CN108306501A

CN108306501A - 一种具有直流故障阻断能力的mmc子模块

Info

Publication number: CN108306501A
Application number: CN201810045263.2A
Authority: CN
Inventors: 庞玉彬; 霍群海; 郭心铭; 尹靖元; 朱晋; 陆翌; 许烽; 韦统振
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS; State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd; Electric Power Research Institute of State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS; State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd; Electric Power Research Institute of State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd
Priority date: 2018-01-17
Filing date: 2018-01-17
Publication date: 2018-07-20
Anticipated expiration: 2038-01-17
Also published as: CN108306501B

Abstract

一种具有直流故障阻断能力的MMC子模块，由电力电子器件和电容组成。多个MMC子模块组成的混联桥臂构成柔性直流输电的换流器，正常运行时可实现整流或者逆变功能。当换流器直流侧出现直流母线短路故障时，通过闭锁电力电子开关，经过钳位二极管反向串入电容实现直流母线故障隔离，改善基于箝位双子单元模块柔性直流输电直流侧短路反向电流故障隔离能力。

Description

一种具有直流故障阻断能力的MMC子模块

技术领域

本发明涉及一种具有直流故障阻断能力的MMC子模块。

背景技术

柔性直流输电技术作为一种新型输电方式，与传统交流输电方式相比在解决当今电网面临的诸多问题上具有独特的优势，具有良好的发展前景。而模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)以易于封装的模块化结构、良好的可扩展性与交流输出电压谐波性能、较低的开关频率与损耗等优点已经受到世界范围内的认可。适用于直流电网的直流故障保护成为发展直流电网的关键技术之一，然而目前适用于直流电网的保护原理尚有诸多关键技术有待突破，主要的技术难点包括故障的精准识别和快速隔离。目前广泛使用的半桥型模块化多电平换流器虽然具有结构简单，器件数量少，损耗低等优点，但是其不能快速隔离直流侧短路故障功能，并且由于直流电流没有过零点，普通的交流断路器由于难以灭弧而无法断开。直流故障电流如果采用断开交流侧断路器等传统保护方式切断，将会导致***恢复时间过长，严重影响了整个***的可靠性。

为了清除直流侧故障，利用换流器本身的结构特点阻断故障电流是一种有效清除故障的途径，该方法通过改进换流器本身拓扑结构与器件的脉冲触发策略来阻断故障电流，不需要断开交流断路器，并且能够快速清除故障使***恢复运行，同时对交流***影响较小，非常适合暂态故障率高的架空线线路。国外学者提出的钳位双子模块(clamp doublesub-module,CDSM)，不仅能够隔离直流侧故障，且在经济性、性能上具有较强的优势。但专利壁垒导致在我国的大规模工程应用受到限制；同时箝位双子模块中的两个电容在反方向故障电流时等效并联，与正方向故障电流时两个电容等效串联的情形阻断能力差异较大；并且两个电容存在并联耦合性从而增加了控制和均压的复杂度。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术壁垒的限制，提出一种具有直流故障阻断能力的MMC子模块—三电容箝位型双子模块(Three capacitor Clamping Double Sub-Module，TCDSM)。本发明将子模块电容串入故障电路，利用电容的反向电压切断故障电流，从而起到直流母线故障隔离的作用，瞬时性直流母线短路故障时本发明还具有使***恢复运行所需时间短的优点。

本发明具有直流故障阻断能力的MMC子模块由电子开关T1、T2、T3、T4、T5、T6，二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8和电容C1、C2、C3组成。MMC子模块的第一输出端与第一电子开关T1的发射极、第二电子开关T2的集电极在第一连接点相连；第一电子开关T1的集电极与第一电容C1的正极、第七二极管D7的阴极在第二连接点相连；第七二极管D7的阳极、第六电子开关T6的发射极、第八二极管D8的阴极和第五电子开关T5的集电极在第三连接点相连；第六电子开关T6的集电极、第二电容C2的正极和第三电子开关T3的集电极在第四连接点相连；第八二极管D8的阳极、第二电容C2的负极和第三电容C3的正极在第五连接点相连；第三电子开关T3的发射极、第四电子开关T4的集电极和MMC子模块第二输出端在第六连接点相连；第二电子开关T2的发射极、第一电容C1的负极、第五电子开关T5的发射极在第七连接点相连；第三电容C3的负极、第四电子开关T4的发射极在第八连接点相连；第一电子开关T1与第一二极管D1并联，第二电子开关T2与第二二极管D2并联，第三电子开关T3与第三二极管D3并联，第四电子开关T4与第四二极管D4并联，所有并联的电子开关的集电极与二极管的阳极连接，所有并联的电子开关的发射极与二极管的阴极相连接。

