第一耐压环节和第二耐压环节均包括若干个串联的双向晶闸管；所述第一通断环节和第二通断环节均包括三个开关管，其中，两个开关管反向并联，反向并联的开关管的一端与另一个开关管相连接，反向并联的开关管的另一端分别连接第一耐压环节或第二耐压环节、以及桥臂串联子模块，另一个开关管的另一端连接第二耐压环节或第一耐压环节。
作为进一步的技术限定，所述第一通断环节包括第一开关管、第二开关管和第五开关管，所述第一开关管与所述第二开关管反向并联，所述第五开关管的一端连接所述第一开关管或所述第二开关管，所述第五开关管的另一端连接第二耐压环节；远离所述第五开关管侧的第一开关管的一端分别连接第一耐压环节和桥臂串联子模块。
进一步的，所述第二通断环节包括第三开关管、第四开关管和第六开关管，所述第三开关管与所述第四开关管反向并联，所述第六开关管的一端连接远离所述第一通断环节侧的所述第一耐压环节，所述第六开关管的另一端连接所述第三开关管或第四开关管，远离所述第六开关管侧的第三开关管的一端分别连接第二耐压环节和桥臂串联子模块。
作为进一步的技术限定，所述第一通断环节和所述第二通断环节均采用开关管作为整流开关，通过控制开关管的通断，使得电流始终沿一个方向流入桥臂串联子模块，实现桥臂串联子模块的单方向负电平输出。
作为进一步的技术限定，所述第一耐压环节和所述第二耐压环节中的双向晶闸管耐高压，当所述第一通断环节或所述第二通断环节将电流通路切断之后，所述双向晶闸管因电流降到维持电流以下自动关断。
根据一些实施例，本发明的第二方案提供了一种用于无闭锁故障穿越的桥臂拓扑结构的控制方法，采用了第一方案中的用于无闭锁故障穿越的桥臂拓扑结构，采用如下技术方案：
一种用于无闭锁故障穿越的桥臂拓扑结构的控制方法，包括正常工作阶段和负方向电流阶段；在所述正常阶段中，控制第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管导通，第五开关管和第六开关管闭锁；在所述负方向电流阶段，控制第二开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管导通，第一开关管和第三开关管闭锁，实现桥臂串联子模块的反方向输出负电平，实现无闭锁故障穿越。
作为进一步的技术限定，在所述负方向电流阶段，当第二开关管和第四开关管导通时，输入电流从第二通断环节输入，所述输入电流分别经第四开关管、桥臂串联子模块和第二开关管，实现桥臂串联子模块中的电流始终沿一个方向。
进一步的，当电流从第二通断环节流入时，为避免所述桥臂串联子模块出现自放电，所述第一通断环节和所述第二通断环节均采用双向开关管。
作为进一步的技术限定，在所述负方向电流阶段，当第五开关管和第六开关管导通时，输入电流从第一通断环节输入，所述输入电流分别经第五开关管、第二耐压环节、桥臂串联子模块、第一耐压环节和第六开关管，实现桥臂串联子模块中的电流始终沿一个方向。
进一步的，当第五开关管和第六开关管导通时，所述第五开关管和所述第六开关管需承受桥臂串联子模块的电压，此时，所述第二耐压环节和第一耐压环节分别对第五开关管和第六开关管起到保护的作用。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明针对现存仅具备单方向负电平输出能力的子模块无法实现无闭锁故障穿越的缺陷进行改进，通过改进桥臂拓扑结构，有效利用其单方向负电平输出能力，在确保了高效安全运行及降低控制难度的前提下，使得换流器具备了无闭锁故障穿越能力，在发生故障时可以维持一定的功率传输。
附图说明
构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。
