本发明公开一种子模块，包括相互并联的第一支路和第二支路；第一支路包含相互串联的一个储能元件和至少一个可关断器件，至少有一个可关断器件正向串联在第一支路中；第二支路包括至少一个充电电路和至少两个可关断器件，所有可关断器件相互串联，且至少一个可关断器件与其它可关断器件反向串联，而充电电路与可关断器件并联，并使任意一个反向串联的可关断器件均在某一个充电电路的两端之间。此结构通过可关断器件的反向串联，在直流故障闭锁换流器时可以抑制甚至阻止交流系统向直流网络注入故障电流。本发明还公开一种前述子模块的控制方法，以及由该子模块组成的相单元及控制方法，以及由所述相单元组成的电压源型多电平换流器及控制方法。
1.一种子模块的控制方法，所述子模块包括相互并联的第一支路和第二支路；
第一支路包含相互串联的一个储能元件和至少一个第一可关断器件，每个第一可关断器件均反并联有二极管，且至少有一个第一可关断器件正向串联在第一支路中；当第一可关断器件有至少两个，且至少一个第一可关断器件与其它第一可关断器件反向串联时，第一支路还包括至少一个充电电路，该充电电路与第一可关断器件并联，并使任意一个反向串联的第一可关断器件均在某一个充电电路的两端之间；且储能元件与第一可关断器件的连接关系只能有以下4种情况：储能元件的正极连接正向串联的第一可关断器件的正极，储能元件的正极连接反向串联的第一可关断器件的负极，储能元件的负极连接正向连接的第一可关断器件的负极，或储能元件的负极连接反向串联的第一可关断器件的正极；
第二支路包括至少一个充电电路和至少两个第二可关断器件，每个第二可关断器件均反并联有二极管，所有第二可关断器件相互串联，且至少一个第二可关断器件与其它第二可关断器件反向串联，而充电电路与第二可关断器件并联，并使任意一个反向串联的第二可关断器件均在某一个充电电路的两端之间；
其特征在于控制子模块工作在以下三种状态：导通状态，控制第一支路中的所有第一可关断器件导通，控制第二支路中的所有第二可关断器件关断；关断状态，控制第一支路中的所有第一可关断器件关断，控制二支路中的所有第二可关断器件导通；闭锁状态，控制第一支路中的所有第一可关断器件和第二支路中的所有第二可关断器件均关断。
2.如权利要求1所述的一种子模块的控制方法，其特征在于：所述充电电路中串联有常闭节点时，控制子模块工作在导通或关断状态前，首先拉开该常闭节点。
3.一种相单元的控制方法，所述相单元包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和下桥臂均包括有相互串联的至少两个子模块和至少一个电抗器，所述上桥臂和下桥臂中的所有子模块同向连接，且上桥臂和下桥臂中的子模块连接方向相反，且上桥臂和下桥臂的一端分别作为该相单元的第一、二直流端点，用以接入直流网络中，而上桥臂和下桥臂的另一端相互短接作为该相单元的交流端点，用以接入交流网络中；
第一支路包含相互串联的一个储能元件和至少一个第一可关断器件，每个第一可关断器件均反并联有二极管，且至少有一个第一可关断器件正向串联在第一支路中；当第一可关断器件有至少两个，且至少一个第一可关断器件与其它第一可关断器件反向串联时，第一支路还包括至少一个充电电路，该充电电路与第一可关断器件并联，并使任意一个反向串联的第一可关断器件均在某一个充电电路的两端之间；且储能元件与第一可关断器件的连接关系只能有以下4种情况：储能元件的正极连接正向串联的第一可关断器件的正极，储能元件的正极连接反向串联的第一可关断器件的负极，储能元件的负极连接正向连接的第一可关断器件的负极，或储能元件的负极连接反向串联的第一可关断器件的正极；
第二支路包括至少一个充电电路和至少两个第二可关断器件，每个第二可关断器件均反并联有二极管，所有第二可关断器件相互串联，且至少一个第二可关断器件与其它第二可关断器件反向串联，而充电电路与第二可关断器件并联，并使任意一个反向串联的第二可关断器件均在某一个充电电路的两端之间；
其特征在于控制相单元中的各子模块工作在以下三种状态：导通状态，控制第一支路中的所有第一可关断器件导通，控制第二支路中的所有第二可关断器件关断；关断状态，控制第一支路中的所有第一可关断器件关断，控制二支路中的所有第二可关断器件导通；闭锁状态，控制第一支路中的所有第一可关断器件和第二支路中的所有第二可关断器件均关断。
4.如权利要求3所述的一种相单元的控制方法，其特征在于：所述相单元中的某个子模块充电电路中串联有常闭节点时，控制该子模块工作在导通或关断状态前，首先拉开该常闭节点。
