CN102611345A - 基于循环嵌套机理的模块化多电平换流器结构的拓扑方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于输配电技术领域的一种基于循环嵌套机理的模块化多电平换流器结构的拓扑方法。首先，根据输出电平数的需要，选择循环嵌套层数和各层子模块的个数；其次，根据输出直流母线电压、确定的嵌套层数和各层子模块数，设定各层子模块的电容电压额定值；再次，将按层分类的子模块全部串联，并串联一换相电抗，用其作为模块化多电平换流器的换流桥臂，即为采用循环嵌套机理的新型模块化多电平换流器拓扑结构。本发明可以保证在输出电压电平数和输出直流电压一定的条件下，显著减少所需的子模块数量，降低一次系统的冗杂度以及控制系统的复杂度。

Description

基于循环嵌套机理的模块化多电平换流器结构的拓扑方法

技术领域

本发明属于输配电技术领域，特别涉及一种基于循环嵌套机理的模块化多电平换流器结构的拓扑方法。

背景技术

近年来，高电压大功率的全控型电力电子器件(如IGBTs和IGCTs)在远距离输电系统和低压配电网络中得到广泛使用，其主要应用领域为基于电压源换流器的高压直流输电(VSC-HVDC)技术。与传统的两电平和三电平VSC-HVDC相比，由西门子公司提出的模块化多电平换流器——MMC(子模块为半桥结构)拓扑具有无需大量IGBT直接串联，器件承受电压变化率低，电磁干扰小等优点。同时，在同等电压等级下，由于它需要两倍的开关器件，且需要对分散布置的子模块电容进行电压平衡控制，控制系统需要采集和处理的系统状态量信息将大幅增加，从而使其控制系统变得非常复杂。

世界上第一个商业化运行的MMC-HVDC工程是美国的传斯贝尔(TBC)工程，其额定容量为400MW，直流电压±200kV，每个换流器桥臂中有216个子模块。此外，将于2013年建成的法国到西班牙的MMC-HVDC工程INELFE，额定容量为2×1000MW。实际工程中，为满足直流母线电压、交流输出电压谐波含量等要求，需要采用较高的电平数，所需子模块数也随之大量增加。如TBC工程中，单端就需要216×6＝1296个子模块，为满足子模块均压需要，需采集1296个子模块电容电压以及输出2592路触发脉冲，导致一次系统十分冗杂，控制系统非常繁复。

阿尔斯通公司提出一种模块化多电平换流器与两电平VSC相结合的拓扑结构，能够有效避免换流器直流侧短路时直流侧与交流侧的能量交换。在相同电平数要求下，所需子模块数量减半，但由于子模块采用H桥结构，开关器件用量不变，若考虑两电平VSC所需开关器件，则器件用量将增加，因而控制系统简化效果不明显。

发明内容

本发明的目的是针对模块化多电平换流器实现较高电平数时，一次系统过于冗杂，控制系统过于繁复的技术问题，提出一种基于循环嵌套机理的模块化多电平换流器结构的拓扑方法，其特征在于，模块化多电平换流器结构的拓扑步骤如下：

步骤1，按照换流器交流侧输出电压谐波含量的要求，确定符合要求的输出电平数(N_lout)。循环嵌套层数(H)，各层子模块的个数(M_i)与输出电平数(N_lout)满足如下关系式，并且H和M_i(i＝1，2，…，H)有多种取值组合。

$N_{\mathrm{lout}}=\underset{i=1}{\overset{i=H}{\mathrm{\Π}}}(M_i+1)---\left(1\right)$

步骤2，根据换流器输出直流母线电压(U_dc)以及步骤1得到的循环嵌套层数和各层子模块个数，得出各层子模块需设定的子模块电容电压额定值，计算公式如下：

U_sm-i＝U_sm-(i+1)×(M_i+1)(i＝1，2，…，N-1)    (2)

$U_{\mathrm{dc}}=U_{\mathrm{sm}-N}\×(\underset{i=1}{\overset{i=N}{\mathrm{\Π}}}(M_i+1)-1)---\left(3\right)$

