CN105897019A - 一种基于等式约束的mmc自均压拓扑 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于等式约束的MMC自均压拓扑。MMC自均压拓扑，由MMC拓扑和自均压辅助电路联合构建。MMC拓扑可以由半桥子模块、全桥子模块、半全桥子模块混合等形式，自均压辅助电路由二极管、导线组成，通过相应的联结方式与MMC拓扑构成基于等式约束的MMC自均压拓扑。该MMC自均压拓扑，不依赖于排序均压控制，对于各桥臂的第i个子模块，i的取值为1～N，根据桥臂电流方向，按照i的序号越大，越优先充电，i的序号越小，越优先放电的原则进行子模块投入切除操作，以保证每一桥臂下方的子模块电容电压不低于上方子模块，再通过自均压辅助电路的作用便能够在完成交直流能量转换的基础上，实现子模块电容电压的均衡。
Description
技术领域
本发明涉及柔性直流输电领域，具体涉及一种基于等式约束的MMC自均压拓扑。
背景技术
模块化多电平换流器MMC是未来直流输电技术的发展方向，MMC采用子模块(Sub-module，SM)级联的方式构造换流阀，避免了大量器件的直接串联，降低了对器件一致性的要求，同时便于扩容及冗余配置。随着电平数的升高，输出波形接近正弦，能有效避开低电平VSC-HVDC的缺陷。
半桥MMC由半桥子模块组合而成，半桥子模块由2个IGBT模块，1个子模块电容，1个晶闸管及1个机械开关构成，成本低，运行损耗小。
与两电平、三电平VSC不同，半桥MMC的直流侧电压并非由一个大电容支撑，而是由一系列相互独立的悬浮子模块电容串联支撑。为了保证交流侧电压输出的波形质量和保证模块中各功率半导体器件承受相同的应力，也为了更好的支撑直流电压，减小相间环流，必须保证子模块电容电压在桥臂功率的周期性流动中处在动态稳定的状态。
基于电容电压排序的排序均压算法是目前解决半桥MMC中半桥子模块电容电压均衡问题的主流思路，这一方案良好的均压效果在仿真和实践中都能得到验证，但是也在不断地暴露着它的一些固有缺陷。首先，排序功能的实现必须依赖电容电压的毫秒级采样，需要大量的传感器以及光纤通道加以配合；其次，当半桥子模块数目增加时，电容电压排序的运算量迅速增大，为控制器的硬件设计带来巨大挑战；此外，排序均压算法的实现对子模块的开断频率有很高的要求，开断频率与均压效果紧密相关，在实际过程中，可能因为均压效果的限制，不得不提高子模块的触发频率，进而带来换流器损耗的增加。
文献 “A DC-Link Voltage Self-Balance Method
for a Diode-Clamped Modular Multilevel Converter With Minimum Number of Voltage
Sensors”，提出了一种依靠钳位二极管和变压器来实现MMC子模块电容电压均衡的思路。但该方案从一定程度破坏了子模块的模块化特性，引入的变压器使得造价较高、损耗较大，可靠性降低，从一定程度上加大了***的改造难度。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种经济的、不依赖排序均压的MMC自均压拓扑。
本发明具体的构成方式如下。
一种基于等式约束的MMC自均压拓扑，包括由A、B、C三相构成的MMC拓扑和自均压辅助电路，MMC的A、B、C三相分别由2N个子模块，2个桥臂电抗器串联而成；A、B、C三相的自均压辅助电路分别包含2N-1个钳位二极管。
上述基于等式约束的MMC自均压拓扑，MMC拓扑可以由半桥子模块、全桥子模块或半全桥子模块混合组成；当采用半桥子模块时：A相上桥臂的第1个子模块，其子模块电容负极向下与A相上桥臂的第2个子模块的两个IGBT连接中点相连接,其子模块的两个IGBT连接中点向上与直流母线正极相连接； A相上桥臂的第i个子模块，其中i的取值为2～N-1，其子模块电容负极向下与A相上桥臂的第i+1个子模块的两个IGBT连接中点相连接,其子模块的两个IGBT连接中点向上与A相上桥臂的第i-1个子模块电容负极相连接；A相上桥臂的第N个子模块，其子模块电容负极向下经两个桥臂电抗器与A相下桥臂的第1个子模块的两个IGBT连接中点相连接，其子模块的两个IGBT连接中点向上与A相上桥臂的第N-1个子模块电容负极相连接；A相下桥臂的第i个子模块，其中i的取值为2～N-1，其子模块电容负极向下与A相下桥臂的第i+1个子模块的两个IGBT连接中点相连接，其子模块的两个IGBT连接中点向上与A相下桥臂的第i-1个子模块电容负极相连接；A相下桥臂的第N个子模块，其子模块电容负极向下与直流母线负极相连接，其子模块的两个IGBT连接中点向上与A相下桥臂的第N-1个子模块电容负极相连接；B相、C相的连接方式与A相类似；当采用全桥