CN103633871A - 基于全桥与半桥模块的混合型多电平换流器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于全桥与半桥模块的混合型多电平换流器，包括连接于正负极直流母线之间的三相单元，每个相单元由上桥臂和下桥臂组成，每个桥臂包括N个半桥模块和一个带直流电源的全桥模块，所述N个半桥模块和一个带直流电源的全桥模块串联连接，N为正整数。本发明还公开了上述混合型多电平换流器的控制方法。本发明利用尽可能少的半桥模块数目实现换流器较高的输出电平数，在对半桥模块的电压进行排序算法时，计算耗时更少效率更高，模块投入速度加快，能降低电容电压波动。

Description

基于全桥与半桥模块的混合型多电平换流器及其控制方法

技术领域

本发明涉及模块化多电平换流器领域，特别涉及一种基于全桥与半桥模块的混合型多电平换流器及其控制方法。

背景技术

在基于电压源换流器的直流输电领域，最早使用的是两电平拓扑结构，其开关器件耐压与传输功率都受到限制，并且需要加入输出滤波装置。为解决这些问题，多电平电压源换流器开始出现并且受到越来越多的关注。这些多电平换流器从原理上可以分为三大类：第一类是箝位式多电平结构；第二类是利用单相全桥换流器（即H桥）直接串联叠加的级联式结构形式；第三类是由电容与半桥开关器件组成子模块单元，通过在换流器正、负直流母线之间串联子模块单元来构成多电平输出的结构形式。其中第一类拓扑结构随着输出电平数的增多，所需的箝位二极管或者悬浮电容将急剧增加，给系统控制及生产、装配带来极大的困难。第二类拓扑结构虽然实现了模块化，易于拓展，但是需要的独立直流电源的个数较多。第三类拓扑结构即MMC有诸多优点：制造难度降低、损耗成倍下降、阶跃电压降低、波形质量高、故障处理能力强等，因此也获得了广泛应用。于2010年投运的美国“Trans Bay Cable Project”换流器采用的就是这种MMC结构。国内已经建成的上海南汇柔性直流输电工程，以及即将启动建设的浙江舟山多端柔性直流工程、大连柔性直流工程、南澳风电场柔性直流输电工程都采用的这种由半桥子模块组成的MMC拓扑结构。

为了进一步提高性能，一些学者通过提出基于全桥与半桥模块的混合型多电平换流器拓扑结构，能够在保持MMC的优点的前提下使得换流器的性能更加完善。如论文“一种新型四象限混合型模块组合多电平变换器”中通过引入两个三桥臂功率单元，使得相同输入输出电平条件下，减少了功率单元的直流电容器数量和电容值。论文“基于混合型多电平换流器的柔性直流输电系统”研究的混合型多电平换流器除了具有多电平换流器的基本特点外，还具有更高的直流电压利用率，更强的直流故障耐受能力。但是需要的模块数目和开关器件的数目仍然很多，在提高输出电平数方面鲜有进展。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种基于全桥与半桥模块的混合型多电平换流器，利用尽可能少的半桥模块数目实现换流器较高的输出电平数。

本发明的另一目的在于提供上述基于全桥与半桥模块的混合型多电平换流器的控制方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

基于全桥与半桥模块的混合型多电平换流器，包括连接于正负极直流母线之间的三相单元，每个相单元由上桥臂和下桥臂组成，每个桥臂包括N个半桥模块和1个带直流电源的全桥模块，所述N个半桥模块和1个带直流电源的全桥模块串联连接，N为正整数。

所述带直流电源的全桥模块由四个带有反并联二极管的绝缘栅双极晶体管和一个直流电源组成，每两个绝缘栅双极晶体管顺序串联形成串联结构，每个串联结构的两端分别与直流电源的两端连接；每个串联结构中，两个绝缘栅双极晶体管的连接点为全桥模块的其中一个输出端。

所述半桥模块由两个带有反并联二极管的绝缘栅双极晶体管和一个电容组成，所述两个带有反并联二极管的绝缘栅双极晶体管顺序串联后与电容并联，所述两个带有反并联二极管的绝缘栅双极晶体管的串联点为所述半桥模块的一个输出端，所述电容的任意一端为所述半桥模块的另一个输出端。

上述基于全桥与半桥模块的混合型多电平换流器的控制方法，包括以下步骤：

S1通过最近电平逼近方法控制半桥模块投入数，各桥臂的半桥模块都通过排序算法导通，使所有半桥模块的电容电压维持平衡；

所述半桥模块投入数的计算方法如下：

在每个时刻，每相下桥臂需投入的半桥模块数的实时表达式为：

$n_{\mathrm{down}}=\frac{N}{2}+\mathrm{round}\left(\frac{U_i}{U_C}\right)$

在每个时刻，每相上桥臂需投入的半桥模块数的实时表达式为：

$n_{\mathrm{up}}=\frac{N}{2}-n_{\mathrm{down}}=\frac{N}{2}-\mathrm{round}\left(\frac{U_i}{U_C}\right)$

