本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有直流側(cè)短路電流阻斷能力的模塊化多電平變流器(即MMC，本申請(qǐng)下稱MMC)混合橋臂拓?fù)洹?/p>

背景技術(shù)：

模塊化多電平變流器(MMC)具有模塊化設(shè)計(jì)、可拓展性好、單個(gè)器件開關(guān)頻率低、諧波性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，已成為電壓源型換流站拓?fù)涞氖走x技術(shù)方案。模塊化多電平變流器每一相橋臂的基本拓?fù)淙鐖D1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(gè)緩沖電感，以限制橋臂直通時(shí)的短路電流。上、下橋臂分別由N個(gè)子模塊串聯(lián)組成，設(shè)直流母線電壓為V_DC，則每個(gè)子模塊在正常工作時(shí)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(fù)電平。在高壓直流輸電(HVDC)領(lǐng)域中，換流站具有直流側(cè)短路電流阻斷能力是保障系統(tǒng)安全運(yùn)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(guān)器件個(gè)數(shù)少，系統(tǒng)運(yùn)行效率較高，但由于不能輸出負(fù)電平，在直流側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)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(fù)電平，在直流側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)可以提供反向電壓，從而對(duì)故障電流進(jìn)行限制，但在相同的電壓等級(jí)下，其需要的開關(guān)器件個(gè)數(shù)較多，系統(tǒng)損耗較大，成本較高。已有學(xué)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?fù)湟赃_(dá)到保證短路電流阻斷能力的同時(shí)降低系統(tǒng)損耗與成本的目的，但并非最優(yōu)的拓?fù)浞桨浮?/p>

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)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(qǐng)公布了一種模塊化多電平變流器混合橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

本發(fā)明具體采用以下技術(shù)方案：

一種模塊化多電平變流器混合橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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(gè)三電平雙半橋子模塊與Y個(gè)四電平串聯(lián)雙子模塊以及1個(gè)緩沖電感構(gòu)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(jìn)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(gè)全控開關(guān)器件(S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂)和第一、第二兩個(gè)電容(C₁、C₂)構(gòu)成；其中，4個(gè)全控開關(guān)器件(S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂)依次串聯(lián)，第一電容C₁與第一全控開關(guān)器件S₁₁和第二全控開關(guān)器件S₁₂的串聯(lián)支路并聯(lián)，第二電容C₂與第三全控開關(guān)器件S₂₁和第四全控開關(guān)器件S₂₂的串聯(lián)支路并聯(lián)；第一、第二全控開關(guān)器件S₁₁、S₁₂互補(bǔ)導(dǎo)通，第三、第四全控開關(guān)器件S₂₁、S₂₂互補(bǔ)導(dǎo)通；當(dāng)?shù)谝蝗亻_關(guān)器件S₁₂和第三全控開關(guān)器件S₂₁導(dǎo)通時(shí)，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(gè)全控開關(guān)器件(S₃₁、S₃₂、S₄₁、S₄₂、S_c)、一個(gè)功率二極管(D)和第三、第四電容(C₃、C₄)構(gòu)成；其中，第五全控開關(guān)器件S₃₁和第六全控開關(guān)器件S₃₂串聯(lián)，第七全控開關(guān)器件S₄₁和第八全控開關(guān)器件S₄₂串聯(lián)，第三電容C₃與第五全控開關(guān)器件S₃₁和第六全控開關(guān)器件S₃₂的串聯(lián)支路并聯(lián)，第四電容C₂與第七全控開關(guān)器件S₄₁和第八全控開關(guān)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(guān)器件S_c與功率二極管D交叉相連，且電流正向流通時(shí)通過第九全控開關(guān)器件S_c，電流反向流通時(shí)通過功率二極管D；第五全控開關(guān)器件S₃₁和第六全控開關(guān)器件S₃₂互補(bǔ)導(dǎo)通，第七全控開關(guān)器件S₄₁和第八全控開關(guān)器件S₄₂互補(bǔ)導(dǎo)通。

正常工作時(shí)，第九全控開關(guān)器件Sc保持導(dǎo)通；當(dāng)?shù)谖迦亻_關(guān)器件S₃₂、第七全控開關(guān)器件S₄₁和第九全控開關(guān)器件S_c導(dǎo)通時(shí)，該子模塊處于旁路狀態(tài)；當(dāng)出現(xiàn)直流短路故障時(shí)，第五至第九5個(gè)全控開關(guān)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(guān)器件S₃₁、S₃₂、S₄₁、S₄₂具有相同的電壓等級(jí)，第九全控開關(guān)器件S_c與功率二極管D是第五至第八全控開關(guān)器件S₃₁、S₃₂、S₄₁、S₄₂電壓等級(jí)的兩倍。

本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)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(guān)器件(5個(gè))，可以輸出+2V_C、+V_C、0、-2V_C四個(gè)電平，既滿足了正常工作時(shí)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(shí)，四電平串聯(lián)雙子模塊中連接電容的全控開關(guān)器件S_c保持導(dǎo)通，兩種子模塊具有相似的拓?fù)洌沟谜w控制算法的設(shè)計(jì)比較簡單，同時(shí)多電平子模塊在相同電壓等級(jí)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(shè)計(jì)比例構(gòu)成混合橋臂，為綜合考慮直流側(cè)短路電流阻斷能力、系統(tǒng)效率與成本的最優(yōu)拓?fù)浞桨浮?/p>

