本實用新型涉及直流輸電技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種模塊化多電平換流器。

背景技術(shù)：

模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter,MMC)技術(shù)具有結(jié)構(gòu)模塊化、易于擴展等優(yōu)點，自提出以來，在直流輸電領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。

隨著MMC技術(shù)的成熟，MMC將向更高電壓等級與更大功率發(fā)展。在高壓、大功率MMC(例如±800kV，5000MW的MMC)中，MMC的閥組通常采用高、低壓閥組串聯(lián)的方案，以降低對單個換流器額定功率的需求，并且在單個閥組因故障退出運行時，仍可維持非故障閥組的正常運行。

高、低壓閥組串聯(lián)方案存在的一個嚴重問題即，高壓閥組的直流負極母線或高壓閥組上橋臂低電壓端對地故障時，高壓閥組或高壓閥組的上橋臂將承載額定極對地直流電壓，該額定極對地電壓將對故障閥組/故障橋臂充電，導致故障閥組或故障橋臂的子模塊電容電壓急劇上升，從而損毀故障閥組/橋臂。

現(xiàn)有的應(yīng)對該類故障的技術(shù)通常為在每個橋臂或每個子模塊的高、低壓端并聯(lián)避雷器，從而為橋臂或子模塊提供過電壓保護。該類方案存在的缺陷在于對避雷器的額定電流與能量要求高，從而提高了系統(tǒng)成本，該類方案中，如何整定避雷器的保護水平也是一大難題。避雷器保護水平整定得較高則無法為橋臂/子模塊提供有效的過電壓保護，避雷器保護水平整定得較低則穩(wěn)態(tài)時避雷器將流過一定的電流，增大了系統(tǒng)的損耗，成本高、保護定值難以整定。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本實用新型提供一種模塊化多電平換流器，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，控制方便，保護值整定準確。

本實用新型是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

本實用新型一種模塊化多電平換流器，包括在直流側(cè)串聯(lián)并在交流側(cè)并聯(lián)的高壓閥組和低壓閥組；所述的高壓閥組和低壓閥組的各相均由上橋臂和下橋臂組成，上橋臂和下橋臂均由多個阻斷型子模塊和多個半橋子模塊級聯(lián)組成；

所述的上橋臂和下橋臂上分別設(shè)置有由晶閘管控制通斷的旁路；發(fā)生高壓閥組對地故障時，通過給旁路中晶閘管施加觸發(fā)信號，使得故障電流流過旁路，避免故障電流流過子模塊給子模塊電容充電。

優(yōu)選的，所述的旁路包括與子模塊一一對應(yīng)的旁路支路；所述的旁路支路包括每個阻斷型子模塊電壓輸出端并聯(lián)的兩個反向并聯(lián)聯(lián)接的晶閘管或輸出端并聯(lián)的一個雙向晶閘管，以及每個半橋子模塊電壓輸出端并聯(lián)的一個晶閘管或兩個反向并聯(lián)聯(lián)接的晶閘管或一個雙向晶閘管；該一個晶閘管陽極接半橋子模塊的高壓輸出端，該一個晶閘管的陰極接半橋子模塊的低壓輸出端。

優(yōu)選的，所述的旁路包括與閥段一一對應(yīng)的旁路支路，所述的旁路支路包括每個由阻斷型子模塊串聯(lián)構(gòu)成的閥段的高壓輸出端和低壓輸出端之間并聯(lián)的一個雙向晶閘管閥，以及每個由半橋型子模塊串聯(lián)構(gòu)成的閥段的高壓輸出端和低壓輸出端之間并聯(lián)的一個單向晶閘管閥或一個雙向晶閘管閥；該一個單向晶閘管閥的陽極接對應(yīng)半橋子模塊閥段的高壓輸出端，該一個單向晶閘管閥的陰極接對應(yīng)半橋子模塊閥段的低壓輸出端。

優(yōu)選的，所述的旁路包括與閥段中各分組一一對應(yīng)的旁路支路；將阻斷型子模塊串聯(lián)構(gòu)成的閥段分為多組；將半橋子模塊串聯(lián)構(gòu)成的閥段分為多組；

所述的旁路支路包括每組阻斷型子模塊的輸出端并聯(lián)的一個雙向晶閘管閥，以及每組半橋型子模塊的輸出端并聯(lián)的一個單向晶閘管閥或一個雙向晶閘管閥；該一個單向晶閘管閥的陽極接對應(yīng)每組半橋子模塊的高壓輸出端，該一個單向晶閘管閥的陰極接對應(yīng)每組半橋子模塊閥段的低壓輸出端。

本實用新型一種模塊化多電平換流器，在直流側(cè)串聯(lián)并在交流側(cè)并聯(lián)的高壓閥組和低壓閥組；所述的高壓閥組和低壓閥組的各相均由上橋臂和下橋臂組成，上橋臂和下橋臂均由多個阻斷型子模塊級聯(lián)組成；

