本实用新型涉及柔性直流输电和电力电子应用技术领域，特别涉及一种用于柔性直流输电换流阀的子模块拓扑结构。
背景技术：
基于MMC电压源换流器的柔性直流输电系统具有向无源系统或者弱交流系统供电、有功和无功快速独立控制、易于构成多端网络和环境友好等优异性能，并且MMC-HVDC系统的输送电压谐波含量极低，无需再配置额外的滤波器，使得基于MMC的柔性直流输电在输电领域有着广泛的应用前景。MMC-HVDC的核心部件是桥臂上的功率子模块(以下简称子模块)，目前常用的子模块是半桥拓扑的子模块，如图1所示。半桥子模块组成的MMC柔直系统在直流线路故障时，不能抑制故障电流，只能依靠上层控保系统通过断开交流侧断路器来清除故障，因而故障响应速度慢，故障电流大，一次故障将导致整体直流系统停止有功传输和无功支撑达数秒以上，严重影响系统稳定。
因此，业界提出了采用传统的全桥结构子模块，如图2所示，来组成MMC柔直系统。全桥子模块组成的柔直系统能够自由控制输出直流电压的正负，能够在直流线路故障时快速输出负电压抑制故障电流，并且能够在直流侧故障时继续在交流侧提供无功支撑，明显提高了系统的可靠性。但是全桥子模块的损耗很大，组成柔直系统成本太高，在实际工程中难以实用。同时，全桥子模块能够对称输出同样的正负电压，这远超出了直流系统对抑制故障电流的要求，在实际工程中并不需要柔直系统输出相当于额定电压的负电压。
为了在系统可靠性和成本及损耗之间取得较好的平衡，业界提出了多种方法进行折中。专利CN201420288038一种用于柔性直流输电系统的模块化多电平换流阀提出，在桥臂中将全桥子模块F-SM和半桥子模块H-SM进行混合配置，如图3所示，这样既发挥的全桥子模块抑制故障电流的特点，又能够降低成本和损耗的增加。但这种方案在直流侧故障时，只有全桥子模块参与故障电流的抑制，进而相应的故障电流能量都进入了全桥子模块，将导致故障后全桥子模块和半桥子模块的电压严重不平衡。为了保证系统的可靠性，必须增加全桥子模块的耐压设计，增加了成本。如图4所示，专利CN103731059一种模块化多电平变流器的新型双钳位子模块结构电路提出一种新拓扑，能够抑制故障电流，但是在抑制故障电流时，内部开关管T5将承受两倍于正常值的电压，这意味着T5必须设计为IGBT直接串联，驱动设计很复杂，可行性较低。如图5所示，专利CN103904926A一种改进的模块化多电平换流器子模块拓扑将半桥子模块和去除一个IGBT的全桥子模块串联，虽然能够抑制故障电流，但它不仅有与CN201420288038相同的缺点，而且在正常运行时不能输出负电平，降低了柔直换流器在系统动态时的响应。
技术实现要素：
为了解决背景技术中所述问题，本实用新型提供一种用于柔性直流输电换流阀的子模块拓扑结构，在专利CN201420288038的基础上，通过一个附加的二极管，将全桥和半桥混合拓扑改造成能够抑制故障电流的新拓扑，而且在抑制故障电流的过程中，子模块中的两个电容自动保持电压均衡，避免了电压不平衡和耐压过高的问题。同时，在通常运行过程中，用本实用新型子模块组成的换流器能够输出相当于一半额定电压的负电平，满足系统动态调节的需要。
为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案实现：
一种用于柔性直流输电换流阀的子模块拓扑结构，所述的换流阀的子模块拓扑结构由柔性直流输电换流阀的全桥结构子模块(1)和半桥结构子模块(2)相连接构成。
所述的全桥结构子模块(1)的一个交流端A2与半桥结构子模块(2)的直流端正极D21相连接，全桥结构子模块(1)的直流端负极D12通过二极管D7与半桥结构子模块(2)的直流端负极D22相连接。