图1为本发明实施例中的不具备负电平输出能力子模块的拓扑结构示意图；其中，图1（a）为半桥子模块的拓扑结构示意图；图1（b）为单晶闸管半桥子模块的拓扑结构示意图；
图2为本发明实施例中的全桥子模块的拓扑结构示意图；
图3为本发明实施例中的半桥-全桥混合子模块的拓扑结构示意图；
图4为本发明实施例中的钳位双子模块的拓扑结构示意图；
图5为本发明实施例中的子模块的拓扑结构示意图；其中，图5（a）为串联双子模块的拓扑结构示意图，图5（b）为单钳位子模块的拓扑结构示意图；
图6为本发明实施例中的桥臂拓扑结构示意图；其中，图6（a）为用于无闭锁故障穿越的桥臂拓扑结构示意图，图6（b）为正常工作阶段的桥臂拓扑结构示意图，图6（c）为负方向电流阶段的桥臂拓扑结构示意图，图6（d）为子模块单方向输出负电平的结构示意图；
图7为本发明实施例中的采用双向IGBT开关的桥臂拓扑结构示意图；
图8为本发明实施例中的无闭锁故障穿越等效电路图；
图9为本发明实施例中的ΔU dc=U dc时上下桥臂参考波波形示意图；
图10为本发明实施例中的桥臂电流反向时CSSM工作状态示意图；其中，图10（a）为电流恒反方向时的工作状态示意图，图10（b）为子模块输出电压为+Uc子模块放电时的工作状态示意图，图10（c）为模块输出电压为-Uc子模块充电时的工作状态示意图；
图11为本发明实施例中的运行模式切换流程图；
图12为本发明实施例中的桥臂电流正向时调制策略示意图；其中，图12（a）为桥臂电流由上向下的示意图，图12（b）为负电平结构示意图，图12（c）为正电平结构示意图；
图13为本发明实施例中的桥臂电流反向时调制策略示意图；其中，图13（a）为桥臂电流由下向上的示意图，图13（b）为负电平结构示意图，图13（c）为正电平结构示意图；
图14为本发明实施例中的系统结构示意图；
图15为本发明实施例中的Udc=0的基于桥臂电流方向的翻转式最近电平逼近调制策略仿真结果示意图；其中，图15（a）为直流侧电流示意图，图15（b）为直流侧电压示意图，图15（c）为交流侧电压示意图，图15（d）为A相上桥臂子模块电容电压示意图；
图16为本发明实施例中的传统无闭锁故障穿越的仿真结果示意图；其中，图16（a）为直流侧电流示意图，图16（b）为直流侧电压示意图；
图17为本发明实施例中的传统无闭锁故障穿越的交流侧电压示意图；
图18为本发明实施例中的传统无闭锁故障穿越的A相电容电压示意图。
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，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请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。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本实发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
本实施例针对现存仅具备单方向负电平输出能力的子模块无法实现无闭锁故障穿越的缺陷进行改进，通过改进桥臂拓扑结构，有效利用其单方向负电平输出能力，在确保了高效安全运行及降低控制难度的前提下，使得换流器具备了无闭锁故障穿越能力，在发生故障时可以维持一定的功率传输。
针对无闭锁式故障穿越展开研究，根据其负电平输出能力，将闭锁式及无闭锁式子模块重新分为以下三类：不具备负电平输出能力子模块、单方向负电平输出能力子模块和具备负电平输出能力子模块；具体的，
1)不具备负电平输出能力子模块的典型代表是半桥子模块（half bridge sub-module，HBSM）,其拓扑结构如图1(a)所示。实现直流故障穿越需要优化子模块拓扑结构并设计相应的故障穿越策略，将直流故障转化为交流故障，比如单晶闸管半桥子模块(singlethyristor switch half bridge sub-module, STS-HBSM),其拓扑结构如图1(b)所示，在HBSM端口增设二极管并联的晶闸管，发生故障后，容量更大的晶闸管分走大部分电流，使直流故障点与交流系统实现隔离。大部分故障转移型子模块是在HBSM的基础上增设用以转移电流的器件得出的，这类拓扑结构的改进不会使得原有子模块具备负电平输出能力。
2)具备负电平输出能力子模块，即子模块在电流正反两个方向都可以输出负电平，其代表型模块是全桥子模块(full bridge sub-module，FBSM)，其输出负电平通路如图2所示，无论电流方向的流向朝向哪个方向，FBSM均可通过控制子模块IGBT的通断实现负电平输出。在故障发生后可以采用无闭锁故障穿越策略降压运行以维持功率传输，且具备较高的运行灵活性。
3)单方向负电平输出能力子模块即仅在电流单个方向具备负电平输出能力，另一个电流流向无法输出负电平。由于内部拓扑结构以及在单方向输出负电平的能力差异，以及电容连接情况，我们将电压钳位型子模块分为旁路型、并联型和串联型三类。旁路型子模块闭锁后，桥臂中一半电容处于旁路状态，典型代表为半桥-全桥混合子模块(halfbridge-full bridge hybrid sub-module，HB-FBSM)，其单向负电平输出情况如图3所示，可以看到电流反向的情况下，双电容结构的旁路型子模块仅可以输出-UC；并联型子模块闭锁后子模块内部两个电容处于并联状态，典型拓扑为钳位双子模块(clamp double sub-module，CDSM)如图4所示；串联型子模块闭锁后桥臂电容均处于串联，典型为串联双子模块(series connected double sub-module，SDSM)、单钳位子模块(single clamp sub-module，CSSM)拓扑结构与输出负电平通路分别如图5（a）和图5（b）所示，单电容串联型子模块可以输出-UC，双电容串联型子模块可以输出-UC、-2UC，但均是在电流单个方向上可以输出负电平。
具备整流能力的桥臂拓扑结构
用于无闭锁故障穿越的桥臂拓扑结构如图6（a）所示，采用了桥臂整流开关，包含通断环节和耐压环节；具体结构为：
包括桥臂整流开关和桥臂串联子模块，桥臂整流开关包括第一通断环节、第一耐压环节、第二通断环节和第二耐压环节，其中，第一通断环节和第二通断环节的拓扑结构一致，第一耐压环节和第二耐压环节的拓扑结构一致；第一耐压环节和第二耐压环节均包括若干个串联的双向晶闸管；第一通断环节和第二通断环节均包括三个开关管，其中，两个开关管反向并联，反向并联的开关管的一端与另一个开关管相连接，反向并联的开关管的另一端分别连接第一耐压环节或第二耐压环节、以及桥臂串联子模块，另一个开关管的另一端连接第二耐压环节或第一耐压环节；
第一通断环节包括第一开关管T1、第二开关管T2和第五开关管T5，第一开关管T1与第二开关管T2反向并联，第五开关管T5的一端连接第一开关管T1或第二开关管T2，第五开关管T5的另一端连接第二耐压环节；远离第五开关管T5侧的第一开关管T1的一端分别连接第一耐压环节和桥臂串联子模块；
第二通断环节包括第三开关管T3、第四开关管T4和第六开关管T6，第三开关管T3与第四开关管T4反向并联，第六开关管T6的一端连接远离第一通断环节侧的第一耐压环节，第六开关管T6的另一端连接第三开关管T3或第四开关管T4，远离第六开关管T6侧的第三开关管T3的一端分别连接第二耐压环节和桥臂串联子模块。
