CN206272520U - 一种模块化多电平换流器 - Google Patents

Abstract

本实用新型一种模块化多电平换流器，结构简单，成本低，控制方便，保护值整定准确。其包括在直流侧串联并在交流侧并联的高压阀组和低压阀组；高压阀组和低压阀组的各相均由上桥臂和下桥臂组成，上桥臂和下桥臂均由多个阻断型子模块和多个半桥子模块级联组成；或均由多个阻断型子模块级联组成；上桥臂和下桥臂上分别设置有由晶闸管控制通断的旁路；发生高压阀组对地故障时，通过给旁路中晶闸管施加触发信号，使得故障电流流过旁路，避免故障电流流过子模块给子模块电容充电。通过对应各个桥臂形成的旁路，发生高压阀组对地故障时，通过合理控制旁路中晶闸管的开关状态即能为子模块提供过电压保护。

Description

一种模块化多电平换流器

技术领域

本实用新型涉及直流输电技术领域，具体为一种模块化多电平换流器。

背景技术

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)技术具有结构模块化、易于扩展等优点，自提出以来，在直流输电领域中得到了广泛的应用。

随着MMC技术的成熟，MMC将向更高电压等级与更大功率发展。在高压、大功率MMC(例如±800kV，5000MW的MMC)中，MMC的阀组通常采用高、低压阀组串联的方案，以降低对单个换流器额定功率的需求，并且在单个阀组因故障退出运行时，仍可维持非故障阀组的正常运行。

高、低压阀组串联方案存在的一个严重问题即，高压阀组的直流负极母线或高压阀组上桥臂低电压端对地故障时，高压阀组或高压阀组的上桥臂将承载额定极对地直流电压，该额定极对地电压将对故障阀组/故障桥臂充电，导致故障阀组或故障桥臂的子模块电容电压急剧上升，从而损毁故障阀组/桥臂。

现有的应对该类故障的技术通常为在每个桥臂或每个子模块的高、低压端并联避雷器，从而为桥臂或子模块提供过电压保护。该类方案存在的缺陷在于对避雷器的额定电流与能量要求高，从而提高了系统成本，该类方案中，如何整定避雷器的保护水平也是一大难题。避雷器保护水平整定得较高则无法为桥臂/子模块提供有效的过电压保护，避雷器保护水平整定得较低则稳态时避雷器将流过一定的电流，增大了系统的损耗，成本高、保护定值难以整定。

实用新型内容

针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种模块化多电平换流器，结构简单，成本低，控制方便，保护值整定准确。

本实用新型是通过以下技术方案来实现：

本实用新型一种模块化多电平换流器，包括在直流侧串联并在交流侧并联的高压阀组和低压阀组；所述的高压阀组和低压阀组的各相均由上桥臂和下桥臂组成，上桥臂和下桥臂均由多个阻断型子模块和多个半桥子模块级联组成；

所述的上桥臂和下桥臂上分别设置有由晶闸管控制通断的旁路；发生高压阀组对地故障时，通过给旁路中晶闸管施加触发信号，使得故障电流流过旁路，避免故障电流流过子模块给子模块电容充电。

优选的，所述的旁路包括与子模块一一对应的旁路支路；所述的旁路支路包括每个阻断型子模块电压输出端并联的两个反向并联联接的晶闸管或输出端并联的一个双向晶闸管，以及每个半桥子模块电压输出端并联的一个晶闸管或两个反向并联联接的晶闸管或一个双向晶闸管；该一个晶闸管阳极接半桥子模块的高压输出端，该一个晶闸管的阴极接半桥子模块的低压输出端。

优选的，所述的旁路包括与阀段一一对应的旁路支路，所述的旁路支路包括每个由阻断型子模块串联构成的阀段的高压输出端和低压输出端之间并联的一个双向晶闸管阀，以及每个由半桥型子模块串联构成的阀段的高压输出端和低压输出端之间并联的一个单向晶闸管阀或一个双向晶闸管阀；该一个单向晶闸管阀的阳极接对应半桥子模块阀段的高压输出端，该一个单向晶闸管阀的阴极接对应半桥子模块阀段的低压输出端。

优选的，所述的旁路包括与阀段中各分组一一对应的旁路支路；将阻断型子模块串联构成的阀段分为多组；将半桥子模块串联构成的阀段分为多组；

所述的旁路支路包括每组阻断型子模块的输出端并联的一个双向晶闸管阀，以及每组半桥型子模块的输出端并联的一个单向晶闸管阀或一个双向晶闸管阀；该一个单向晶闸管阀的阳极接对应每组半桥子模块的高压输出端，该一个单向晶闸管阀的阴极接对应每组半桥子模块阀段的低压输出端。