全桥结构子模块(1)的另一个交流端A1和半桥结构子模块(2)的交流端A3为所述的换流阀的子模块拓扑结构的两个输出端。
在所述的全桥结构子模块(1)的直流端负极D12与二极管D7之间还连接有电抗器L7。电抗器L7用于限制冲击电流。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
1、本实用新型的一种用于柔性直流输电换流阀的子模块拓扑结构，通过一个附加的二极管，将全桥和半桥混合拓扑改造成能够抑制故障电流的新拓扑，而且在抑制故障电流的过程中，子模块中的两个电容自动保持电压均衡，避免了电压不平衡和耐压过高的问题。同时，在通常运行过程中，用本发明子模块组成的换流器能够输出相当于一半额定电压的负电平，满足系统动态调节的需要。
2、本实用新型的一种用于柔性直流输电换流阀的子模块拓扑结构，在通常运行过程中，由IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、电容C1组成的全桥能够输出对等的正负电平，而由IGBT5、IGBT6、电容C2组成的半桥能够输出正电平和零电平。当系统发生故障换流器闭锁后，如果故障电流为正(流入子模块)，故障电流将必须流经两个电容的串联，从而产生相当于2倍电容电压的抑制电压，抑制故障电流；如果故障电流为负(流出子模块)，故障电流将流经两个电容的并联，从而产生相当于电容电压的抑制电压，抑制故障电流。不论是那种情况，故障电流在子模块内部两个电容上的分担是相同，两个电容将自动保持电压平衡，不会出现电压发散的情况。
附图说明
图1背景技术中介绍的半桥子模块结构；
图2背景技术中介绍的全桥子模块结构；
图3CN201420288038提出的全桥子模块和半桥子模块混合组成桥臂；
图4CN103731059提出的子模块结构；
图5CN103904926A提出的子模块结构；
图6本实用新型的一种用于柔性直流输电换流阀的子模块拓扑结构；
图7本实用新型的一种用于柔性直流输电换流阀的子模块拓扑结构的改进结构；
图8本实用新型的一种用于柔性直流输电换流阀的子模块拓扑结构的正向故障电流流入时的途径；
图9本实用新型的一种用于柔性直流输电换流阀的子模块拓扑结构的反向故障电流流入时的途径。
图中：1-全桥结构子模块2-半桥结构子模块。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型提供的具体实施方式进行详细说明。
如图6所示，一种用于柔性直流输电换流阀的子模块拓扑结构，所述的换流阀的子模块拓扑结构由全桥结构子模块(1)和半桥结构子模块(2)相连接构成。
所述的全桥结构子模块(1)的一个交流端A2与半桥结构子模块(2)的直流端正极D21相连接，全桥结构子模块(1)的直流端负极D12通过二极管D7与半桥结构子模块(2)的直流端负极D22相连接。
全桥结构子模块(1)的另一个交流端A1和半桥结构子模块(2)的交流端A3为所述的换流阀的子模块拓扑结构的两个输出端。
所述的全桥结构子模块(1)和半桥结构子模块(2)均是背景技术中介绍的现有技术中柔性直流输电换流阀的全桥结构子模块结构和半桥结构子模块结构,是MMC系统的常用阀子模块结构。
图6中，所述的半桥结构子模块(2)的拓扑结构由含有反并联二极管的IGBT5、IGBT6串联构成，串联结构的两端还并联有直流侧电容C2。
图6中，所述的全桥结构子模块(1)的拓扑结构是由两个并联的半桥结构的子模块直流端D11、D12相连接构成，其中一个半桥结构的子模块由IGBT1、IGBT2串联构成，另一个半桥结构的子模块由IGBT3、IGBT4串联构成，两个半桥结构的子模块共用直流侧电容C1。
