CN105305843A - 一种三相串联半h桥型模块化多电平直流换流器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三相串联半H桥型模块化多电平直流换流器及其控制方法，包括3m个串联的单相半H桥型MMC及分别与3m个串联的单相半H桥型MMC连接的3m个单相变压器，m为正整数。本发明将单相半H桥型MMC在直流侧串联，在承受相同直流电压和采用相同开关元器件的前提下，本发明开关器件数目只有传统的模块化多电平换流器MMC的三分之一，造价更低。在承受相同直流电压和采用相同开关元器件的情况下，本发明的容量为传统的模块化多电平换流器MMC的三分之一，大大降低了MMC换流站的建设门槛，应用场合更加广泛。

Description

一种三相串联半H桥型模块化多电平直流换流器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种三相串联半H桥型模块化多电平直流换流器及其控制方法，属于电力电子领域。

背景技术

电压源型换流器(VoltageSourceConverter,VSC)具有有功无功独立调节、可向无源网络供电、潮流反转无需改变电压极性等优点，特别适合作为直流电网中的落点换流器。近年来出现的模块化多电平换流器(ModularMultilevelConverter,MMC)是电压源型换流器VSC家族里的最新成员，也属于电压源型换流器VSC。与传统的二点平或三电平电压源型换流器VSC的拓扑相比，模块化多电平换流器MMC具有以下优点：输出电压波形谐波含量小；损耗小，其开关频率仅为基频的2-3倍；具有良好的封装性和扩展性等。在技术和性能方面，模块化多电平换流器MMC比传统的电压源型换流器VSC拓扑更加适合作为直流电网的落点换流器。

传统的模块化多电平换流器MMC的拓扑结构如图1所示，其将多个半桥型模块(HalfBridgeSub-Module,HBSM)或全桥型模块(FullBridgeSub-Module,FBSM)或箝位双子模块(ClampDoubleSub-Module,CDSM)串联组成三相桥的一个桥臂，正常运行时，模块电容电压U_c＝U_dc/N，其中，U_dc为直流电压，N为一个桥臂中的模块数目。整个三相并联的模块化多电平换流器MMC共需6N个模块。高昂的造价是模块化多电平换流器MMC的主要缺点。使用半桥模块HBSM的模块化多电平换流器MMC的开关元器件数目是传统电压源型换流器VSC的两倍，而使用全桥模块FBSM的模块化多电平换流器MMC的开关器件数目则是传统电压源型换流器VSC的四倍。因为可再生能源分布分散，容量普遍较小，接入直流电网的换流器容量也较小。如果将常规的三相并联换流器用作直流电网落点换流器，三组桥臂均承受整个直流电压，无论落点容量大小，直流电网换流器的电压等级相同，造价也近乎相同，在经济上不可取。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种三相串联半H桥型模块化多电平直流换流器；

本发明还提供了上述三相串联半H桥型模块化多电平直流换流器的控制方法；

术语解释：

1、最近电平逼近方法，参见管敏渊,徐政,等.最近电平逼近调制的基波谐波特性解析计算[J].高电压技术,2010,36(5):1327-1332。

2、正弦载波叠加方法，参见M.Saeedifard,R.Iravani,Dynamicperformanceofamodularmultilevelback-to-backHVDCsystem[J],IEEETransactionsonPowerDelivery,vol.25,no.4,pp.2903-2912,Oct.2010。

本发明的技术方案为：

一种三相串联半H桥型模块化多电平直流换流器，包括3m个串联的单相半H桥型MMC及分别与3m个串联的单相半H桥型MMC连接的3m个单相变压器，m为正整数；所述单相半H桥型MMC包括：上SM桥臂、下SM桥臂、第一电感、第二电感、第一电容、第二电容，所述上SM桥臂、所述第一电感、所述第二电感、所述下SM桥臂依次串联并与串联的所述第一电容和所述第二电容并联，第一电感与第二电感相同，第一电容与第二电容相同；所述上SM桥臂及所述下SM桥臂均包括若干个串联的SM模块，所述上SM桥臂及所述下SM桥臂包括的SM模块的数目相同；所述单相变压器的二次侧的一端分别连接所述第一电感及所述第二电感，所述单相变压器的二次侧的另一端分别连接所述第一电容及所述第二电容，所述3m个单相变压器中，每3个单相变压器为一组，同一组内的3个单相变压器一次侧采用三角形接线或星形中性点不接地接线。

