一種基于等式約束的mmc自均壓拓撲的制作方法
【專利摘要】本發明提供一種基于等式約束的MMC自均壓拓撲。MMC自均壓拓撲，由MMC拓撲和自均壓輔助電路聯合構建。MMC拓撲可以由半橋子模塊、全橋子模塊、半全橋子模塊混合等形式，自均壓輔助電路由二極管、導線組成，通過相應的聯結方式與MMC拓撲構成基于等式約束的MMC自均壓拓撲。該MMC自均壓拓撲，不依賴于排序均壓控制，對于各橋臂的第i個子模塊，i的取值為1～N，根據橋臂電流方向，按照i的序號越大，越優先充電，i的序號越小，越優先放電的原則進行子模塊投入切除操作，以保證每一橋臂下方的子模塊電容電壓不低于上方子模塊，再通過自均壓輔助電路的作用便能夠在完成交直流能量轉換的基礎上，實現子模塊電容電壓的均衡。
【專利說明】
一種基于等式約束的圖C自均壓拓撲
技術領域
[0001 ]本發明涉及柔性直流輸電領域，具體涉及一種基于等式約束的MMC自均壓拓撲。
【背景技術】
[0002]模塊化多電平換流器MMC是未來直流輸電技術的發展方向，MMC采用子模塊(Sub-module，SM)級聯的方式構造換流閥，避免了大量器件的直接串聯，降低了對器件一致性的要求，同時便于擴容及冗余配置。隨著電平數的升高，輸出波形接近正弦，能有效避開低電平VSC-HVDC的缺陷。
[0003]半橋MMC由半橋子模塊組合而成，半橋子模塊由2個IGBT模塊，I個子模塊電容，I個晶閘管及I個機械開關構成，成本低，運行損耗小。
[0004]與兩電平、三電平VSC不同，半橋MMC的直流側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支撐。為了保證交流側電壓輸出的波形質量和保證模塊中各功率半導體器件承受相同的應力，也為了更好的支撐直流電壓，減小相間環流，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穩定的狀態。
[0005]基于電容電壓排序的排序均壓算法是目前解決半橋MMC中半橋子模塊電容電壓均衡問題的主流思路，這一方案良好的均壓效果在仿真和實踐中都能得到驗證，但是也在不斷地暴露著它的一些固有缺陷。首先，排序功能的實現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，當半橋子模塊數目增加時，電容電壓排序的運算量迅速增大，為控制器的硬件設計帶來巨大挑戰;此外，排序均壓算法的實現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，在實際過程中，可能因為均壓效果的限制，不得不提高子模塊的觸發頻率，進而帶來換流器損耗的增加。
[0006]文獻“A DC-Link Voltage Self-Balance Method for a D1de-ClampedModular 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MMC子模塊電容電壓均衡的思路。但該方案從一定程度破壞了子模塊的模塊化特性，引入的變壓器使得造價較高、損耗較大，可靠性降低，從一定程度上加大了系統的改造難度。
【發明內容】
[0007]為了克服上述現有技術的不足，本發明提供了一種經濟的、不依賴排序均壓的MMC自均壓拓撲。
[0008]本發明具體的構成方式如下。
[0009]一種基于等式約束的麗C自均壓拓撲，包括由A、B、C三相構成的麗C拓撲和自均壓輔助電路，麗C的A、B、C三相分別由2#個子模塊，2個橋臂電抗器串聯而成;A、B、C三相的自均壓輔助電路分別包含2Λ^1個鉗位二極管。
