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柔性直流輸電因其采用了可單獨(dú)控制導(dǎo)通/關(guān)斷的IGBT而非傳統(tǒng)直流輸電中的晶閘管，使得柔性直流輸電可以工作在無(wú)源換流狀態(tài)，獨(dú)立控制有功和無(wú)功，無(wú)需額外的無(wú)功補(bǔ)償，沒(méi)有換相失敗的問(wèn)題。模塊化多電平換流器（modular multilevel converter，MMC）作為一種新型的柔性直流輸電技術(shù)，由于其模塊化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)易擴(kuò)展、集成化程度高、輸出諧波少而成為新的研究熱點(diǎn)。應(yīng)用于MMC的子模塊主要有3種：半橋子模塊（half bridge sub-module，HBSM）、全橋子模塊（full bridge sub-module，F(xiàn)BSM）、鉗位雙子模塊（clamp double sub-module，CDSM）。HBSM由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所用器件少，在目前的MMC實(shí)際工程中得到了廣泛的應(yīng)用（之前介紹的一期《高壓直流輸電——HVDC》就是采用HBSM拓?fù)?span>），但HBSM因其自身拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的限制，無(wú)法隔離直流側(cè)故障，只能通過(guò)在交流側(cè)設(shè)置斷路器來(lái)處理直流側(cè)故障，經(jīng)濟(jì)性和安全性都比較差。盡管FBSM具有隔離直流側(cè)故障的能力，但由于造價(jià)太高而一直未被采用。CDSM被提出后，由于其不僅能夠隔離直流側(cè)故障，而且在經(jīng)濟(jì)性、性能上具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，從而被視為隔離直流側(cè)故障的最佳選擇。
CDSM是由5個(gè)IGBT、兩個(gè)子模塊電容和兩個(gè)二極管組成。可以將箝位型雙子模塊看成是兩個(gè)半橋單元在一個(gè)引導(dǎo)IGBT串連下級(jí)聯(lián)構(gòu)成，箝位型雙子模塊的結(jié)構(gòu)如下圖所示。C 為子模塊的電容，Uc為電容電壓，Uo為箝位型雙子模塊對(duì)外輸出的電壓。下面對(duì)CDSM的工作模式進(jìn)行詳細(xì)分析。
可以將CDSM的狀態(tài)分成兩大類(lèi)：正常模式和閉鎖模式。下表是每種模式下的IGBT的開(kāi)關(guān)狀態(tài)以及在該狀態(tài)下CDSM對(duì)外輸出的電壓。D1、D2 只有在閉鎖模式下才會(huì)被接入電路，正常模式?jīng)]有電流。中間的 IGBT處于常閉狀態(tài)將左右兩個(gè)半橋連接起來(lái)，因此可以將CDSM可以看成是兩個(gè)半橋子模塊進(jìn)行級(jí)聯(lián)而成。
1）閉鎖狀態(tài)下，所有IGBT均閉鎖，在這種狀態(tài)下，按照流入CDSM的電流的方向的差異，子模塊存在兩種工作模式。
1.1模式一：當(dāng)電流為正時(shí)，電流經(jīng)過(guò)T1的體二極管、電容C1、T5的體二極管、電容C2、T3的體二極管流出子模塊，此時(shí)整個(gè)子模塊可以等效成一個(gè)電容（電容的容量為C/2）和二極管串聯(lián)，子模塊對(duì)外的電壓為2Uc，此時(shí)形成的等效電路如下圖所示：
1.2模式二：當(dāng)電流方向?yàn)樨?fù)時(shí)，此時(shí)電流經(jīng)過(guò)T4的體二極管、電容C2、二極管D2(或者T4的體二極管、二極管D1、電容C1)、的體二極管流出，此時(shí)子模塊可以等效成一個(gè)電容（電容的容量為2C）和二極管串聯(lián)，子模塊對(duì)外電壓為Uc，等效電路如下圖所示：
由以上分析可知，閉鎖狀態(tài)下，CDSM可等效為下圖，閉鎖狀態(tài)下，電流都會(huì)經(jīng)過(guò)電容，并且電容均處于充電狀態(tài)，這就為直流側(cè)故障的隔離提供了可能。
2）正常運(yùn)行狀態(tài)下，T5保持導(dǎo)通，T1與T3、T2與T4觸發(fā)信號(hào)互補(bǔ)。T1導(dǎo)通T3閉鎖時(shí)，第一個(gè)電容投入，T4導(dǎo)通T2閉鎖時(shí)，第二個(gè)電容投入運(yùn)行。此時(shí)，CDSM可以等效為兩個(gè)HBSM的級(jí)聯(lián)，只需要將等效的第二個(gè)HBSM的觸發(fā)信號(hào)取反即可，CDSM可以實(shí)現(xiàn)輸出三種電壓狀態(tài)，分別是：2Uc、Uc、0，其開(kāi)關(guān)狀態(tài)與輸出電壓如下表所示。
2.1模式三：當(dāng)開(kāi)關(guān)管T1、T3、T5處于開(kāi)通狀態(tài)，子模塊輸出2Uc時(shí)，此時(shí)就是相當(dāng)于將兩個(gè)半橋子模塊級(jí)聯(lián)全部投入工作。子模塊的電流回路如下圖所示（同模式一）。
2.2模式四：當(dāng)開(kāi)關(guān)管T1、T4、T5處于開(kāi)通狀態(tài)時(shí)，電流經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)管T1、電容C1、開(kāi)關(guān)管T5、電容C2、開(kāi)關(guān)管T4流出子模塊，此時(shí)整個(gè)CDSM只有電容C1處于投入，而電容C2處于切除狀態(tài)，整個(gè)子模塊對(duì)外電壓為Uc，等效電路如下圖所示：
2.3模式五：當(dāng)開(kāi)關(guān)管T2、T3、T5處于開(kāi)通狀態(tài)時(shí)，電流經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)管T2、開(kāi)關(guān)管T5、電容C2、開(kāi)關(guān)管T3流出子模塊，此時(shí)整個(gè)CDSM只有電容C2處于投入，而電容C1沒(méi)有投入電路，整個(gè)子模塊對(duì)外電壓為Uc，子模塊的電流回路如下圖所示：
本次沒(méi)有介紹控制策略及啟動(dòng)過(guò)程，具體過(guò)程將在以后進(jìn)行說(shuō)明，故本次采用simulink搭建只單端模型驗(yàn)證CDSM拓?fù)涞目尚行裕總€(gè)橋臂25個(gè)子模塊，直流電壓±300KV，0.8s投入無(wú)功，其仿真結(jié)果如下：
上圖為整個(gè)過(guò)程直流電壓，從仿真結(jié)果可以看出，CDSM拓?fù)湎拢绷髂妇€電壓能夠很好跟蹤指令電壓。
上圖為投入無(wú)功后電網(wǎng)電壓及電流波形，從仿真結(jié)果看，電流能夠較快跟蹤指令信號(hào)。
上圖為三相子模塊電壓，從仿真結(jié)果可以看出，CDSM拓?fù)渥幽K可以正常進(jìn)行電壓均衡控制。
以上仿真結(jié)果可以看出，采用CDSM拓?fù)淇梢耘c半橋模塊相同，能夠進(jìn)行正常的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，為后續(xù)直流故障測(cè)試提供了依據(jù)。