CN105978375B

CN105978375B - 适用于远距离大容量架空线输电的交叉型子模块及其mmc控制方法

Info

Publication number: CN105978375B
Application number: CN201610463228.3A
Authority: CN
Inventors: 徐政; 刘高任; 张哲任; 肖亮
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2016-06-21
Filing date: 2016-06-21
Publication date: 2018-07-24
Anticipated expiration: 2036-06-21
Also published as: CN105978375A

Abstract

本发明公开了一种适用于远距离大容量架空线输电的交叉型子模块及其MMC控制方法，该子模块由六个功率开关以及四个电容组成，可分别输出4电平、0电平以及‑2电平，具有较强的经济性，可在保证直流故障自清除能力的基础上为换流器提供更广泛的运行范围，尤其适用于电压等级高、输送容量大、采用架空线路传输的柔性直流输电***。由本发明子模块构成的MMC具有直流故障自清除能力，能够快速有效地处理直流故障，减少故障对MMC以及整个交直流***的影响。

Description

适用于远距离大容量架空线输电的交叉型子模块及其MMC控制方法

技术领域

本发明属于电力电子***技术领域，具体涉及一种适用于远距离大容量架空线输电的交叉型子模块及其MMC控制方法。

背景技术

基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)的高压直流输电是目前学术研究的热点。MMC拓扑采用子模块(sub module，SM)级联的方式构成，避免了大量开关器件直接串联，不存在一致触发等问题。此外，该拓扑还具有交流电压谐波畸变率低、易于封装维护、开关器件承受电气应力小、开关损耗低等优点。

如何有效处理直流故障是关乎柔性直流输电技术发展的关键性技术难题。在现有MMC-HVDC工程中，MMC多由半桥子模块(half-bridge sub-module，HBSM)构成。虽然HBSM具有较好的经济性，但其并不具备直流故障自清除能力。当***发生直流短路故障时，HBSM中的反并联二极管将为短路电流提供流通路径，因此***无法通过闭锁换流器来切断故障电流。由于适用于高压大功率场合的直流断路器还未达到商业化应用的水平，因此在实际工程中直流线路只能采用故障率低，但造价昂贵的直流电缆。在远距离大容量直流输电工程中，这种方式无疑将大幅提升工程的整体造价，影响其经济效益。

为了有效解决上述技术问题，学界及工业界提出了多种具有直流故障自清除能力的子模块拓扑，其中以全桥子模块(full-bridge sub-module，FBSM)和箝位双子模块(clamp double sub-module，CDSM)最为成熟。当***直流侧发生短路故障时，子模块将快速闭锁。此时，桥臂将通过子模块电容建立反向电压，从而使故障电流下降至零，以达到快速清除直流故障的目的。

但这两种子模块的缺点在于，其设备成本和运行损耗均高于HBSM。在同等情况，FBSM需要电力电子器件数量为HBSM的两倍，其运行损耗也将增加约100％。CDSM相较于FBSM在经济性上有较大提升，然而受限于知识产权问题，该拓扑在我国暂时无法得到商业化应用，这大大制约了我国柔性直流输电事业的发展。此外，受限于现有制造工艺，单个子模块的功率传输能力较小。实际工程中，为了实现较高的电压等级与传输能力，每桥臂串联的子模块数量将达到数百个，这对***的调制策略与控制器性能均提出了较高要求。因此，研究一种具有较强经济性，且更适用于高压大容量输电场合的子模块拓扑具有十分重要的工程价值和实际意义。

发明内容

本发明提出了一种适用于远距离大容量架空线输电的交叉型子模块(cross-connected sub-module，CCSM)及其MMC控制方法，该子模块可分别输出4电平、0电平以及-2电平，具有较强的经济性，可在保证直流故障自清除能力的基础上为换流器提供更广泛的运行范围，尤其适用于电压等级高、输送容量大、采用架空线路传输的柔性直流输电***。