[0010]上述基于等式約束的MMC自均壓拓撲，MMC拓撲可以由半橋子模塊、全橋子模塊或半全橋子模塊混合組成；當采用半橋子模塊時:Α相上橋臂的第I個子模塊，其子模塊電容負極向下與A相上橋臂的第2個子模塊的兩個IGBT連接中點相連接，其子模塊的兩個IGBT連接中點向上與直流母線正極相連接；A相上橋臂的第i個子模塊，其中i的取值為2?#-1，其子模塊電容負極向下與A相上橋臂的第i+Ι個子模塊的兩個IGBT連接中點相連接，其子模塊的兩個IGBT連接中點向上與A相上橋臂的第1-Ι個子模塊電容負極相連接;A相上橋臂的第#個子模塊，其子模塊電容負極向下經兩個橋臂電抗器與A相下橋臂的第I個子模塊的兩個IGBT連接中點相連接，其子模塊的兩個IGBT連接中點向上與A相上橋臂的第個子模塊電容負極相連接;A相下橋臂的第i個子模塊，其中i的取值為2?11，其子模塊電容負極向下與A相下橋臂的第i+1個子模塊的兩個IGBT連接中點相連接，其子模塊的兩個IGBT連接中點向上與A相下橋臂的第i_l個子模塊電容負極相連接;A相下橋臂的第Λ個子模塊，其子模塊電容負極向下與直流母線負極相連接，其子模塊的兩個IGBT連接中點向上與A相下橋臂的第H個子模塊電容負極相連接;B相、C相的連接方式與A相類似；當采用全橋子模塊時:Α相上橋臂的第I個子模塊，其外側的兩個IGBT模塊連接點與直流母線正極連接，內側的兩個IGBT模塊的連接點向下與A相上橋臂的第2個子模塊的外側的兩個IGBT模塊的連接點相連接;A相上橋臂的第i個子模塊，其中i的取值為2?AlI，其外側的兩個IGBT模塊的連接點向上與A相上橋臂的第?_ I個子模塊的內側的兩個IGBT模塊的連接點相連接，內側的兩個IGBT模塊的連接點向下與A相上橋臂的第i+1個子模塊的外側的兩個IGBT模塊的連接點相連接;A相上橋臂的第Λ個子模塊，其外側的兩個IGBT模塊的連接點向上與A相上橋臂的第#-1個子模塊的內側的兩個IGBT模塊的連接點相連接，內側的兩個IGBT模塊的連接點向下經兩個橋臂電抗器與A相下橋臂的第I個子模塊的外側的兩個IGBT模塊的連接點相連接;A相下橋臂的第i個子模塊，其中i‘的取值為2?AlI，與A相上橋臂對應的子模塊連接方式一樣;A相下橋臂的第Λ個子模塊，其外側的兩個IGBT模塊的連接點向上與A相上橋臂的第#-1個子模塊的內側的兩個IGBT模塊的連接點相連接，內側的兩個IGBT模塊的連接點向下直流母線負極相連接;半全橋混合MMC的連接方式為這兩種拓撲串聯起來。
[0011]上述基于等式約束的MMC自均壓拓撲，自均壓輔助電路將相內上下橋臂的相鄰子模塊電容正極通過二極管連接起來，二極管正向導通的方向與子模塊電容電壓從正極到負極的方向相反。二極管與電容之間可以加一個機械開關，在該模塊故障時將機械開關打開，以隔離故障子模塊。
【附圖說明】
[0012]圖1是半橋MMC自均壓拓撲；
圖2是全橋MMC自均壓拓撲；
圖3是半全橋混合MMC自均壓拓撲。
【具體實施方式】
[0013]下面將結合本申請實施例中的附圖，對本申請實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。
[0014]參考圖1，一種基于等式約束的麗C自均壓拓撲，包括由A、B、C三相構成的麗C拓撲和自均壓輔助電路，MMC的A、B、C三相分別由2#個子模塊，2個橋臂電抗器串聯而成;A、B、C三相的自均壓輔助電路分別包含2^1個鉗位二極管。圖中的其他開關的作用是子模塊發生故障時切除該模塊。
