基于不等式約束的輔助電容集中式全橋MMC自均壓拓?fù)涞闹谱鞣椒?

本實用新型涉及柔性輸電領(lǐng)域，具體涉及一種基于不等式約束的輔助電容集中式全橋MMC自均壓拓?fù)洹?/p>

背景技術(shù)：

模塊化多電平換流器MMC是未來直流輸電技術(shù)的發(fā)展方向，MMC采用子模塊(Sub-module，SM)級聯(lián)的方式構(gòu)造換流閥，避免了大量器件的直接串聯(lián)，降低了對器件一致性的要求，同時便于擴(kuò)容及冗余配置。隨著電平數(shù)的升高，輸出波形接近正弦，能有效避開低電平VSC-HVDC的缺陷。

全橋MMC由全橋子模塊組合而成，全橋子模塊由四個IGBT模塊，一個子模塊電容及1個機(jī)械開關(guān)構(gòu)成，運(yùn)行靈活，具有直流故障箝位能力。

與兩電平、三電平VSC不同，全橋MMC的直流側(cè)電壓并非由一個大電容支撐，而是由一系列相互獨立的懸浮子模塊電容串聯(lián)支撐。為了保證交流側(cè)電壓輸出的波形質(zhì)量和保證模塊中各功率半導(dǎo)體器件承受相同的應(yīng)力，也為了更好的支撐直流電壓，減小相間環(huán)流，必須保證子模塊電容電壓在橋臂功率的周期性流動中處在動態(tài)穩(wěn)定的狀態(tài)。

基于電容電壓排序的排序均壓算法是目前解決全橋MMC中子模塊電容電壓均衡問題的主流思路。但是，排序功能的實現(xiàn)必須依賴電容電壓的毫秒級采樣，需要大量的傳感器以及光纖通道加以配合；其次，當(dāng)子模塊數(shù)目增加時，電容電壓排序的運(yùn)算量迅速增大，為控制器的硬件設(shè)計帶來巨大挑戰(zhàn)；此外，排序均壓算法的實現(xiàn)對子模塊的開斷頻率有很高的要求，開斷頻率與均壓效果緊密相關(guān)，在實踐過程中，可能因為均壓效果的限制，不得不提高子模塊的觸發(fā)頻率，進(jìn)而帶來換流器損耗的增加。

文獻(xiàn)“A DC-Link Voltage Self-Balance Method for a Diode-Clamped Modular Multilevel Converter With Minimum Number of Voltage Sensors”，提出了一種依靠鉗位二極管和變壓器來實現(xiàn)MMC子模塊電容電壓均衡的思路。但該方案在設(shè)計上一定程度破壞了子模塊的模塊化特性，子模塊電容能量交換通道也局限在相內(nèi)，沒能充分利用MMC的既有結(jié)構(gòu)，三個變壓器的引入在使控制策略復(fù)雜化的同時也會帶來較大的改造成本。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本實用新型的目的在于提出一種經(jīng)濟(jì)的，模塊化的，不依賴均壓算法，同時能相應(yīng)降低子模塊觸發(fā)頻率和電容容值且具有直流故障箝位能力的全橋MMC自均壓拓?fù)洹?/p>

本實用新型具體的構(gòu)成方式如下。

基于不等式約束的輔助電容集中式全橋MMC自均壓拓?fù)?，包括由A、B、C三相構(gòu)成的全橋MMC模型，A、B、C三相每個橋臂分別由N個全橋子模塊及1個橋臂電抗器串聯(lián)而成；包括由6N個IGBT模塊，6N+7個箝位二極管，4個輔助電容，2個輔助IGBT模塊組成的自均壓輔助回路。

上述基于不等式約束的輔助電容集中式全橋MMC自均壓拓?fù)?，全橋MMC模型中，A相上橋臂的第1個子模塊，其一個IGBT模塊中點向上與直流母線正極相連接，另一個IGBT模塊中點向下與A相上橋臂的第2個子模塊一個IGBT模塊中點相連接；A相上橋臂的第i個子模塊，其中i的取值為2～N-1，其一個IGBT模塊中點向上與A相上橋臂的第i-1個子模塊一個IGBT模塊中點相連，另一個IGBT模塊中點向下與A相上橋臂的第i+1個子模塊一個IGBT模塊中點相連；A相上橋臂的第N個子模塊，其一個IGBT模塊中點向下經(jīng)兩個橋臂電抗器與A相下橋臂的第1個子模塊一個IGBT模塊中點相連接，另一個IGBT模塊中點向上與A相上橋臂的第N-1個子模塊一個IGBT模塊中點相連接；A相下橋臂的第i個子模塊，其中i的取值為2～N-1，其一個IGBT模塊中點向上與A相下橋臂的第i-1個子模塊一個IGBT模塊中點相連，另一個IGBT模塊中點向下與A相下橋臂的第i+1個子模塊一個IGBT模塊中點相連；A相下橋臂的第N個子模塊，其一個IGBT模塊中點向下與直流母線負(fù)極相連接，另一個IGBT模塊中點向上與A相下橋臂的第N-1個子模塊兩個IGBT模塊中點相連接。B相和C相上下橋臂子模塊的連接方式與A相一致。

上述基于不等式約束的輔助電容集中式全橋MMC自均壓拓?fù)?，自均壓輔助回路中，第一個輔助電容與第二個輔助電容通過箝位二極管并聯(lián)，第二個輔助電容正極連接輔助IGBT模塊，第一個輔助電容負(fù)極連接箝位二極管并入直流母線正極；第三個輔助電容與第四個輔助電容通過箝位二極管并聯(lián)，第三個輔助電容負(fù)極連接輔助IGBT模塊，第四個輔助電容正極連接箝位二極管并入直流母線負(fù)極。箝位二極管，通過IGBT模塊連接A相上橋臂中第1個子模塊電容與第一個輔助電容正極；通過IGBT模塊連接A相上橋臂中第i個子模塊電容與第i+1個子模塊電容正極，其中i的取值為1～N-1；通過IGBT模塊連接A相上橋臂中第N個子模塊電容與A相下橋臂第1個子模塊電容正極；通過IGBT模塊連接A相下橋臂中第i個子模塊電容與A相下橋臂第i+1個子模塊電容正極，其中i的取值為1～N-1；通過IGBT模塊連接A相下橋臂中第N個子模塊電容與第三個輔助電容正極。箝位二極管，通過IGBT模塊連接B相上橋臂中第1個子模塊電容與第二個輔助電容負(fù)極；通過IGBT模塊連接B相上橋臂中第i個子模塊電容與第i+1個子模塊電容負(fù)極，其中i的取值為1～N-1；通過IGBT模塊連接B相上橋臂中第N個子模塊電容與B相下橋臂第1個子模塊電容負(fù)極；通過IGBT模塊連接B相下橋臂中第i個子模塊電容與B相下橋臂第i+1個子模塊電容負(fù)極，其中i的取值為2～N-1；通過IGBT模塊連接B相下橋臂中第N個子模塊電容與第四個輔助電容負(fù)極。C相箝位二極管的連接關(guān)系與A相或B相一致。

附圖說明

圖1是全橋子模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是基于不等式約束的輔助電容集中式全橋MMC自均壓拓?fù)洹?/p>

具體實施方式

為進(jìn)一步闡述本實用新型的性能與工作原理，以下結(jié)合附圖對對實用新型的構(gòu)成方式與工作原理進(jìn)行具體說明。但基于該原理的全橋MMC自均壓拓?fù)洳幌抻趫D2。