本实用新型一种模块化多电平换流器，在直流侧串联并在交流侧并联的高压阀组和低压阀组；所述的高压阀组和低压阀组的各相均由上桥臂和下桥臂组成，上桥臂和下桥臂均由多个阻断型子模块级联组成；

所述的上桥臂和下桥臂上分别设置有由晶闸管控制的旁路；发生高压阀组对地故障时，通过给旁路中晶闸管施加触发信号，使得故障电流流过旁路，避免故障电流流过子模块给子模块电容充电。

优选的，所述的旁路包括与阻断型子模块一一对应的旁路支路；所述的旁路支路包括每个阻断型子模块电压输出端并联的一个晶闸管或两个反向并联联接的晶闸管或一个双向晶闸管；一个晶闸管阳极接阻断型子模块的高压输出端，晶闸管的阴极接阻断型子模块的低压输出端。

优选的，所述的旁路包括与阀段一一对应的旁路支路，所述的旁路支路包括每个由阻断型子模块串联构成的阀段的高压输出端和低压输出端之间并联的一个单向晶闸管阀或一个双向晶闸管阀；所述的一个单向晶闸管阀的阳极接对应阻断型子模块阀段的高压输出端，单向晶闸管阀的阴极接对应阻断型子模块阀段的低压输出端。

进一步，所述的旁路包括与阀段中各分组一一对应的旁路支路；将阻断型子模块串联构成的阀段分为多组；

所述的旁路支路包括每组阻断型子模块的输出端并联的一个单向晶闸管阀或一个双向晶闸管阀；该一个单向晶闸管阀的阳极接对应每组阻断型子模块的高压输出端，该一个单向晶闸管阀的阴极接对应每组阻断型子模块阀段的低压输出端。

再进一步，所述单向晶闸管阀由多个晶闸管串联而成；所述双向晶闸管阀由多个反并联晶闸管串联而成或由多个双向晶闸管串联而成或由两个反并联联接的单向晶闸管阀并联而成。

再进一步，其特征在于，每个旁路支路内分别串联有限流电阻，限流电阻对应串联在旁路支路的低压输出端或高压输出端。

再进一步，所述的限流电阻的阻值能够使得旁路晶闸管不发生过电流，且使得模块化多电平换流器的交流断路器不因过电流而开断，且使得限流电阻上的压降低于其并联联接的所有子模块的电容电压之和。

进一步，所述阻断型子模块为具备阻断直流故障电流能力的模块化多电平换流器功率模块，可以采用全桥子模块、箝位双子模块、二极管钳位子模块、自阻型子模块及交联子模块中的任意一种。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：

本实用新型一种模块化多电平换流器，仅需在每个子模块的输出端并联两个反向并联联接的晶闸管或一个晶闸管形成对应各个桥臂的旁路，发生高压阀组对地故障时，通过合理控制旁路中晶闸管的开关状态即能为子模块提供过电压保护。平均而言，仅需在每个子模块上额外增加一个或两个晶闸管组成的旁路，成本低廉，且能为高、低压阀组提供可靠的保护，方便推广高、低压阀组串联方案的实用化；相比于采用避雷器的保护方案，无需大容量的避雷器从而大大降低成本；同时无需整定避雷器的保护水平，避免了避雷器方案中保护水平整定太高带来的无法为子模块提供有效保护以及保护水平整定过低带来的稳态运行损耗问题。