所述的上橋臂和下橋臂上分別設(shè)置有由晶閘管控制的旁路；發(fā)生高壓閥組對地故障時，通過給旁路中晶閘管施加觸發(fā)信號，使得故障電流流過旁路，避免故障電流流過子模塊給子模塊電容充電。

優(yōu)選的，所述的旁路包括與阻斷型子模塊一一對應(yīng)的旁路支路；所述的旁路支路包括每個阻斷型子模塊電壓輸出端并聯(lián)的一個晶閘管或兩個反向并聯(lián)聯(lián)接的晶閘管或一個雙向晶閘管；一個晶閘管陽極接阻斷型子模塊的高壓輸出端，晶閘管的陰極接阻斷型子模塊的低壓輸出端。

優(yōu)選的，所述的旁路包括與閥段一一對應(yīng)的旁路支路，所述的旁路支路包括每個由阻斷型子模塊串聯(lián)構(gòu)成的閥段的高壓輸出端和低壓輸出端之間并聯(lián)的一個單向晶閘管閥或一個雙向晶閘管閥；所述的一個單向晶閘管閥的陽極接對應(yīng)阻斷型子模塊閥段的高壓輸出端，單向晶閘管閥的陰極接對應(yīng)阻斷型子模塊閥段的低壓輸出端。

進一步，所述的旁路包括與閥段中各分組一一對應(yīng)的旁路支路；將阻斷型子模塊串聯(lián)構(gòu)成的閥段分為多組；

所述的旁路支路包括每組阻斷型子模塊的輸出端并聯(lián)的一個單向晶閘管閥或一個雙向晶閘管閥；該一個單向晶閘管閥的陽極接對應(yīng)每組阻斷型子模塊的高壓輸出端，該一個單向晶閘管閥的陰極接對應(yīng)每組阻斷型子模塊閥段的低壓輸出端。

再進一步，所述單向晶閘管閥由多個晶閘管串聯(lián)而成；所述雙向晶閘管閥由多個反并聯(lián)晶閘管串聯(lián)而成或由多個雙向晶閘管串聯(lián)而成或由兩個反并聯(lián)聯(lián)接的單向晶閘管閥并聯(lián)而成。

再進一步，其特征在于，每個旁路支路內(nèi)分別串聯(lián)有限流電阻，限流電阻對應(yīng)串聯(lián)在旁路支路的低壓輸出端或高壓輸出端。

再進一步，所述的限流電阻的阻值能夠使得旁路晶閘管不發(fā)生過電流，且使得模塊化多電平換流器的交流斷路器不因過電流而開斷，且使得限流電阻上的壓降低于其并聯(lián)聯(lián)接的所有子模塊的電容電壓之和。

進一步，所述阻斷型子模塊為具備阻斷直流故障電流能力的模塊化多電平換流器功率模塊，可以采用全橋子模塊、箝位雙子模塊、二極管鉗位子模塊、自阻型子模塊及交聯(lián)子模塊中的任意一種。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有以下有益的技術(shù)效果：

本實用新型一種模塊化多電平換流器，僅需在每個子模塊的輸出端并聯(lián)兩個反向并聯(lián)聯(lián)接的晶閘管或一個晶閘管形成對應(yīng)各個橋臂的旁路，發(fā)生高壓閥組對地故障時，通過合理控制旁路中晶閘管的開關(guān)狀態(tài)即能為子模塊提供過電壓保護。平均而言，僅需在每個子模塊上額外增加一個或兩個晶閘管組成的旁路，成本低廉，且能為高、低壓閥組提供可靠的保護，方便推廣高、低壓閥組串聯(lián)方案的實用化；相比于采用避雷器的保護方案，無需大容量的避雷器從而大大降低成本；同時無需整定避雷器的保護水平，避免了避雷器方案中保護水平整定太高帶來的無法為子模塊提供有效保護以及保護水平整定過低帶來的穩(wěn)態(tài)運行損耗問題。

附圖說明

圖1是本實用新型實例中所述具備隔離高壓閥組對地故障的由阻斷型子模塊與半橋型子模塊構(gòu)成的混合型MMC結(jié)構(gòu)圖。

圖2是本實用新型實例中所述帶限流電阻的具備隔離高壓閥組對地故障的由阻斷型子模塊與半橋型子模塊構(gòu)成的混合型MMC結(jié)構(gòu)圖。

圖3是本實用新型實例中所述旁路采用晶閘管閥的具備隔離高壓閥組對地故障的由阻斷型子模塊與半橋型子模塊構(gòu)成的混合型MMC結(jié)構(gòu)圖。

圖4是本實用新型實例中所述帶限流電阻的旁路采用晶閘管閥的具備隔離高壓閥組對地故障的由阻斷型子模塊與半橋型子模塊構(gòu)成的混合型MMC結(jié)構(gòu)圖。

圖5是本實用新型實例中所述旁路中晶閘管對應(yīng)子模塊組分為多組的具備隔離高壓閥組對地故障的由阻斷型子模塊與半橋型子模塊構(gòu)成的混合型MMC結(jié)構(gòu)圖。

圖6是本實用新型實例中所述旁路中晶閘管對應(yīng)子模塊組分為多組且?guī)蘖麟娮璧木邆涓綦x高壓閥組對地故障的由阻斷型子模塊與半橋型子模塊構(gòu)成的混合型MMC結(jié)構(gòu)圖。

圖7是本實用新型實例中所述具備隔離高壓閥組對地故障的由阻斷型子模塊構(gòu)成的MMC結(jié)構(gòu)圖。

圖8是本實用新型實例中所述帶限流電阻的具備隔離高壓閥組對地故障的由阻斷型子模塊構(gòu)成的MMC結(jié)構(gòu)圖。

圖9是本實用新型實例中所述旁路中晶閘管閥并聯(lián)在橋臂輸出端的具備隔離高壓閥組對地故障的由阻斷型子模塊構(gòu)成的MMC結(jié)構(gòu)圖。

圖10是本實用新型實例中所述旁路中晶閘管閥與限流電阻串聯(lián)后并聯(lián)在橋臂輸出端的具備隔離高壓閥組對地故障的由阻斷型子模塊構(gòu)成的MMC結(jié)構(gòu)圖。

圖11是本實用新型實例中所述旁路中晶閘管對應(yīng)子模塊組分為多組的由阻斷型子模塊構(gòu)成的MMC結(jié)構(gòu)圖。

圖12是本實用新型實例中所述旁路中晶閘管對應(yīng)子模塊組分為多組且?guī)蘖麟娮璧挠勺钄嘈妥幽K構(gòu)成的MMC結(jié)構(gòu)圖。

圖13是本實用新型實例中所述半橋型子模塊拓撲。

圖14中(a)到(e)是本實用新型實例中所述各類阻斷型子模塊拓撲。

圖15是本實用新型實例中所述由相控換流器和本實用新型所述模塊化多電平換流器構(gòu)成的直流輸電拓撲圖。

圖16是本實用新型實例中所述采用本實用新型方案后由半橋子模塊和全橋子模塊構(gòu)成的混合型換流器在高壓閥組A相上橋臂對地故障時的電流通路。

圖17是本實用新型實例中所述全橋子模塊僅包含一個旁路晶閘管的由半橋子模塊和全橋子模塊構(gòu)成的混合型換流器在高壓閥組A相上橋臂對地故障時的電流通路。

圖18是本實用新型實例中所述具備高壓閥組對地故障隔離能力的模塊化多電平換流器在高壓閥組A相上橋臂對地故障時的電流通路。

圖19是本實用新型實例中所述在PSCAD/EMTDC上搭建的由模塊化多電平換流器與相控換流器構(gòu)成的混合直流輸電拓撲，其中模塊化多電平換流器采用高、低壓閥組串聯(lián)的結(jié)構(gòu)。

圖20是圖19結(jié)構(gòu)仿真得到的直流故障電流波形。

圖21是圖19結(jié)構(gòu)高壓閥組各橋臂的全橋子模塊及半橋子模塊的電容電壓平均值。

圖22是圖19結(jié)構(gòu)低壓閥組各橋臂的全橋子模塊及半橋子模塊的電容電壓平均值。

圖23是圖19結(jié)構(gòu)高壓閥組閥側(cè)交流電流。

圖24是圖19結(jié)構(gòu)高壓閥組上橋臂各反并聯(lián)晶閘管流過的電流。

圖中：反并聯(lián)晶閘管對1，旁路晶閘管2，交流斷路器3，高壓閥組4，低壓閥組5，高壓閥組的上橋臂低壓側(cè)6，高壓閥組的負直流母線7，高壓閥組A相上橋臂8、高壓閥組B相上橋臂9，高壓閥組C相上橋臂10，相控換流器11，雙向晶閘管閥12，限流電阻13，旁路晶閘管閥14。

具體實施方式

為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，下面結(jié)合具體的實施例對本實用新型做進一步的詳細說明，應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。此外，下面所描述的本實用新型各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

本實用新型實施例提供的柔性直流輸電系統(tǒng)中，模塊化多電平換流器能夠?qū)崿F(xiàn)高壓閥組對地故障保護，能夠解決現(xiàn)有的高、低閥串聯(lián)運行時，高壓閥組對地故障存在的子模塊電容過電壓問題。

本實用新型一種模塊化多電平換流器，為由阻斷型子模塊和半橋子模塊構(gòu)成的混合型模塊化多電平換流器，在每個阻斷型子模塊的電壓輸出端并聯(lián)兩個反向并聯(lián)聯(lián)接的晶閘管形成旁路支路，在每個半橋子模塊的電壓輸出端并聯(lián)一個晶閘管形成旁路支路，晶閘管的陽極接半橋子模塊的高壓輸出端，晶閘管的陰極接半橋子模塊的低壓輸出端；同一橋臂中對應(yīng)的旁路支路構(gòu)成對應(yīng)該橋臂的旁路，發(fā)生高壓閥組對地故障時，通過給旁路中的晶閘管施加觸發(fā)信號，從而使得故障電流流過旁路中的晶閘管，避免故障電流流過子模塊給子模塊電容充電。其中，每個半橋子模塊的電壓輸出端并聯(lián)兩個反向并聯(lián)聯(lián)接的晶閘管形成旁路支路，每個阻斷型子模塊的電壓輸出端并聯(lián)一個晶閘管或兩個反向并聯(lián)聯(lián)接的晶閘管形成旁路支路。