当换流器处于正常工作状态时，假设每个子模块输出电压设为2U_c，其中第一电容C1上的电压设为U_c，第二电容C2与第三电容C3的电压均设为U_c/2。所述子模块输出电压U_SM＝0时，第二电子开关T2、第三电子开关T3、第五电子开关T5、第六电子开关T6导通，第一电子开关T1、第四电子开关T4关断，且电流方向为正I_SM>0时，第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3被旁路，电流流通路径为第二电子开关T2→第五二极管D5→第六二极管D6→第三电子开关T3；所述子模块输出电压U_SM＝0时，第二电子开关T2、第三电子开关T3、第五电子开关T5、第六电子开关T6导通，第一电子开关T1、第四电子开关T4关断，且电流方向为负I_SM<0时，第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3被旁路，电流流通路径为第三二极管D3→第六电子开关T6→第五电子开关T5→第二二极管D2。当子模块输出电压U_SM＝U_c时，第一电子开关T1、第三电子开关T3、第五电子开关T5、第六电子开关T6导通，第二电子开关T2、第四电子开关T4关断时，且电流方向为正时，第二电容C2、第三电容C3被旁路，第一电容C1充电，电流流通路径为第一二极管D1→第五二极管D5→第六二极管D6→第三电子开关T3；当子模块输出电压U_SM＝U_c时，第一电子开关T1、第三电子开关T3、第五电子开关T5、第六电子开关T6导通，第二电子开关T2、第四电子开关T4关断时，且电流方向为负时，第二电容C2、第三电容C3被旁路，第一电容C1放电，电流流通路径为第三二极管D3→第六电子开关T6→第五电子开关T5→第一电子开关T1。子模块输出电压U_SM＝U_c时，第二电子开关T2、第四电子开关T4、第五电子开关T5、第六电子开关T6导通，第一电子开关T1、第三电子开关T3，且电流方向为正时，第一电容C1电流被旁路，第二电容C2、第三电容C3充电，电流流通路径为第二电子开关T2→第五二极管D5→第六二极管D6→第四二极管D4；子模块输出电压U_SM＝U_c时，第二电子开关T2、第四电子开关T4、第五电子开关T5、第六电子开关T6导通，第一电子开关T1、第三电子开关T3，且电流方向为负时，第一电容C1电流被旁路，第二电容C2、第三电容C3放电，电流流通路径为第四电子开关T4→第六电子开关T6→第五电子开关T5→第二二极管D2。当子模块输出电压U_SM＝2U_c时，第一电子开关T2、第四电子开关T4、第五电子开关T5、第六电子开关T6导通，第二电子开关T2、第三电子开关T3关断时，且电流方向为正，第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3充电，电流流通路径为第一二极管D1→第五二极管D5→第六二极管D6→第四二极管D4；当子模块输出电压U_SM＝2U_c时，第一电子开关T1、第四电子开关T4、第五电子开关T5、第六电子开关T6导通，第二电子开关T2、第三电子开关T3关断时，且电流方向为负，第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3放电，电流流通路径为第四电子开关T4→第六电子开关T6→第五电子开关T5→第一电子开关T1。从而实现正常工作时3种电压的输出。