第一通断环节和第二通断环节均采用开关管作为整流开关，通过控制开关管的通断，使得电流始终沿一个方向流入桥臂串联子模块，实现桥臂串联子模块的单方向负电平输出；第一耐压环节和第二耐压环节中的双向晶闸管耐高压，当第一通断环节或第二通断环节将电流通路切断之后，双向晶闸管因电流降到维持电流以下自动关断。耐压环节采用多个双向晶闸管串联构成，晶闸管具有耐压高且价格低廉等优点，通断环节将电流通路切断后，晶闸管会因电流降到维持电流以下而自动关断。如图6（c）所示，当桥臂正常工作时，T5、T6同样需要承受桥臂的电压，而耐压环节对T5、T6起到了保护的作用。
通断环节采用IGBT作为整流开关，为保证子模块的单方向负电平输出能力得到利用，将通过控制IGBT的通断，使得电流的流向均为自下而上流入子模块。如图6（b）所示，在正常工作情况下，控制T1、T2、T3、T4导通，T5、T6闭锁，和传统的MMC桥臂结构保持一致。如图6（c）所示，在需要负方向电流（自下而上）流经子模块的情况下，闭锁T1、T3，导通T2、T4、T5、T6，使电流无论初始流向如何，都可以固定方向，由负方向经过子模块。配备相应的调制方式，如图6（d）所示，可利用子模块单方向输出负电平的能力，实现这一类子模块的无闭锁故障穿越。
用于无闭锁故障穿越的桥臂拓扑结构的控制方法，采用了本实施例中所介绍的用于无闭锁故障穿越的桥臂拓扑结构，包括正常工作阶段和负方向电流阶段；在正常工作阶段中，控制第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3和第四开关管T4导通，第五开关管T5和第六开关管T6闭锁；在负方向电流阶段，控制第二开关管T2、第四开关管T4、第五开关管T5和第六开关管T6导通，第一开关管T1和第三开关管T3闭锁，实现桥臂串联子模块的反方向输出负电平，实现无闭锁故障穿越。
在负方向电流阶段，当第二开关管T2和第四开关管T4导通时，输入电流从第二通断环节输入，所述输入电流分别经第四开关管T4、桥臂串联子模块和第二开关管T2，实现桥臂串联子模块中的电流始终沿一个方向；
当电流从第二通断环节流入时，为避免桥臂串联子模块出现自放电，第一通断环节和第二通断环节均采用双向开关管。
在负方向电流阶段，当第五开关管T5和第六开关管T6导通时，输入电流从第一通断环节输入，输入电流分别经第五开关管T5、第二耐压环节、桥臂串联子模块、第一耐压环节和第六开关管T6，实现桥臂串联子模块中的电流始终沿一个方向；
当第五开关管T5和第六开关管T6导通时，第五开关管T5和第六开关管T6需承受桥臂串联子模块的电压，此时，第二耐压环节和第一耐压环节分别对第五开关管T5和第六开关管T6起到保护的作用。如图7所示，在电流反向流入时，为了避免出现桥臂串联子模块的自放电情况，线路采用了双向IGBT开关，使电路完全可控。
由于本实施例具备对单方向负电平输出能力的MMC实现无闭锁故障穿越的普适性，故本实施例将以CSSM作为典型代表对此类MMC无闭锁故障穿越过程进行研究。
1）无闭锁故障穿越原理
以具备无闭锁穿越能力的全桥子模块为例，如表1所示，全桥子模块处于投入状态时，即T1、T4导通，T2、T3关断时，子模块电容进行充放电，输出+Uc，T2、T3导通，T1、T4关断，输出-Uc。
当直流侧发生故障短路造成电压跌落时，与通常半桥臂电压工作于0~Udc不同，利用全桥子模的负电平输出能力，将工作电压区间整体向下平移。上下桥臂投入等量的负电平子模块以降低直流侧输出电压，故障电流得以抑制，其等效电路图如图8所示。因此，是否具备输出负电平输出是实现无闭锁故障穿越的关键。
表1 FBSM开关状态表
当直流侧电压跌落时，由上下桥臂分别承担/>的电压跌落。以a相为例，MMC换流器上下桥臂电压/>、/>参考值向下平移/>，得到新的桥臂电压参考值、/>为
（1）
因此当直流侧发生电压跌落时，直流侧电压和交流测电压也会发生等效变化。
在正常运行的状态下，系统通过控制上、下桥臂输出，在交流测得到N+1阶（N为半桥臂子模块数量）电平阶梯波以逼近正弦波，且由于投入子模块数量恒定，直流侧输出电压稳定在。