[0015]對該自均壓拓撲的觸發方式分為兩種，第一種是:對于各橋臂的第i個子模塊，i的取值為I?見按照i的序號越大，越優先充電的原則進行子模塊投入切除操作:定義直流母線正極方向為上方，負極方向為下方;對于半橋MMC拓撲，在橋臂電流方向為正的時候，根據需要投入的子模塊個數，優先從橋臂的下部的子模塊開始投入，從橋臂上部的子模塊開始切除;在橋臂電流方向為負的時候，優先從橋臂的上部的子模塊開始投入，從橋臂下部的子模塊開始切除;在觸發時制定兩種投入、切除規則，根據橋臂電流方向做相應的切換即可實現上述投入切除要求;在自均壓輔助電路的作用下，以相鄰的兩個子模塊為例:當下部的子模塊處于切除狀態時，如果電容電壓高于上部相鄰的子模塊，那么這兩個相鄰子模塊的電容正極之間的二極管將會導通，這兩個電容此時等效于并聯狀態，直到上部的子模塊電容電壓不低于下部的子模塊電容電壓，這種每相子模塊內部的自行均壓的作用可以達到下部的子模塊電容電壓不大于其上部相鄰的子模塊電容電壓的效果，再結合下層子模塊優先充電的的觸發邏輯，即可實現自均壓;此觸發方式下的A相上下橋臂子模塊電容電壓在自均壓電路的作用下，滿足下列約束:"Cau—I ^ Ucau_2…^ Ucau—N^.Ucall ^ UcalJ.…^ Uca\_N\考慮到按照i的序號越大，越優先充電的原則進行子模塊投入切除操作，這樣就能保證:
Ucau—2 …1Ucau—N，Uca\—l《 "Cal—2 …< Ucal_N,從而得到 Ucau_l = Ucau—2 …=Ikau—N, "Cal—1 = "Cal—2 …=
由于上下橋臂同時投入的子模塊數目是見等效于這Λ個子模塊電容直接串聯在直流母線上，所以這#個子模塊電容電壓之和與直流母線電壓相等，由于每個工頻周期內都有一次上或下橋臂全部投入的情況，結合上面所述的約束條件，得到該等式約束:2...= i/Cau」V=ft7al—l=tt:al—2...= &ι1—從而實現各個子模塊之間的電容電壓均衡;B、C相的自均壓約束條件與A相的一致。
[0016]第二種是:對各個子模塊觸發的時候相隔若干個子模塊進行觸發，當橋臂電流為正的時候，根據需要投入的子模塊數量，先投入橋臂最下方的子模塊，然后再投入與其相隔若干個的子模塊，依此類推直到將該橋臂的第一個子模塊投入運行，相隔子模塊的數量隨著投入運行的子模塊的數量增大而逐漸減少，然后再按照子模塊序號從大到小的順序投入其余子模塊，切除的時候優先切除第一個子模塊，然后再切除與其相隔若干個的子模塊，直到將最后一個子模塊切除后再按照子模塊序號從小到大的順序切除其余的子模塊；當橋臂電流為負的時候，根據需要投入的子模塊數量，先投入橋臂最上方的子模塊，然后再投入與其相隔若干個的子模塊，依此類推直到將該橋臂的最后一個子模塊投入運行，相隔子模塊的數量隨著投入運行的子模塊的數量增大而逐漸減少，然后再按照子模塊序號從小到大的順序投入其余子模塊，切除的時候優先切除最后一個子模塊，然后再切除與其相隔若干個的子模塊，直到將第一個子模塊切除后再按照子模塊序號從大到小的順序切除其余的子模塊;對于最后一個子模塊可采取附加隔離電源的方式對其進行穩壓控制。
[0017]對于圖2所示的全橋或圖3所示的半全橋混合MMC，在不考慮全橋子模塊負投入的時候，投入和切除規則以及自均壓原理與半橋MMC的一致，由于全橋負投入的時候無法進行自均壓，所以在全橋負投入時將開關管T斷開，以隔離自均壓輔助電路。
[0018]最后應當說明的是: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。基于本申請中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本申請保護的范圍。
【主權項】