换流器直流侧发生直流母线短路故障时，故障电流流入所述的MMC子模块，第一电子开关T1、第二电子开关T2、第三电子开关T3、第四电子开关T4、第五电子开关T5、第六电子开关T6闭锁，第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3反向串入电流回路，端口电压U_SM＝2U_c，电流路径为第一二极管D1→第一电容C1→第五二极管D5→第六二极管D6→第二电容C2→第三电容C3→第四二极管D4；当故障电流流出所述的MMC子模块，所述第一电子开关T1、第二电子开关T2、第三电子开关T3、第四电子开关T4、第五电子开关T5、第六电子开关T6闭锁，第一电容C1、第二电容C2反向串入电流回路，端口电压U_SM＝-1.5U_c，电流路径为第三二极管D3→第二电容C2→第八二极管D8→第七二极管D7→第一电容C1→第二二极管D2。从两种故障电流途径可以看出，当采用三电容箝位型双子模块拓扑结构时，在不同的故障电流方向情况下，均可将电容反向串入故障电流回路，利用桥臂子模块电容串联形成的反向电压阻断故障电流，子模块开关状态与输出电压U_SM如表1所示。

表1子模块开关状态与输出电压U_SM

本发明具有直流故障阻断能力的MMC子模块可以构成三相六桥臂结构的模块化多电平换流器(MMC)，每一相桥臂全部采用MMC子模块；所述上桥臂底端通过电抗器与交流侧连接，下桥臂顶端通过电抗器与交流侧连接；上桥臂顶端接入直流侧正极，下桥臂低端接入直流侧负极。

本发明具有直流故障阻断能力的MMC子模块还可以和半桥MMC子模块构成混联桥臂，所述模块化多电平换流器为三相六桥臂结构，每一相桥臂由m个MMC子模块和n个半桥子模块构成，其中m≥3，n≥3，且所有子模块电容电压U_c之和等于换流器直流母线电压U_dc，即U_c(2m+n)＝U_dc。

混联桥臂中，上桥臂还可以由所述的MMC子模块构成，下桥臂为常规半桥MMC子模块构成。也可以将下桥臂改为由所述的MMC子模块构成，上桥臂为半桥MMC子模块构成。

本发明具有直流故障阻断能力的MMC子模块和半桥MMC子模块构成的混联桥臂换流器正常工作时，一个桥臂中有m个所述的MMC子模块，m≥3。每个子模块输出3种电压，有n个半桥子模块，n≥3。每个子模块输出2种电压，输出电压幅值组合为(2m+n)U_c；当换流器直流母线发生故障，故障电流流出桥臂时，所有模块中电子开关闭锁，不具备故障隔离能力的半桥子模块中电容被二极管旁路，具备故障隔离能力的MMC子模块中电容反向串联进故障回路；故障电流流入桥臂时，所有模块中的电子开关闭锁，MMC子模块与半桥子模块中的电容均反向串联进故障回路，达到阻断故障电流的效果。