5.一种电压源型多电平换流器的控制方法，所述电压源型多电平换流器包含至少一个相单元，所述相单元包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和下桥臂均包括有相互串联的至少两个子模块和至少一个电抗器，所述上桥臂和下桥臂中的所有子模块同向连接，且上桥臂和下桥臂中的子模块连接方向相反，且上桥臂和下桥臂的一端分别作为该相单元的第一、二直流端点，用以接入直流网络中，而上桥臂和下桥臂的另一端相互短接作为该相单元的交流端点，用以接入交流网络中；
第一支路包含相互串联的一个储能元件和至少一个第一可关断器件，每个第一可关断器件均反并联有二极管，且至少有一个第一可关断器件正向串联在第一支路中；当第一可关断器件有至少两个，且至少一个第一可关断器件与其它第一可关断器件反向串联时，第一支路还包括至少一个充电电路，该充电电路与第一可关断器件并联，并使任意一个反向串联的第一可关断器件均在某一个充电电路的两端之间；且储能元件与第一可关断器件的连接关系只能有以下4种情况：储能元件的正极连接正向串联的第一可关断器件的正极，储能元件的正极连接反向串联的第一可关断器件的负极，储能元件的负极连接正向连接的第一可关断器件的负极，或储能元件的负极连接反向串联的第一可关断器件的正极；
第二支路包括至少一个充电电路和至少两个第二可关断器件，每个第二可关断器件均反并联有二极管，所有第二可关断器件相互串联，且至少一个第二可关断器件与其它第二可关断器件反向串联，而充电电路与第二可关断器件并联，并使任意一个反向串联的第二可关断器件均在某一个充电电路的两端之间；
其特征在于控制组成该换流器的相单元中的各子模块工作在以下三种状态：导通状态，控制第一支路中的所有第一可关断器件导通，控制第二支路中的所有第二可关断器件关断；关断状态，控制第一支路中的所有第一可关断器件关断，控制二支路中的所有第二可关断器件导通；闭锁状态，控制第一支路中的所有第一可关断器件和第二支路中的所有第二可关断器件均关断。
一种子模块、相单元、电压源型多电平换流器及控制方法
技术领域
[0001] 本发明属于电力电子领域，特别涉及一种电压源型多电平换流器及组成其的子模块、相单元结构以及控制方法。
背景技术
[0002] 模块化多电平换流器是近几年备受关注的一种新型适用于高压应用场合的换流器。它采用个子模块级联的方式，通过分别控制每个子模块的状态，可以使换流器输出的交流电压逼近正弦波，从而降低输出电压中的谐波含量。它的出现解决了两电平电压源换流器存在的串联均压问题，具有广阔的应用前景。
[0003] Marquardt Rainer的“分布式能源存储与转换器电路”最早提及了一种模块化多电平换流器（MMC）（专利申请公布号：DE10103031A），该换流器的子模块采用半桥与电容器并联组成，在子模块的输出端口可通过控制产生电容电压或0电压两种电平。2010年，由西门子公司承建的全世界第一个采用这种拓扑结构的柔性直流输电工程Trans Bay工程的成功投运，证明了这种换流器拓扑结构的工程应用可行性。
[0004] ABB公司在模块化多电平换流器拓扑结构的基础上对该结构进行了修改，提出了一种级联两电平模块化多电平拓扑结构（专利申请公布号：US20100328977A1），该换流器与上述模块化多电平换流器的区别在于子模块的连接方式相反。
[0005] 上述两种模块化多电平换流器存在的缺点在于，直流网络发生故障时交流网络可以通过子模块的二极管向故障点提供故障电流，从而造成直流侧过流。
[0006] ALSTOM公司也提出了一种新型的拓扑结构（专利申请公布号：US20120113699A1），称为桥臂切换多电平换流器（AAMC），该换流器的每个桥臂由N个全桥子模块级联构成可控电压源，M个IGBT开关串联作为桥臂切换开关。该换流器通过串联的M个IGBT开关轮流将上下桥臂的级联全桥子模块投入交流网络，在直流网络发生故障时将换流器切换至STATCOM运行方式而阻断交流网络向故障点提供故障电流的路径，不会引起直流侧过电流。但是这种换流器控制方法较复杂，还有待工程验证。
发明内容
[0007] 本发明的目的，在于提供一种子模块、相单元、电压源型多电平换流器及控制方法，其通过子模块中可关断器件的反向串联，在直流故障闭锁换流器时可以抑制甚至阻止交流系统向直流网络注入故障电流。
[0008] 为了达成上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0009] 一种子模块，包括相互并联的第一支路和第二支路；
[0010] 第一支路包含相互串联的一个储能元件和至少一个第一可关断器件，每个第一可关断器件均反并联有二极管，且至少有一个第一可关断器件正向串联在第一支路中；当第一可关断器件有至少两个，且至少一个第一可关断器件与其它第一可关断器件反向串联时，第一支路还包括至少一个充电电路，该充电电路与第一可关断器件并联，并使任意一个反向串联的第一可关断器件均在某一个充电电路的两端之间；且储能元件与第一可关断器件的连接关系只能有以下4种情况：储能元件的正极连接正向串联的第一可关断器件的正极，储能元件的正极连接反向串联的第一可关断器件的负极，储能元件的负极连接正向连接的第一可关断器件的负极，或储能元件的负极连接反向串联的第一可关断器件的正极；
[0011] 第二支路包括至少一个充电电路和至少两个第二可关断器件，每个第二可关断器件均反并联有二极管，所有第二可关断器件相互串联，且至少一个第二可关断器件与其它第二可关断器件反向串联，而充电电路与第二可关断器件并联，并使任意一个反向串联的第二可关断器件均在某一个充电电路的两端之间。
[0012] 上述充电电路采用以下六种结构中的任意一种：仅采用常闭节点；仅采用充电电阻；常闭节点与充电电阻串联；二极管反向与常闭节点串联；二极管反向与充电电阻串联；二极管反向后再与常闭节点、充电电阻三者串联。
[0013] 一种如上所述的子模块的控制方法，控制子模块工作在以下三种状态：导通状态，控制第一支路中的所有第一可关断器件导通，控制第二支路中的所有第二可关断器件关断；关断状态，控制第一支路中的所有第一可关断器件关断，控制二支路中的所有第二可关断器件导通；闭锁状态，控制第一支路中的所有第一可关断器件和第二支路中的所有第二可关断器件均关断。
[0014] 上述充电电路中串联有常闭节点时，控制子模块工作在导通或关断状态前，首先拉开该常闭节点。
[0015] 一种相单元，包括上桥臂和下桥臂，所述上、下桥臂均包括有相互串联的至少两个如权利要求1或2所述的子模块和至少一个电抗器，所述同一桥臂中的所有子模块同向连接，且上、下桥臂中的子模块连接方向相反，且上、下桥臂的一端分别作为该相单元的第一、二直流端点，用以接入直流网络中，而上、下桥臂的另一端相互短接作为该相单元的交流端点，用以接入交流网络中。
[0016] 一种相单元，所述上、下桥臂中包含的子模块和电抗器的数量相同或不同。
[0017] 一种如上所述的相单元的控制方法，控制相单元中的各子模块工作在以下三种状态：导通状态，控制第一支路中的所有第一可关断器件导通，控制第二支路中的所有第二可关断器件关断；关断状态，控制第一支路中的所有第一可关断器件关断，控制二支路中的所有第二可关断器件导通；闭锁状态，控制第一支路中的所有第一可关断器件和第二支路中的所有第二可关断器件均关断。
[0018] 上述相单元中的某个子模块充电电路中串联有常闭节点时，控制该子模块工作在导通或关断状态前，首先拉开该常闭节点。
[0019] 一种电压源型多电平换流器，包含至少一个如上所述的相单元。
[0020] 一种如上述电压源型多电平换流器的控制方法，控制组成该换流器的相单元中的各子模块工作在以下三种状态：导通状态，控制第一支路中的所有第一可关断器件导通，控制第二支路中的所有第二可关断器件关断；关断状态，控制第一支路中的所有第一可关断器件关断，控制二支路中的所有第二可关断器件导通；闭锁状态，控制第一支路中的所有第一可关断器件和第二支路中的所有第二可关断器件均关断。
[0021] 采用上述方案后，本发明的有益效果为：
[0022] （1）直流网络故障时，可以通过关断所有子模块中的可关断器件抑制甚至阻止交流网络向故障点提供故障电流；
[0023] （2）充电电路包含充电电阻时，可以取消换流器交流侧的充电电阻。
附图说明
[0024] 图1是本发明中子模块的第一实施例示意图；
[0025] 图2是本发明中子模块的充电电路示意图；
[0026] 图3是本发明中子模块的第二实施例示意图；
[0027] 图4是本发明中子模块的第三实施例示意图；
[0028] 图5是本发明中子模块的第四实施例示意图；
[0029] 图6是图1所示子模块的控制方法示意图；