附图说明

图1是本实用新型实例中所述具备隔离高压阀组对地故障的由阻断型子模块与半桥型子模块构成的混合型MMC结构图。

图2是本实用新型实例中所述带限流电阻的具备隔离高压阀组对地故障的由阻断型子模块与半桥型子模块构成的混合型MMC结构图。

图3是本实用新型实例中所述旁路采用晶闸管阀的具备隔离高压阀组对地故障的由阻断型子模块与半桥型子模块构成的混合型MMC结构图。

图4是本实用新型实例中所述带限流电阻的旁路采用晶闸管阀的具备隔离高压阀组对地故障的由阻断型子模块与半桥型子模块构成的混合型MMC结构图。

图5是本实用新型实例中所述旁路中晶闸管对应子模块组分为多组的具备隔离高压阀组对地故障的由阻断型子模块与半桥型子模块构成的混合型MMC结构图。

图6是本实用新型实例中所述旁路中晶闸管对应子模块组分为多组且带限流电阻的具备隔离高压阀组对地故障的由阻断型子模块与半桥型子模块构成的混合型MMC结构图。

图7是本实用新型实例中所述具备隔离高压阀组对地故障的由阻断型子模块构成的MMC结构图。

图8是本实用新型实例中所述带限流电阻的具备隔离高压阀组对地故障的由阻断型子模块构成的MMC结构图。

图9是本实用新型实例中所述旁路中晶闸管阀并联在桥臂输出端的具备隔离高压阀组对地故障的由阻断型子模块构成的MMC结构图。

图10是本实用新型实例中所述旁路中晶闸管阀与限流电阻串联后并联在桥臂输出端的具备隔离高压阀组对地故障的由阻断型子模块构成的MMC结构图。

图11是本实用新型实例中所述旁路中晶闸管对应子模块组分为多组的由阻断型子模块构成的MMC结构图。

图12是本实用新型实例中所述旁路中晶闸管对应子模块组分为多组且带限流电阻的由阻断型子模块构成的MMC结构图。

图13是本实用新型实例中所述半桥型子模块拓扑。

图14中(a)到(e)是本实用新型实例中所述各类阻断型子模块拓扑。

图15是本实用新型实例中所述由相控换流器和本实用新型所述模块化多电平换流器构成的直流输电拓扑图。

图16是本实用新型实例中所述采用本实用新型方案后由半桥子模块和全桥子模块构成的混合型换流器在高压阀组A相上桥臂对地故障时的电流通路。

图17是本实用新型实例中所述全桥子模块仅包含一个旁路晶闸管的由半桥子模块和全桥子模块构成的混合型换流器在高压阀组A相上桥臂对地故障时的电流通路。

图18是本实用新型实例中所述具备高压阀组对地故障隔离能力的模块化多电平换流器在高压阀组A相上桥臂对地故障时的电流通路。

图19是本实用新型实例中所述在PSCAD/EMTDC上搭建的由模块化多电平换流器与相控换流器构成的混合直流输电拓扑，其中模块化多电平换流器采用高、低压阀组串联的结构。

图20是图19结构仿真得到的直流故障电流波形。

图21是图19结构高压阀组各桥臂的全桥子模块及半桥子模块的电容电压平均值。

图22是图19结构低压阀组各桥臂的全桥子模块及半桥子模块的电容电压平均值。

图23是图19结构高压阀组阀侧交流电流。

图24是图19结构高压阀组上桥臂各反并联晶闸管流过的电流。

图中：反并联晶闸管对1，旁路晶闸管2，交流断路器3，高压阀组4，低压阀组5，高压阀组的上桥臂低压侧6，高压阀组的负直流母线7，高压阀组A相上桥臂8、高压阀组B相上桥臂9，高压阀组C相上桥臂10，相控换流器11，双向晶闸管阀12，限流电阻13，旁路晶闸管阀14。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合具体的实施例对本实用新型做进一步的详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本实用新型实施例提供的柔性直流输电系统中，模块化多电平换流器能够实现高压阀组对地故障保护，能够解决现有的高、低阀串联运行时，高压阀组对地故障存在的子模块电容过电压问题。

本实用新型一种模块化多电平换流器，为由阻断型子模块和半桥子模块构成的混合型模块化多电平换流器，在每个阻断型子模块的电压输出端并联两个反向并联联接的晶闸管形成旁路支路，在每个半桥子模块的电压输出端并联一个晶闸管形成旁路支路，晶闸管的阳极接半桥子模块的高压输出端，晶闸管的阴极接半桥子模块的低压输出端；同一桥臂中对应的旁路支路构成对应该桥臂的旁路，发生高压阀组对地故障时，通过给旁路中的晶闸管施加触发信号，从而使得故障电流流过旁路中的晶闸管，避免故障电流流过子模块给子模块电容充电。其中，每个半桥子模块的电压输出端并联两个反向并联联接的晶闸管形成旁路支路，每个阻断型子模块的电压输出端并联一个晶闸管或两个反向并联联接的晶闸管形成旁路支路。

本实用新型一种模块化多电平换流器，为由阻断型子模块和半桥子模块构成的混合型模块化多电平换流器，在每个阻断型子模块的电压输出端并联由两个反向并联联接的晶闸管与限流电阻串联而成的旁路支路，在每个半桥子模块的电压输出端并联一个由晶闸管与限流电阻串联而成的旁路支路，晶闸管的阳极接半桥子模块的高压输出端，晶闸管的阴极接限流电阻的一端，限流电阻的另一端接半桥子模块的低压输出端，发生高压阀组对地故障时；同一桥臂中对应的旁路支路构成对应该桥臂的旁路，通过给旁路中的晶闸管施加触发信号，从而使得故障电流流过旁路晶闸管，避免故障电流流过子模块给子模块电容充电。

本实用新型一种模块化多电平换流器，为由阻断型子模块和半桥子模块构成的混合型模块化多电平换流器，在每个由阻断型子模块串联构成的阀段的高、低压输出端间并联一个双向晶闸管阀构成旁路支路，所述双向晶闸管阀由多个反并联晶闸管串联而成或由两个反并联联接的单向晶闸管阀并联而成，在每个由半桥型子模块串联构成的阀段的高、低压输出端间并联一个单向晶闸管阀构成旁路支路，所述单向晶闸管阀由多个晶闸管串联而成，单向晶闸管阀的阳极接半桥子模块阀段的高压输出端，单向晶闸管阀的阴极接半桥子模块阀段的低压输出端；同一桥臂中对应的旁路支路构成对应该桥臂的旁路，发生高压阀组对地故障时，通过给旁路中的晶闸管施加触发信号，从而使得故障电流流过旁路晶闸管，避免故障电流流过子模块给子模块电容充电。