如图7所示，在所述的全桥结构子模块(1)的直流端负极D12与二极管D7之间还可以连接有电抗器L7。电抗器L7用于限制冲击电流。
全桥结构子模块(1)是由两个并联的半桥结构子模块构成，图6中的元件包括由IGBT1、IGBT2构成的半桥结构子模块和由IGBT3、IGBT4构成的半桥结构子模块，两个半桥结构子模块的直流端D11、D12相连接构成。
所述的用于柔性直流输电换流阀的子模块拓扑结构的工作原理为：
在通常运行过程中，由IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、电容C1组成的全桥能够输出对等的正负电平，而由IGBT5、IGBT6、电容C2组成的半桥能够输出正电平和0电平。当系统发生故障换流器闭锁后，如果故障电流为正(流入子模块)，故障电流将必须流经两个电容的串联，从而产生相当于2倍电容电压的抑制电压，抑制故障电流；如果故障电流为负(流出子模块)，故障电流将流经两个电容的并联，从而产生相当于电容电压的抑制电压，抑制故障电流。不论是那种情况，故障电流在子模块内部两个电容上的分担是相同，两个电容将自动保持电压平衡，不会出现电压发散的情况。
为了进一步简化子模块的控制，可以在独立二极管D7旁串联一个小电抗L7，用来抑制冲击电流。在L7的帮助下，换流器控制过程中可以将子模块的控制简化为一个独立的全桥子模块和一个半桥子模块的控制，不用担心因为开关状态的组合出现内部冲击电流。
在换流器启动过程中，外部交流电源通过预充电电阻对换流阀进行充电。对于本发明的子模块，只需正常闭锁所有IGBT，即可正常充电。不论充电电流的方向，子模块中的两个电容C1和C2都自动能够保持电压平衡，不用进行额外的控制。
当换流器解锁后，本实用新型的子模块可以当做一个全桥子模块加一个半桥子模块进行控制。当桥臂要求输出正电平时，根据最近电平逼近算法，投入相应的子模块；当桥臂要求输出负电平时，在全桥子模块中选择并投入相应的子模块。如果采用图6的实现方式，需要在电容C1的电压高于电容C2的电压时，避免开通子模块中的IGBT3。图7为可以抑制故障电流并保持电容电压平衡的子模块结构改进，如果采用图7的实现方式，控制系统不用考虑子模块的内部情况，可以当做完全独立的一个全桥子模块和一个独立的半桥子模块进行控制。相应的最近电平逼近控制方法已经是业界成熟的方法，在多篇论文中有详细描述，不再赘述。
在外边直流线路出现严重故障时，换流器控制保护系统会闭锁换流器，子模块中的所有IGBT会对应关断。这时，如果桥臂电流流入子模块，如图8所示，电流将依次流经：D1、C1、D4、C2、D6，所以子模块端口电压将相当于两倍于电容电压，对故障电流进行抑制。如果桥臂电流流出子模块，如图9所示，电流将在流经D5之后，分为两路，一路流经：D3、C1，另外一路流经：C2、D7；然后两路会和，流经D2后流出子模块。从分析可见，当电流流入子模块时，电容C1和C2相当于串联在电路中，两者的充电速度相同，将保持电压平衡。当电流流出子模块时，电容C1和C2相当于并联在电路中，由故障电流对它们进行充电，将保持电压平衡。而且，即使在前述正常控制中，电容C1和C2的电压有轻微的差别，在故障电流流出子模块时，电流将先对电压较低的电容进行充电，直到两个电容电压平衡后，才会对两者并联进行充电。
从上述分析可以看出，本发明的子模块，在正常启动、解锁运行过程中，控制简单，不影响现有的成熟控制算法，并且能够输出相当于一半额定电压大小的负电平，提高系统的动态响应；在系统故障时不论故障电流方向，都能够抑制故障电流，并严格保证内部电容电压的平衡，不需要额外的控制。
以上实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。