CN103001517B - 一种模块化多电平电压源换流器子模块装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电力系统和电力电子领域，具体涉及一种模块化多电平电压源换流器子模块装置及其控制方法，子模块装置包括IGBT模块和2个电容器；其特征在于，所述IGBT模块的个数为4，4个IGBT模块与所述2个电容器组成三电平结构。通过控制IGBT器件的开通与关断，调节子模块的输出电压，输出电压为三种电平方式。由该MMC换流器子模块串联后形成的MMC换流器，占地面积小，控制复杂度较低，子模块间的电容电压平衡控制容易。为MMC换流器向更高电压等级发展提供了一条崭新的技术路线。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统和电力电子领域，具体涉及一种模块化多电平电压源换流器子模块装置及其控制方法，尤其涉及一种模块化多电平电压源换流器子模块结构装置及其控制方法。
背景技术
由于能源短缺和环境趋向恶化，大力发展新能源成为我国发展的主要方向，柔性直流输电技术是新能源并网的主要手段。柔性直流输电技术的核心设备-电压源控制（VSC）换流阀，目前主要采用模块化多电平（MMC）结构，它先由可关断器件构成子模块，再利用多个子模块串联组成。
子模块的结构对于VSC换流阀的性能及控制的复杂度至关重要，目前采用的子模块结构见附图1，由两个IGBT器件和一个电容器组成半桥结构，通过控制IGBT器件的开通和关断输出电压。但是随着电压等级的提升，装置占地逐渐增加，主电路结构和控制复杂度大幅上升，可靠性下降。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种模块化多电平电压源换流器子模块装置及其控制方法，由该MMC换流器子模块串联形成的MMC换流器，占地面积小，控制复杂度较低，子模块间的电容电压平衡控制容易。为MMC换流器向更高电压等级发展提供了一条崭新的技术路线。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
一种模块化多电平电压源换流器子模块装置，所述子模块装置串联形成模块化多电平换流器，所述子模块装置包括IGBT模块和2个电容器；其改进之处在于，所述IGBT模块的个数为4，4个IGBT模块与所述2个电容器组成三电平结构。
其中，将4个IGBT模块分别用IGBT模块I、IGBT模块II、IGBT模块III和IGBT模块IV表示；4个IGBT模块组成H桥；所述IGBT模块I和IGBT模块III串联组成H桥的一个桥臂；所述IGBT模块II和IGBT模块IV串联组成H桥的另一个桥臂；
其中一个电容器C1连接在IGBT模块I和IGBT模块II之间；另一个电容器C2连接在IGBT模块III和IGBT模块IV之间。
其中，所述IGBT模块I由IGBT器件T1与其反并联的二极管D1组成；所述IGBT模块II由IGBT器件T2与其反并联的二极管D2组成；所述IGBT模块III由IGBT器件T3与其反并联的二极管D3组成；所述IGBT模块IV由IGBT器件T4与其反并联的二极管D4组成。
本发明基于另一目的提供的一种模块化多电平电压源换流器子模块装置的控制方法，其改进之处在于，所述子模块装置的控制方法包括：
1）所述IGBT模块I和III开通，IGBT模块II和IV关断，当输入电流为正时流过IGBT器件T1和T3；当输入电流为负时流过二极管D1和D3，子模块装置的输出电压U0均为0；
2）所述IGBT模块I和IV开通，IGBT模块II和III关断，当输入电流为正时流过IGBT器件T1-二极管D4-电容器C2；当输入电流为负时，流过电容器C2-IGBT器件T4-二极管D1，子模块装置输出电压均为Uc；
3）所述IGBT模块II和III开通，IGBT模块I和IV关断，当输入电流为正时，流过电容器C1-二极管D2-IGBT器件T3；当输入电流为负时，流过二极管D3-IGBT器件T2-电容器C1，子模块装置输出电压均为Uc；
4）所述IGBT模块II和IV开通，IGBT模块I和III关断，当输入电流为正时，流过电容器C1-二极管D2-二极管D4-电容器C2；当输入电流为负时，流过电容器C2-IGBT器件T4-IGBT器件T2-电容器C1，子模块装置输出电压均为2Uc。
其中，定义所述电容器C1和电容器C2两端的电压均为Uc。
与现有技术比，本发明达到的有益效果是：
1、本发明提供了一种优化的MMC换流器子模块装置结构，由此子模块装置结构串联形成的MMC换流器，占地面积小，控制复杂度较低，子模块间的电容电压平衡控制容易，为MMC换流器向更高电压等级发展提供了一条崭新的技术路线。
2、本发明提供的MMC换流器子模块通过4个IGBT的开关配合来调整电容C1和C2的电压平衡，子模块间的电容电压平衡控制较简单；
3、本发明提供的MMC换流器子模块与半桥式MMC换流器子模块相比，本发明的MMC换流器子模块由4个IGBT模块和两个电容构成，每个IGBT模块所承受的电压为一倍的电容电压，输出电压为0，Uc和2Uc三种电平；
4、本发明提供的MMC换流器子模块与两个半桥式MMC换流器子模块所使用的电容，IGBT器件容量均相同，但是，所使用的旁路开关等辅助原件减少一半，从而降低了成本；减小占地面积。
