一种用于无闭锁故障穿越的桥臂拓扑结构及其控制方法

本发明属于电力电子，具体涉及一种用于无闭锁故障穿越的桥臂拓扑结构及其控制方法。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、在柔性直流输电技术中，模块化多电平换流器(modular multilevel converter，简称mmc)具备高电压质量，易于扩展，控制灵活等特点，现已广泛应用于柔性直流输电工程中，且有望在新能源汇集以及分布式电源接入等方面发挥关键作用。mmc作为电压源换流器，其抗直流故障扰动能力较差，在直流侧发生短路故障后如何实现故障穿越是当前面临的关键问题。

3、mmc完成直流故障穿越可采用配置交流断路器、配置直流断路器以及采用具备故障自清除能力的换流器。若配备交流侧断路器，当直流输电线路发生短路故障后，通过切断交流侧中断功率传输实现故障电流的清除，待有效排除故障后再对换流站进行重启恢复功率传输；但是，电流切断时间长、重启速度慢，无法很好地应用于架空线路中。若配置直流断路器，发生故障时可快速隔离故障线路，直流断路器可以快速切断故障电流并隔离故障线路，但因技术水平的限制导致其造价较高，单个直流断路器的造价高，难以广泛应用于柔直工程中。若采用具备故障自清除能力的换流器，通过改变子模块或桥臂等拓扑结构，或加入限流模块等额外回路，在故障发生后，配合相应的控制策略，使得故障电流得到有效控制，且换流器可以运行于低直流电压工况以维持部分传输功率，且具备响应速度快、运行灵活、安全可靠等优势，其工程可行性已在工程实践中得以验证。

4、在换流器中配备具有故障电流自清除能力的子模块，故障发生后，通过闭锁换流器隔离故障或者利用子模块的负电平输出能力使换流器运行于低压模式以维持部分传输功率。因此，基于故障电流自清除子模块的故障穿越策略可分为闭锁式故障穿越策略和无闭锁式故障穿越策略两类。

5、闭锁式故障穿越子模块根据故障电流的清除机理不同，可分为“电容电压钳位型”和“故障转移型”两种。“电容电压钳位型”基于二极管的单向导通性，在直流侧发生故障后，闭锁子模块使得子模块电容反极性接入故障电流流通路径中清除故障电流；“故障转移型”是基于晶闸管的关断特性，闭锁子模块并导通配置的晶闸管，转移故障电流至晶闸管，在完全转移后撤去晶闸管的触发信号，待故障电流过零，晶闸管关断，完成故障电流清除。

6、无闭锁式故障穿越策略是利用子模块的负电平输出能力，在保证交流侧输出波形不变的前提下，通过调整直流侧输出电压。当直流侧输出电压于故障端之间没有压差时，故障电流衰减完成故障电流清除。无闭锁式故障穿越具有更高的运行灵活度，在故障发生后可根据故障的严重程度选择适应的控制方式保证最大程度的功率传输，提高稳定性；具有单方向负电平输出能力的子模块可以实现闭锁故障清除，且成本相对全桥子模块较低；但是无法在无闭锁故障穿越中有效地利用其电流单方向输出负电平这一特性。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出了一种用于无闭锁故障穿越的桥臂拓扑结构及其控制方法，基于单方向负电平输出能力子模块，实现无闭锁故障穿越，有效地利用其负电平输出能力，提高子模块桥臂拓扑结构的使用价值。

2、根据一些实施例，本发明的第一方案提供了一种用于无闭锁故障穿越的桥臂拓扑结构，采用如下技术方案：

3、一种用于无闭锁故障穿越的桥臂拓扑结构，包括桥臂整流开关和桥臂串联子模块，所述桥臂整流开关包括第一通断环节、第一耐压环节、第二通断环节和第二耐压环节，其中，所述第一通断环节和第二通断环节的拓扑结构一致，第一耐压环节和第二耐压环节的拓扑结构一致；所述第一耐压环节和第二耐压环节均包括若干个串联的双向晶闸管；所述第一通断环节和第二通断环节均包括三个开关管，其中，两个开关管反向并联，反向并联的开关管的一端与另一个开关管相连接，反向并联的开关管的另一端分别连接第一耐压环节或第二耐压环节、以及桥臂串联子模块，另一个开关管的另一端连接第二耐压环节或第一耐压环节。

4、作为进一步的技术限定，所述第一通断环节包括第一开关管、第二开关管和第五开关管，所述第一开关管与所述第二开关管反向并联，所述第五开关管的一端连接所述第一开关管或所述第二开关管，所述第五开关管的另一端连接第二耐压环节；远离所述第五开关管侧的第一开关管的一端分别连接第一耐压环节和桥臂串联子模块。

5、进一步的，所述第二通断环节包括第三开关管、第四开关管和第六开关管，所述第三开关管与所述第四开关管反向并联，所述第六开关管的一端连接远离所述第一通断环节侧的所述第一耐压环节，所述第六开关管的另一端连接所述第三开关管或第四开关管，远离所述第六开关管侧的第三开关管的一端分别连接第二耐压环节和桥臂串联子模块。

6、作为进一步的技术限定，所述第一通断环节和所述第二通断环节均采用开关管作为整流开关，通过控制开关管的通断，使得电流始终沿一个方向流入桥臂串联子模块，实现桥臂串联子模块的单方向负电平输出。

7、作为进一步的技术限定，所述第一耐压环节和所述第二耐压环节中的双向晶闸管耐高压，当所述第一通断环节或所述第二通断环节将电流通路切断之后，所述双向晶闸管因电流降到维持电流以下自动关断。

8、根据一些实施例，本发明的第二方案提供了一种用于无闭锁故障穿越的桥臂拓扑结构的控制方法，采用了第一方案中的用于无闭锁故障穿越的桥臂拓扑结构，采用如下技术方案：

9、一种用于无闭锁故障穿越的桥臂拓扑结构的控制方法，包括正常工作阶段和负方向电流阶段；在所述正常阶段中，控制第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管导通，第五开关管和第六开关管闭锁；在所述负方向电流阶段，控制第二开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管导通，第一开关管和第三开关管闭锁，实现桥臂串联子模块的反方向输出负电平，实现无闭锁故障穿越。

10、作为进一步的技术限定，在所述负方向电流阶段，当第二开关管和第四开关管导通时，输入电流从第二通断环节输入，所述输入电流分别经第四开关管、桥臂串联子模块和第二开关管，实现桥臂串联子模块中的电流始终沿一个方向。

11、进一步的，当电流从第二通断环节流入时，为避免所述桥臂串联子模块出现自放电，所述第一通断环节和所述第二通断环节均采用双向开关管。

12、作为进一步的技术限定，在所述负方向电流阶段，当第五开关管和第六开关管导通时，输入电流从第一通断环节输入，所述输入电流分别经第五开关管、第二耐压环节、桥臂串联子模块、第一耐压环节和第六开关管，实现桥臂串联子模块中的电流始终沿一个方向。

13、进一步的，当第五开关管和第六开关管导通时，所述第五开关管和所述第六开关管需承受桥臂串联子模块的电压，此时，所述第二耐压环节和第一耐压环节分别对第五开关管和第六开关管起到保护的作用。

14、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

15、本发明针对现存仅具备单方向负电平输出能力的子模块无法实现无闭锁故障穿越的缺陷进行改进，通过改进桥臂拓扑结构，有效利用其单方向负电平输出能力，在确保了高效安全运行及降低控制难度的前提下，使得换流器具备了无闭锁故障穿越能力，在发生故障时可以维持一定的功率传输。