CN109510492A - 一种基于桥臂分叉结构的双输出mmc拓扑 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于桥臂分叉结构的双输出MMC拓扑，包括三相桥臂，每个桥臂均由上桥臂和下桥臂构成，上桥臂和下桥臂均由共用桥臂组和独立桥臂组构成，共用桥臂组内包含一个子桥臂，独立桥臂组内包含两个子桥臂。本发明提出的MMC拓扑具备模块化、多端口的特点，可用于连接多个电压等级相同的配电网，能够实现配电网重构，控制配电网中的有功、无功功率流动，优化潮流分布，以提高电能质量和供电可靠性。与基于背靠背结构的双输出MMC拓扑相比，本发明由于共用桥臂组的存在，其拓扑使用的子模块数量大幅减少，从而降低了装置的体积和***的成本。

Description

一种基于桥臂分叉结构的双输出MMC拓扑
技术领域
本发明属于电力电子应用中的中压配电网技术领域，具体涉及一种基于桥臂分叉结构的双输出MMC拓扑。
背景技术
配电网处在电力***的末端，承担着分配电能、服务电力用户的重任。随着用户对电能质量、供电可靠性等要求的不断提高，现有配电网越来越难以满足用电需求。当前配电网中仍存在很多问题，譬如配电网结构不合理，调控手段有限，限制了配电网的控制灵活性，配电网内非线性、冲击性负荷比重的不断增加，新能源渗透率的不断提升，降低了配电网的供电可靠性和电能质量，这些问题采用以常规开关为代表的传统调控手段难以得到解决，而柔性多状态开关是一种可行的解决方案。柔性多状态开关采用电力电子技术，与常规开关相比，增加了功率连续可控状态，兼具运行模式柔性切换、控制方式灵活多样等优点，可避免常规开关倒闸操作引起的供电中断、合环冲击等问题，并且可以缓解电压骤降、三相不平衡，促进馈线负载分配的均衡化和电能质量的改善。
应用于中压配电网场合中的柔性多状态开关采用MMC结构，发表于IEEETransactions on Industry Applications上的文献《A New Three-Phase AC/AC ModularMultilevel Converter with Six Branches in Hexagonal Configuration》提出了一种六边形模块化多电平变换器，该变换器虽然能够直接实现交交变换，但由于结构的缺陷，该电路中存在较大环流，给子模块悬浮电容的设计增加了负担，并且其控制器设计复杂，难于拓展到多端配电场合。
发表于中国电机工程学报上的文献《新的Y型大功率模块化多电平交交变流器及其控制策略》提出了一种Y型结构的模块化多电平变换器，该变换器也能直接实现交交变换，但其控制模型复杂，目标场合为低频输配电应用，不适用于多端配电场合。
发表于IECON 2015-41st Annual Conference of the IEEE IndustrialElectronics Society上的文献《A nine-arm modular multilevel converter(9A-MMC)for six-phase medium voltage motor drives》提出了一种九桥臂结构的模块化多电平变换器，该变换器的目标应用场合为六相电机的驱动，该变换器与常规MMC变换器相比，直流母线电压增加了0.5倍，因此对直流母线正负极之间的绝缘性能提出了更高的要求，而且该变换器不同交流端口的中性点电位不同，因而不能共地。
公开号为CN103762867B的中国专利提出了一种双输入三相九开关组MMC变换器，该变换器适用于多端配电场合，但该变换器不同交流端口的中性点电位不同，故不能共地，而且该变换器不同交流端口的电压等级不同，因此不适用于多个电压等级相同的交流端的配电；此外，该变换器的子模块数量由交流端口数量决定，不具备子模块数量可随不同交流端相位差灵活可调的特点。
发明内容
针对当前配电网中存在的问题和柔性多状态开关的优势，本发明提出了一种基于桥臂分叉结构的双输出MMC拓扑，该MMC拓扑具备模块化、多端口的特点，可用于连接多个电压等级相同的配电网，能够实现配电网重构，控制配电网中的有功、无功功率流动，优化潮流分布，以提高电能质量和供电可靠性。
一种基于桥臂分叉结构的双输出MMC拓扑，其为三相六桥臂结构，每个桥臂由靠近直流侧的共用桥臂组和靠近交流侧的独立桥臂组串联组成，所述独立桥臂组包含两个子桥臂A和B；任一桥臂中子桥臂A的一端与子桥臂B的一端并联后与共用桥臂组串联；任一相中上桥臂的子桥臂A另一端与下桥臂的子桥臂A另一端对应连接并形成该相的交流端口A，上桥臂的子桥臂B另一端与下桥臂的子桥臂B另一端对应连接并形成该相的交流端口B；三相交流端口A和三相交流端口B为MMC的两组交流输出。
进一步地，三相交流端口A的线电压为相位互差2π/3的三相电压，同样三相交流端口B的线电压也为相位互差2π/3的三相电压。
进一步地，所述共用桥臂组包含一个子桥臂，其由kN个半桥子模块级联而成，N为根据工程要求确定的单个桥臂子模块级联个数且为大于1的自然数，k为比例系数且为小于1的正实数。
进一步地，所述子桥臂A或B由(1-k)N个半桥子模块和一个桥臂电感级联而成，桥臂电感另一端与共用桥臂组相连。
进一步地，所述半桥子模块由两个功率开关S1～S2和一个悬浮电容C构成，功率开关S1的一端与悬浮电容C的一端相连，功率开关S1的另一端与功率开关S2的一端相连并作为半桥子模块的连接端口A，悬浮电容C的另一端与功率开关S2的另一端相连并作为半桥子模块的连接端口B，两个功率开关S1～S2的控制端接外部设备提供的开关信号。
进一步地，所述功率开关S1～S2采用带反向并联二极管的IGBT。
进一步地，任一相中上桥臂的共用桥臂组的一端与MMC正极直流母线相连，另一端与上桥臂的独立桥臂组相连；下桥臂的共用桥臂组的一端与MMC负极直流母线相连，另一端与下桥臂的独立桥臂组相连。
进一步地，当MMC工作在逆变模式下，共用桥臂组可同时调节三相交流端口A和三相交流端口B的输出电压，独立桥臂组内的子桥臂A只能对三相交流端口A的输出电压进行调节，子桥臂B只能对三相交流端口B的输出电压进行调节。
进一步地，所述MMC的目标应用场合为电压等级相同、相位差不超过π/6的两个交流电网配电。
基于上述技术方案，本发明具有以下有益技术效果：
(1)本发明提出的基于桥臂分叉结构的双输出MMC拓扑，共用桥臂组中的子模块为两个交流端的共用子模块，与基于背靠背结构的双输出MMC拓扑相比，本发明拓扑所需子模块数量由12N减为(12-6k)N，子模块数量大幅减少，从而减少了装置的体积，降低了***的成本。
(2)本发明根据应用场合中的电压幅度调制比和装置体积需求，减小共用子桥臂的子模块数量系数k，该拓扑可适用于交流输出端相位差超过π/6的配电场合。
(3)本发明通过增加独立桥臂组中独立子桥臂的数量，可增加交流端口数量，因此该拓扑可拓展到具有多个交流输出端的配电场合。
附图说明
图1为本发明提出的双输出MMC拓扑电路结构示意图。
图2为半桥子模块的结构示意图。
图3为本发明提出的双输出MMC拓扑的原理示意图。
图4(a)为本发明提出的双输出MMC拓扑中两个交流输出端相位差时A相上桥臂中各子桥臂的调制信号波形图。
图4(b)为本发明提出的双输出MMC拓扑中两个交流输出端相位差时A相上桥臂中各子桥臂的调制信号波形图。
图4(c)为本发明提出的双输出MMC拓扑中两个交流输出端相位差时A相上桥臂中各子桥臂的调制信号波形图。
图5(a)为本发明提出的双输出MMC拓扑中两个交流输出端相位差时***中各信号的仿真波形图。
图5(b)为本发明提出的双输出MMC拓扑中两个交流输出端相位差时***中各信号的仿真波形图。
图5(c)为本发明提出的双输出MMC拓扑中两个交流输出端相位差时***中各信号的仿真波形图。
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工作原理进行详细说明。
如图1所示，本发明基于桥臂分叉结构的双输出MMC拓扑，其主电路包括由A、B、C三相桥臂、直流母线以及两个交流端口构成的MMC电路结构，每个桥臂由上桥臂和下桥臂构成，上桥臂和下桥臂包含两部分：第一部分为共用桥臂组，由一个子桥臂(子桥臂0)构成；第二部分为独立桥臂组，由两个子桥臂(子桥臂1、子桥臂2)构成；U相、V相、W相的线电压为相位互差2π/3的三相电压，构成MMC的第1交流端；X相、Y相、W相的线电压为相位互差2π/3的三相电压，构成MMC的第2交流端；直流母线与共用桥臂组连接，交流端与独立桥臂组连接，共用桥臂组内子桥臂和独立桥臂组内子桥臂形成了分叉结构。
共用桥臂组内的每个子桥臂包含kN个子模块，独立桥臂组内的每个子桥臂包含(1-k)N子模块和1个桥臂电感；其中，k为共用子桥臂的子模块数量比例系数，取值范围为[0,1)，N为一个共用子桥臂和一个独立子桥臂的子模块总量。
本实施方式中子模块均为半桥结构，如图2所示，包括第一开关管S1、第二开关管S2、第一二极管D1、第二二极管D2和悬浮电容C；其中，悬浮电容C正极和第一开关管S1集电极、第一二极管D1阴极连接，悬浮电容C负极和第二开关管S2发射极、第二二极管D2阳极连接，第一开关管S1发射极和第一二极管D1阳极、第二开关管S2集电极、第二二极管D2阴极连接；子模块第一输出端由第二开关管S2的集电极引出，子模块第二输出端由第二开关管S2的发射极引出。
共用桥臂组内，子桥臂的第i个子模块的第一输出端与第(i-1)个子模块的第二输出端连接，第i个子模块的第二输出端与第(i+1)个子模块的第一输出端连接，其中i的取值为2,3,…,kN-1；独立子桥臂内，子桥臂的第j个子模块的第一输出端与第(j-1)个子模块的第二输出端连接，第j个子模块的第二输出端与第(j+1)个子模块的第一输出端连接，其中j的取值为2,3,…,(1-k)N-1。上桥臂中，共用桥臂组的上端与直流母线正极连接，共用桥臂组的下端与独立桥臂组的上端连接，独立桥臂组的下端与交流端口连接；下桥臂中，共用桥臂组的下端与直流母线负极连接，共用桥臂组的上端与独立桥臂组的下端连接，独立桥臂组的上端与交流端口连接。
当本发明提出的MMC拓扑工作在逆变模式时，共用桥臂组内，子桥臂0可以同时调节第1交流端和第2交流端的输出电压，独立桥臂组内，子桥臂1只能对第1交流端的输出电压进行调节，子桥臂2只能对第2交流端的输出电压进行调节。
如图3所示，以A相桥臂为例，对本发明MMC拓扑中各电气量之间的关系进行分析。
令第1交流端中U相相电压为：
令第2交流端中X相相电压为：
其中：m为电压幅度调制比，Vdc为直流母线电压，ω为交流电压角频率，为第1交流端和第2交流端的相位差。
令第一调制波的表达式为：
根据基尔霍夫电压定律，得到第二调制波和第三调制波的表达式分别为：
下桥臂与上桥臂对称，因而可得第四调制波、第五调制波和第六调制波的表达式分别为：
调制波与载波比较，产生的开关管驱动信号根据电容电压平衡策略结果分配到各个子模块，所提出的调制方式可以保证在任意时刻下列关系式均满足：
在认为所有子模块功率开关管和悬浮电容一致性较好的前提下，可以保证该拓扑在工作过程中，所有功率开关管承受的电压应力相同。
图4(a)～图4(c)给出了当k＝0.5时，本发明提出的基于桥臂分叉结构的双输出MMC拓扑的调制信号；图4(a)、图4(b)、图4(c)分别为时，A相上桥臂中各子桥臂的调制信号波形。
图5(a)～图5(c)所示为本发明提出的基于桥臂分叉结构的双输出MMC拓扑在N＝20、Vdc＝20kV时的仿真波形图，第一交流端和第二交流端的线电压均为10kV；图5(a)、图5(b)、图5(c)分别为时的仿真结果，每幅波形图中，从上到下依次为交流端相电压、上桥臂中子桥臂电压、上桥臂中子桥臂电流。
由仿真结果可以看出，各子桥臂之间的电压关系与理论分析结果相符，本发明提出的基于桥臂分叉结构的双输出MMC拓扑适用于目标应用场合。
上述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 (9)

1.一种基于桥臂分叉结构的双输出MMC拓扑，为三相六桥臂结构，其特征在于：每个桥臂由靠近直流侧的共用桥臂组和靠近交流侧的独立桥臂组串联组成，所述独立桥臂组包含两个子桥臂A和B；任一桥臂中子桥臂A的一端与子桥臂B的一端并联后与共用桥臂组串联；任一相中上桥臂的子桥臂A另一端与下桥臂的子桥臂A另一端对应连接并形成该相的交流端口A，上桥臂的子桥臂B另一端与下桥臂的子桥臂B另一端对应连接并形成该相的交流端口B；三相交流端口A和三相交流端口B为MMC的两组交流输出。
2.根据权利要求1所述的双输出MMC拓扑，其特征在于：三相交流端口A的线电压为相位互差2π/3的三相电压，同样三相交流端口B的线电压也为相位互差2π/3的三相电压。
3.根据权利要求1所述的双输出MMC拓扑，其特征在于：所述共用桥臂组包含一个子桥臂，其由kN个半桥子模块级联而成，N为根据工程要求确定的单个桥臂子模块级联个数且为大于1的自然数，k为比例系数且为小于1的正实数。
4.根据权利要求3所述的双输出MMC拓扑，其特征在于：所述子桥臂A或B由(1-k)N个半桥子模块和一个桥臂电感级联而成，桥臂电感另一端与共用桥臂组相连。
5.根据权利要求3或4所述的双输出MMC拓扑，其特征在于：所述半桥子模块由两个功率开关S1～S2和一个悬浮电容C构成，功率开关S1的一端与悬浮电容C的一端相连，功率开关S1的另一端与功率开关S2的一端相连并作为半桥子模块的连接端口A，悬浮电容C的另一端与功率开关S2的另一端相连并作为半桥子模块的连接端口B，两个功率开关S1～S2的控制端接外部设备提供的开关信号。
6.根据权利要求5所述的双输出MMC拓扑，其特征在于：所述功率开关S1～S2采用带反向并联二极管的IGBT。
7.根据权利要求1所述的双输出MMC拓扑，其特征在于：任一相中上桥臂的共用桥臂组的一端与MMC正极直流母线相连，另一端与上桥臂的独立桥臂组相连；下桥臂的共用桥臂组的一端与MMC负极直流母线相连，另一端与下桥臂的独立桥臂组相连。
8.根据权利要求1所述的双输出MMC拓扑，其特征在于：当该MMC工作在逆变模式下，共用桥臂组可同时调节三相交流端口A和三相交流端口B的输出电压，独立桥臂组内的子桥臂A只能对三相交流端口A的输出电压进行调节，子桥臂B只能对三相交流端口B的输出电压进行调节。
9.根据权利要求1所述的双输出MMC拓扑，其特征在于：该MMC的目标应用场合为电压等级相同、相位差不超过π/6的两个交流电网配电。
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