本發(fā)明屬于電力電子技術領域，具體涉及一種具有直流側短路電流阻斷能力的模塊化多電平變流器(即MMC，本申請下稱MMC)混合橋臂拓撲。

背景技術：

模塊化多電平變流器(MMC)具有模塊化設計、可拓展性好、單個器件開關頻率低、諧波性能好等諸多優(yōu)點，已成為電壓源型換流站拓撲的首選技術方案。模塊化多電平變流器每一相橋臂的基本拓撲如圖1所示，可分為上橋臂和下橋臂兩部分，通常需要在上、下橋臂中分別串聯(lián)一個緩沖電感，以限制橋臂直通時的短路電流。上、下橋臂分別由N個子模塊串聯(lián)組成，設直流母線電壓為V_DC，則每個子模塊在正常工作時承受的電壓為子模塊分為單極性子模塊和雙極性子模塊，半橋子模塊為典型的單極性子模塊，如圖2所示，可輸出正電平和零電平；全橋子模塊為典型的雙極型子模塊，如圖3所示，可輸出正電平、零電平和負電平。在高壓直流輸電(HVDC)領域中，換流站具有直流側短路電流阻斷能力是保障系統(tǒng)安全運行的重要要求，采用單極性子模塊組成橋臂的模塊化多電平變流器開關器件個數(shù)少，系統(tǒng)運行效率較高，但由于不能輸出負電平，在直流側發(fā)生短路故障時無法限制故障電流，不具有阻斷能力；采用雙極性子模塊組成橋臂的模塊化多電平變流器可以輸出負電平，在直流側發(fā)生短路故障時可以提供反向電壓，從而對故障電流進行限制，但在相同的電壓等級下，其需要的開關器件個數(shù)較多，系統(tǒng)損耗較大，成本較高。已有學者提出采用單極性子模塊與雙極性子模塊共同組成橋臂，并采用多電平子模塊拓撲以達到保證短路電流阻斷能力的同時降低系統(tǒng)損耗與成本的目的，但并非最優(yōu)的拓撲方案。

技術實現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術中具有直流短路電流阻斷能力的變流器橋臂損耗大、成本高的問題，本申請公布了一種模塊化多電平變流器混合橋臂拓撲結構。

本發(fā)明具體采用以下技術方案：

一種模塊化多電平變流器混合橋臂拓撲結構，所述模塊化多電平變流器混合橋臂分為上橋臂和下橋臂兩部分；其特征在于：

上、下橋臂分別由X個三電平雙半橋子模塊與Y個四電平串聯(lián)雙子模塊以及1個緩沖電感構成；其中，三電平雙半橋子模塊與四電平串聯(lián)雙子模塊數(shù)量比滿足：

本發(fā)明進一步包括以下優(yōu)選方案：

所述的三電平雙半橋子模塊由第一至第四4個全控開關器件(S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂)和第一、第二兩個電容(C₁、C₂)構成；其中，4個全控開關器件(S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂)依次串聯(lián)，第一電容C₁與第一全控開關器件S₁₁和第二全控開關器件S₁₂的串聯(lián)支路并聯(lián)，第二電容C₂與第三全控開關器件S₂₁和第四全控開關器件S₂₂的串聯(lián)支路并聯(lián)；第一、第二全控開關器件S₁₁、S₁₂互補導通，第三、第四全控開關器件S₂₁、S₂₂互補導通；當?shù)谝蝗亻_關器件S₁₂和第三全控開關器件S₂₁導通時，該三電平雙半橋子模塊處于旁路狀態(tài)。

所述的四電平串聯(lián)雙子模塊由第五至第九5個全控開關器件(S₃₁、S₃₂、S₄₁、S₄₂、S_c)、一個功率二極管(D)和第三、第四電容(C₃、C₄)構成；其中，第五全控開關器件S₃₁和第六全控開關器件S₃₂串聯(lián)，第七全控開關器件S₄₁和第八全控開關器件S₄₂串聯(lián)，第三電容C₃與第五全控開關器件S₃₁和第六全控開關器件S₃₂的串聯(lián)支路并聯(lián)，第四電容C₂與第七全控開關器件S₄₁和第八全控開關器件S₄₂的串聯(lián)支路并聯(lián)，第三電容C₃和第四電容C₄之間由第九全控開關器件S_c與功率二極管D交叉相連，且電流正向流通時通過第九全控開關器件S_c，電流反向流通時通過功率二極管D；第五全控開關器件S₃₁和第六全控開關器件S₃₂互補導通，第七全控開關器件S₄₁和第八全控開關器件S₄₂互補導通。

正常工作時，第九全控開關器件Sc保持導通；當?shù)谖迦亻_關器件S₃₂、第七全控開關器件S₄₁和第九全控開關器件S_c導通時，該子模塊處于旁路狀態(tài)；當出現(xiàn)直流短路故障時，第五至第九5個全控開關器件(S₃₁、S₃₂、S₄₁、S₄₂、S_c)均閉鎖。

所述的四電平串聯(lián)雙子模塊中，第五至第八全控開關器件S₃₁、S₃₂、S₄₁、S₄₂具有相同的電壓等級，第九全控開關器件S_c與功率二極管D是第五至第八全控開關器件S₃₁、S₃₂、S₄₁、S₄₂電壓等級的兩倍。