本发明的优点：

a.将子模块电容引入故障回路，能够隔离直流侧故障；

b.提出的混联结构在经济性、性能上具有较强的优势；

c.已建成的半桥MMC换流器易改造为本发明应用的混联结构，从而实现直流故障隔离；

d.更加快速清除故障使***恢复运行；

e.更容易与柔性直流输电***结合，适宜于一体化设计。

附图说明

图1三电容箝位型双子模块拓扑；

图2流经子模块的电流I_SM>0时三电容箝位型双子模块故障电流途径示意图；

图3流经子模块的电流I_SM<0时三电容箝位型双子模块故障电流途径示意图；

图4混联桥臂—子模块与半桥子模块组成半桥臂混联结构示意图；

图5混联桥臂—上桥臂为子模块，下桥臂为半桥结构示意图；

图6混联桥臂--上桥臂为半桥，下桥臂为子模块结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。

本发明提出的MMC子模块拓扑如图1所示，所述的MMC子模块由六个电子开关T1、T2、T3、T4、T5、T6、八个二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8和三个电容C1、C2、C3组成。MMC子模块的第一输出端与第一电子开关T1的发射极、第二电子开关T2的集电极在第一连接点1相连；第一电子开关T1的集电极与第一电容C1的正极、第七二极管D7的阴极在第二连接点2相连；第七二极管D7的阳极、第六电子开关T6的发射极、第八二极管D8的阴极和第五电子开关T5的集电极在第三连接点3相连；第六电子开关T6的集电极、第二电容C2的正极和第三电子开关T3的集电极在第四连接点4相连；第八二极管D8的阳极、第二电容C2的负极和第三电容C3的正极在第五连接点5相连；第三电子开关T3的发射极、第四电子开关T4的集电极和MMC子模块第二输出端在第六连接点6相连；第二电子开关T2的发射极、第一电容C1的负极、第五电子开关T5的发射极在第七连接点7相连；第三电容C3的负极、第四电子开关T4的发射极在第八连接点8相连；第一电子开关T1与第一二极管D1并联，第二电子开关T2与第二二极管D2并联，第三电子开关T3与第三二极管D3并联，第四电子开关T4与第四二极管D4并联，所有并联的电子开关的集电极与二极管的阳极连接，所有并联的电子开关的发射极与二极管的阴极相连接。

当换流器处于正常工作状态时，假设每个子模块输出电压设为2U_c，其中第一电容C1上的电压设为U_c，第二电容C2与第三电容C3的电压均设为U_c/2。所述子模块输出电压U_SM＝0时，第二电子开关T2、第三电子开关T3、第五电子开关T5、第六电子开关T6导通，第一电子开关T1、第四电子开关T4关断，且电流方向为正I_SM>0时，如图2所示，第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3被旁路，电流流通路径为第二电子开关T2→第五二极管D5→第六二极管D6→第三电子开关T3；所述子模块输出电压U_SM＝0时，第二电子开关T2、第三电子开关T3、第五电子开关T5、第六电子开关T6导通，第一电子开关T1、第四电子开关T4关断，且电流方向为负I_SM<0时，如图3所示，第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3被旁路，电流流通路径为第三二极管D3→第六电子开关T6→第五电子开关T5→第二二极管D2。当子模块输出电压U_SM＝U_c时，第一电子开关T1、第三电子开关T3、第五电子开关T5、第六电子开关T6导通，第二电子开关T2、第四电子开关T4关断时，且电流方向为正时，第二电容C2、第三电容C3被旁路，第一电容C1充电，电流流通路径为第一二极管D1→第五二极管D5→第六二极管D6→第三电子开关T3；当子模块输出电压U_SM＝U_c时，第一电子开关T1、第三电子开关T3、第五电子开关T5、第六电子开关T6导通，第二电子开关T2、第四电子开关T4关断时，且电流方向为负时，第二电容C2、第三电容C3被旁路，第一电容C1放电，电流流通路径为第三二极管D3→第六电子开关T6→第五电子开关T5→第一电子开关T1。子模块输出电压U_SM＝U_c时，第二电子开关T2、第四电子开关T4、第五电子开关T5、第六电子开关T6导通，第一电子开关T1、第三电子开关T3，且电流方向为正时，第一电容C1电流被旁路，第二电容C2、第三电容C3充电，电流流通路径为第二电子开关T2→第五二极管D5→第六二极管D6→第四二极管D4；子模块输出电压U_SM＝U_c时，第二电子开关T2、第四电子开关T4、第五电子开关T5、第六电子开关T6导通，第一电子开关T1、第三电子开关T3，且电流方向为负时，第一电容C1电流被旁路，第二电容C2、第三电容C3放电，电流流通路径为第四电子开关T4→第六电子开关T6→第五电子开关T5→第二二极管D2。当子模块输出电压U_SM＝2U_c时，第一电子开关T2、第四电子开关T4、第五电子开关T5、第六电子开关T6导通，第二电子开关T2、第三电子开关T3关断时，且电流方向为正，第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3充电，电流流通路径为第一二极管D1→第五二极管D5→第六二极管D6→第四二极管D4；当子模块输出电压U_SM＝2U_c时，第一电子开关T1、第四电子开关T4、第五电子开关T5、第六电子开关T6导通，第二电子开关T2、第三电子开关T3关断时，且电流方向为负，第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3放电，电流流通路径为第四电子开关T4→第六电子开关T6→第五电子开关T5→第一电子开关T1。从而实现正常工作时3种电压的输出。