以a相为例，式（2）可知，例如直流侧发生电压跌落，即50%，此时上、下桥臂各承担一半电压跌落，也就是将调制波下移/>。交流测输出电压为上、下桥臂电压的差值，上、下桥臂参考值同时向下平移后，交流测输出电压保持不变，且功率传输仍可维持。
（2）
当直流侧发生双极短路故障时，直流电压跌落为0后，如式（3）、如图9所示，如果能够输出负电平子模块的数量足够，即可继续将上、下桥臂调制波下移。当上、下桥臂参考波完全相反时，此时直流输出电压降为0，交流测电压依然不变，有功功率虽然中断，但仍可以为交流系统提供电压和无功支撑。
（3）
2）桥臂电流单方向控制实现无闭锁故障穿越
以具备单方向负电平输出能力的CSSM为例，在电流恒反方向时，工作状态如图10（a）所示。如图10（b）所示，子模块输出电压为+Uc子模块放电；如图10（c）所示，子模块输出电压为-Uc子模块充电。CSSM开关状态表如表2所示，ism<0时可输出负电平与正电平，ism>0时仅能输出正电平。
通过对桥臂结构进行改造，将内部电流方向固定，配合内部子模块的控制策略，不影响外部桥臂电流及输出电压来完成无闭锁式故障穿越。
表2 CSSM开关状态表
基于桥臂电流方向的翻转式最近电平逼近调制策略
新型桥臂结构在利用单方向负电平输出能力子模块实现无闭锁故障穿越时，需要配置新型调制策略，其运行模式流程如图11所示。
在最近电平逼近调制策略中，（以A相为例）表示调制波的瞬时值，/>表示子模块电容电压平均值。随着调制波瞬时值的变化，为了使相单元的输出电压跟随调制波而变化，需要将二者之差控制在/>以内，每个时刻上桥臂和下桥臂需要投入的子模块数量分别表示为/>和/>：
（4）
其中，表示取与/>最接近的整数。
正常工作的情况下，桥臂整流开关切换到正常工作模式，采用正常的最近电平逼近调制策略，桥臂电流由上向下（正向）流入时，子模块电容电压充电，优先导通电容电压较低的子模块，输出正电平。电流桥臂电流由下向上（反向）通过时，子模块电容放电，优先导通电容电压较高的子模块，输出正电平。
在翻转式最近电平逼近调制策略中，上、下桥臂需要分别采用等效后的调制波进行控制，取式（1）中，电压跌落后的、/>，作为对上、下桥臂的调制波，使上、下桥臂电压的取值范围由原来的/>变为/>。同样，上、下桥臂也分别需要将等效后的调制波与桥臂输出电压控制在/>以内。以上桥臂为例，下桥臂同理，每个时刻上桥臂需要投入的子模块数量表示为Npa+、Npa、Npa-：
（5）
由于等效后的桥臂电压发生了跌落，所以当upa-*小于0时，需要配置的具有输出负电平能力的子模块。
电流越限后，桥臂整流开关切换到负电平输出模式，桥臂电流由上向下（正向）通过时，如图12（a）所示，桥臂整流开关中T5、T6导通。如图12（b）和图12（c）所示，子模块下方端口由于接到直流侧正极性端而变为了正极。子模块输出电压电平的正负是以直流侧正极端作为参照，因此，子模块串联部分与整体桥臂上端的连接是处于一种翻转状态，子模块中IGBT导通T1、T3时，子模块电容充电，优先导通电容电压较低的子模块，输出负电平。子模块IGBT全部闭锁时，子模块电容放电，优先导通电容电压较高的子模块，输出正电平，子模块放电。桥臂电流由下向上（反向）通过时，如图13（a）所示，桥臂整流开关T2、T4导通。如图13（c）所示，子模块中IGBT导通T1、T3时，子模块电容充电，优先导通电容电压较低子模块，输出正电平。如图13（b）所示，子模块IGBT全部闭锁时，子模块电容放电，优先导通电容电压较高的子模块，输出负电平。