子模块时：A相上桥臂的第1个子模块，其外侧的两个IGBT模块连接点与直流母线正极连接，内侧的两个IGBT模块的连接点向下与A相上桥臂的第2个子模块的外侧的两个IGBT模块的连接点相连接；A相上桥臂的第i个子模块，其中i的取值为2～N-1，其外侧的两个IGBT模块的连接点向上与A相上桥臂的第i-1个子模块的内侧的两个IGBT模块的连接点相连接，内侧的两个IGBT模块的连接点向下与A相上桥臂的第i+1个子模块的外侧的两个IGBT模块的连接点相连接；A相上桥臂的第N个子模块，其外侧的两个IGBT模块的连接点向上与A相上桥臂的第N-1个子模块的内侧的两个IGBT模块的连接点相连接，内侧的两个IGBT模块的连接点向下经两个桥臂电抗器与A相下桥臂的第1个子模块的外侧的两个IGBT模块的连接点相连接；A相下桥臂的第i个子模块，其中i的取值为2～N-1，与A相上桥臂对应的子模块连接方式一样；A相下桥臂的第N个子模块，其外侧的两个IGBT模块的连接点向上与A相上桥臂的第N-1个子模块的内侧的两个IGBT模块的连接点相连接，内侧的两个IGBT模块的连接点向下直流母线负极相连接；半全桥混合MMC的连接方式为这两种拓扑串联起来。
上述基于等式约束的MMC自均压拓扑，自均压辅助电路将相内上下桥臂的相邻子模块电容正极通过二极管连接起来，二极管正向导通的方向与子模块电容电压从正极到负极的方向相反。二极管与电容之间可以加一个机械开关，在该模块故障时将机械开关打开，以隔离故障子模块。
附图说明
图1是半桥MMC自均压拓扑；
图2是全桥MMC自均压拓扑；
图3是半全桥混合MMC自均压拓扑。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
参考图1，一种基于等式约束的MMC自均压拓扑，包括由A、B、C三相构成的MMC拓扑和自均压辅助电路，MMC的A、B、C三相分别由2N个子模块，2个桥臂电抗器串联而成；A、B、C三相的自均压辅助电路分别包含2N-1个钳位二极管。图中的其他开关的作用是子模块发生故障时切除该模块。
对该自均压拓扑的触发方式分为两种，第一种是：对于各桥臂的第i个子模块，i的取值为1～N，按照i的序号越大，越优先充电的原则进行子模块投入切除操作：定义直流母线正极方向为上方，负极方向为下方；对于半桥MMC拓扑，在桥臂电流方向为正的时候，根据需要投入的子模块个数，优先从桥臂的下部的子模块开始投入，从桥臂上部的子模块开始切除；在桥臂电流方向为负的时候，优先从桥臂的上部的子模块开始投入，从桥臂下部的子模块开始切除；在触发时制定两种投入、切除规则，根据桥臂电流方向做相应的切换即可实现上述投入切除要求；在自均压辅助电路的作用下，以相邻的两个子模块为例：当下部的子模块处于切除状态时，如果电容电压高于上部相邻的子模块，那么这两个相邻子模块的电容正极之间的二极管将会导通，这两个电容此时等效于并联状态，直到上部的子模块电容电压不低于下部的子模块电容电压，这种每相子模块内部的自行均压的作用可以达到下部的子模块电容电压不大于其上部相邻的子模块电容电压的效果，再结合下层子模块优先充电的的触发逻辑，即可实现自均压；此触发方式下的A相上下桥臂子模块电容电压在自均压电路的作用下，满足下列约束： U C au_1≥U C au_2…≥U C au_N ≥U C al_1≥U C al_2…≥U C al_N ；考虑到按照i的序号越大，越优先充电的原则进行子模块投入切除操作，这样就能保证：U C au_1≤U C au_2…≤U C au_N ，U C al_1≤U C al_2…≤U C al_N ，从而得到U C au_1=U C au_2…=U C au_N ，U C al_1=U C al_2…=U C al_N ；由于上下桥臂同时投入的子模块数目是N，等效于这N个子模块电容直接串联在直流母线上，所以这N个子模块电容电压之和与直流母线电压相等，由于每个工频周期内都有一次上或下桥臂全部投入的情况，结合上面所述的约束条件，得到该等式约束：U C au_1=U C au_2…=U C au_N =U C al_1=U C al_2…=U C al_N ；从而实现各个子模块之间的电容电压均衡；B、C相的自均压约束条件与A相的一致。
第二种是：对各个子模块触发的时候相隔若干个子模块进行触发，当桥臂电流为正的时候，根据需要投入的子模块数量，先投入桥臂最下方的子模块，然后再投入与其相隔若干个的子模块，依此类推直到将该桥臂的第一个子模块投入运行，相隔子模块的数量随着投入运行的子模块的数量增大而逐渐减少，然后再按照子模块序号从大到小的顺序投入其余子模块，切除的时候优先切除第一个子模块，然后再切除与其相隔若干个的子模块，直到将最后一个子模块切除后再按照子模块序号从小到大的顺序切除其余的子模块；当桥臂电流为负的时候，根据需要投入的子模块数量，先投入桥臂最上方的子模块，然后再投入与其相隔若干个的子模块，依此类推直到将该桥臂的最后一个子模块投入运行，相隔子模块的数量随着投入运行的子模块的数量增大而逐渐减少，然后再按照子模块序号从小到大的顺序投入其余子模块，切除的时候优先切除最后一个子模块，然后再切除与其相隔若干个的子模块，直到将第一个子模块切除后再按照子模块序号从大到小的顺序切除其余的子模块；对于最后一个子模块可采取附加隔离电源的方式对其进行稳压控制。