一种适用于远距离大容量架空线输电的交叉型子模块，包括六个功率开关S₁～S₆和四个电容C₁～C₄；其中：

电容C₁的正极端与功率开关S₂的负极端相连并构成所述交叉型子模块的高压端，电容C₁的负极端与功率开关S₁的正极端相连，功率开关S₁的负极端与电容C₂的正极端以及功率开关S₆的负极端相连，电容C₂的负极端与功率开关S₂的正极端以及功率开关S₅的正极端相连，功率开关S₅的负极端与电容C₃的正极端以及功率开关S₃的负极端相连，功率开关S₆的正极端与电容C₃的负极端以及功率开关S₄的正极端相连，功率开关S₄的负极端与电容C₄的正极端相连，电容C₄的负极端与功率开关S₃的正极端相连并构成所述交叉型子模块的低压端。

所述的功率开关S₁～S₆均由两个IGBT管T₁～T₂串联组成；其中，IGBT管T₁的发射极作为功率开关的正极端，IGBT管T₁的集电极与IGBT管T₂的发射极相连，IGBT管T₂的集电极作为功率开关的负极端，所述IGBT管T₁～T₂的基极均接收来自外部控制设备提供的开关控制信号；所述IGBT管T₁～T₂均反向并联有二极管。

所述的交叉型子模块具有三种运行模式：稳态运行模式、故障处理模式以及电容均压模式；其中：

稳态运行模式下交叉型子模块只输出4电平或0电平：当输出为4电平时，功率开关S₁、S₄、S₅开通，功率开关S₂、S₃、S₆关断；当输出为0电平时，功率开关S₂、S₃、S₅开通，功率开关S₁、S₄、S₆关断；

故障处理模式下交叉型子模块只输出4电平或-2电平且功率开关S₁～S₆均关断；当桥臂电流为正，则输出为4电平；当桥臂电流为负，则输出为-2电平；

电容均压模式下交叉型子模块只输出0电平且通过如下两种开关控制逻辑实现：一种方式使功率开关S₁、S₃、S₆开通，功率开关S₂、S₄、S₅关断；另一种方式使功率开关S₂、S₄、S₆开通，功率开关S₁、S₃、S₅关断。

采用上述交叉型子模块的MMC控制方法，如下：

首先，对于MMC的任一桥臂，利用最近电平逼近调制方法确定下一时刻该桥臂所需投入的电容数量N_C，使电容数量N_C与4相除并向下取整即得到当下一时刻所需投入的子模块个数N_C/4；

然后，计算桥臂每个子模块当前时刻的电容电压平均值U_ave并按电容电压平均值U_ave大小对桥臂所有子模块进行排序；所述的电容电压平均值U_ave即为当前时刻子模块内四个电容的电压平均值；

进而判断：若当前时刻桥臂电流为正，则在下一时刻对桥臂中电容电压平均值U_ave最小的N_C/4个子模块施加4电平触发信号，其余子模块施加0电平触发信号；若当前时刻桥臂电流为负，则在下一时刻对桥臂中电容电压平均值U_ave最大的N_C/4个子模块施加4电平触发信号，其余子模块施加0电平触发信号。

所述4电平触发信号对应的开关控制逻辑为：功率开关S₁、S₄、S₅开通，功率开关S₂、S₃、S₆关断；所述0电平触发信号对应有如下三套开关控制逻辑：

模式1：功率开关S₂、S₃、S₅开通，功率开关S₁、S₄、S₆关断；

模式2：功率开关S₁、S₃、S₆开通，功率开关S₂、S₄、S₅关断；

模式3：功率开关S₂、S₄、S₆开通，功率开关S₁、S₃、S₅关断。

对于下一时刻被施加0电平触发信号的任一子模块，计算当前时刻该子模块内电容C₁与C₃的电压差U_{diff_13}以及电容C₂与C₄的电压差U_{diff_24}；即U_{diff_13}＝U_C1-U_C3，U_{diff_24}＝U_C2-U_C4，U_C1～U_C4对应为当前时刻该子模块内电容C₁～C₄的电压值；进而判断以下四种情况：