附图说明
图1是目前采用的MMC换流器子模块结构图；
图2是本发明提供的模块化多电平电压源换流器子模块结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本发明提供的模块化多电平电压源换流器子模块结构如图2所示，子模块装置串联形成模块化多电平换流器，所述子模块装置包括4个IGBT模块和2个电容器，4个IGBT模块与2个电容器组成三电平结构。
其中，将4个IGBT模块分别用IGBT模块I、IGBT模块II、IGBT模块III和IGBT模块IV表示；4个IGBT模块组成H桥；所述IGBT模块I和IGBT模块III串联组成H桥的一个桥臂；所述IGBT模块II和IGBT模块IV串联组成H桥的另一个桥臂；
其中一个电容器C1连接在IGBT模块I和IGBT模块II之间；另一个电容器C2连接在IGBT模块III和IGBT模块IV之间。
其中，所述IGBT模块I由IGBT器件T1与其反并联的二极管D1组成；所述IGBT模块II由IGBT器件T2与其反并联的二极管D2组成；所述IGBT模块III由IGBT器件T3与其反并联的二极管D3组成；所述IGBT模块IV由IGBT器件T4与其反并联的二极管D4组成。
本发明还提供了一种模块化多电平电压源换流器子模块装置的控制方法，电流正方向如图2所示，子模块装置两端电压为U0，电容器C1和C2两端电压均为Uc，正方向如图所示，由于T1、T2不能同时开通，T3、T4也不能同时开通，否则电容会通过T1和T2或T3和T4直通而形成短路，故子模块控制方法为：
1）IGBT模块I和III开通，IGBT模块II和IV关断，当输入电流为正时流过IGBT器件T1和T3；当输入电流为负时流过二极管D1和D3，子模块装置的输出电压U0均为0；
2）IGBT模块I和IV开通，IGBT模块II和III关断，当输入电流为正时流过IGBT器件T1-二极管D4-电容器C2；当输入电流为负时，流过电容器C2-IGBT器件T4-二极管D1，子模块装置输出电压均为Uc；
3）IGBT模块II和III开通，IGBT模块I和IV关断，当输入电流为正时，流过电容器C1-二极管D2-IGBT器件T3；当输入电流为负时，流过二极管D3-IGBT器件T2-电容器C1，子模块装置输出电压均为Uc；
4）IGBT模块II和IV开通，IGBT模块I和III关断，当输入电流为正时，流过电容器C1-二极管D2-二极管D4-电容器C2；当输入电流为负时，流过电容器C2-IGBT器件T4-IGBT器件T2-电容器C1，子模块装置输出电压均为2Uc。
本发明提供的种模块化多电平（MMC）电压源换流器子模块通过控制IGBT器件的开通与关断，调节子模块的输出电压，输出电压为三种电平方式。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (3)
1.一种模块化多电平电压源换流器子模块装置，所述子模块装置串联形成模块化多电平换流器，所述子模块装置包括IGBT模块和2个电容器；其特征在于，所述IGBT模块的个数为4，4个IGBT模块与所述2个电容器组成三电平结构；
将4个IGBT模块分别用IGBT模块I、IGBT模块II、IGBT模块III和IGBT模块IV表示；4个IGBT模块组成H桥；所述IGBT模块I和IGBT模块III串联组成H桥的一个桥臂；所述IGBT模块II和IGBT模块IV串联组成H桥的另一个桥臂；
其中一个电容器C1连接在IGBT模块I和IGBT模块II之间；另一个电容器C2连接在IGBT模块III和IGBT模块IV之间；
所述IGBT模块I由IGBT器件T1与其反并联的二极管D1组成；所述IGBT模块II由IGBT器件T2与其反并联的二极管D2组成；所述IGBT模块III由IGBT器件T3与其反并联的二极管D3组成；所述IGBT模块IV由IGBT器件T4与其反并联的二极管D4组成。
2.一种如权利要求1所述的模块化多电平电压源换流器子模块装置的控制方法，其特征在于，所述子模块装置的控制方法包括：1)IGBT模块I和III开通，IGBT模块II和IV关断，当输入电流为正时流过IGBT器件T1和T3；当输入电流为负时流过二极管D1和D3，子模块装置的输出电压U0均为0；
2)IGBT模块I和IV开通，IGBT模块II和III关断，当输入电流为正时流过IGBT器件T1-二极管D4-电容器C2；当输入电流为负时，流过电容器C2-IGBT器件T4-二极管D1，子模块装置输出电压均为Uc；
3)IGBT模块II和III开通，IGBT模块I和IV关断，当输入电流为正时，流过电容器C1-二极管D2-IGBT器件T3；当输入电流为负时，流过二极管D3-IGBT器件T2-电容器C1，子模块装置输出电压均为Uc；
4)IGBT模块II和IV开通，IGBT模块I和III关断，当输入电流为正时，流过电容器C1-二极管D2-二极管D4-电容器C2；当输入电流为负时，流过电容器C2-IGBT器件T4-IGBT器件T2-电容器C1，子模块装置输出电压均为2Uc。
3.如权利要求2所述的模块化多电平电压源换流器子模块装置的控制方法，其特征在于，定义所述电容器C1和电容器C2两端的电压均为Uc。
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