其中，U_C为所有半桥模块的电容电压维持均衡时每个半桥模块的电容电压；U_i为相电压调制波；round()表示取最接近的整数；

S2通过控制全桥模块的投入与切除，使电平数从N+1增加到3N+1；

上桥臂的全桥模块的投入状态为：

$S_{\mathrm{HB}}=\mathrm{MOD}(\frac{3}{2}N+\mathrm{round}\left(\frac{{3U}_i}{2/N}\right),3),i=a,b,c$

其中，U_i为相电压调制波，MOD()表示取余运算；

下桥臂的全桥模块的投入状态为：

$S_{\mathrm{HB}}^{\′}=\mathrm{MOD}(3-S_{\mathrm{HB}},3).$

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

本发明的基于全桥与半桥模块的混合型多电平换流器，通过在传统的MMC拓扑结构上加入带直流电源的全桥模块，利用尽可能少的半桥模块数目实现换流器较高的输出电平数。由于半桥模块数目减少，在对半桥模块的电容电压进行排序算法时，计算耗时更少效率更高，模块投入速度加快，能降低电容电压波动。采用本发明的多电平换流器不仅可以省去IGBT（绝缘栅双极晶体管）数目和电容数目，同时通过增加电平数目提高了电能质量，使输出量的谐波含量较少。

附图说明

图1为本发明的实施例的基于全桥与半桥模块的混合型多电平换流器的拓扑结构图。

图2为本发明的实施例的半桥模块的拓扑结构图。

图3为本发明的实施例的全桥模块的拓扑结构图。

图4为传统MMC与本实施例的基于全桥与半桥模块的混合型多电平换流器的输出相电压对比图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本实施例的基于全桥与半桥模块的混合型多电平换流器包括连接于正负极直流母线之间的三相单元，每个相单元由上桥臂和下桥臂组成，每个桥臂包括N个半桥模块（SM₁，SM₂，···，SM_N）和一个带直流电源的全桥模块HB，所述N个半桥模块和一个带直流电源的全桥模块串联连接，N为正整数。图中，A，B和C分别表示换流器交流侧三相；L₀表示桥臂电抗器；U_dc为正负极直流母线间的电压差。

如图2所示，本实施例的半桥模块由带有反并联二极管D1的绝缘栅双极晶体管VT1、带有反并联二极管D2的绝缘栅双极晶体管VT2和一个电容C组成，绝缘栅双极晶体管VT1和VT2串联后与电容C并联，绝缘栅双极晶体管VT1和VT2的串联点为半桥模块的一个输出端，电容C的任意一端为半桥模块的另一个输出端，U_C表示半桥模块电容电压；U_SM表示半桥模块端口输出电压。

如图3所示，本实施例的带直流电源的全桥模块由带有反并联二极管D3的绝缘栅双极晶体管VT3、带有反并联二极管D4的绝缘栅双极晶体管VT4、带有反并联二极管D5的绝缘栅双极晶体管VT5、带有反并联二极管D6的绝缘栅双极晶体管VT6和一个直流电源组成，绝缘栅双极晶体管VT3、VT5顺序串联形成串联结构，绝缘栅双极晶体管VT4、VT6顺序串联形成串联结构，每个串联结构的两端分别与直流电源的两端连接；绝缘栅双极晶体管VT3、VT5的串联点为全桥模块的其中一个输出端，VT4、VT6的串联点为全桥模块的另一个输出端，图中U_S为直流源电压；U_HM表示全桥模块的输出电压。

本实施例的基于全桥与半桥模块的混合型多电平换流器的控制方法为：

S1通过最近电平逼近方法控制半桥模块投入数，根据计算得到需要投入的半桥模块数目，然后根据各半桥模块的电容电压排序结果和桥臂电流方向决定导通哪些半桥模块，使所有半桥模块的电容电压维持平衡；

所述半桥模块投入数的计算方法如下：

在每个时刻，每相下桥臂需投入的半桥模块数的实时表达式为：

$n_{\mathrm{down}}=\frac{N}{2}+\mathrm{round}\left(\frac{u_i}{U_C}\right)$

在每个时刻，每相上桥臂需投入的半桥模块数的实时表达式为：

$n_{\mathrm{up}}=\frac{N}{2}-n_{\mathrm{down}}=\frac{N}{2}-\mathrm{round}\left(\frac{u_i}{U_C}\right)$