(1)|U_{diff_13}|≥|U_{diff_24}|且当前时刻桥臂电流为正的情况下，首先判断|U_{diff_13}|＞ΔU_diff：若是，则进一步判断U_{diff_13}＞0；若否，则在下一时刻对该子模块采用对应模式1的开关控制逻辑；

判断U_{diff_13}＞0：若是，则进一步判断|U_{diff_24}|＞ΔU_diff；若否，则在下一时刻对该子模块采用对应模式2的开关控制逻辑；

判断|U_{diff_24}|＞ΔU_diff：若是，则进一步判断U_{diff_24}＞0；若否，则在下一时刻对该子模块采用对应模式1的开关控制逻辑；

判断U_{diff_24}＞0：若是，则在下一时刻对该子模块采用对应模式3的开关控制逻辑；若否，则在下一时刻对该子模块采用对应模式1的开关控制逻辑。

(2)|U_{diff_13}|≥|U_{diff_24}|且当前时刻桥臂电流为负的情况下，首先判断|U_{diff_13}|＞ΔU_diff：若是，则进一步判断U_{diff_13}＞0；若否，则在下一时刻对该子模块采用对应模式1的开关控制逻辑；

判断U_{diff_13}＞0：若是，则在下一时刻对该子模块采用对应模式2的开关控制逻辑；若否，则进一步判断|U_{diff_24}|＞ΔU_diff；

判断U_{diff_24}＞0：若是，则在下一时刻对该子模块采用对应模式1的开关控制逻辑；若否，则在下一时刻对该子模块采用对应模式3的开关控制逻辑。

(3)|U_{diff_13}|＜|U_{diff_24}|且当前时刻桥臂电流为正的情况下，首先判断|U_{diff_24}|＞ΔU_diff：若是，则进一步判断U_{diff_24}＞0；若否，则在下一时刻对该子模块采用对应模式1的开关控制逻辑；

判断U_{diff_24}＞0：若是，则在下一时刻对该子模块采用对应模式3的开关控制逻辑；若否，则进一步判断|U_{diff_13}|＞ΔU_diff；

判断|U_{diff_13}|＞ΔU_diff：若是，则进一步判断U_{diff_13}＞0；若否，则在下一时刻对该子模块采用对应模式1的开关控制逻辑；

判断U_{diff_13}＞0：若是，则在下一时刻对该子模块采用对应模式1的开关控制逻辑；若否，则在下一时刻对该子模块采用对应模式2的开关控制逻辑。

(4)|U_{diff_13}|＜|U_{diff_24}|且当前时刻桥臂电流为负的情况下，首先判断|U_{diff_24}|＞ΔU_diff：若是，则进一步判断U_{diff_24}＞0；若否，则在下一时刻对该子模块采用对应模式1的开关控制逻辑；

判断U_{diff_24}＞0：若是，则进一步判断|U_{diff_13}|＞ΔU_diff；若否，则在下一时刻对该子模块采用对应模式3的开关控制逻辑；

判断U_{diff_13}＞0：若是，则在下一时刻对该子模块采用对应模式2的开关控制逻辑；若否，则在下一时刻对该子模块采用对应模式1的开关控制逻辑。

与现有技术相比，本发明子模块结构的有益技术效果如下：

(1)由本发明子模块构成的MMC具有直流故障自清除能力，能够快速有效地处理直流故障，减少故障对MMC以及整个交直流***的影响。

(2)本发明子模块CCSM与FBSM相比所需的电力电子器件数要少，运行损耗要低，经济性更强；与CDSM相比，CCSM所需IGBT的个数稍多，但所需二极管的数量较少，运行损耗相当；因此综合来看，CCSM具有跟CDSM相似的经济水平。