设定与图1中使用的SM模块相同，图1中，每个SM模块的电压为U_c＝U_dc/N，其中，U_dc是指直流电压，而本发明中，单相半H桥型MMC上SM桥臂或下SM桥臂中的模块数目n＝(U_dc/3)/U_c＝N/3，当m＝1时，本发明共有3个上SM桥臂及3个下SM桥臂，共有2N个SM模块数目。与图1中传统的模块化多电平换流器MMC相比，在承受相同的直流电压情况下，模块数目由6N减少到2N，开关元器件数目减少三分之二，从而达到降低成本的目的。

本发明中，上SM桥臂、下SM桥臂、第一电感、第二电感、第一电容、第二电容组成了一个H桥型回路，提供交流电流流通路径；上SM桥臂、第一电容组成的上回路与下SM桥臂、第二电容组成的下回路均分交流电流。

所述单相变压器的一次侧采用三角形或星形中性点不接地接线隔离零序电流。

根据本发明优选的，所述SM模块为半桥型模块HBSM、全桥型模块FBSM或箝位双子模块CDSM。

上述三相串联半H桥型模块化多电平直流换流器的控制方法，具体步骤包括：

(1)设定上SM桥臂的参考电压为：设定下SM桥臂的参考电压为：u_ref为换流器的参考电压，U_d为换流器的直流侧电压；

(2)通过最近电平逼近调制法或正弦载波叠加方法得到每个单相半H桥型MMC的上SM桥臂及下SM桥臂需要导通的SM模块数目；

(3)对每个单相半H桥型MMC的上SM桥臂及下SM桥臂中所有SM模块的电容电压排序，如果电流方向为流入SM模块的电容，即为SM模块的电容充电，则选择SM模块的电容电压最低的SM模块导通；如果电流方向为SM模块的电容，即为SM模块的电容放电，则选择SM模块的电容电压最高的SM模块导通。

本发明的有益效果为：

1、本发明将单相半H桥型MMC在直流侧串联，在承受相同直流电压和采用相同开关元器件的前提下，本发明开关器件数目只有传统的模块化多电平换流器MMC的三分之一，造价更低。

2、在承受相同直流电压和采用相同开关元器件的情况下，本发明的容量为传统的模块化多电平换流器MMC的三分之一，大大降低了MMC换流站的建设门槛，应用场合更加广泛。

附图说明

图1为传统的模块化多电平换流器MMC的拓扑结构图；

图2为本发明的拓扑结构图；

图3为本发明所述半桥型模块HBSM的拓扑结构图；

图4为本发明所述全桥型模块FBSM的拓扑结构图；

图5为本发明所述箝位双子模块CDSM的拓扑结构图；

图6为本发明的等效电路图；

图7为本发明的等效电路电流流通图；

图8为本发明简化后的等效电路图；

图1-图8中，L₀为第一电感值和第二电感值，C为第一电容值和第二电容值，u_aref为单相半H桥型MMC输出的交流电压，u_a为单相变压器二次侧电压。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。

实施例1

一种三相串联半H桥型模块化多电平直流换流器，包括3个串联的单相半H桥型MMC及分别与3个串联的单相半H桥型MMC连接的3个单相变压器；所述单相半H桥型MMC包括：上SM桥臂、下SM桥臂、第一电感、第二电感、第一电容、第二电容，所述上SM桥臂、所述第一电感、所述第二电感、所述下SM桥臂依次串联并与串联的所述第一电容和所述第二电容并联，第一电感与第二电感相同，第一电容与第二电容相同；所述上SM桥臂及所述下SM桥臂均包括若干个串联的SM模块，即图2中SM1模块、SM2模块……SMn模块，所述上SM桥臂及所述下SM桥臂包括的SM模块的数目相同；所述单相变压器的二次侧的一端分别连接所述第一电感及所述第二电感，所述单相变压器的二次侧的另一端分别连接所述第一电容及所述第二电容，3个的单相变压器的一次侧采用三角形接线。如图2所示。

设定与图1中使用的SM模块相同，图1中，每个SM模块的电压为U_c＝U_dc/N，其中，U_dc是指直流电压，而本发明中，单相半H桥型MMC上SM桥臂或下SM桥臂中的模块数目n＝(U_dc/3)/U_c＝N/3，本发明共有3个上SM桥臂及3个下SM桥臂，共有2N个SM模块数目。与图1中传统的模块化多电平换流器MMC相比，在承受相同的直流电压情况下，模块数目由6N减少到2N，开关元器件数目减少三分之二，从而达到降低成本的目的。