其中，U_C为所有半桥模块的电容电压维持均衡时每个半桥模块的电容电压,U_C=U_dc/N；U_i为相电压调制波；round()表示取最接近的整数，如round(x)表示取与x最接近的整数；

S2由于全桥模块有三种输出状态，选择直流源电压为U_C/3，通过控制全桥模块的投切，可在原来每两个电平中插入2个电平，使电平数从N+1增加到3N+1；

上桥臂的全桥模块的投入状态为：

$S_{\mathrm{HB}}=\mathrm{MOD}(\frac{3}{2}N+\mathrm{round}\left(\frac{{3U}_i}{2/N}\right),3),i=a,b,c$

其中，U_i为相电压调制波，MOD()表示取余运算，如MOD(x,y)表示整数x被整数y除所得的余数；

下桥臂的全桥模块的投入状态为：

$S_{\mathrm{HB}}^{\′}=\mathrm{MOD}(3-S_{\mathrm{HB}},3).$

全桥模块的开关状态和投入电压对应关系如下表1所示，U_HM表示全桥模块的输出电压。

表1 全桥模块开关状态和投入电压对应表

即可在上桥臂中全桥模块投入电压为Us，下桥臂全桥模块投入电压对应为-Us；下桥臂中全桥模块投入电压为0时，下桥臂全桥模块投入电压也为0。据此可实现整个桥臂电压之和等于直流线路电压。

每个桥臂含有4个半桥模块的传统MMC与本实施例的混合型多电平换流器（以N=5为例）的输出相电压对比如图4所示，其中，虚线对应传统MMC，实线对应本实施例，可知，相对于传统的MMC，本实施例的混合型多电平换流器的电平数从5增加到13。当要求输出电压电平数为13时，若采用传统MMC结构，每个桥臂需要12个半桥模块，相比较而言，若采用本发明的方案，六个桥臂总共省去6*7=42个半桥模块。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于全桥与半桥模块的混合型多电平换流器，其特征在于，包括连接于正负极直流母线之间的三相单元，每个相单元由上桥臂和下桥臂组成，每个桥臂包括N个半桥模块和1个带直流电源的全桥模块，所述N个半桥模块和1个带直流电源的全桥模块串联连接，N为正整数。

2.根据权利要求1所述的基于全桥与半桥模块的混合型多电平换流器，其特征在于，所述带直流电源的全桥模块由四个带有反并联二极管的绝缘栅双极晶体管和一个直流电源组成，每两个绝缘栅双极晶体管顺序串联形成串联结构，每个串联结构的两端分别与直流电源的两端连接；每个串联结构中，两个绝缘栅双极晶体管的连接点为全桥模块的其中一个输出端。

3.根据权利要求1所述的基于全桥与半桥模块的混合型多电平换流器，其特征在于，所述半桥模块由两个带有反并联二极管的绝缘栅双极晶体管和一个电容组成，所述两个带有反并联二极管的绝缘栅双极晶体管顺序串联后与电容并联，所述两个带有反并联二极管的绝缘栅双极晶体管的串联点为所述半桥模块的一个输出端，所述电容的任意一端为所述半桥模块的另一个输出端。

4.权利要求1～3任一项所述基于全桥与半桥模块的混合型多电平换流器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1通过最近电平逼近方法控制半桥模块投入数，各桥臂的半桥模块都通过排序算法导通，使所有半桥模块的电容电压维持平衡；

所述半桥模块投入数的计算方法如下：

在每个时刻，每相下桥臂需投入的半桥模块数的实时表达式为：

$n_{\mathrm{down}}=\frac{N}{2}+\mathrm{round}\left(\frac{U_i}{U_C}\right)$

在每个时刻，每相上桥臂需投入的半桥模块数的实时表达式为：

$n_{\mathrm{up}}=\frac{N}{2}-n_{\mathrm{down}}=\frac{N}{2}-\mathrm{round}\left(\frac{U_i}{U_C}\right)$

其中，U_C为所有半桥模块的电容电压维持均衡时每个半桥模块的电容电压；U_i为相电压调制波；round()表示取最接近的整数；

S2通过控制全桥模块的投入与切除，使电平数从N+1增加到3N+1；

上桥臂的全桥模块的投入状态为：

$S_{\mathrm{HB}}=\mathrm{MOD}(\frac{3}{2}N+\mathrm{round}\left(\frac{{3U}_i}{2/N}\right),3),i=a,b,c$

其中，U_i为相电压调制波，MOD()表示取余运算；

下桥臂的全桥模块的投入状态为：

$S_{\mathrm{HB}}^{\′}=\mathrm{MOD}(3-S_{\mathrm{HB}},3).$

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