本實用新型一種模塊化多電平換流器，為由阻斷型子模塊和半橋子模塊構(gòu)成的混合型模塊化多電平換流器，在每個阻斷型子模塊的電壓輸出端并聯(lián)由兩個反向并聯(lián)聯(lián)接的晶閘管與限流電阻串聯(lián)而成的旁路支路，在每個半橋子模塊的電壓輸出端并聯(lián)一個由晶閘管與限流電阻串聯(lián)而成的旁路支路，晶閘管的陽極接半橋子模塊的高壓輸出端，晶閘管的陰極接限流電阻的一端，限流電阻的另一端接半橋子模塊的低壓輸出端，發(fā)生高壓閥組對地故障時；同一橋臂中對應(yīng)的旁路支路構(gòu)成對應(yīng)該橋臂的旁路，通過給旁路中的晶閘管施加觸發(fā)信號，從而使得故障電流流過旁路晶閘管，避免故障電流流過子模塊給子模塊電容充電。

本實用新型一種模塊化多電平換流器，為由阻斷型子模塊和半橋子模塊構(gòu)成的混合型模塊化多電平換流器，在每個由阻斷型子模塊串聯(lián)構(gòu)成的閥段的高、低壓輸出端間并聯(lián)一個雙向晶閘管閥構(gòu)成旁路支路，所述雙向晶閘管閥由多個反并聯(lián)晶閘管串聯(lián)而成或由兩個反并聯(lián)聯(lián)接的單向晶閘管閥并聯(lián)而成，在每個由半橋型子模塊串聯(lián)構(gòu)成的閥段的高、低壓輸出端間并聯(lián)一個單向晶閘管閥構(gòu)成旁路支路，所述單向晶閘管閥由多個晶閘管串聯(lián)而成，單向晶閘管閥的陽極接半橋子模塊閥段的高壓輸出端，單向晶閘管閥的陰極接半橋子模塊閥段的低壓輸出端；同一橋臂中對應(yīng)的旁路支路構(gòu)成對應(yīng)該橋臂的旁路，發(fā)生高壓閥組對地故障時，通過給旁路中的晶閘管施加觸發(fā)信號，從而使得故障電流流過旁路晶閘管，避免故障電流流過子模塊給子模塊電容充電。

其中，能夠?qū)㈦p向晶閘管閥與限流電阻串聯(lián)后再并聯(lián)聯(lián)接至阻斷型子模塊串聯(lián)構(gòu)成的閥段上，所述單向晶閘管閥與限流電阻串聯(lián)后再并聯(lián)聯(lián)接至半橋子模塊串聯(lián)構(gòu)成的閥段上。

還能夠?qū)⒆钄嘈妥幽K構(gòu)成的閥段分為多組，每組的輸出端并聯(lián)雙向晶閘管閥組或雙向晶閘管閥組與限流電阻構(gòu)成的串聯(lián)組合。將半橋子模塊構(gòu)成的閥段分為多組，每組的輸出端并聯(lián)單向晶閘管閥組或單向晶閘管閥組與限流電阻構(gòu)成的串聯(lián)組合。

對以上所述的混合型的模塊化多電平換流器，發(fā)生高壓閥組任一相上橋臂任意點接地故障時，包括如下的步驟，

給高壓閥組各相上橋臂的旁路中晶閘管施加觸發(fā)脈沖。

維持高壓閥組各相下橋臂及低閥各橋臂的旁路晶閘管維持閉鎖狀態(tài)。

閉鎖高壓閥組各相上、下橋臂的所有全控型電力電子器件的觸發(fā)脈沖。

發(fā)生高壓閥組任一相上橋臂任意點接地故障時，閉鎖低閥各相上、下橋臂的所有全控型電力電子器件的觸發(fā)脈沖。

其中，所述觸發(fā)脈沖持續(xù)地施加或僅施加一次在晶閘管上。

具體的，監(jiān)測到發(fā)生故障后，僅對高壓閥組各相上橋臂的旁路中控制正向?qū)ǖ木чl管施加一次觸發(fā)脈沖，監(jiān)測到故障相上橋臂的旁路中控制正向?qū)ǖ木чl管一直處于導通狀態(tài)時，給各相上橋臂的旁路中控制反向?qū)ǖ木чl管持續(xù)施加觸發(fā)脈沖；維持高壓閥組及低壓閥組的所有其他旁路中晶閘管閉鎖并閉鎖高壓閥組及低壓閥組的全部全控型電力電子器件觸發(fā)脈沖。

對以上所述的模塊化多電平換流器，發(fā)生高壓閥組任一相下橋臂任意點接地故障時，包括如下的步驟，

給高壓閥組各相橋臂的旁路晶閘管施加觸發(fā)脈沖。

維持低閥各橋臂的旁路晶閘管處于閉鎖狀態(tài)。

閉鎖高壓閥組各相上、下橋臂的所有全控型電力電子器件的觸發(fā)脈沖。

閉鎖低閥各相上、下橋臂的所有全控型電力電子器件的觸發(fā)脈沖。

其中，所述觸發(fā)脈沖持續(xù)地施加或僅施加一次在晶閘管上。

具體的，監(jiān)測到發(fā)生故障后，僅對高壓閥組各相橋臂的旁路中控制正向?qū)ǖ木чl管施加一次觸發(fā)脈沖，監(jiān)測到故障相橋臂的旁路中控制正向?qū)ǖ木чl管一直處于導通狀態(tài)時，給其余兩相橋臂的旁路中控制反向?qū)ǖ木чl管持續(xù)施加觸發(fā)脈沖，維持低壓閥組的所有旁路晶閘管處于閉鎖狀態(tài)，并閉鎖高壓閥組及低壓閥組的全部全控型電力電子器件觸發(fā)脈沖。

本實用新型一種模塊化多電平換流器，為由阻斷型子模塊構(gòu)成的模塊化多電平換流器，在每個阻斷型子模塊的電壓輸出端并聯(lián)一個晶閘管構(gòu)成旁路支路，晶閘管的陽極接阻斷型子模塊的高壓輸出端，晶閘管的陰極接阻斷型子模塊的低壓輸出端；同一橋臂中對應(yīng)的旁路支路構(gòu)成對應(yīng)該橋臂的旁路，發(fā)生高壓閥組對地故障時，通過給旁路晶閘管施加觸發(fā)信號，從而使得故障電流流過旁路晶閘管，避免故障電流流過子模塊給子模塊電容充電。

其中，所述旁路支路由晶閘管與限流電阻串聯(lián)后并聯(lián)聯(lián)接在阻斷型子模塊的電壓輸出端口上構(gòu)成。

更好的，多個晶閘管串聯(lián)后構(gòu)成晶閘管閥，晶閘管閥的高壓端接每個橋臂的高壓輸出端，晶閘管的低壓端接每個橋臂的低壓輸出端，形成對應(yīng)橋臂的旁路。

還能夠?qū)⒕чl管閥與限流電阻串聯(lián)后，并聯(lián)聯(lián)接至每個橋臂的電壓輸出端形成旁路支路。

對以上所述的純阻斷型的模塊化多電平換流器，高壓閥組上橋臂任意一點發(fā)生接地故障時，包括如下的步驟，對所有高壓閥組上橋臂的旁路晶閘管施加一次觸發(fā)脈沖，維持高壓閥組下橋臂及所有低閥的旁路晶閘管為阻斷狀態(tài)，并閉鎖模塊化多電平換流器。

高壓閥組下橋臂任意一點發(fā)生接地故障時，包括如下的步驟，對所有高壓閥組的旁路晶閘管施加一次觸發(fā)脈沖，維持低閥所有的旁路晶閘管為阻斷狀態(tài)，并閉鎖模塊化多電平換流器。

本實例中，阻斷型子模塊為具備阻斷直流故障電流能力的模塊化多電平換流器功率模塊，可以采用全橋子模塊、箝位雙子模塊、二極管鉗位子模塊、自阻型子模塊及交聯(lián)子模塊等多種公知拓撲。

當模塊化多電平換流器的直流側(cè)聯(lián)接的是由晶閘管構(gòu)成的相控換流器時，在發(fā)生高壓閥組對地故障后將相控換流器閉鎖或?qū)⑾嗫負Q流器切換至逆變運行狀態(tài)或?qū)⑾嗫負Q流器的電流指令值調(diào)整為零或負值，從而快速吸收直流輸電線路上的殘留能量，減小對旁路晶閘管的耐流需求。

當檢測到發(fā)生高壓閥組對地故障后，開斷模塊化多電平換流器的交流斷路器。

其中，限流電阻阻值的選擇原則為使得旁路晶閘管不發(fā)生過電流，且使得交流斷路器不因過電流而開斷，且使得限流電阻上的壓降低于其并聯(lián)聯(lián)接的子模塊、閥段或橋臂的子模塊電容電壓之和。

具體的如下所述。

圖1示例了采用本實用新型保護方案的模塊化多電平換流器拓撲，該模塊化多電平換流器由高壓閥組4和低壓閥組5串聯(lián)而成，該類高、低壓閥串聯(lián)的方案相比于采用單個換流閥的方案可以降低每個交流變壓器的容量以及絕緣需求從而降低成本。圖1中高、低壓閥組的每個橋臂由一個或多個阻斷型子模塊及半橋子模塊串聯(lián)而成，為簡化繪圖，圖1中每個橋臂僅示例了一個阻斷型子模塊及一個半橋子模塊。

但該類高、低壓閥串聯(lián)方案存在安全性隱患。當高壓閥組的上橋臂低壓側(cè)6或高壓閥組的負直流母線7發(fā)生接地故障時，直流輸電線路的極線對地電壓將施加在高壓閥組上橋臂或高壓閥組上，由于高壓閥組的上橋臂所有子模塊電容電壓之和僅為1/2額定極線對地電壓，高壓閥組每相所有子模塊電容電壓之和與額定極線對地電壓相等，考慮直流輸電線路及直流電感上殘留的儲能后，在上述高壓閥組的上橋臂低壓側(cè)6或高壓閥組的負直流母線7發(fā)生故障時，即使閉鎖高壓閥組的全部全控型電力電子器件，高壓閥組的上橋臂或高壓閥組每相的上、下橋臂的子模塊電容仍將被充電至高電壓從而損毀子模塊。

為解決上述問題，本實例中如圖1所示，給出了由阻斷型子模塊和半橋子模塊構(gòu)成的混合型MMC的高壓閥組對地故障保護的結(jié)構(gòu)。圖1中阻斷型子模塊與半橋子模塊的數(shù)目比例約為1：1。本實用新型所設(shè)計的保護結(jié)構(gòu)的特征為：在每個阻斷型子模塊的電壓輸出端并聯(lián)由兩個晶閘管反向并聯(lián)構(gòu)成的反并聯(lián)晶閘管對1或并聯(lián)一個雙向晶閘管；在每個半橋子模塊的電壓輸出端并聯(lián)一個旁路晶閘管2，與半橋子模塊并聯(lián)的晶閘管的陽極接半橋子模塊的高壓輸出端，陰極接半橋子模塊的低壓輸出端。以高壓閥組A相上橋臂低壓輸出端，即A相的高壓閥組的上橋臂低壓側(cè)6對地故障為例，發(fā)生A相的高壓閥組的上橋臂低壓側(cè)6對地故障時，將給高壓閥組A相上橋臂8、B相上橋臂9及C相上橋臂10的各個子模塊的旁路晶閘管施加觸發(fā)脈沖，使得故障電流經(jīng)旁路晶閘管流通從而避免故障電流給子模塊電容充電。對應(yīng)高壓閥組的上橋臂低壓側(cè)6或高壓閥組的負直流母線7的故障點6d或7d發(fā)生接地故障時，推薦閉鎖高壓閥組以及低壓閥組的全部全控型電力電子器件的觸發(fā)脈沖從而防止子模塊電容經(jīng)故障點6d或故障點7d放電。故障點6d發(fā)生接地故障時，宜維持高壓閥組的各相下橋臂以及低壓閥組所有橋臂的子模塊的旁路晶閘管處于閉鎖狀態(tài)從而減小交流側(cè)與故障點6d之間的短路電抗值，減小交流側(cè)電流。同理地，故障點7d發(fā)生接地故障時，宜維持低壓閥組所有橋臂的子模塊的旁路晶閘管處于閉鎖狀態(tài)。

為了進一步減小故障電流，圖2給出了圖1的改進方案，其改進在于每個反并聯(lián)晶閘管對1或每個旁路晶閘管2與限流電阻13串聯(lián)后，再并聯(lián)聯(lián)接至子模塊的輸出端從而同時減小直流故障電流與交流故障電流，減小旁路晶閘管的耐流需求并減小對交流電網(wǎng)的擾動。限流電阻13的阻值宜合理選取，其阻值太小則其限流效果不明顯，其阻值太大則限流電阻上的壓降太高，會導致各子模塊承受過電壓。推薦限流電阻13的選擇原則為使得旁路晶閘管不發(fā)生過電流，且使得交流斷路器不因過電流而開斷，且使得限流電阻上的壓降低于其并聯(lián)聯(lián)接的子模塊。

圖3-圖4為圖1-圖2的同型方案。圖3相比于圖1區(qū)別在于，反并聯(lián)晶閘管對1或旁路晶閘管2并不直接并聯(lián)聯(lián)接于每個子模塊上，而是多個反并聯(lián)晶閘管對串聯(lián)后得到雙向旁路晶閘管閥12后并聯(lián)聯(lián)接于阻斷型子模塊構(gòu)成的串聯(lián)組合上，多個旁路晶閘管串聯(lián)得到旁路晶閘管閥14后，并聯(lián)聯(lián)接于半橋子模塊構(gòu)成的串聯(lián)組合上。圖3左下角給出了雙向旁路晶閘管閥12的兩種實現(xiàn)方法。一種為由兩個單向旁路晶閘管閥14反向并聯(lián)而得，如12a所示。另一種為由多個反并聯(lián)晶閘管對1或多個雙向晶閘管串聯(lián)而得，如12b所示。

同理，圖4方案為雙向旁路晶閘管閥12與限流電阻13串聯(lián)后，并聯(lián)聯(lián)接于阻斷型子模塊構(gòu)成的串聯(lián)組合上，及單向旁路晶閘管閥14與限流電阻串13聯(lián)后，并聯(lián)聯(lián)接于半橋子模塊構(gòu)成的串聯(lián)組合上。圖4中各限流電阻13的選擇原則為使得旁路晶閘管不發(fā)生過電流，且使得交流斷路器不因過電流而開斷，且使得限流電阻上的壓降低于其并聯(lián)聯(lián)接的子模塊額定電容電壓之和。

圖3-圖4方案相比于圖1-圖2的優(yōu)點在于方便集中管理旁路晶閘管及限流電阻，從而無需改動現(xiàn)有子模塊的拓撲結(jié)構(gòu)與布局，缺點雙向旁路晶閘管閥12及單向旁路晶閘管閥14均由多個晶閘管串聯(lián)而成，當串聯(lián)的晶閘管數(shù)目較多時，存在晶閘管串聯(lián)均壓困難的問題。

圖5-圖6為圖3-圖4的同型方案，為減小圖幅尺寸，圖5及圖6僅繪出了高壓閥組4的拓撲。圖5-圖6原理與圖3-圖4一致，區(qū)別在于將阻斷型子模塊分為多組，每組阻斷型子模塊的輸出端并聯(lián)一個雙向旁路晶閘管閥12或雙向旁路晶閘管閥12與限流電阻13的串聯(lián)組合，將半橋子模塊也分為多組，每組半橋子模塊的輸出端并聯(lián)一個單向旁路晶閘管閥14或單向旁路晶閘管閥14與限流電阻13構(gòu)成的串聯(lián)組合。圖5-圖6方案相比于圖3-圖4方案的優(yōu)點在于可以減少雙向旁路晶閘管閥12及單向旁路晶閘管閥14所串聯(lián)的晶閘管個數(shù)從而減小旁路晶閘管的均壓難度。

圖6中各限流電阻13的選擇原則為使得旁路晶閘閥不發(fā)生過電流，且使得交流斷路器不因過電流而開斷，且使得限流電阻上的壓降低于其并聯(lián)聯(lián)接的子模塊額定電容電壓之和。

本實例中給出的又一種方案，如圖7-圖8所示，為由阻斷型子模塊構(gòu)成的MMC的高壓閥組對地故障保護的結(jié)構(gòu)。圖7中每個阻斷型子模塊的電壓輸出端反向并聯(lián)了一個旁路晶閘管2，旁路晶閘管2的陽極接子模塊的高壓輸出端，旁路晶閘管2的陰極接子模塊的低壓輸出端。監(jiān)測到高壓閥組上橋臂低壓輸出端對地故障時，將對故障橋臂所有子模塊的旁路晶閘管2施加一次觸發(fā)脈沖，使得故障電流經(jīng)旁路晶閘管2流通，并維持所有其他旁路晶閘管2處于閉鎖狀態(tài)并閉鎖高壓閥組所有全控型電力電子器件的觸發(fā)信號。直流故障電流過零后，旁路晶閘管2將自動關(guān)斷。

圖8與圖7類似，區(qū)別在于每個旁路晶閘管2還與限流電阻13串聯(lián)從而減小直流故障期間的故障電流。

圖9與圖7類似，區(qū)別在于每個旁路晶閘管并不聯(lián)接在每個子模塊上，而是多個旁路晶閘管2串聯(lián)后構(gòu)成單向旁路晶閘管閥14再并聯(lián)聯(lián)接在橋臂的高、低壓輸出端上。圖9拓撲相比于圖7拓撲的優(yōu)勢在于，不需要改變每個子模塊的結(jié)構(gòu)與設(shè)計，便于集中管理旁路晶閘管閥組。其帶來的劣勢在于多個晶閘管串聯(lián)后存在一定的均壓難度。

圖10與圖9類似，區(qū)別在于每個旁路晶閘管閥14還串聯(lián)了限流電阻13從而可以加快將故障電流降為零的速度且限制故障電流大小。

圖11為將每個橋臂的阻斷型子模塊分為多個分組，每個分組上并聯(lián)一個或多個晶閘管串聯(lián)而成的旁路晶閘管閥14。圖11的性能介于圖7與圖9之間，既避免了更改每個子模塊的拓撲也避免了過多旁路晶閘管串聯(lián)后帶來的均壓難度。

圖12與圖11類似，區(qū)別在于每個旁路晶閘管閥14還串聯(lián)了限流電阻13從而減小故障電流的大小。；

圖13示例了半橋子模塊的拓撲。圖14中(a)-(e)示例了阻斷型子模塊的拓撲，圖14(a)-(e)分別為全橋子模塊拓撲、箝位雙子模塊拓撲、二極管鉗位子模塊、自阻型子模塊及交聯(lián)子模塊。圖13-圖14系公知技術(shù)，其細節(jié)不再贅述。

本實例中，如圖15所示，給出了由單極正極性相控換流器11和單極正極性混合型模塊化多電平換流器構(gòu)成的兩端直流輸電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)。其中，模塊化多電平換流器由高壓閥組4和低壓閥組5構(gòu)成。高壓閥組4的上橋臂低壓端6發(fā)生接地故障時，將給高壓閥組4的A、B、C三相上橋臂各子模塊的旁路晶閘管1施加觸發(fā)脈沖，維持高壓閥組各相下橋臂以及低壓閥組所有橋臂的各子模塊的旁路晶閘管處于閉鎖狀態(tài)，閉鎖高壓閥組以及低壓閥組的所有全控型電力電子器件的觸發(fā)脈沖，于此同時，相控換流器側(cè)監(jiān)測到故障時，將閉鎖其觸發(fā)脈沖或者使得相控換流器工作至逆變狀態(tài)從而將相控換流器饋入至旁路晶閘管的直流電流降至零，防止旁路晶閘管持續(xù)流過電流而損毀旁路晶閘管。

本實例中，圖16以由半橋子模塊和全橋子模塊構(gòu)成的混合型MMC為例，示例了高壓閥組A相上橋臂低壓輸出端對地故障時，各相電流通路。其中每個橋臂半橋子模塊與全橋子模塊的比例為1：1左右。圖16中，流經(jīng)電流的元件以黑色線條示意，處于閉鎖狀態(tài)的元件以灰色線條示意。該故障下，高壓閥組A、B、C三相的上橋臂旁路晶閘管將被觸發(fā)，其余各橋臂的旁路晶閘管均維持閉鎖狀態(tài)，故障極(圖16僅繪出了正極)的模塊化多電平換流器將被閉鎖，非故障極(負極，圖16未繪出)的模塊化多電平換流器仍維持正常運行狀態(tài)。圖16表明故障電流將經(jīng)由A、B、C三相上橋臂的旁路晶閘管流通，故障電流將不會給子模塊電容充電從而不會帶來子模塊電容過電壓問題。

圖17示例了全橋子模塊的旁路晶閘管為單個晶閘管時，高壓閥組對地故障的電流通路。圖17中全橋子模塊與半橋子模塊的比例約為1：1。高壓閥組A相上橋臂發(fā)生接地故障時，直流電流故障電流通路與圖16一致。除了直流故障電流，交流側(cè)也將流通電流，如圖17的B、A兩相實線箭頭所示?？芍?，交流側(cè)將給B相上橋臂的全橋子模塊充電，故圖17的全橋子模塊僅包含單個旁路晶閘管的方案為技術(shù)不可行的方案。

圖18示例了每個橋臂的子模塊均為全橋子模塊的模塊化多電平換流器高壓閥組A相上橋臂接地故障時的交流側(cè)潛在故障電流通路。以高壓閥組的B、A兩相為例，高壓閥組的B相上橋臂的所有子模塊的電容電壓將被反向接入至電流通路。由于每個橋臂左右子模塊電容電壓之和高于B、A兩相線電壓的峰值，故而圖18示例的潛在故障電流通路并不能流通電流。橋臂的所有子模塊均為阻斷型子模塊時，僅需在每個子模塊的輸出端反向并聯(lián)一個旁路晶閘管，旁路晶閘管的陽極與陰極分別接子模塊的高壓輸出端與低壓輸出端。發(fā)生高壓閥組上橋臂對地故障或高壓閥組低壓直流母線接地故障時，向高壓閥組的A相上橋臂、B相上橋臂及C相上橋臂所有子模塊的旁路晶閘管施加一次觸發(fā)脈沖即可使得直流故障電流經(jīng)由旁路晶閘管流通，避免直流故障電流給子模塊電容充電。

為驗證本實用新型所設(shè)計方案的技術(shù)可行性，在PSCAD/EMTDC下搭建了仿真算例，如圖19所示。圖19中，LCC代表相控換流器，MMC_High為模塊化多電平換流器的高壓閥組，MMC_Low為模塊化多電平換流器的低壓閥組。高、低壓閥組采用圖16所示的拓撲。

圖20～圖24給出了對應(yīng)的仿真結(jié)果。所施加的故障為0.8s時，模塊化多電平換流器的高壓閥組A相低壓端發(fā)生接地故障。監(jiān)測到該故障后，高壓閥組的A相、B相、C相上橋臂的所有旁路晶閘管被持續(xù)施加觸發(fā)信號，A相、B相、C相下橋臂以及低壓閥組的所有旁路晶閘管均維持閉鎖狀態(tài)，同時，監(jiān)測到故障后，高、低壓閥組的全部全控型電力電子器件將被閉鎖。相控換流器在檢測到該故障后，也會閉鎖其觸發(fā)脈沖。

圖20為直流電流波形，可知發(fā)生故障后，直流電流可在15ms內(nèi)降為零。圖21及圖22為高壓閥組各相橋臂的全橋子模塊及半橋子模塊的平均電容電壓，可知，在本實用新型設(shè)計的方案下，高壓閥組對地故障時，各子模塊電容不會發(fā)生過電壓。圖23閥側(cè)交流電流，可知在本實用新型所設(shè)計的方案上，高壓閥組對地故障時，無明顯交流過電流。圖24為流過高壓閥組各相上橋臂旁路晶閘管，可知各旁路晶閘管也不流過明顯的過電流。