附圖說明

圖1模塊化多電平變流器MMC單相橋臂基本拓?fù)涫疽鈭D；

圖2現(xiàn)有的單極性半橋子模塊拓?fù)涫疽鈭D；

圖3現(xiàn)有的雙極性全橋子模塊拓?fù)涫疽鈭D；

圖4本發(fā)明采用的三電平雙半橋子模塊拓?fù)涫疽鈭D；

圖5本發(fā)明采用的四電平串聯(lián)雙子模塊拓?fù)涫疽鈭D；

圖6本發(fā)明的混合橋臂拓?fù)涫疽鈭D。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

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

本發(fā)明采用的三電平雙半橋子模塊拓?fù)淙鐖D4所示，由第一至第四4個(gè)全控開關(guān)器件(S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂)和第一、第二兩個(gè)電容(C₁、C₂)構(gòu)成；其中，4個(gè)全控開關(guān)器件(S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂)依次串聯(lián)，第一電容C₁與第一全控開關(guān)器件S₁₁和第二全控開關(guān)器件S₁₂的串聯(lián)支路并聯(lián)，第二電容C₂與第三全控開關(guān)器件S₂₁和第四全控開關(guān)器件S₂₂的串聯(lián)支路并聯(lián)；第一、第二全控開關(guān)器件S₁₁、S₁₂互補(bǔ)導(dǎo)通，第三、第四全控開關(guān)器件S₂₁、S₂₂互補(bǔ)導(dǎo)通；當(dāng)?shù)谝蝗亻_關(guān)器件S₁₂和第三全控開關(guān)器件S₂₁導(dǎo)通時(shí)，該三電平雙半橋子模塊處于旁路狀態(tài)。設(shè)電容電壓為V_C，則該子模塊可以輸出+2V_C、+V_C、0三個(gè)電平。

本發(fā)明采用的四電平串聯(lián)雙子模塊拓?fù)淙鐖D5所示，第五至第九5個(gè)全控開關(guān)器件(S₃₁、S₃₂、S₄₁、S₄₂、S_c)、一個(gè)功率二極管(D)和第三、第四電容(C₃、C₄)構(gòu)成；其中，第五全控開關(guān)器件S₃₁和第六全控開關(guān)器件S₃₂串聯(lián)，第七全控開關(guān)器件S₄₁和第八全控開關(guān)器件S₄₂串聯(lián)，第三電容C₃與第五全控開關(guān)器件S₃₁和第六全控開關(guān)器件S₃₂的串聯(lián)支路并聯(lián)，第四電容C₂與第七全控開關(guān)器件S₄₁和第八全控開關(guān)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(guān)器件S_c與功率二極管D交叉相連，且電流正向流通時(shí)通過第九全控開關(guān)器件S_c，電流反向流通時(shí)通過功率二極管D；第五全控開關(guān)器件S₃₁和第六全控開關(guān)器件S₃₂互補(bǔ)導(dǎo)通，第七全控開關(guān)器件S₄₁和第八全控開關(guān)器件S₄₂互補(bǔ)導(dǎo)通。正常工作時(shí)，全控開關(guān)器件S_c保持導(dǎo)通。正常工作時(shí)，第九全控開關(guān)器件S_c保持導(dǎo)通；當(dāng)?shù)谖迦亻_關(guān)器件S₃₂、第七全控開關(guān)器件S₄₁和第九全控開關(guān)器件S_c導(dǎo)通時(shí)，該子模塊處于旁路狀態(tài)；當(dāng)出現(xiàn)直流短路故障時(shí)，第五至第九5個(gè)全控開關(guān)器件(S₃₁、S₃₂、S₄₁、S₄₂、S_c)均閉鎖，無論電流正向或反向流動(dòng)，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(fù)電平。設(shè)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(gè)電平。

本發(fā)明提出的具有直流側(cè)短路電流阻斷能力的MMC混合橋臂拓?fù)浞謩e由X個(gè)三電平雙半橋子模塊與Y個(gè)四電平串聯(lián)雙子模塊以及一個(gè)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(shí)，四電平串聯(lián)雙子模塊中連接電容的全控開關(guān)器件S_c保持導(dǎo)通，兩種子模塊具有相似的拓?fù)洌沟谜w控制算法的設(shè)計(jì)比較簡單，同時(shí)多電平子模塊在相同電壓等級(jí)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(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，所有全控開關(guān)器件閉鎖，橋臂輸出的負(fù)電壓最大值大于交流線電壓最大值，從而對(duì)短路電流起到限制作用。兩種子模塊采用設(shè)計(jì)比例構(gòu)成混合橋臂，既保證了直流側(cè)短路電流阻斷能力，同時(shí)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(qǐng)人結(jié)合說明書附圖對(duì)本發(fā)明做了詳細(xì)的說明與描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，以上實(shí)施例僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)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(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，任何基于本發(fā)明的發(fā)明精神所作的改進(jìn)或修飾都應(yīng)當(dāng)處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。