(3)本发明子模块最大能够输出四个电平，与HBSM输出1个电平和CDSM输出2个电平相比，相同电压等级的MMC中，本发明的子模块使用数最少，能够有效降低控制硬件和控制算法的复杂度。

附图说明

图1为本发明交叉型子模块的结构示意图。

图2(a)为本发明交叉型子模块4电平运行状态示意图。

图2(b)为本发明交叉型子模块0电平(模式1)运行的状态示意图。

图2(c)为本发明交叉型子模块闭锁状态下电流流向为A至B的状态示意图。

图2(d)为本发明交叉型子模块闭锁状态下电流流向为B至A的状态示意图。

图2(e)为本发明交叉型子模块0电平(模式2)运行的状态示意图。

图2(f)为本发明交叉型子模块0电平(模式3)运行的状态示意图。

图3为本发明MMC调制策略中计算所需投入电容数量的方法示意图。

图4为本发明MMC调制策略中计算所需投入子模块数量及输出电平的流程示意图。

图5为本发明MMC调制策略中根据子模块电容电压状态完成排序操作并产生触发信号的流程示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关原理进行详细说明。

如图1所示，本发明模块化多电平换流器的交叉型子模块结构，包含6个开关管S₁～S₄以及4个电容器C₁～C₄；其中：

电容C₁的正极端与开关管S₂的负极端相连并构成子模块结构的高压端，电容C₁的负极端与开关管S₁的正极端相连，开关管S₁的负极端与电容C₂的正极端以及开关管S₆的负极端相连，电容C₂的负极端与开关管S₂的正极端以及开关管S₅的正极端相连；开关管S₅的负极端与电容C₃的正极端以及开关管S₃的负极端相连，开关管S₆的正极端与电容C₃的负极端以及开关管S₄的正极端相连，开关管S₄的负极端与电容C₄的正极端相连，电容C₄的负极端与开关管S₃的正极端相连并构成子模块结构的低压端。

开关管S₁～S₆具有相同的内部结构，包含两个IGBT管T₁和T₂以及与其相并联的反向二极管D₁和D₂。其中，IGBT管T₁的发射极作为开关管的1号端，IGBT管T₁的集电极与IGBT管T₂的发射极相连，IGBT管T₂的集电极作为开关管的2号端。

正常运行时，子模块共有4种稳态运行状态以及2种闭锁运行状态，如表1所示：

表1

本发明交叉型子模块包含以下运行模式：

1.稳态运行模式：

稳态运行模式为子模块的基本运行方式；在此模式下，子模块只输出4电平或0电平(模式1)。

如图2(a)所示，当子模块输出状态为4电平时：S₁、S₄、S₅开通，S₂、S₃、S₆关断，电流将流经C₁、S₁、C₂、S₅、C₃、S₄以及C₄，此时子模块内4个电容将全部投入，子模块端口电压为4U_C。

如图2(b)所示，当子模块输出状态为0电平(模式1)时：S₂、S₃、S₅开通，S₁、S₄、S₆关断，电流将流经S₂、S₅以及S₃，此时子模块投入电容个数为0，子模块端口电压为0。

在此种运行方式下，每1个CCSM提供电压的能力与4个HBSM相当，因此可看作4个同开同断的HBSM的组合。4个HBSM可提供0、U_C、2U_C、3U_C、4U_C五种电平，而CCSM只可提供0、4U_C两种电平。在子模块数量较少的场合，其输出电压总谐波畸变率THD较高。因此，该子模块的适用场合为子模块数量较多的高压大容量柔性直流输电工程。

在4电平+0电平(模式1)的运行方式下，子模块内4个电容将同时投入或切除，流经各电容的电流在任意时刻均保持相等。因此，在电容量相差不大的情况下，可通过增加均压电阻等方式近似保证每个电容的电压值一致，无需引入额外的电容电压均衡策略。