本实施例通过对桥臂电流进行整流，并配置相应的翻转式最近电平逼近调制策略，使仅具备单方向负电平输出能力的这一类子模块在不受电流流向的影响下，稳定输出负电平。且在电流反向流入下，输出正电平时放电,输出负电平时充电；正向流入下，输出正电平时充电，输出负电平时放电，可以在调制过程中确保子模块电容电压的均衡。由公式（3）可知，利用其负电平输出能力，降低直流侧电压等级，使电压恢复正常水平，同时为交流测提供了无功支撑，实现无闭锁故障穿越。
模块化多电平换流器的投资成本是由单位电平所需要的器件数量所决定的。传统的无闭锁故障穿越子模块利用FBSM具有双向负电平输出能力的优势，但由于其全桥结构，每个子模块需要4个IGBT构成。本实施例通过对桥臂结构进行改进，使得类似CSSM此类利用较少器件就能实现单方向负电平能力输出能力的子模块同样可以进行无闭锁式故障穿越。由此，既实现了无闭锁故障穿越，又对成本进行了优化。为了更直观的表达子模块块成本，构建了子模块的等效表达式：
（4）
其中，Ct子模块成本，表示子模块单位电平IGBT数量；/>表示子模块单位电平二极管数量；/>表示子模块单位电平双向晶闸管数量；N为单位电平双向晶闸管相对于IGBT的价格比，本实施例取0.5；M为二极管相对于IGBT的价格比，本实施例取0.2。
交流测输出电平数为N+1，为了方便比较，桥臂整流开关的耐压环节等效为N/2-1个耐压为Ucn的双向晶闸管。以一些配备整流桥开关的具有单方向电平输出能力的子模块MMC系统与传统FBSM实现无闭锁故障穿越的MMC系统对比。
表3 FBSM-MMC与配置整流桥的MMC系统投资成本对比
由表3可直观看到，传统利用FBSM实现无闭锁故障穿越需要花费更高的投资成本，而具备单向负电平输出能力的子模块由于只能单向输出负电平，平均每个子模块每电平所需IGBT比FBSM至少减少1个。若采用桥臂整流开关并配备具有输出单方向负电平的这一类子模块进行代替，可以节约投资成本，且随着桥臂投入的子模块数量不断增加，即电平数量增加，其节约的成本更多。
为了验证所提出无闭锁故障穿越桥臂结构及其控制策略的可行性与优越性，基于仿真平台分别搭建了FBSM-MMC和CSSM-MMC两个系统，进行对比系统结构图如图14所示，系统参数如表4所示。
表4 MMC-HVDC系统参数
直流侧输出结果对比
图15（a）与图16（a）、图15（b）与图16（b）分别给出了翻转式最近电平逼近调制模式下CSSM无闭锁故障穿越和以FBSM作为子模块的传统无闭锁故障穿越的直流侧电流和直流侧电压的仿真结果示意图；启动后，电流均可稳定在0.2kA，电压稳定在10kV，在0.5s时发生跌落，两系统均可快速反应，最终在0A附近稳定波动。
交流测输出对比
图15（c）和图17给出了翻转式最近电平逼近调制模式下CSSM无闭锁故障穿越和以FBSM作为子模块的传统无闭锁故障穿越的交流测电压示意图，通过输出结果来看，两部分均可实现无闭锁故障穿越，在0.5s直流侧电压跌落至0时，均可体现出无闭锁故障穿越策略为电网提供无功支撑。
桥臂电容电压分析
图15（d）和图18给出了翻转式最近电平逼近调制模式下CSSM无闭锁故障穿越和以FBSM作为子模块的传统无闭锁故障穿越的A相电容电压示意图，翻转式最近电平逼近调制策略下的子模块电容电压稳定在0.9kV~1.10kV之间波动，传统无闭锁故障穿越的电容电压稳定在1.1kV~1.35kV波动，两种方式均在可接受范围内。在单方向电流下，翻转式最近电平逼近策略也实现了电容电压的均衡配置。
本实施例为具有单方向电平输出能力的这一类子模块提出了无闭锁故障穿越的方案，介绍了其拓扑结构及工作原理，提出一种翻转式最近电平逼近调制策略；最后通过仿真验证了其运行性能，其无闭锁故障穿越能力与传统的以FBSM作为子模块实现无闭锁故障穿越相比，具有同样良好的性能，在成本上进行了优化。为实现无闭锁穿越这一机制提供了更多的可选择性。
以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于无闭锁故障穿越的桥臂拓扑结构，其特征在于，包括桥臂整流开关和桥臂串联子模块，所述桥臂整流开关包括第一通断环节、第一耐压环节、第二通断环节和第二耐压环节，其中，所述第一通断环节和第二通断环节的拓扑结构一致，第一耐压环节和第二耐压环节的拓扑结构一致；所述第一耐压环节和第二耐压环节均包括若干个串联的双向晶闸管；所述第一通断环节和第二通断环节均包括三个开关管，其中，两个开关管反向并联，反向并联的开关管的一端与另一个开关管相连接，反向并联的开关管的另一端分别连接第一耐压环节或第二耐压环节、以及桥臂串联子模块，另一个开关管的另一端连接第二耐压环节或第一耐压环节。
2.如权利要求1中所述的一种用于无闭锁故障穿越的桥臂拓扑结构，其特征在于，所述第一通断环节包括第一开关管、第二开关管和第五开关管，所述第一开关管与所述第二开关管反向并联，所述第五开关管的一端连接所述第一开关管或所述第二开关管，所述第五开关管的另一端连接第二耐压环节；远离所述第五开关管侧的第一开关管的一端分别连接第一耐压环节和桥臂串联子模块。
3.如权利要求2中所述的一种用于无闭锁故障穿越的桥臂拓扑结构，其特征在于，所述第二通断环节包括第三开关管、第四开关管和第六开关管，所述第三开关管与所述第四开关管反向并联，所述第六开关管的一端连接远离所述第一通断环节侧的所述第一耐压环节，所述第六开关管的另一端连接所述第三开关管或第四开关管，远离所述第六开关管侧的第三开关管的一端分别连接第二耐压环节和桥臂串联子模块。
4.如权利要求1中所述的一种用于无闭锁故障穿越的桥臂拓扑结构，其特征在于，所述第一耐压环节和所述第二耐压环节中的双向晶闸管耐高压，当所述第一通断环节或所述第二通断环节将电流通路切断之后，所述双向晶闸管因电流降到维持电流以下自动关断。
5.一种用于无闭锁故障穿越的桥臂拓扑结构的控制方法，采用了如权利要求1-4中任一项所述的用于无闭锁故障穿越的桥臂拓扑结构，其特征在于，包括正常工作阶段和负方向电流阶段；在所述正常工作阶段中，控制第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管导通，第五开关管和第六开关管闭锁；在所述负方向电流阶段，控制第二开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管导通，第一开关管和第三开关管闭锁，实现桥臂串联子模块的反方向输出负电平，实现无闭锁故障穿越。
6.如权利要求5中所述的一种用于无闭锁故障穿越的桥臂拓扑结构的控制方法，其特征在于，在所述负方向电流阶段，当第二开关管和第四开关管导通时，输入电流从第二通断环节输入，所述输入电流分别经第四开关管、桥臂串联子模块和第二开关管，实现桥臂串联子模块中的电流始终沿一个方向。
7.如权利要求6中所述的一种用于无闭锁故障穿越的桥臂拓扑结构的控制方法，其特征在于，当电流从第二通断环节流入时，为避免所述桥臂串联子模块出现自放电，所述第一通断环节和所述第二通断环节均采用双向开关管。
8.如权利要求5中所述的一种用于无闭锁故障穿越的桥臂拓扑结构的控制方法，其特征在于，在所述负方向电流阶段，当第五开关管和第六开关管导通时，输入电流从第一通断环节输入，所述输入电流分别经第五开关管、第二耐压环节、桥臂串联子模块、第一耐压环节和第六开关管，实现桥臂串联子模块中的电流始终沿一个方向。
9.如权利要求8中所述的一种用于无闭锁故障穿越的桥臂拓扑结构的控制方法，其特征在于，当第五开关管和第六开关管导通时，所述第五开关管和所述第六开关管需承受桥臂串联子模块的电压，此时，所述第二耐压环节和第一耐压环节分别对第五开关管和第六开关管起到保护的作用。
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