式中：U_sm-N表示最底层嵌套中子模块电容电压额定值；

U_sm-i表示第i层嵌套中子模块电容电压额定值，其中第i层是第(i+1)层的父级嵌套层；

U_sm-(i+1)表示第(i+1)层(第i层的子级嵌套层)中子模块电容电压额定值；

式中其他符号意义与式(1)中符号相同；

步骤3，将按层分类的子模块全部串联，并串联一换相电抗，用其作为模块化多电平换流器的换流桥臂，从而构成新型模块化多电平换流器拓扑结构。

本发明的有益效果是提出的基于循环嵌套机理的模块化多电平换流器结构的拓扑方法，可以保证在输出电压电平数和输出直流电压一定的条件下，显著减少所需的子模块数量，降低一次系统的冗杂度以及控制系统的复杂度。上述拓扑方法没有限定子模块的具体构成方式。因此不同结构的子模块，如半桥结构，H桥结构等，均适用于该拓扑方法。

附图说明

图1为新型模块化多电平换流器拓扑结构的通用结构说明图。

图2为拓扑结构中第i层嵌套结构说明图。

图3为拓扑结构的2层嵌套36电平拓扑结构说明图。

图4为拓扑结构的第1层嵌套结构说明图。

图5为拓扑结构的第2层嵌套结构说明图。

图中各符号：图1中A，B，C表示MMC换流器交流侧三相；NL₁，NL₂，…，NL_H，分别表示MMC某桥臂中第1层嵌套，第2层嵌套，…，第n层嵌套；L表示桥臂电抗器；U_dc表示MMC正负极直流母线间的电压差。

图2中SMi表示第i层嵌套；SM₁，SM₂，…，SM_m分别表示MMC第i层嵌套中第1个子模块，第2个子模块，…，第m个子模块。

图3中A，B，C表示MMC换流器交流侧三相；NL₁表示MMC某桥臂中第1层嵌套，即父级嵌套，NL₂表示MMC某桥臂中第2层嵌套，即子级嵌套；L表示桥臂电抗器；U_dc表示MMC正负极直流母线间的电压差。

图4中NL₁表示第一层嵌套，即父级嵌套；SM₁，SM₂，…，SM₅分别表示MMC此层嵌套中第1个子模块，第2个子模块，…，第5个子模块；U_sm表示子级嵌套中子模块的额定电容电压，6×U_sm表示父级嵌套中子模块额定电容电压，即6倍的子级嵌套中子模块电容电压。

图5中NL₂表示第2层嵌套，即子级嵌套；其余符号意义与图4相同。

具体实施方式

本发明提出一种基于循环嵌套机理的模块化多电平换流器结构的拓扑方法，

下面结合说明书附图，对本发明的新型模块化多电平换流器拓扑结构进行详细说明。

图1所示为新型模块化多电平换流器拓扑结构的通用结构说明图；图2所示为拓扑结构中第i层嵌套结构说明图。图1中A，B，C表示MMC换流器交流侧三相；NL₁，NL₂，…，NL_H，分别表示MMC某桥臂中第1层嵌套，第2层嵌套，…，第n层嵌套；L表示桥臂电抗器；U_dc表示MMC正负极直流母线间的电压差。

图2中SMi表示第i层嵌套；SM₁，SM₂，…，SM_m分别表示MMC第i层嵌套中第1个子模块，第2个子模块，…，第m个子模块。

步骤1：按照换流器交流侧输出电压谐波含量的要求，确定符合要求的输出电平数(N_lout)。依照图1和图2所示拓扑结构图，循环嵌套层数(H)、各层子模块个数(M_i)与输出电平数(N_lout)满足如下关系式，并且H和M_i(i＝1，2，…，H)有多种取值组合。

$N_{\mathrm{lout}}=\underset{i=1}{\overset{i=H}{\mathrm{\Π}}}(M_i+1)---\left(1\right)$

步骤2：根据换流器输出直流母线电压(U_dc)、循环嵌套层数(H)以及各层子模块个数(M_i)，可以得出各层子模块需设定的子模块电容电压额定值。计算公式如下：

$U_{\mathrm{sm}-H}=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{(N_{\mathrm{lout}}-1)}---\left(3\right)$