1.一種基于等式約束的MMC自均壓拓撲，其特征在于:由A、B、C三相構成的MMC拓撲和自均壓輔助電路組成，MMC的A、B、C三相分別由2#個子模塊，2個橋臂電抗器串聯而成;A、B、C三相的自均壓輔助電路各包含2Λ^1個鉗位二極管。2.根據權利要求1所述的一種基于等式約束的MMC自均壓拓撲，其特征在于:由A、B、C三相構成的MMC拓撲可由半橋、全橋、半全橋混合等形式組成。3.根據權利要求1所述的基于等式約束的MMC自均壓拓撲，其特征在于:自均壓輔助電路將每一相的相鄰子模塊電容正極通過二極管連接起來，二極管正向導通的方向與子模塊電容電壓由正極到負極的方向相反。4.根據權利要求1所述的一種基于等式約束的MMC自均壓拓撲，其特征在于:對子模塊的觸發方式分為兩種，第一種是:對于各橋臂的第i個子模塊，i的取值為I?見當橋臂電流為正的時候，制定一種觸發邏輯，按照i的序號越大，越優先投入，i的序號越小，越優先切除原則進行觸發；當橋臂電流為負的時候，制定一種觸發邏輯，按照i的序號越大，越優先切除，i的序號越小，越優先投入原則進行觸發;這里對橋臂電流為正的定義是當子模塊投入運行時，子模塊電容處于充電狀態，橋臂電流為負的定義是當子模塊投入運行時，子模塊電容處于放電狀態;第二種是:對各個子模塊觸發的時候相隔若干個子模塊進行觸發，當橋臂電流為正的時候，根據需要投入的子模塊數量，先投入橋臂最下方的子模塊，然后再投入與其相隔若干個的子模塊，依此類推直到將該橋臂的第一個子模塊投入運行，相隔子模塊的數量隨著投入運行的子模塊的數量增大而逐漸減少，然后再按照子模塊序號從大到小的順序投入其余子模塊，切除的時候優先切除第一個子模塊，然后再切除與其相隔若干個的子模塊，直到將最后一個子模塊切除后再按照子模塊序號從小到大的順序切除其余的子模塊；當橋臂電流為負的時候，根據需要投入的子模塊數量，先投入橋臂最上方的子模塊，然后再投入與其相隔若干個的子模塊，依此類推直到將該橋臂的最后一個子模塊投入運行，相隔子模塊的數量隨著投入運行的子模塊的數量增大而逐漸減少，然后再按照子模塊序號從小到大的順序投入其余子模塊，切除的時候優先切除最后一個子模塊，然后再切除與其相隔若干個的子模塊，直到將第一個子模塊切除后再按照子模塊序號從大到小的順序切除其余的子模塊;對于最后一個子模塊可采取附加隔離電源的方式對其進行穩壓控制。5.根據權利要求1所述的一種基于等式約束的MMC自均壓拓撲，其特征在于:采用觸發方式一的時候，各個子模塊投入、旁路過程中，A相上下橋臂子模塊電容電壓在自均壓電路的作用下，滿足下列約束:i/cau—2...^ Uom—N^ Ucal_l^ Ucal_2''.^ Ai;考慮到按照i的序號越大，越優先充電的原則進行子模塊投入切除操作:Ucau—1^: UomJl.-.du—N, Ucal_l ^Ucal_2 …< Ucal_N,得到"Cau—1= Ucau_2...= Ucau_N, Ucal_l = Ucal_2...= Uca\_N\ 由于上下橋臂同時投入的子模塊數目是見等效于這Λ個子模塊電容直接串聯在直流母線上，所以這#個子模塊電容電壓之和與直流母線電壓相等，由于每個工頻周期內都有一次上或下橋臂全部投入的情況，結合上面所述的約束條件，得到該等式約束:l=tt:aU—2"_ = tt:aU—fi/ckl—l = tt:al—= 從而實現各個子模塊之間的電容電壓均衡;B、C相的自均壓機理與A相的相同。
【文檔編號】H02M7/219GK105897019SQ201610354612
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年5月26日
【發明人】趙成勇, 李帥, 許建中, 劉航
【申請人】華北電力大學