其中，能够将双向晶闸管阀与限流电阻串联后再并联联接至阻断型子模块串联构成的阀段上，所述单向晶闸管阀与限流电阻串联后再并联联接至半桥子模块串联构成的阀段上。

还能够将阻断型子模块构成的阀段分为多组，每组的输出端并联双向晶闸管阀组或双向晶闸管阀组与限流电阻构成的串联组合。将半桥子模块构成的阀段分为多组，每组的输出端并联单向晶闸管阀组或单向晶闸管阀组与限流电阻构成的串联组合。

对以上所述的混合型的模块化多电平换流器，发生高压阀组任一相上桥臂任意点接地故障时，包括如下的步骤，

给高压阀组各相上桥臂的旁路中晶闸管施加触发脉冲。

维持高压阀组各相下桥臂及低阀各桥臂的旁路晶闸管维持闭锁状态。

闭锁高压阀组各相上、下桥臂的所有全控型电力电子器件的触发脉冲。

发生高压阀组任一相上桥臂任意点接地故障时，闭锁低阀各相上、下桥臂的所有全控型电力电子器件的触发脉冲。

其中，所述触发脉冲持续地施加或仅施加一次在晶闸管上。

具体的，监测到发生故障后，仅对高压阀组各相上桥臂的旁路中控制正向导通的晶闸管施加一次触发脉冲，监测到故障相上桥臂的旁路中控制正向导通的晶闸管一直处于导通状态时，给各相上桥臂的旁路中控制反向导通的晶闸管持续施加触发脉冲；维持高压阀组及低压阀组的所有其他旁路中晶闸管闭锁并闭锁高压阀组及低压阀组的全部全控型电力电子器件触发脉冲。

对以上所述的模块化多电平换流器，发生高压阀组任一相下桥臂任意点接地故障时，包括如下的步骤，

给高压阀组各相桥臂的旁路晶闸管施加触发脉冲。

维持低阀各桥臂的旁路晶闸管处于闭锁状态。

闭锁高压阀组各相上、下桥臂的所有全控型电力电子器件的触发脉冲。

闭锁低阀各相上、下桥臂的所有全控型电力电子器件的触发脉冲。

其中，所述触发脉冲持续地施加或仅施加一次在晶闸管上。

具体的，监测到发生故障后，仅对高压阀组各相桥臂的旁路中控制正向导通的晶闸管施加一次触发脉冲，监测到故障相桥臂的旁路中控制正向导通的晶闸管一直处于导通状态时，给其余两相桥臂的旁路中控制反向导通的晶闸管持续施加触发脉冲，维持低压阀组的所有旁路晶闸管处于闭锁状态，并闭锁高压阀组及低压阀组的全部全控型电力电子器件触发脉冲。

本实用新型一种模块化多电平换流器，为由阻断型子模块构成的模块化多电平换流器，在每个阻断型子模块的电压输出端并联一个晶闸管构成旁路支路，晶闸管的阳极接阻断型子模块的高压输出端，晶闸管的阴极接阻断型子模块的低压输出端；同一桥臂中对应的旁路支路构成对应该桥臂的旁路，发生高压阀组对地故障时，通过给旁路晶闸管施加触发信号，从而使得故障电流流过旁路晶闸管，避免故障电流流过子模块给子模块电容充电。

其中，所述旁路支路由晶闸管与限流电阻串联后并联联接在阻断型子模块的电压输出端口上构成。

更好的，多个晶闸管串联后构成晶闸管阀，晶闸管阀的高压端接每个桥臂的高压输出端，晶闸管的低压端接每个桥臂的低压输出端，形成对应桥臂的旁路。

还能够将晶闸管阀与限流电阻串联后，并联联接至每个桥臂的电压输出端形成旁路支路。

对以上所述的纯阻断型的模块化多电平换流器，高压阀组上桥臂任意一点发生接地故障时，包括如下的步骤，对所有高压阀组上桥臂的旁路晶闸管施加一次触发脉冲，维持高压阀组下桥臂及所有低阀的旁路晶闸管为阻断状态，并闭锁模块化多电平换流器。

高压阀组下桥臂任意一点发生接地故障时，包括如下的步骤，对所有高压阀组的旁路晶闸管施加一次触发脉冲，维持低阀所有的旁路晶闸管为阻断状态，并闭锁模块化多电平换流器。

本实例中，阻断型子模块为具备阻断直流故障电流能力的模块化多电平换流器功率模块，可以采用全桥子模块、箝位双子模块、二极管钳位子模块、自阻型子模块及交联子模块等多种公知拓扑。