[0030] 图7是本发明中电压源型多电平换流器的连接示意图。
具体实施方式
[0031] 本发明提供一种用于组成电压源型多电平换流器的子模块，包括相互并联的第一支路和第二支路，两条支路的两个并联接点作为两个输出端点，用于连接外部电路，其中，第一支路包含相互串联的一个储能元件和至少一个可关断器件，每个可关断器件均反并联有二极管，当可关断器件有至少两个时，至少一个可关断器件与其它可关断器件反向串联，且此时第一支路还包括至少一个充电电路，该充电电路与可关断器件并联，连接的原则是确保使任意一个反向串联的可关断器件均在某一个充电电路的两端之间；且储能元件与可关断器件的连接关系只能有以下4种情况：储能元件的正极连接正向串联的可关断器件的正极，储能元件的正极连接反向串联的可关断器件的负极，储能元件的负极连接正向连接的可关断器件的负极，或储能元件的负极连接反向串联的可关断器件的正极；第二支路包括至少一个充电电路和至少两个可关断器件，每个可关断器件均反并联有二极管，所有可关断器件相互串联，且至少一个可关断器件与其它可关断器件反向串联，而充电电路与可关断器件并联，连接的原则是确保使任意一个反向串联的可关断器件均在某一个充电电路的两端之间，下面将结合具体实施例进行详细说明。
[0032] 所述可关断器件采用IGBT时，所述正极为其集电极，所述负极为其发射极；所述可关断器件采用IGCT或GTO时，所述正极为其阳极，所述负极为其阴极；所述可关断器件采用MOSFET时，所述正极为其漏极，所述负极为其源极。
[0033] 首先如图2所示，是充电电路19的一种实现形式，所述充电电路19的两个端点X3、X4之间可以仅采用常闭节点191或充电电阻192，也可以采用常闭节点191与充电电阻192相串联，更可采用二极管193与常闭节点191和充电电阻192中任意一种或两种器件的串联结构，也即共有6种实现结构，图2给出了三种器件全部采用的结构，其中二极管193需反向串联，需要说明的是，无论采用何种组合实现结构，各器件为串联连接，因此其位置关系不作限定，图2所示结构仅为例示。常闭节点的作用是通过正常运行时拉开该常闭节点，使闭锁的子模块能够阻止交流网络无法向故障点提供故障电流；充电电阻的作用是限制换流器充电过程中的充电电流；二极管的作用为在充电电路与可关断器件并联时限制充电电流方向。可根据需要的功能通过采用常闭节点、充电电阻和二极管的不同组合串联组成充电电路。
[0034] 以下将给出本发明提供子模块的几种实现电路，并进行详细说明。
[0035] 如图1所示，是本发明中子模块的一种实现电路，其中，第一支路包括可关断器件11、二极管12和作为储能元件的电容器10，其中，二极管12反并联在可关断器件11的两端，而可关断器件11与电容器10是串联关系，且可关断器件11的正极连接电容器的正极，可关断器件11的负极连接该子模块的输出端点X1，电容器10的负极连接该子模块的输出端点X2；第二支路包括可关断器件13、15，二极管14、16以及充电电路19，其中，二极管14、16分别反并联在可关断器件13、15的两端，可关断器件13正向连接，而可关断器件15反向连接，此处的“正向”、“反向”是以电容器10的方向为准；充电电路19并联在可关断器件15的两端，用于为其它子模块充电，充电电路19的结构前文已经介绍，在此不再详述。
[0036] 配合图1结构，本发明还给出该子模块的控制方法，如图6所示，所述控制方法可控制子模块工作在三种工作状态：导通状态、关断状态以及闭锁状态。
[0037] 导通状态：可关断器件11导通，可关断器件13、15关断，电容器10通过二极管12（如图6（a））或可关断器件11（如图6（d））接入子模块的两个输出端口X1、X2间，此时X1、X2间的电压为电容器10的电压，电流可从X1流入、X2流出，也可以从X2流入、X1流出；
[0038] 关断状态：可关断器件11关断，可关断器件13、15导通，电容器10被旁路，输出端口X1、X2间输出的电压为0，电流可从X1流入，依次通过可关断器件13和二极管16，再由X2流出，见图6（b），也可从X2流入，依次经过可关断器件15和二极管14，再由X1流出；