换流器直流侧发生直流母线短路故障时，故障电流流入所述的MMC子模块，第一电子开关T1、第二电子开关T2、第三电子开关T3、第四电子开关T4、第五电子开关T5、第六电子开关T6闭锁，第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3反向串入电流回路，端口电压U_SM＝2U_c，电流路径为第一二极管D1→第一电容C1→第五二极管D5→第六二极管D6→第二电容C2→第三电容C3→第四二极管D4；当故障电流流出所述的MMC子模块，所述第一电子开关T1、第二电子开关T2、第三电子开关T3、第四电子开关T4、第五电子开关T5、第六电子开关T6闭锁，第一电容C1、第二电容C2反向串入电流回路，端口电压U_SM＝-1.5U_c，电流路径为第三二极管D3→第二电容C2→第八二极管D8→第七二极管D7→第一电容C1→第二二极管D2。

实施例1

图4所示为本发明的实施例1。如图4所示，本实施例是模块化多电平换流器拓扑中三相六桥臂中的一个混联桥臂，该桥臂包括MMC子模块G1、G2……Gm、半桥MMC子模块H1、H2……Hn，以及电抗器L。第一MMC子模块G1的第一引出端连接直流侧正极，第一MMC子模块G1的第二引出端连接第二MMC子模块G2的第一引出端，以此类推，共有m个MMC子模块连接，第mMMC子模块Gm的第二引出端连接第一半桥MMC子模块H1的第一引出端，第一半桥MMC子模块G1的第二引出端连接第二半桥MMC子模块G2的第一引出端，以此类推，共有n个半桥MMC子模块连接，n≥3，第n半桥MMC子模块G1的第二引出端连接电抗器L的第一引出端，电抗器L的第二引出端连接交流端。

如图4所示，当换流器正常工作时，一个桥臂中有m个MMC子模块，m≥3。每个子模块输出3种电压，有n个半桥MMC子模块，每个子模块输出2种电压，输出电压幅值组合为(2m+n)U_c；当换流器直流母线发生故障时，使用互感器等电流传感器检测故障电流的方向，当检测到故障电流流出桥臂时，MMC子模块G1、G2……Gm及半桥MMC子模块H1、H2……Hn中的电子开关均闭锁，不具备故障隔离能力的半桥MMC子模块中电容被电子开关中反向并联的钳位二极管旁路，具备故障隔离能力的MMC子模块G1、G2……Gm中电容通过钳位二极管反向串联进故障电流回路；当检测到故障电流流入桥臂时，MMC子模块G1、G2……Gm及半桥MMC子模块H1、H2……Hn中的电子开关均闭锁，MMC子模块G1、G2……Gm与半桥子模块H1、H2……Hn中的电容通过钳位二极管均反向串联进故障电流回路，达到阻断故障电流的效果。

实施例2

图5所示为本发明的实施例2。如图5所示，本实施例是MMC拓扑中三相六桥臂中的一相混连桥臂，包括第一MMC子模块G11、G12……G1m、第二MMC子模块G21、G22……G2m、第一半桥MMC子模块H11、H12……H1n、第二半桥MMC子模块H21、H22……H2n、第一电抗器L1、第二电抗器L2、第三电抗器L3，以及第四电抗器L4。第一MMC子模块G11的第一引出端连接直流侧正极，第一MMC子模块G11的第二引出端连接第一MMC子模块G12的第一引出端，以此类推，共有m个MMC子模块连接，m≥3。第一MMC子模块G1m的第二引出端连接第一电抗器L1的第一引出端，第一电抗器L1的第二引出端连接第二电抗器L2的第一引出端与交流端，作为上桥臂，第二电抗器L2的第二引出端连接第一半桥MMC子模块H11的第一引出端，第一半桥MMC子模块H11的第二引出端连接第一半桥MMC子模块H12的第一引出端，以此类推，共有n个半桥MMC子模块连接，第一半桥MMC子模块H1n的第二引出端连接直流端负极，作为下桥臂。第二MMC子模块G21的第一引出端连接直流侧正极，第二MMC子模块G21的第二引出端连接第二MMC子模块G22的第一引出端，以此类推，共有m个MMC子模块连接，第二MMC子模块T2m的第二引出端连接第三电抗器L3的第一引出端，第一电抗器L3的第二引出端连接第四电抗器L4的第一引出端与交流端，作为上桥臂，第四电抗器L4的第二引出端连接第二半桥MMC子模块H21的第一引出端，第二半桥MMC子模块H21的第二引出端连接第二半桥MMC子模块H22的第一引出端，以此类推，共有n个半桥MMC子模块连接，第二半桥MMC子模块H2n的第二引出端连接直流端负极，作为下桥臂。

如图5所示，换流器正常工作时，每相中有m个MMC子模块，每个子模块输出3种电压，有n个半桥MMC子模块，每个子模块输出2种电压，输出电压幅值为2mU_c或者nU_c，当直流侧发生故障时，一共有三种情况，第一种情况，故障电流流入第一MMC子模块G11、G12……G1m组成的一相桥臂，同时流出第二MMC子模块G21、G22……G2m组成的另一相桥臂，此时串入故障回路的电容电压为2mU_c+3mU_c/2；第二种情况，故障电流流入第一MMC子模块G11、G12……G1m组成的一相桥臂，同时流出第一半桥MMC子模块H11、H12……H1n，此时串入故障回路的电容电压为2mU_c；第三种情况，故障电流流出第一MMC子模块G11、G12……G1m组成的一相桥臂，同时流入第二半桥MMC子模块G21、G22……G2m组成的另一相桥臂，此时串入故障回路的电容电压为nU_c+3mU_c/2。

实施例3

图6所示为本发明的实施例3。如图6所示，本实施例是MMC拓扑中三相六桥臂中的一相混连桥臂，包括第一MMC子模块G11、G12……G1m、第二MMC子模块G21、G22……G2m、第一半桥MMC子模块H11、H12……H1n、第二半桥MMC子模块H21、H22……H2n、第一电抗器L1、第二电抗器L2、第三电抗器L3，以及第四电抗器L4。

第一半桥MMC子模块H11的第一引出端连接直流侧正极，第一半桥MMC子模块H11的第二引出端连接第一半桥MMC子模块H12的第一引出端，以此类推，共有n个半桥MMC子模块连接，n≥3。第一半桥MMC子模块H1n的第二引出端连接第一电抗器L1的第一引出端，第一电抗器L1的第二引出端连接第二电抗器L2的第一引出端与交流端，作为上桥臂，第二电抗器L2的第二引出端连接第一MMC子模块G11的第一引出端，第一MMC子模块G11的第二引出端连接第一MMC子模块G12的第一引出端，以此类推，共有m个MMC子模块连接，m≥3。第一MMC子模块G1m的第二引出端连接直流端负极，作为下桥臂。第二半桥MMC子模块H21的第一引出端连接直流侧正极，第二半桥MMC子模块H21的第二引出端连接第二半桥MMC子模块H22的第一引出端，以此类推，共有n个半桥MMC子模块连接，第二半桥MMC子模块H2n的第二引出端连接第三电抗器L3的第一引出端，第一电抗器L3的第二引出端连接第四电抗器L4的第一引出端与交流端，作为上桥臂，第四电抗器L4的第二引出端连接第二MMC子模块G21的第一引出端，第二MMC子模块G21的第二引出端连接第二MMC子模块G22的第一引出端，以此类推，共有m个MMC子模块连接，第二MMC子模块G2m的第二引出端连接直流端负极，作为下桥臂。