參考圖2，基于不等式約束的輔助電容集中式全橋MMC自均壓拓?fù)?，包括由A、B、C三相構(gòu)成的全橋MMC模型，A、B、C三相每個橋臂分別由N個全橋子模塊及1個橋臂電抗器串聯(lián)而成，包括由6N個IGBT模塊，6N+7個箝位二極管，4個輔助電容，2個輔助IGBT模塊組成的自均壓輔助回路。

全橋MMC模型中，A相上橋臂的第1個子模塊，其一個IGBT模塊中點向上與直流母線正極相連接，另一個IGBT模塊中點向下與A相上橋臂的第2個子模塊一個IGBT模塊中點相連接；A相上橋臂的第i個子模塊，其中i的取值為2~N-1，其一個IGBT模塊中點向上與A相上橋臂的第i-1個子模塊一個IGBT模塊中點相連接，另一個IGBT模塊中點向下與A相上橋臂的第i+1個子模塊一個IGBT模塊中點相連接；A相上橋臂的第N個子模塊，其一個IGBT模塊中點向上與A相上橋臂的第N-1個子模塊一個IGBT模塊中點相連接，另一個IGBT模塊中點向下經(jīng)兩個橋臂電抗器L₀與A相下橋臂的第1個全橋子模塊一個IGBT模塊中點相連接；A相下橋臂的第i個子模塊，其中i的取值為2~N-1，其一個IGBT模塊中點向上與A相下橋臂的第i-1個子模塊一個IGBT模塊中點相連接，另一個IGBT模塊中點向下與A相下橋臂的第i+1個子模塊一個IGBT模塊中點相連接；A相下橋臂的第N個子模塊，其一個IGBT模塊中點向下與直流母線負(fù)極相連接，另一個IGBT模塊中點向上與A相下橋臂的第N-1個子模塊一個IGBT模塊中點相連接。B相和C相上下橋臂子模塊的連接方式與A相一致。

自均壓輔助回路中，輔助電容C₁與輔助電容C₂通過箝位二極管并聯(lián)，輔助電容C₂正極連接輔助IGBT模塊T₁，輔助電容C₁負(fù)極連接箝位二極管并入直流母線正極；輔助電容C₃與輔助電容C₄通過箝位二極管并聯(lián)，輔助電容C₃負(fù)極連接輔助IGBT模塊T₂，輔助電容C₄正極連接箝位二極管并入直流母線負(fù)極。箝位二極管，通過IGBT模塊T_{au_1}連接A相上橋臂中第1個子模塊電容C_{-au-_1}與輔助電容C₁正極；通過IGBT模塊T_{au_i}、T_{au_i+1}連接A相上橋臂中第i個子模塊電容C_{-au-_i}與第i+1個子模塊電容C-_{au-_i+1}正極，其中i的取值為1～N-1；通過IGBT模塊T_{au_N}、T_{al_1}連接A相上橋臂中第N個子模塊電容C-_{au-_N}與A相下橋臂第1個子模塊電容C-_{al-_1}正極；通過IGBT模塊T_{al_i}、T_{al_i+1}連接A相下橋臂中第i個子模塊電容C_{-al-_i}與A相下橋臂第i+1個子模塊電容C-_{al-_i+1}正極，其中i的取值為1～N-1；通過IGBT模塊T_{al_N}連接A相下橋臂中第N個子模塊電容C_{-al_N}與輔助電容C₃正極。箝位二極管，通過IGBT模塊T_{bu_1}連接B相上橋臂中第1個子模塊電容C-_{bu-_1}與輔助電容C₂負(fù)極；通過IGBT模塊T_{bu_i}、T_{bu_i+1}連接B相上橋臂中第i個子模塊電容C-_{bu-_i}與第i+1個子模塊電容C_{-bu-_i+1}負(fù)極，其中i的取值為1～N-1；通過IGBT模塊T_{bu_N}、T_{bl_1}連接B相上橋臂中第N個子模塊電容C-_{bu_N}與B相下橋臂第1個子模塊電容C-_{bl-_1}負(fù)極；通過IGBT模塊T_{bl_i}、T_{bl_i+1}連接B相下橋臂中第i個子模塊電容C-_{bl-_i}與B相下橋臂第i+1個子模塊電容C_{-bl-_i+1}負(fù)極，其中i的取值為1～N-1；通過IGBT模塊T_{bl_N}連接B相下橋臂中第N個子模塊電容C-_{bl-_N}與輔助電容C₄負(fù)極。C相中箝位二極管的連接關(guān)系與A相一致。

正常情況下，自均壓輔助回路中6N個IGBT模塊T_{au_i}、T_{al_i}、T_{bu_i}、T_{bl_i}、T_{cu_i}、T_{cl_i}常閉，其中i的取值為1～N，A相上橋臂第一個子模塊電容C_{au_1}旁路時，此時輔助IGBT模塊T₁斷開，子模塊電容C_{au_1}與輔助電容C₁通過箝位二極管并聯(lián)；A相上橋臂第i個子模塊電容C_{au_i}旁路時，其中i的取值為2～N，子模塊電容C_{au_i}與子模塊電容C_{au_i-1}通過箝位二極管并聯(lián)；A相下橋臂第一個子模塊電容C_{al_1}旁路時，子模塊電容C_{al_1}通過箝位二極管、兩個橋臂電抗器L₀與子模塊電容C_{au_N}并聯(lián)；A相下橋臂第i個子模塊電容C_{al_i}旁路時，其中i的取值為2～N，子模塊電容C_{al_i}與子模塊電容C_{al_i-1}通過箝位二極管并聯(lián)；輔助IGBT模塊T₂閉合時，輔助電容C₂通過箝位二極管與子模塊電容C_{al_N}并聯(lián)。

正常情況下，自均壓輔助回路中6N個IGBT模塊T_{au_i}、T_{al_i}、T_{bu_i}、T_{bl_i}、T_{cu_i}、T_{cl_i}常閉，其中i的取值為1～N，輔助IGBT模塊T₁閉合時，輔助電容C₂與子模塊電容C_{bu_1}通過箝位二極管并聯(lián)；B相上橋臂第i個子模塊電容C_{bu_i}旁路時，其中i的取值為1～N-1，子模塊電容C_{bu_i}與子模塊電容C_{bu_i+1}通過箝位二極管并聯(lián)；B相上橋臂第N個子模塊電容C_{bu_N}旁路時，子模塊電容C_{bu_N}通過箝位二極管、兩個橋臂電抗器L₀與子模塊電容C_{bl_1}并聯(lián)；B相下橋臂第i個子模塊電容C_{bl_i}旁路時，其中i的取值為1～N-1，子模塊電容C_{bl_i}與子模塊電容C_{bl_i+1}通過箝位二極管并聯(lián)；B相下橋臂第N個子模塊電容C_{bl_N}旁路時，子模塊電容C_{bl_N}與輔助電容C₄通過箝位二極管并聯(lián)。其中輔助IGBT模塊T₁的觸發(fā)信號與A、C相上橋臂第一個子模塊觸發(fā)信號的“邏輯和”一致；輔助IGBT模塊T₂的觸發(fā)信號與B相下橋臂第N個子模塊的觸發(fā)信號一致。

在直交流能量轉(zhuǎn)換的過程中，各個子模塊交替投入、旁路，輔助IGBT模塊T₁、T₂交替閉合、關(guān)斷，A、B相上下橋臂間電容電壓在箝位二極管的作用下，滿足下列約束：

由于輔助電容C₁、C₂、C₃、C₄電壓的關(guān)系滿足：

由此可知，

C、B相間的約束條件與A、B相間的約束條件一致。

由上述具體說明可知，該全橋MMC拓?fù)渚邆渥幽K電容電壓自均衡能力。

最后應(yīng)當(dāng)說明的是：所描述的實施例僅是本申請一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒旧暾堉械膶嵤├?，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本申請保護(hù)的范圍。