[0039] 闭锁状态：若充电电路19中串联有常闭节点191，则在闭锁时首先需拉开该常闭节点191；可关断器件11、13、15均关断，电流可从X1流入，依次通过二极管12和电容器10，再由X2流出，见图6（c）所示；在图6（f）所示中，有两种情况：若充电电路19中串联有常闭节点，由于常闭节点拉开，电流不能从X2流入、X1流出，而若充电电路19中没有串联常闭节点，则此时无论该充电电路仅采用充电电阻192，或采用充电电阻192与二极管193串联，电流均可从X2流入，依次经过充电电路19和二极管14，再由X1流出。
[0040] 如图3所示，是本发明提供子模块的第二种实施结构，其采用的元器件数量及种类与图1所示结构相同：第一支路包括可关断器件21、二极管22和电容器20，第二支路包括可关断器件23、25，二极管24、26以及充电电路19，与图1所示结构的不同在于：充电电路19并联在第二支路的两端；该实施结构的控制方法与图1结构相同，不再赘述。
[0041] 图4所示是本发明子模块的第三种实施结构，第二支路包括可关断器件33、35，二极管34、36以及充电电路19，该第二支路的连接关系与图1中的第二支路连接关系相同，不再详述；第一支路包括可关断器件31、二极管32和电容器33，其中，二极管32反并联在可关断器件31的两端，电容器30的正极连接子模块的输出端点X1，负极连接可关断器件31的负极，而可关断器件31的正极连接输出端点X2，也即可关断器件31是反向串联在电路中的。该种实施结构的控制方法与图1结构相同，子模块处于导通状态时，可关断器件31导通，可关断器件33、35关断；子模块处于关断状态时，可关断器件31关断，可关断器件33、35导通；子模块处于闭锁状态时，可关断器件31、33、35都关断。具体电流流向在此不再详述。
[0042] 图5所示是本发明子模块的第四种实施结构，第二支路包括可关断器件45、47，二极管46、48以及充电电路19，且该第二支路的连接关系与图1中的第二支路连接关系相同，不再详述；第一支路包括可关断器件41、43，二极管42、44、充电电路19和电容器40，二极管42、44分别反并联在可关断器件41、43的两端，可关断器件43、41和电容器40依次串联，且可关断器件43反向串联，可关断器件41正向串联，充电电路19与反向串联的可关断器件43并联。该实施结构的控制方法与图6所示控制方法原理相同，具有三种工作状态：导通状态时，第一支路中的所有可关断器件导通，第二支路中的所有可关断器件关断，关断状态时，第一支路中的所有可关断器件关断，第二支路中的所有可关断器件导通，闭锁状态时，子模块中连接的所有可关断器件都关断，且在控制进入闭锁状态前，若充电电路中串联有常闭节点，需先将常闭节点拉开，此时电流不能从输出端口X1流入、输出端口X2流出，也不能从X2流入、X1流出。
[0043] 采用前述结构后，子模块未充电时，常闭节点闭合，通过充电电路和二极管可为其它子模块充电；子模块充电完成后解锁前（即工作在导通或关断状态前），由于子模块已带电可通过相应控制电路拉开常闭节点。
[0044] 如图7所示，是由前述子模块组成的相单元的电路图，其中，所述相单元包括上桥臂3和下桥臂4，所述上、下桥臂均包括有相互串联的至少两个子模块1（SM）和至少一个电抗器2，且上、下桥臂中包含的子模块1和电抗器2的数量可以相同，也可以不同，各子模块1的具体电路结构可以相同，也可以不同；在同一个桥臂（上桥臂3或下桥臂4）中，所有的子模块1同向连接，且上、下桥臂中的子模块1的连接方向相反；上桥臂3的一端作为所述相单元的第一直流端点6，用以接入直流网络中，下桥臂4的一端作为所述相单元的第二直流端点7，用以接入直流网络中，而上桥臂3、下桥臂4的另一端连接在一起，共同作为所述相单元的交流端点5，用以接入交流网络中。需要说明的是，对于上桥臂3或下桥臂4而言，所述子模块1与电抗器2的串联位置并无限制，且由于一个电抗器可看作多个子电抗器串联组成，因此所述电抗器的数目不作限制，只要某桥臂中的电抗总值达到该桥臂对应的要求即可。
[0045] 本发明还提供一种电压源型多电平换流器，包括至少一个图7所示的相单元，所述相单元的数目可根据交流系统的交流端点数目来决定。所述换流器通过关断所有子模块中的可关断器件抑制或阻止交流网络向直流网络的故障点提供故障电流。在直流网络发生接地故障时，例如图7中第一直流端点6接地时，通过闭锁换流器使所有子模块1均处于闭锁状态，由于电流无法从子模块1的输出端口X2流入、X1流出，因此交流网络无法向故障点提供故障电流。
[0046] 以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