如图6所示，当常工作时，一相中有m个MMC子模块，每个子模块输出3种电压，有n个半桥MMC子模块，n≥3。每个子模块输出2种电压，输出电压幅值为2mU_c或者nU_c，当直流侧发生故障时，一共有三种情况，第一种情况，故障电流流入第一半桥MMC子模块H11、H12……H1n组成的一相桥臂，同时流出第二半桥MMC子模块H21、H22……H2m组成的另一相桥臂，此时串入故障回路的电容电压为nU_c；第二种情况，故障电流流入第一半桥MMC子模块H11、H12……H1m组成的一相桥臂，同时流出第一MMC子模块G11、G12……G1n，此时串入故障回路的电容电压为nU_c+3mU_c/2；第三种情况，故障电流流出第一半桥MMC子模块G11、G12……G1m组成的一相桥臂，同时流入第二MMC子模块G21、G22……G2m组成的另一相桥臂，此时串入故障回路的电容电压为2mU_c+nU_c。

Claims

1.一种具有直流故障阻断能力的MMC子模块，其特征在于：所述的MMC子模块由六个电子开关T1、T2、T3、T4、T5、T6、八个二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8和三个电容C1、C2、C3组成；MMC子模块的第一输出端与第一电子开关T1的发射极、第二电子开关T2的集电极在第一连接点(1)相连；第一电子开关T1的集电极与第一电容C1的正极、第七二极管D7的阴极在第二连接点(2)相连；第七二极管D7的阳极、第六电子开关T6的发射极、第八二极管D8的阴极和第五电子开关T5的集电极在第三连接点(3)相连；第六电子开关T6的集电极、第二电容C2的正极和第三电子开关T3的集电极在第四连接点(4)相连；第八二极管D8的阳极、第二电容C2的负极和第三电容C3的正极在第五连接点(5)相连；第三电子开关T3的发射极、第四电子开关T4的集电极和MMC子模块第二输出端在第六连接点(6)相连；第二电子开关T2的发射极、第一电容C1的负极、第五电子开关T5的发射极在第七连接点(7)相连；第三电容C3的负极、第四电子开关T4的发射极在第八连接点(8)相连；第一电子开关T1与第一二极管D1并联，第二电子开关T2与第二二极管D2并联，第三电子开关T3与第三二极管D3并联，第四电子开关T4与第四二极管D4并联；所有并联的电子开关的集电极与二极管的阳极连接，所有并联的电子开关的发射极与二极管的阴极相连接。

2.根据权利要求1所述的MMC子模块，其特征在于：换流器处于正常工作状态，所述子模块输出电压U_SM＝0时，第二电子开关T2、第三电子开关T3、第五电子开关T5、第六电子开关T6导通，第一电子开关T1、第四电子开关T4关断；且电流方向为正I_SM>0时，第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3被旁路，电流流通路径为第二电子开关T2→第五二极管D5→第六二极管D6→第三电子开关T3；所述子模块输出电压U_SM＝0时，第二电子开关T2、第三电子开关T3、第五电子开关T5、第六电子开关T6导通，第一电子开关T1、第四电子开关T4关断；且电流方向为负I_SM<0时，第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3被旁路，电流流通路径为第三二极管D3→第六电子开关T6→第五电子开关T5→第二二极管D2；当子模块输出电压U_SM＝U_c时，第一电子开关T1、第三电子开关T3、第五电子开关T5、第六电子开关T6导通，第二电子开关T2、第四电子开关T4关断时，且电流方向为正时，第二电容C2、第三电容C3被旁路，第一电容C1充电，电流流通路径为第一二极管D1→第五二极管D5→第六二极管D6→第三电子开关T3；当子模块输出电压U_SM＝U_c时，第一电子开关T1、第三电子开关T3、第五电子开关T5、第六电子开关T6导通，第二电子开关T2、第四电子开关T4关断时，且电流方向为负时，第二电容C2、第三电容C3被旁路，第一电容C1放电，电流流通路径为第三二极管D3→第六电子开关T6→第五电子开关T5→第一电子开关T1；子模块输出电压U_SM＝U_c时，第二电子开关T2、第四电子开关T4、第五电子开关T5、第六电子开关T6导通，第一电子开关T1、第三电子开关T3，且电流方向为正时，第一电容C1电流被旁路，第二电容C2、第三电容C3充电，电流流通路径为第二电子开关T2→第五二极管D5→第六二极管D6→第四二极管D4；子模块输出电压U_SM＝U_c时，第二电子开关T2、第四电子开关T4、第五电子开关T5、第六电子开关T6导通，第一电子开关T1、第三电子开关T3，且电流方向为负时，第一电容C1电流被旁路，第二电容C2、第三电容C3放电，电流流通路径为第四电子开关T4→第六电子开关T6→第五电子开关T5→第二二极管D2；当子模块输出电压U_SM＝2U_c时，第一电子开关T2、第四电子开关T4、第五电子开关T5、第六电子开关T6导通，第二电子开关T2、第三电子开关T3关断时，且电流方向为正，第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3充电，电流流通路径为第一二极管D1→第五二极管D5→第六二极管D6→第四二极管D4；当子模块输出电压U_SM＝2U_c时，第一电子开关T1、第四电子开关T4、第五电子开关T5、第六电子开关T6导通，第二电子开关T2、第三电子开关T3关断时，且电流方向为负，第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3放电，电流流通路径为第四电子开关T4→第六电子开关T6→第五电子开关T5→第一电子开关T1；从而实现正常工作时3种电压的输出。