当模块化多电平换流器的直流侧联接的是由晶闸管构成的相控换流器时，在发生高压阀组对地故障后将相控换流器闭锁或将相控换流器切换至逆变运行状态或将相控换流器的电流指令值调整为零或负值，从而快速吸收直流输电线路上的残留能量，减小对旁路晶闸管的耐流需求。

当检测到发生高压阀组对地故障后，开断模块化多电平换流器的交流断路器。

其中，限流电阻阻值的选择原则为使得旁路晶闸管不发生过电流，且使得交流断路器不因过电流而开断，且使得限流电阻上的压降低于其并联联接的子模块、阀段或桥臂的子模块电容电压之和。

具体的如下所述。

图1示例了采用本实用新型保护方案的模块化多电平换流器拓扑，该模块化多电平换流器由高压阀组4和低压阀组5串联而成，该类高、低压阀串联的方案相比于采用单个换流阀的方案可以降低每个交流变压器的容量以及绝缘需求从而降低成本。图1中高、低压阀组的每个桥臂由一个或多个阻断型子模块及半桥子模块串联而成，为简化绘图，图1中每个桥臂仅示例了一个阻断型子模块及一个半桥子模块。

但该类高、低压阀串联方案存在安全性隐患。当高压阀组的上桥臂低压侧6或高压阀组的负直流母线7发生接地故障时，直流输电线路的极线对地电压将施加在高压阀组上桥臂或高压阀组上，由于高压阀组的上桥臂所有子模块电容电压之和仅为1/2额定极线对地电压，高压阀组每相所有子模块电容电压之和与额定极线对地电压相等，考虑直流输电线路及直流电感上残留的储能后，在上述高压阀组的上桥臂低压侧6或高压阀组的负直流母线7发生故障时，即使闭锁高压阀组的全部全控型电力电子器件，高压阀组的上桥臂或高压阀组每相的上、下桥臂的子模块电容仍将被充电至高电压从而损毁子模块。

为解决上述问题，本实例中如图1所示，给出了由阻断型子模块和半桥子模块构成的混合型MMC的高压阀组对地故障保护的结构。图1中阻断型子模块与半桥子模块的数目比例约为1：1。本实用新型所设计的保护结构的特征为：在每个阻断型子模块的电压输出端并联由两个晶闸管反向并联构成的反并联晶闸管对1或并联一个双向晶闸管；在每个半桥子模块的电压输出端并联一个旁路晶闸管2，与半桥子模块并联的晶闸管的阳极接半桥子模块的高压输出端，阴极接半桥子模块的低压输出端。以高压阀组A相上桥臂低压输出端，即A相的高压阀组的上桥臂低压侧6对地故障为例，发生A相的高压阀组的上桥臂低压侧6对地故障时，将给高压阀组A相上桥臂8、B相上桥臂9及C相上桥臂10的各个子模块的旁路晶闸管施加触发脉冲，使得故障电流经旁路晶闸管流通从而避免故障电流给子模块电容充电。对应高压阀组的上桥臂低压侧6或高压阀组的负直流母线7的故障点6d或7d发生接地故障时，推荐闭锁高压阀组以及低压阀组的全部全控型电力电子器件的触发脉冲从而防止子模块电容经故障点6d或故障点7d放电。故障点6d发生接地故障时，宜维持高压阀组的各相下桥臂以及低压阀组所有桥臂的子模块的旁路晶闸管处于闭锁状态从而减小交流侧与故障点6d之间的短路电抗值，减小交流侧电流。同理地，故障点7d发生接地故障时，宜维持低压阀组所有桥臂的子模块的旁路晶闸管处于闭锁状态。

为了进一步减小故障电流，图2给出了图1的改进方案，其改进在于每个反并联晶闸管对1或每个旁路晶闸管2与限流电阻13串联后，再并联联接至子模块的输出端从而同时减小直流故障电流与交流故障电流，减小旁路晶闸管的耐流需求并减小对交流电网的扰动。限流电阻13的阻值宜合理选取，其阻值太小则其限流效果不明显，其阻值太大则限流电阻上的压降太高，会导致各子模块承受过电压。推荐限流电阻13的选择原则为使得旁路晶闸管不发生过电流，且使得交流断路器不因过电流而开断，且使得限流电阻上的压降低于其并联联接的子模块。