本发明中，上SM桥臂、下SM桥臂、第一电感、第二电感、第一电容、第二电容组成了一个H桥型回路，提供交流电流流通路径；上SM桥臂、第一电容组成的上回路与下SM桥臂、第二电容组成的下回路均分交流电流。

所述SM模块为半桥型模块HBSM、全桥型模块FBSM或箝位双子模块CDSM。半桥型模块HBSM、全桥型模块FBSM或箝位双子模块CDSM的拓扑结构图分别如图3、图4、图5所示。

本实施例所述三相串联半H桥型模块化多电平直流换流器的等效电路图如图6所示；图6中，上SM桥臂的参考电压为：下SM桥臂的参考电压为：u_ref为换流器的参考电压，U_d为换流器的直流侧电压；

本实施例所述三相串联半H桥型模块化多电平直流换流器的等效电路电流流通图如图7所示：直流电流只流过换流器的上SM桥臂及下SM桥臂，不流过第一电容及第二电容。交流电流被上SM桥臂、第一电容组成的上回路及下SM桥臂、第二电容组成的下回路均分，各电流表示为； $i_1=I_d+\frac{i_a}{2},i_2=I_d-\frac{i_a}{2},i_{c1}=-\frac{i_a}{2},i_{c2}=\frac{i_a}{2};$ i₁为上SM桥臂电流，i₂为下SM桥臂电流、i_c1为第一电容的充电电流、i_c2为第二电容的充电电流、I_d为直流电流、i_a为交流电流。

本实施例所述三相串联半H桥型模块化多电平直流换流器的最终等效电路如图8所示：等效电感L₀为第一电感和第二电感值，C为第一电容和第二电容值，ω＝2πf，f为电网频率，f＝50Hz.。

实施例2

实施例1所述的三相串联半H桥型模块化多电平直流换流器的控制方法，具体步骤包括：

(1)设定上SM桥臂的参考电压为：设定下SM桥臂的参考电压为：u_ref为换流器的参考电压，U_d为换流器的直流侧电压；

(2)通过最近电平逼近调制法或正弦载波叠加方法得到每个单相半H桥型MMC的上SM桥臂及下SM桥臂需要导通的SM模块数目；

(3)对每个单相半H桥型MMC的上SM桥臂及下SM桥臂中所有SM模块的电容电压排序，如果电流方向为流入SM模块的电容，即为SM模块的电容充电，则选择SM模块的电容电压最低的SM模块导通；如果电流方向为SM模块的电容，即为SM模块的电容放电，则选择SM模块的电容电压最高的SM模块导通。

Claims (3)

1.一种三相串联半H桥型模块化多电平直流换流器，其特征在于，包括3m个串联的单相半H桥型MMC及分别与3m个串联的单相半H桥型MMC连接的3m个单相变压器，m为正整数；所述单相半H桥型MMC包括：上SM桥臂、下SM桥臂、第一电感、第二电感、第一电容、第二电容，所述上SM桥臂、所述第一电感、所述第二电感、所述下SM桥臂依次串联并与串联的所述第一电容和所述第二电容并联，第一电感与第二电感相同，第一电容与第二电容相同；所述上SM桥臂及所述下SM桥臂均包括若干个串联的SM模块，所述上SM桥臂及所述下SM桥臂包括的SM模块的数目相同；所述单相变压器的二次侧的一端分别连接所述第一电感及所述第二电感，所述单相变压器的二次侧的另一端分别连接所述第一电容及所述第二电容，所述3m个单相变压器中，每3个单相变压器为一组，同一组内的3个单相变压器一次侧采用三角形接线或星形中性点不接地接线。

2.根据权利要求1所述的一种三相串联半H桥型模块化多电平直流换流器，其特征在于，所述SM模块为半桥型模块HBSM、全桥型模块FBSM或箝位双子模块CDSM。

3.权利要求1或2所述的三相串联半H桥型模块化多电平直流换流器的控制方法，其特征在于，具体步骤包括：

(1)设定上SM桥臂的参考电压为：设定下SM桥臂的参考电压为：u_ref为换流器的参考电压，U_d为换流器的直流侧电压；

(2)通过最近电平逼近调制法或正弦载波叠加方法得到每个单相半H桥型MMC的上SM桥臂及下SM桥臂需要导通的SM模块数目；

(3)对每个单相半H桥型MMC的上SM桥臂及下SM桥臂中所有SM模块的电容电压排序，如果电流方向为流入SM模块的电容，即为SM模块的电容充电，则选择SM模块的电容电压最低的SM模块导通；如果电流方向为SM模块的电容，即为SM模块的电容放电，则选择SM模块的电容电压最高的SM模块导通。