3.根据权利要求1所述的MMC子模块，其特征在于：换流器直流侧发生直流母线短路故障时，故障电流流入所述的MMC子模块，第一电子开关T1、第二电子开关T2、第三电子开关T3、第四电子开关T4、第五电子开关T5、第六电子开关T6闭锁，第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3反向串入电流回路，端口电压U_SM＝2U_c，电流路径为第一二极管D1→第一电容C1→第五二极管D5→第六二极管D6→第二电容C2→第三电容C3→第四二极管D4；当故障电流流出所述的MMC子模块，所述第一电子开关T1、第二电子开关T2、第三电子开关T3、第四电子开关T4、第五电子开关T5、第六电子开关T6闭锁，第一电容C1、第二电容C2反向串入电流回路，端口电压U_SM＝-1.5U_c，电流路径为第三二极管D3→第二电容C2→第八二极管D8→第七二极管D7→第一电容C1→第二二极管D2。

4.根据权利要求1所述的MMC子模块，其特征在于：所述MMC子模块构成三相六桥臂结构的模块化多电平换流器；模块化多电平换流器每一相桥臂由MMC子模块组成；上桥臂顶端接入直流侧正极，上桥臂底端通过电抗器与交流侧连接，下桥臂顶端通过电抗器与交流侧连接；下桥臂低端接入直流侧负极。

5.根据权利要求1所述的MMC子模块，其特征在于：所述的MMC子模块构成为三相六桥臂结构的模块化多电平换流器；模块化多电平换流器每一相桥臂由m个所述的MMC子模块和n个半桥MMC子模块构成，其中m≥3，n≥3，且所有子模块电容电压U_c之和等于换流器直流母线电压U_dc，即U_c(2m+n)＝U_dc；所述上桥臂顶端接入直流侧正极，上桥臂底端通过电抗器与交流侧连接，下桥臂顶端通过电抗器与交流侧连接；下桥臂低端接入直流侧负极。

6.根据权利要求5所述的MMC子模块，其特征在于：所述的模块化多电平换流器每一相的上桥臂由所述的MMC子模块构成，下桥臂由半桥MMC子模块构成。

7.根据权利要求5所述的MMC子模块，其特征在于：所述的模块化多电平换流器每一相的下桥臂由MMC子模块构成，上桥臂由半桥MMC子模块构成。

8.根据权利要求5所述的MMC子模块，其特征在于：所述的模块化多电平换流器正常工作时，一个桥臂中有m个MMC子模块和n个半桥MMC子模块，每个所述的MMC子模块输出3种电压，每个半桥MMC子模块输出2种电压，输出电压幅值组合为(2m+n)U_c；当换流器直流母线发生故障，故障电流流出桥臂时，所有模块中的电子开关闭锁，半桥MMC子模块中的电容被二极旁路，所述的MMC子模块中的电容反向串联进故障回路；故障电流流入桥臂时，所有模块中的电子开关闭锁，所述的MMC子模块与半桥MMC子模块中的电容均反向串联进故障回路，达到阻断故障电流的效果。