U_sm-i＝U_sm-(i+1)×(M_i+1+1)(i＝1，2，…，H-1)    (2)

式中：U_sm-N表示最底层嵌套中子模块电容电压额定值；

U_sm-i表示第i层嵌套中子模块电容电压额定值，其中第i层是第(i+1)层的父级嵌套层；

U_sm-(i+1)表示第(i+1)层(第i层的子级嵌套层)中子模块电容电压额定值；

式中其他符号意义与式(1)中符号相同。

步骤3：将按层分类的子模块全部串联，并串联一换相电抗，用其作为模块化多电平换流器的换流桥臂，从而构成一新型模块化多电平换流器拓扑结构(如图1所示)。

通过步骤1和步骤2确定的嵌套层数、各层子模块个数以及各层子模块电容电压额定值，即可确定换流器的具体拓扑结构和参数。将MMC某桥臂中第1层嵌套NL₁，第2层嵌套NL₂，…，第n层嵌套NL_n串联后再串联桥臂电抗器L，组成一换流桥臂，进而可确定整体换流器的拓扑结构。

图3所示为拓扑结构的2层嵌套36电平拓扑结构说明图。图中A，B，C表示MMC换流器交流侧三相；NL₁表示MMC某桥臂中第1层嵌套，即父级嵌套，NL₂表示MMC某桥臂中第2层嵌套，即子级嵌套；L表示桥臂电抗器；U_dc表示MMC正负极直流母线间的电压差。其中第1层和第2层嵌套中各有5个子模块的模块化多电平换流器拓扑结构；

图4所示为拓扑结构的第1层嵌套结构说明图，图5所示为拓扑结构的第2层嵌套结构说明图；即分别表示该拓扑结构的NL₁表示第一层嵌套，即父级嵌套和NL₂表示第2层嵌套，即子级嵌套内的具体结构图。图中SM₁，SM₂，…，SM₅分别表示MMC此层嵌套中第1个子模块，第2个子模块，…，第5个子模块；U_sm表示子级嵌套中子模块的额定电容电压，6×U_sm表示父级嵌套中子模块额定电容电压，即6倍的子级嵌套中子模块电容电压。由式(1)可知，该拓扑可输出的电平数为36电平。由式(3)可知，该拓扑输出直流电压为35×U_sm(U_sm表示子级子模块电容电压额定值)。

Claims (1)

1.一种基于循环嵌套机理的模块化多电平换流器结构的拓扑方法，其特征在于，模块化多电平换流器结构的拓扑步骤如下：

步骤1，按照换流器交流侧输出电压谐波含量的要求，确定符合要求的输出电平数(N_lout)。循环嵌套层数(H)，各层子模块的个数(M_i)与输出电平数(N_lout)满足如下关系式，并且H和M_i(i＝1，2，…，H)有多种取值组合。

$N_{\mathrm{lout}}=\underset{i=1}{\overset{i=H}{\mathrm{\Π}}}(M_i+1)---\left(1\right)$

步骤2，根据换流器输出直流母线电压(U_dc)以及步骤1得到的循环嵌套层数和各层子模块个数，得出各层子模块需设定的子模块电容电压额定值，计算公式如下：

$U_{\mathrm{sm}-H}=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{(N_{\mathrm{lout}}-1)}---\left(2\right)$

U_sm-i＝U_sm-(i+1)×(M_i+1+1)(i＝1，2，…，H-1)    (3)

式中：U_sm-H表示最底层嵌套中子模块电容电压额定值；

U_sm-i表示第i层嵌套中子模块电容电压额定值，其中第i层是第(i+1)层的父级嵌套层；

U_sm-(i+1)表示第(i+1)层(第i层的子级嵌套层)中子模块电容电压额定值；

式中其他符号意义与式(1)中符号相同；

步骤3，将按层分类的子模块全部串联，并串联一换相电抗，用其作为模块化多电平换流器的换流桥臂，从而构成新型模块化多电平换流器拓扑结构。

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