2.故障处理模式：

直流侧发生短路故障后，换流器桥臂电流将迅速增加。当桥臂电流超过子模块安全阈值(如稳态运行电流的两倍)后，子模块将立即闭锁。闭锁状态下子模块的等值电路与电流方向密切相关。此模式下，所有IGBT全部关断。当电流为正时，如图2(c)所示，子模块端口电压为4U_C；当电流为负时，如图2(d)所示，子模块端口电压为-2U_C。

需要注意的是，当子模块运行在图2(d)所示方式时，4个电容中只有C₂、C₃投入电路，一方面吸纳直流网络能量，另一方面产生反向电势，阻隔交流***向故障点能量的馈入。一般情况下，C₂、C₃的电容电压将有所上升，而C₁、C₄的电容电压保持不变。因此，为了保证子模块内4个电容电压大致均衡，应在解除闭锁状态后采用相应的电容电压平衡策略，以防止产生器件过压等问题，影响子模块的使用寿命。

3.电容均压模式：

当直流故障发生、子模块闭锁后，子模块内C₂、C₃的电容电压将发生改变。此时可通过对子模块施加0电平(模式2或模式3)的方式，使4个电容的电压重新恢复均衡。

如图2(e)所示，0电平(模式2)中，S₁、S₃、S₆开通，S₂、S₄、S₅关断；如图2(f)所示，0电平(模式3)中，S₂、S₄、S₆开通，S₁、S₃、S₅关断。与模式1下的0电平不同，模式2或模式3下的0电平的实现原理不是旁路所有电容，而是投入一对电压反向的电容，0电平(模式2)中为C₁、C₃，0电平(模式3)中为C₂、C₄，以此来分别平衡C₁、C₃以及C₂、C₄间的电容电压。

若子模块经过闭锁操作后，C₂、C₃的电容电压同时变为U_C’，C₁、C₄的电容电压保持U_C不变。为了平衡这4个电容之间的电压，可先使子模块运行在0电平(模式2)下，若C₁、C₃的电容值近似相等，则C₁、C₃的电容电压将变为(U_C’+U_C)/2；接着，使子模块运行在0电平(模式3)下，则C₂、C₄的电容电压亦将变为(U_C’+U_C)/2。此时，子模块内四个电容的电压将重新恢复相等。

此外，可人为设定子模块电容电压平衡阈值ΔU_diff。若C₁、C₃或C₂、C₄间的电压偏差较小，没有超过阈值，则子模块无需进行均压操作，以降低控制策略的复杂程度。

基于以上运行模式的子模块调制策略如下：

(1)计算所需投入电容的数量。

此步骤与传统策略一致，如图3所示，首先计算出桥臂电压参考值U_{arm_ref}，之后与电容电压参考值U_{C_ref}相除，即可得出该时刻桥臂需投入的电容数量N_C。

(2)计算所需投入子模块数量及输出电平状态。

在稳态运行模式下，子模块只输出4电平以及0电平，因此其计算方式较为简单。只需用所需投入电容数量N_C与4相除并取整，即可得到4电平投入数量N₄。

(3)根据子模块电容电压状态完成排序操作，并产生触发信号。

此步骤的主要目的为：首先保证各子模块间电容能量总和大致均等，其次促进子模块内各电容能量大致均等。

对于第一个目的，其主要实现手段为控制其是否投入。若子模块输出状态为4电平，则子模块内4个电容都将根据电流方向的不同进行充电或放电；若子模块输出状态为0电平，则子模块内4个电容能量总和不变。在投切操作时，首先求出每个子模块内4个电容电压的平均值U_ave，并对各个子模块的U_ave进行排序。假设某一时刻所需的4电平投入数为N₄，若桥臂电流为正，则应按照U_ave从低到高的顺序，对前N₄个子模块施加4电平触发信号，对其余子模块施加0电平触发信号。反之，若桥臂电流为负，则应按照U_ave从高到低的顺序，对前N₄个子模块施加4电平触发信号，对其余子模块施加0电平触发信号；具体流程如图4所示。

对于第二点目的，其主要实现手段为控制其0电平的输出模式。定义C₁与C₃之间电压差为U_{diff_13}，C₂与C₄之间电压差为U_{diff_24}。假设U_{diff_13}的绝对值大于U_{diff_24}的绝对值，且超过了人为设定的电压平衡阈值ΔU_diff，则应首先考虑C₁与C₃之间的平衡。若桥臂电流为正，则首先考察U_{diff_13}是否大于0，若C₁的电压小于C₃的电压，则子模块输出状态应为0电平(模式2)。反之，若C₁的电压大于C₃的电压，则不应考虑0电平(模式2)，否则C₁将充电、C₃将放电，电容之间的电压差将继续增大。此时考察U_{diff_24}的大小，若C₂的电压大于C₄的电压，且超过了人为设定的电压平衡阈值ΔU_diff，则子模块输出状态应为0电平(模式3)；否则，子模块输出状态应为0电平(模式1)。具体流程如图5所示。

上述的对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种适用于远距离大容量架空线输电的交叉型子模块，其特征在于：包括六个功率开关S₁～S₆和四个电容C₁～C₄；其中：

电容C₁的正极端与功率开关S₂的负极端相连并构成所述交叉型子模块的高压端，电容C₁的负极端与功率开关S₁的正极端相连，功率开关S₁的负极端与电容C₂的正极端以及功率开关S₆的负极端相连，电容C₂的负极端与功率开关S₂的正极端以及功率开关S₅的正极端相连，功率开关S₅的负极端与电容C₃的正极端以及功率开关S₃的负极端相连，功率开关S₆的正极端与电容C₃的负极端以及功率开关S₄的正极端相连，功率开关S₄的负极端与电容C₄的正极端相连，电容C₄的负极端与功率开关S₃的正极端相连并构成所述交叉型子模块的低压端；

2.根据权利要求1所述的交叉型子模块，其特征在于：所述的功率开关S₁～S₆均由两个IGBT管T₁～T₂串联组成；其中，IGBT管T₁的发射极作为功率开关的正极端，IGBT管T₁的集电极与IGBT管T₂的发射极相连，IGBT管T₂的集电极作为功率开关的负极端，所述IGBT管T₁～T₂的基极均接收来自外部控制设备提供的开关控制信号；所述IGBT管T₁～T₂均反向并联有二极管。

3.一种采用如权利要求1所述交叉型子模块的MMC控制方法，其特征在于：

4.根据权利要求3所述的MMC控制方法，其特征在于：所述4电平触发信号对应的开关控制逻辑为：功率开关S₁、S₄、S₅开通，功率开关S₂、S₃、S₆关断；所述0电平触发信号对应有如下三套开关控制逻辑：

5.根据权利要求4所述的MMC控制方法，其特征在于：对于下一时刻被施加0电平触发信号的任一子模块，计算当前时刻该子模块内电容C₁与C₃的电压差U_{diff_13}以及电容C₂与C₄的电压差U_{diff_24}；即U_{diff_13}＝U_C1-U_C3，U_{diff_24}＝U_C2-U_C4，U_C1～U_C4对应为当前时刻该子模块内电容C₁～C₄的电压值；进而判断以下四种情况：

判断U_{diff_24}＞0：若是，则在下一时刻对该子模块采用对应模式3的开关控制逻辑；若否，则在下一时刻对该子模块采用对应模式1的开关控制逻辑；

判断U_{diff_24}＞0：若是，则在下一时刻对该子模块采用对应模式1的开关控制逻辑；若否，则在下一时刻对该子模块采用对应模式3的开关控制逻辑；

判断U_{diff_13}＞0：若是，则在下一时刻对该子模块采用对应模式1的开关控制逻辑；若否，则在下一时刻对该子模块采用对应模式2的开关控制逻辑；