图3-图4为图1-图2的同型方案。图3相比于图1区别在于，反并联晶闸管对1或旁路晶闸管2并不直接并联联接于每个子模块上，而是多个反并联晶闸管对串联后得到双向旁路晶闸管阀12后并联联接于阻断型子模块构成的串联组合上，多个旁路晶闸管串联得到旁路晶闸管阀14后，并联联接于半桥子模块构成的串联组合上。图3左下角给出了双向旁路晶闸管阀12的两种实现方法。一种为由两个单向旁路晶闸管阀14反向并联而得，如12a所示。另一种为由多个反并联晶闸管对1或多个双向晶闸管串联而得，如12b所示。

同理，图4方案为双向旁路晶闸管阀12与限流电阻13串联后，并联联接于阻断型子模块构成的串联组合上，及单向旁路晶闸管阀14与限流电阻串13联后，并联联接于半桥子模块构成的串联组合上。图4中各限流电阻13的选择原则为使得旁路晶闸管不发生过电流，且使得交流断路器不因过电流而开断，且使得限流电阻上的压降低于其并联联接的子模块额定电容电压之和。

图3-图4方案相比于图1-图2的优点在于方便集中管理旁路晶闸管及限流电阻，从而无需改动现有子模块的拓扑结构与布局，缺点双向旁路晶闸管阀12及单向旁路晶闸管阀14均由多个晶闸管串联而成，当串联的晶闸管数目较多时，存在晶闸管串联均压困难的问题。

图5-图6为图3-图4的同型方案，为减小图幅尺寸，图5及图6仅绘出了高压阀组4的拓扑。图5-图6原理与图3-图4一致，区别在于将阻断型子模块分为多组，每组阻断型子模块的输出端并联一个双向旁路晶闸管阀12或双向旁路晶闸管阀12与限流电阻13的串联组合，将半桥子模块也分为多组，每组半桥子模块的输出端并联一个单向旁路晶闸管阀14或单向旁路晶闸管阀14与限流电阻13构成的串联组合。图5-图6方案相比于图3-图4方案的优点在于可以减少双向旁路晶闸管阀12及单向旁路晶闸管阀14所串联的晶闸管个数从而减小旁路晶闸管的均压难度。

图6中各限流电阻13的选择原则为使得旁路晶闸阀不发生过电流，且使得交流断路器不因过电流而开断，且使得限流电阻上的压降低于其并联联接的子模块额定电容电压之和。

本实例中给出的又一种方案，如图7-图8所示，为由阻断型子模块构成的MMC的高压阀组对地故障保护的结构。图7中每个阻断型子模块的电压输出端反向并联了一个旁路晶闸管2，旁路晶闸管2的阳极接子模块的高压输出端，旁路晶闸管2的阴极接子模块的低压输出端。监测到高压阀组上桥臂低压输出端对地故障时，将对故障桥臂所有子模块的旁路晶闸管2施加一次触发脉冲，使得故障电流经旁路晶闸管2流通，并维持所有其他旁路晶闸管2处于闭锁状态并闭锁高压阀组所有全控型电力电子器件的触发信号。直流故障电流过零后，旁路晶闸管2将自动关断。

图8与图7类似，区别在于每个旁路晶闸管2还与限流电阻13串联从而减小直流故障期间的故障电流。

图9与图7类似，区别在于每个旁路晶闸管并不联接在每个子模块上，而是多个旁路晶闸管2串联后构成单向旁路晶闸管阀14再并联联接在桥臂的高、低压输出端上。图9拓扑相比于图7拓扑的优势在于，不需要改变每个子模块的结构与设计，便于集中管理旁路晶闸管阀组。其带来的劣势在于多个晶闸管串联后存在一定的均压难度。

图10与图9类似，区别在于每个旁路晶闸管阀14还串联了限流电阻13从而可以加快将故障电流降为零的速度且限制故障电流大小。

图11为将每个桥臂的阻断型子模块分为多个分组，每个分组上并联一个或多个晶闸管串联而成的旁路晶闸管阀14。图11的性能介于图7与图9之间，既避免了更改每个子模块的拓扑也避免了过多旁路晶闸管串联后带来的均压难度。

图12与图11类似，区别在于每个旁路晶闸管阀14还串联了限流电阻13从而减小故障电流的大小。；

图13示例了半桥子模块的拓扑。图14中(a)-(e)示例了阻断型子模块的拓扑，图14(a)-(e)分别为全桥子模块拓扑、箝位双子模块拓扑、二极管钳位子模块、自阻型子模块及交联子模块。图13-图14系公知技术，其细节不再赘述。

本实例中，如图15所示，给出了由单极正极性相控换流器11和单极正极性混合型模块化多电平换流器构成的两端直流输电系统拓扑结构。其中，模块化多电平换流器由高压阀组4和低压阀组5构成。高压阀组4的上桥臂低压端6发生接地故障时，将给高压阀组4的A、B、C三相上桥臂各子模块的旁路晶闸管1施加触发脉冲，维持高压阀组各相下桥臂以及低压阀组所有桥臂的各子模块的旁路晶闸管处于闭锁状态，闭锁高压阀组以及低压阀组的所有全控型电力电子器件的触发脉冲，于此同时，相控换流器侧监测到故障时，将闭锁其触发脉冲或者使得相控换流器工作至逆变状态从而将相控换流器馈入至旁路晶闸管的直流电流降至零，防止旁路晶闸管持续流过电流而损毁旁路晶闸管。

本实例中，图16以由半桥子模块和全桥子模块构成的混合型MMC为例，示例了高压阀组A相上桥臂低压输出端对地故障时，各相电流通路。其中每个桥臂半桥子模块与全桥子模块的比例为1：1左右。图16中，流经电流的元件以黑色线条示意，处于闭锁状态的元件以灰色线条示意。该故障下，高压阀组A、B、C三相的上桥臂旁路晶闸管将被触发，其余各桥臂的旁路晶闸管均维持闭锁状态，故障极(图16仅绘出了正极)的模块化多电平换流器将被闭锁，非故障极(负极，图16未绘出)的模块化多电平换流器仍维持正常运行状态。图16表明故障电流将经由A、B、C三相上桥臂的旁路晶闸管流通，故障电流将不会给子模块电容充电从而不会带来子模块电容过电压问题。

图17示例了全桥子模块的旁路晶闸管为单个晶闸管时，高压阀组对地故障的电流通路。图17中全桥子模块与半桥子模块的比例约为1：1。高压阀组A相上桥臂发生接地故障时，直流电流故障电流通路与图16一致。除了直流故障电流，交流侧也将流通电流，如图17的B、A两相实线箭头所示。可知，交流侧将给B相上桥臂的全桥子模块充电，故图17的全桥子模块仅包含单个旁路晶闸管的方案为技术不可行的方案。

图18示例了每个桥臂的子模块均为全桥子模块的模块化多电平换流器高压阀组A相上桥臂接地故障时的交流侧潜在故障电流通路。以高压阀组的B、A两相为例，高压阀组的B相上桥臂的所有子模块的电容电压将被反向接入至电流通路。由于每个桥臂左右子模块电容电压之和高于B、A两相线电压的峰值，故而图18示例的潜在故障电流通路并不能流通电流。桥臂的所有子模块均为阻断型子模块时，仅需在每个子模块的输出端反向并联一个旁路晶闸管，旁路晶闸管的阳极与阴极分别接子模块的高压输出端与低压输出端。发生高压阀组上桥臂对地故障或高压阀组低压直流母线接地故障时，向高压阀组的A相上桥臂、B相上桥臂及C相上桥臂所有子模块的旁路晶闸管施加一次触发脉冲即可使得直流故障电流经由旁路晶闸管流通，避免直流故障电流给子模块电容充电。

为验证本实用新型所设计方案的技术可行性，在PSCAD/EMTDC下搭建了仿真算例，如图19所示。图19中，LCC代表相控换流器，MMC_High为模块化多电平换流器的高压阀组，MMC_Low为模块化多电平换流器的低压阀组。高、低压阀组采用图16所示的拓扑。

图20～图24给出了对应的仿真结果。所施加的故障为0.8s时，模块化多电平换流器的高压阀组A相低压端发生接地故障。监测到该故障后，高压阀组的A相、B相、C相上桥臂的所有旁路晶闸管被持续施加触发信号，A相、B相、C相下桥臂以及低压阀组的所有旁路晶闸管均维持闭锁状态，同时，监测到故障后，高、低压阀组的全部全控型电力电子器件将被闭锁。相控换流器在检测到该故障后，也会闭锁其触发脉冲。

图20为直流电流波形，可知发生故障后，直流电流可在15ms内降为零。图21及图22为高压阀组各相桥臂的全桥子模块及半桥子模块的平均电容电压，可知，在本实用新型设计的方案下，高压阀组对地故障时，各子模块电容不会发生过电压。图23阀侧交流电流，可知在本实用新型所设计的方案上，高压阀组对地故障时，无明显交流过电流。图24为流过高压阀组各相上桥臂旁路晶闸管，可知各旁路晶闸管也不流过明显的过电流。

Claims (12)

1.一种模块化多电平换流器，其特征在于，包括在直流侧串联并在交流侧并联的高压阀组和低压阀组；所述的高压阀组和低压阀组的各相均由上桥臂和下桥臂组成，上桥臂和下桥臂均由多个阻断型子模块和多个半桥子模块级联组成；

所述的上桥臂和下桥臂上分别设置有由晶闸管控制通断的旁路；发生高压阀组对地故障时，通过给旁路中晶闸管施加触发信号，使得故障电流流过旁路，避免故障电流流过子模块给子模块电容充电。