对于图2所示的全桥或图3所示的半全桥混合MMC，在不考虑全桥子模块负投入的时候，投入和切除规则以及自均压原理与半桥MMC的一致，由于全桥负投入的时候无法进行自均压，所以在全桥负投入时将开关管T断开，以隔离自均压辅助电路。
最后应当说明的是：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。
Claims (5)
1.一种基于等式约束的MMC自均压拓扑，其特征在于：由A、B、C三相构成的MMC拓扑和自均压辅助电路组成，MMC的A、B、C三相分别由2N个子模块，2个桥臂电抗器串联而成；A、B、C三相的自均压辅助电路各包含2N-1个钳位二极管。
2.根据权利要求1所述的一种基于等式约束的MMC自均压拓扑，其特征在于：由A、B、C三相构成的MMC拓扑可由半桥、全桥、半全桥混合等形式组成。
3.根据权利要求1所述的基于等式约束的MMC自均压拓扑，其特征在于：自均压辅助电路将每一相的相邻子模块电容正极通过二极管连接起来，二极管正向导通的方向与子模块电容电压由正极到负极的方向相反。
4.根据权利要求1所述的一种基于等式约束的MMC自均压拓扑，其特征在于：对子模块的触发方式分为两种，第一种是：对于各桥臂的第i个子模块，i的取值为1～N，当桥臂电流为正的时候，制定一种触发逻辑，按照i的序号越大，越优先投入，i的序号越小，越优先切除原则进行触发；当桥臂电流为负的时候，制定一种触发逻辑，按照i的序号越大，越优先切除，i的序号越小，越优先投入原则进行触发；这里对桥臂电流为正的定义是当子模块投入运行时，子模块电容处于充电状态，桥臂电流为负的定义是当子模块投入运行时，子模块电容处于放电状态；第二种是：对各个子模块触发的时候相隔若干个子模块进行触发，当桥臂电流为正的时候，根据需要投入的子模块数量，先投入桥臂最下方的子模块，然后再投入与其相隔若干个的子模块，依此类推直到将该桥臂的第一个子模块投入运行，相隔子模块的数量随着投入运行的子模块的数量增大而逐渐减少，然后再按照子模块序号从大到小的顺序投入其余子模块，切除的时候优先切除第一个子模块，然后再切除与其相隔若干个的子模块，直到将最后一个子模块切除后再按照子模块序号从小到大的顺序切除其余的子模块；当桥臂电流为负的时候，根据需要投入的子模块数量，先投入桥臂最上方的子模块，然后再投入与其相隔若干个的子模块，依此类推直到将该桥臂的最后一个子模块投入运行，相隔子模块的数量随着投入运行的子模块的数量增大而逐渐减少，然后再按照子模块序号从小到大的顺序投入其余子模块，切除的时候优先切除最后一个子模块，然后再切除与其相隔若干个的子模块，直到将第一个子模块切除后再按照子模块序号从大到小的顺序切除其余的子模块；对于最后一个子模块可采取附加隔离电源的方式对其进行稳压控制。
5.根据权利要求1所述的一种基于等式约束的MMC自均压拓扑，其特征在于：采用触发方式一的时候，各个子模块投入、旁路过程中，A相上下桥臂子模块电容电压在自均压电路的作用下，满足下列约束： U C au_1≥U C au_2…≥U C au_N ≥U C al_1≥U C al_2…≥U C al_N ；考虑到按照i的序号越大，越优先充电的原则进行子模块投入切除操作：U C au_1≤U C au_2…≤U C au_N ，U C al_1≤U C al_2…≤U C al_N ，得到U C au_1=U C au_2…=U C au_N ，U C al_1=U C al_2…=U C al_N ；由于上下桥臂同时投入的子模块数目是N，等效于这N个子模块电容直接串联在直流母线上，所以这N个子模块电容电压之和与直流母线电压相等，由于每个工频周期内都有一次上或下桥臂全部投入的情况，结合上面所述的约束条件，得到该等式约束：U C au_1=U C au_2…=U C au_N =U C al_1=U C al_2…=U C al_N ；从而实现各个子模块之间的电容电压均衡；B、C相的自均压机理与A相的相同。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20160824 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |