具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

MMC-HVDC的直流侧故障电流清除能力是柔直输电在架空线应用场合中所必须要解决的关键问题。现有技术中，实现清除直流侧短路故障的方法主要有以下三种：打开交流侧断路器(AC Circuit Breaker，ACCB)、采用直流断路器(DC Circuit Breaker，DCCB)，以及在HVDC换流站中嵌入具有直流侧故障穿越能力的子模块。

ACCB技术中，初期MMC-HVDC常常采用ACCB技术来隔离直流侧故障，依靠灭弧原理，系统检测到直流侧故障发生后会触发交流断路器动作，断开电网和换流器之间的连接，从而实现故障隔离。但ACCB即时性不够，故障发生数十ms才能触发断路器动作，在这期间系统处于不控整流状态，系统需要承受很大的故障电流。虽然并联晶闸管可以分流短路电流，故障电流的切断还是要依靠触发ACCB，这种策略需要配合恰当的限流措施抑制过电流以减少故障恢复的时间，还存在着重启时序复杂的问题。

DCCB技术中，直流断路器安装在柔性直流输电的直流输出端口，已有机械式断路器、全固态断路器以及混合式断路器等相继被研发出来。机械式直流断路器是以交流断路器灭弧技术为变革基础设计的，具有制造成本低、分断能力强、通态损耗低等优点。全固态断路器基于电力电子器件，依靠半控或全控型器件对直流侧线路进行可靠开断，能够迅速分断故障电流。混合式断路器是机械开关和电力电子器件的合理组合得到，可以有串并联多种形式组合，具备两种断路器的优点。但是DCCB方法中，机械式断路器故障分断速度慢，不符合直流电网快速隔离故障的要求；全固态断路器缺点是运行损耗大，工程造价高；混合式断路器运行损耗几乎可以忽略，同时保留了超快电流阻断能力，复杂度和控制难度都比较高，投资成本同样较高。

在HVDC换流站中嵌入具有直流侧故障穿越能力的子模块的技术中，目前，MMC-HVDC系统的主流配置是单一子模块，实际工程中半桥子模块(Half bridge submodule，HBSM)应用最为成熟和广泛，近些年学者们提出了诸多具有直流侧故障穿越能力的子模块，如全桥、双箝位等。全桥和双箝位子模块拓扑在故障闭锁后能够通过子模块中的电容充电形成的反压来抑制故障电流，在很短时间内阻断短路电流通道，实现故障穿越。嵌入具有直流侧故障穿越能力的子模块虽然通过自身拓扑的改进具备了故障穿越能力，但存在着增加器件成本和功率损耗的缺陷。

本申请的思路在于，针对典型HB-MMC(半桥-MMC)无法阻断直流侧短路故障电流问题，提出一种MMC，对其拓扑结构进行改进，改进后的拓扑结构，能实现有效抑制和清除直流侧故障电流，且控制简单，稳态运行损耗远远小于嵌入具有直流故障穿越能力子模块的MMC拓扑，同时成本得到了有效下降，减小了交直流侧过电流的持续时间和危害。

图1示出根据现有技术的一个模块化多电平换流器的拓扑结构的结构示意图，从图1可以看出，该拓扑结构包括交流端口、直流端口(图中各桥臂SM₁或SM_n未连接电子器件的一端)和多个相单元(图中方框内)，每个相单元包括桥臂，每个桥臂包括若干个子模块组SM₁～SM_n或SM_n+1～SM_2n和电感L₀，拓扑结构的交流端口分别基于各桥臂的交流端实现，具体的，各桥臂的交流端通过一个电感L_ac连入交流电源中的一相。在本申请中，为了方便陈述，人为规定图1中包电感L_dc的一端为正极，另一端为负极。

图2示出根据本申请的一个实施例的MMC的改进拓扑结构的结构示意图，同时参考图1和图2可以看出，本申请在图1的基础上，增加了直流侧阻尼支路、分断支路和多个桥臂阻尼支路。

直流侧阻尼支路连接在拓扑结构的两个直流端口的正负极之间，用于在发生直流短路故障的情况下，吸收直流故障电流。在本申请的一些实施例中，直流侧阻尼支路包含但不限于第一二极管D_d和第一电阻R_d，第一二极管D_d的阳极连接第一电阻R_d的一端；第一二极管D_d的阴极与拓扑结构的一个直流端口连接，这里为拓扑结构的正极直流端口；第一电阻R_d的另一端与拓扑结构的另一个直流端口连接，这里为拓扑结构的负极直流端口。拓扑结构稳态运行时，此直流侧阻尼支路被隔离失效，但是第一二极管D_d将承受很高的直流反压；在发生直流侧短路故障时，在隔离换流站MMC的拓扑结构后，第一二极管 D_d作为续流二极管导通，第一电阻R_d能够迅速吸收大量能量，有效衰减直流侧故障电流。