2.根据权利要求1所述的一种模块化多电平换流器，其特征在于，所述的旁路包括与子模块一一对应的旁路支路；所述的旁路支路包括每个阻断型子模块电压输出端并联的两个反向并联联接的晶闸管或输出端并联的一个双向晶闸管，以及每个半桥子模块电压输出端并联的一个晶闸管或两个反向并联联接的晶闸管或一个双向晶闸管；该一个晶闸管阳极接半桥子模块的高压输出端，该一个晶闸管的阴极接半桥子模块的低压输出端。

3.根据权利要求1所述的一种模块化多电平换流器，其特征在于，所述的旁路包括与阀段一一对应的旁路支路，所述的旁路支路包括每个由阻断型子模块串联构成的阀段的高压输出端和低压输出端之间并联的一个双向晶闸管阀，以及每个由半桥型子模块串联构成的阀段的高压输出端和低压输出端之间并联的一个单向晶闸管阀或一个双向晶闸管阀；该一个单向晶闸管阀的阳极接对应半桥子模块阀段的高压输出端，该一个单向晶闸管阀的阴极接对应半桥子模块阀段的低压输出端。

4.根据权利要求1所述的一种模块化多电平换流器，其特征在于，所述的旁路包括与阀段中各分组一一对应的旁路支路；将阻断型子模块串联构成的阀段分为多组；将半桥子模块串联构成的阀段分为多组；

所述的旁路支路包括每组阻断型子模块的输出端并联的一个双向晶闸管阀，以及每组半桥型子模块的输出端并联的一个单向晶闸管阀或一个双向晶闸管阀；该一个单向晶闸管阀的阳极接对应每组半桥子模块的高压输出端，该一个单向晶闸管阀的阴极接对应每组半桥子模块阀段的低压输出端。

5.一种模块化多电平换流器，其特征在于，在直流侧串联并在交流侧并联的高压阀组和低压阀组；所述的高压阀组和低压阀组的各相均由上桥臂和下桥臂组成，上桥臂和下桥臂均由多个阻断型子模块级联组成；

所述的上桥臂和下桥臂上分别设置有由晶闸管控制的旁路；发生高压阀组对地故障时，通过给旁路中晶闸管施加触发信号，使得故障电流流过旁路，避免故障电流流过子模块给子模块电容充电。

6.根据权利要求5所述的一种模块化多电平换流器，其特征在于，所述的旁路包括与阻断型子模块一一对应的旁路支路；所述的旁路支路包括每个阻断型子模块电压输出端并联的一个晶闸管或两个反向并联联接的晶闸管或一个双向晶闸管；一个晶闸管阳极接阻断型子模块的高压输出端，晶闸管的阴极接阻断型子模块的低压输出端。

7.根据权利要求5所述的一种模块化多电平换流器，其特征在于，所述的旁路包括与阀段一一对应的旁路支路，所述的旁路支路包括每个由阻断型子模块串联构成的阀段的高压输出端和低压输出端之间并联的一个单向晶闸管阀或一个双向晶闸管阀；所述的一个单向晶闸管阀的阳极接对应阻断型子模块阀段的高压输出端，单向晶闸管阀的阴极接对应阻断型子模块阀段的低压输出端。

8.根据权利要求7所述的一种模块化多电平换流器，其特征在于，所述的旁路包括与阀段中各分组一一对应的旁路支路；将阻断型子模块串联构成的阀段分为多组；

所述的旁路支路包括每组阻断型子模块的输出端并联的一个单向晶闸管阀或一个双向晶闸管阀；该一个单向晶闸管阀的阳极接对应每组阻断型子模块的高压输出端，该一个单向晶闸管阀的阴极接对应每组阻断型子模块阀段的低压输出端。

9.根据权利要求3、4、7或8所述的一种模块化多电平换流器，其特征在于，所述单向晶闸管阀由多个晶闸管串联而成；所述双向晶闸管阀由多个反并联晶闸管串联而成或由多个双向晶闸管串联而成或由两个反并联联接的单向晶闸管阀并联而成。

10.根据权利要求2、3、4、6、7或8所述的一种模块化多电平换流器，其特征在于，每个旁路支路内分别串联有限流电阻，限流电阻对应串联在旁路支路的低压输出端或高压输出端。

11.根据权利要求10所述的一种模块化多电平换流器，其特征在于，所述的限流电阻的阻值能够使得旁路晶闸管不发生过电流，且使得模块化多电平换流器的交流断路器不因过电流而开断，且使得限流电阻上的压降低于其并联联接的所有子模块的电容电压之和。

12.根据权利要求1或5所述的一种模块化多电平换流器，其特征在于，所述阻断型子模块为具备阻断直流故障电流能力的模块化多电平换流器功率模块，可以采用全桥子模块、箝位双子模块、二极管钳位子模块、自阻型子模块及交联子模块中的任意一种。