本發(fā)明具有以下有益的技術效果：

采用的四電平串聯(lián)雙子模塊使用了較少的全控開關器件(5個)，可以輸出+2V_C、+V_C、0、-2V_C四個電平，既滿足了正常工作時輸出電平的需求，又將短路電流阻斷能力最大化，并將器件成本降至最低；為配合雙極性的四電平串聯(lián)雙子模塊，單極性子模塊采用了三電平雙半橋子模塊，在正常工作時，四電平串聯(lián)雙子模塊中連接電容的全控開關器件S_c保持導通，兩種子模塊具有相似的拓撲，使得整體控制算法的設計比較簡單，同時多電平子模塊在相同電壓等級下節(jié)省了外圍元器件的數(shù)量，降低了系統(tǒng)成本；兩種子模塊采用設計比例構成混合橋臂，為綜合考慮直流側短路電流阻斷能力、系統(tǒng)效率與成本的最優(yōu)拓撲方案。

附圖說明

圖1模塊化多電平變流器MMC單相橋臂基本拓撲示意圖；

圖2現(xiàn)有的單極性半橋子模塊拓撲示意圖；

圖3現(xiàn)有的雙極性全橋子模塊拓撲示意圖；

圖4本發(fā)明采用的三電平雙半橋子模塊拓撲示意圖；

圖5本發(fā)明采用的四電平串聯(lián)雙子模塊拓撲示意圖；

圖6本發(fā)明的混合橋臂拓撲示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明進行詳細說明。

本發(fā)明提出了一種具有直流側短路電流阻斷能力的MMC混合橋臂拓撲，單相橋臂分為上橋臂與下橋臂，分別由X個三電平雙半橋子模塊與Y個四電平串聯(lián)雙子模塊以及一個緩沖電感組成。

本發(fā)明采用的三電平雙半橋子模塊拓撲如圖4所示，由第一至第四4個全控開關器件(S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂)和第一、第二兩個電容(C₁、C₂)構成；其中，4個全控開關器件(S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂)依次串聯(lián)，第一電容C₁與第一全控開關器件S₁₁和第二全控開關器件S₁₂的串聯(lián)支路并聯(lián)，第二電容C₂與第三全控開關器件S₂₁和第四全控開關器件S₂₂的串聯(lián)支路并聯(lián)；第一、第二全控開關器件S₁₁、S₁₂互補導通，第三、第四全控開關器件S₂₁、S₂₂互補導通；當?shù)谝蝗亻_關器件S₁₂和第三全控開關器件S₂₁導通時，該三電平雙半橋子模塊處于旁路狀態(tài)。設電容電壓為V_C，則該子模塊可以輸出+2V_C、+V_C、0三個電平。

本發(fā)明采用的四電平串聯(lián)雙子模塊拓撲如圖5所示，第五至第九5個全控開關器件(S₃₁、S₃₂、S₄₁、S₄₂、S_c)、一個功率二極管(D)和第三、第四電容(C₃、C₄)構成；其中，第五全控開關器件S₃₁和第六全控開關器件S₃₂串聯(lián)，第七全控開關器件S₄₁和第八全控開關器件S₄₂串聯(lián)，第三電容C₃與第五全控開關器件S₃₁和第六全控開關器件S₃₂的串聯(lián)支路并聯(lián)，第四電容C₂與第七全控開關器件S₄₁和第八全控開關器件S₄₂的串聯(lián)支路并聯(lián)，第三電容C₃和第四電容C₄之間由第九全控開關器件S_c與功率二極管D交叉相連，且電流正向流通時通過第九全控開關器件S_c，電流反向流通時通過功率二極管D；第五全控開關器件S₃₁和第六全控開關器件S₃₂互補導通，第七全控開關器件S₄₁和第八全控開關器件S₄₂互補導通。正常工作時，全控開關器件S_c保持導通。正常工作時，第九全控開關器件S_c保持導通；當?shù)谖迦亻_關器件S₃₂、第七全控開關器件S₄₁和第九全控開關器件S_c導通時，該子模塊處于旁路狀態(tài)；當出現(xiàn)直流短路故障時，第五至第九5個全控開關器件(S₃₁、S₃₂、S₄₁、S₄₂、S_c)均閉鎖，無論電流正向或反向流動，該子模塊第三電容C₃、第四電容C₄均為串聯(lián)充電狀態(tài)，輸出負電平。設電容電壓為V_C，則該子模塊可以輸出+2V_C、+V_C、0、-2V_C四個電平。

本發(fā)明提出的具有直流側短路電流阻斷能力的MMC混合橋臂拓撲分別由X個三電平雙半橋子模塊與Y個四電平串聯(lián)雙子模塊以及一個緩沖電感組成上、下橋臂，兩種子模塊的數(shù)量比例滿足如圖6所示。

在正常工作時，四電平串聯(lián)雙子模塊中連接電容的全控開關器件S_c保持導通，兩種子模塊具有相似的拓撲，使得整體控制算法的設計比較簡單，同時多電平子模塊在相同電壓等級下節(jié)省了外圍元器件的數(shù)量，降低了系統(tǒng)成本；在直流側發(fā)生短路故障時，所有全控開關器件閉鎖，橋臂輸出的負電壓最大值大于交流線電壓最大值，從而對短路電流起到限制作用。兩種子模塊采用設計比例構成混合橋臂，既保證了直流側短路電流阻斷能力，同時提高了系統(tǒng)效率，降低了系統(tǒng)的整體成本。

本發(fā)明申請人結合說明書附圖對本發(fā)明做了詳細的說明與描述，但是本領域技術人員應該理解，以上實施例僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，詳盡的說明只是為了幫助讀者更好地理解本發(fā)明精神，而并非對本發(fā)明保護范圍的限制，任何基于本發(fā)明的發(fā)明精神所作的改進或修飾都應當處于本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。