分断支路连接在各桥臂的直流端并联点与拓扑结构的一个直流端口之间，用于在发生直流短路故障的情况下，切断各相单元与直流端口之间的电连接。在本申请的一些实施例中，分断支路包括分断器T1和机械开关K两部分，快速机械开关K的与分断器T1串联，即快速机械开关K的一端连接分断器T1 的输入端，机械开关K的另一端连接各桥臂的直流端并联点；分断器T1的输出端连接拓扑结构的一个直流端口，这里为拓扑结构的正极直流端口。若直流侧发生短路故障，此分断支路起到迅速隔离换流站和短路故障点的作用。

在本申请的一些实施例中，分断器T1为带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)构成，如图2所示，分断器T1包括第二二极管D2和第一绝缘栅双极型晶体管S1；第二二极管D2的阴极连接第一绝缘栅双极型晶体管S1的集电极，第二二极管D2的阳极连接第一绝缘栅双极型晶体管S1的发射极；第二二极管D2的阴极还连接机械开关K 的一端，第二二极管D2的阳极还连接拓扑结构的正极直流端口。正常工作时，分断支路能够双向导通；直流侧短路故障发生后，分断器T1中的第一绝缘栅双极型晶体管S1首先关断，第二二极管D2将承受很大的反向电压，在一断时间后，该反向电压带来的电流降至零时，机械开关K迅速隔离换流站和直流侧故障线路。

桥臂阻尼支路T2(Arm Damping Module，ADM)串联在每个桥臂中的子模块组与电感之间，用于在发生直流短路故障的情况下，吸收电感L₀产生的放电电流。如图2所示，在每个桥臂的与模块组与电感之间均增设了桥臂阻尼支路 T2，在本申请的一些实施例中，各桥臂阻尼支路T2包括第三二极管D3，第二绝缘栅双极型晶体管S2和第二电阻R_A；第三二极管D3的阴极分别连接第二绝缘栅双极型晶体管S2的集电极，和第二电阻R_A的一端，第三二极管D3的阳极分别连接第二绝缘栅双极型晶体管S2的发射极，和第二电阻R_A的另一端；第三二极管D3的阴极还连接桥臂的电感L₀，第三二极管D3的阳极还连接桥臂的子模块组SM_n或SM_n+1。

拓扑结构稳态运行时，第二绝缘栅双极型晶体管S2处于导通状态，第二电阻R_A被旁路，整个桥臂阻尼支路T2对拓扑结构系统不起作用；在直流侧发生短路故障时，拓扑结构的保护控制单元触发各桥臂的子模块闭锁，同时闭锁第二绝缘栅双极型晶体管S2即可，不需要专门设计控制策略，此时第二电阻 R_A会被投入到桥臂支路中，发挥抑制桥臂的电感L₀产生的故障电流的作用。

拓扑结构正常工作下，桥臂阻尼支路只有第三二极管D3或第二绝缘栅双极型晶体管S2处于工作状态，桥臂阻尼电阻不起作用，损耗小；分断支路处于导通状态时损耗也很小，而直流侧阻尼支路处于隔离状态，并没有进行工作，因此整体拓扑损耗很低。

从图2可以看出，本申请通过对模块化多电平换流器的拓扑结构进行改进，实现了在直流侧发生短路故障时，对直流侧故障电流的转移与抑制，快速实现交流侧和直流侧的隔离；有效抑制和清除了直流侧故障电流，且控制简单，稳态运行损耗小、投资成本低、适用范围广，显著降低了消除直流短路故障的成本，减小了交直流侧过电流的持续时间和危害。

在本申请的一些实施例中，分断支路可以是混合式高压直流断路器，能有效将交直流侧隔离开，直流侧阻尼支路的第一二极管D_d可以采用耐高压二极管堆来实现。

由于发生故障后，直流侧阻尼支路和平波电抗器L_dc可看做一阶RL零输入响应电路，那么这部分的支路故障电流I_d为：

考虑直流侧阻尼支路故障电流在t＝t_d前降为零，那么第一电阻R_d满足：

在式(1)、式(2)和式(3)中，I_dc0为分断支路断开时刻直流侧电流瞬间值；τ为电流衰减时间常数；R_dc为发生直流短路故障的情况下，所述拓扑结构直流侧的等效电阻；R_d为第一电阻R_d的电阻；L_dc为平波电抗器L_dc的电感；t_d为直流短路故障发生后，直流侧故障电流衰减到零的时长。

通过式(3)可以知道，直流侧故障电流的衰减速率和平波电抗器、直流侧等效电阻以及阻尼电阻密切相关。平波电抗器L_dc的电感值越大，故障电流持续时间越长。在给定第一电阻R_d的电阻值时应该考虑最严峻的情况，即在直流传输线端口故障，此时线路等效阻抗最小，即R_dc＝0，因此，R_d最好满足式(3)的关系。

在本申请的一些实施例中，分断支路要充分考虑分断器T1在故障闭锁初期可能承担的最大电压应力，一般采取多个全控型电力电子器件串联进行分压；即在本申请的另一些实施例中，分断器为多个全控型电力电子器件(图中未示出)串联后与机械开关K串联，形成分断支路，可以理解为分断器T1为多个带有反并联二极管的IGBT单向串联构成。另外直流侧短时故障电流峰值也是分断器T1中器件所必须处理的，要留有足够的裕量，避免损坏。

在本申请的一些实施例中，在故障闭锁初级阶段，各桥臂电流较大，各桥臂阻尼支路的第二电阻R_A被瞬间投入，故障电流会在桥臂阻尼支路T2两端产生一个明显的过电压，为防止第二绝缘栅双极型晶体管S2损坏，第二电阻R_A的电阻值不宜过大，但也不宜太小，本领域技术人员在保证各桥臂电流衰减速度的情况下，可根据具体工程需求折中取值。

在本申请的一些实施例中，上述的MMC的改进拓扑结构还包括：故障检测模块(图中未示出)，故障检测模块分别连接各相单元；故障检测模块，用于获取各桥臂的电流峰值，若一个桥臂的电流峰值大于预设阈值，则确定拓扑结构发生直流短路故障。本申请在故障电流检测中，引入了桥臂电流峰值检测机制，即一个桥臂过流即闭锁整个换流站，这种方式，控制逻辑简单。只需要检测桥臂电流峰值得到直流侧故障信息，桥臂阻尼支路和分断支路进行关断即可，无需配置额外的控制策略，较传统直流侧电流检测更加迅速有效。

图3示出根据本申请的一个实施例的在直流短路故障发生初期的MMC的改进拓扑结构中的故障电流通路的示意图；图4示出根据本申请的一个实施例的在直流短路故障发生后期的MMC的改进拓扑结构中的故障电流通路的示意图。请同时参考图3和图4，本申请的一些实施例中的改进拓扑结构在清除直流侧短路故障导致的故障电流的流程可简述如下：

拓扑结构的故障保护系统通过故障检测模块，获取各桥臂的电流峰值，若一个桥臂的电流峰值大于预设阈值，则确定拓扑结构发生直流短路故障。

故障保护系统确定模块化多电平换流器的改进拓扑结构发生直流短路故障后，经短暂延时后触发各桥臂的各子模块、分断支路T1的第一绝缘栅双极型晶体管S1、桥臂阻尼支路的第二绝缘栅双极型晶体管S2全部闭锁。此时故障电流分为两个部分：直流侧故障电流和桥臂电流，其中，直流侧故障电流电流流经故障点以及直流侧阻尼支路，此时，直流侧部分可以看做是一阶RL零输入响应电路，直流侧故障电流迅速衰减到0。拓扑结构在全部子模块闭锁后，桥臂阻尼投入，桥臂电流迅速下降，因此能够有效保护子模块中的绝缘栅双极型晶体管，这段时间可看做故障闭锁初期阶段，如图3所示，整个拓扑结构中的电流方向如图中灰色线条和箭头所示。待分断支路的机械开关K断开后，仍有部分桥臂中的电感还未放电完毕，桥臂电流在桥臂阻尼的作用下继续下降至零，这个阶段可以看做故障闭锁后期阶段，如图4所示，整个拓扑结构中的电流方向如图中灰色线条和箭头所示。

应当理解，术语“包括/包含”、“由……组成”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的产品、设备、过程或方法不仅包括那些要素，而且需要时还可以包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种产品、设备、过程或方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括/包含……”、“由……组成”限定的要素，并不排除在包括所述要素的产品、设备、过程或方法中还存在另外的相同要素。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

还需要理解，术语“上”、“下上”、“下”“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置、部件或结构必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，不能理解为对本发明的限制。术语“第一”、“第二”、、“第三”等只是为了方便标记和描述，没有实际含义。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行其他的改进或变形。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好的解释本发明的目的，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。