CN104167912B

CN104167912B - 一种具备零直流电压故障穿越能力的mmc及其设计方法

Info

Publication number: CN104167912B
Application number: CN201410400214.8A
Authority: CN
Inventors: 胡家兵; 路茂增; 郑皖宁
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2014-08-14
Filing date: 2014-08-14
Publication date: 2016-08-31
Anticipated expiration: 2034-08-14
Also published as: CN104167912A

Abstract

本发明公开了一种具备零直流电压故障穿越能力的MMC及其设计方法。综合半桥子模块成本低、运行效率高及全桥子模块可输出负电平的优势，采用本发明所提出的零直流电压故障穿越方案，根据半桥子模块与全桥子模块额定电压，并结合MMC直流侧额定电压及交流侧相电压峰值，计算出半桥和全桥子模块配置个数；得到的MMC可在保证其能实现零直流电压故障穿越的前提下，有效降低变换器成本及提高变换器的运行效率。本发明提出的技术方案并不局限于半桥子模块和全桥子模块的组合，还可以是半桥子模块和其它能在非闭锁状态下输出正、负及零三类电平的子模块的组合，比如交叉连接双半桥子模块。

Description

一种具备零直流电压故障穿越能力的MMC及其设计方法

技术领域

本发明属于多电平电力电子变换器技术领域，更具体地，涉及一种具备零直流电压故障穿越能力的MMC及其设计方法。

背景技术

目前，凭借开关器件无动静态均压问题及运行效率高等优势，模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)已成为高压大功率变换器尤其是高压直流输电换流器的首要选择。在高压直流输电领域，尤其是基于架空线路的电能传输时，基于MMC的换流站往往要面临较大概率的直流侧短路故障状况。传统的MMC设计方法所有的子模块拓扑均相同。经典的由半桥子模块构成的MMC(Half Bridge Sub-module MMC,H-MMC)虽具有成本低及运行效率高的优势，但不具备直流侧故障的隔离能力，会将直流侧短路故障转换为交流侧短路故障。为使MMC具备直流闭锁能力，又先后出现了由全桥子模块构成的MMC(Full Bridge Sub-module MMC,F-MMC)以及由钳位双子模块构成的MMC(Clamping Double Sub-moduleMMC,C-MMC)。三种MMC的拓扑结构分别如图1至图3所示。为使半桥子模块具备负电平输出能力，又出现了交叉连接双半桥子模块，其拓扑结构如图4所示。

为实现MMC整体性能的提高，传统的设计方法要求各子模块拓扑均改变，从而导致MMC的成本上升，运行效率下降。例如，当功率等级相同时，F-MMC的单位成本较H-MMC提高约15％，F-MMC及C-MMC的通态损耗较H-MMC增大近70％及35％。此外，直流侧短路故障尤其是零直流电压短路故障期间，直流闭锁能力虽可清除直流侧短路故障，但无法向电网注入无功以支撑电网电压。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种具备零直流电压故障穿越能力的MMC及其设计方法，得到的MMC可在保证其能实现零直流电压故障穿越的前提下，有效降低变换器成本及提高变换器的运行效率。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种具备零直流电压故障穿越能力的MMC的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)确定MMC由两种拓扑结构的子模块组成，分别表示为第一子模块和第二子模块；其中，第一子模块确定为半桥子模块，以降低MMC的设计成本及提高其运行效率；第二子模块需满足如下条件：能在非闭锁状态下输出正、负及零三类电平，使MMC具备零直流电压穿越能力；

(2)确定零直流电压故障穿越方案；

其中，穿越方案遵循以下原则：所有半桥子模块均旁路，同相上、下桥臂的第二子模块总输出电压等大反相，下桥臂第二子模块总输出电压为该相瞬时电压值，同桥臂第二子模块只能输出正电平及零电平，或者负电平及零电平；

第二子模块投切原则满足如下条件：(A1)需追加投入子模块时，如果当前桥臂电流对子模块中电容充电，应投入原处于切除状态的电压较低的第二子模块；反之，应投入原处于切除状态的电压较高的第二子模块；(A2)需追加切除子模块时，如果当前桥臂电流对子模块电容充电，应切除原处于投入状态的电压较高的第二子模块；反之，应切除原处于投入状态的电压较低的第二子模块；

(3)根据步骤(2)确定的零直流电压故障穿越方案，确定第一子模块和第二子模块的个数，以使得MMC在可实现零直流电压故障穿越的同时成本最低及运行效率最高，完成MMC的设计；

其中，半桥子模块的个数满足如下条件：单桥臂中半桥子模块总投入电压为直流侧额定电压与交流侧相电压峰值之差；第二子模块的个数满足如下条件：单桥臂中第二子模块最大总投入电压为交流相电压的峰值。

优选地，所述步骤(3)中，在电压调制系数为1时，如果半桥子模块的额定电压与第二子模块的额定电压比值为1:1，则半桥子模块与第二子模块的个数比为1:1，半桥子模块个数为直流侧额定电压与半桥子模块额定电压比值的一半；如果半桥子模块的额定电压与第二子模块的额定电压比值为1:2，则半桥子模块与第二子模块的个数比为2:1，半桥子模块个数为直流侧额定电压与半桥子模块额定电压比值的三分之二。

优选地，所述第二子模块为全桥子模块或交叉连接双半桥子模块。

按照本发明的另一方面，提供了一种用上述方法设计的模块化多电平变换器。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：综合半桥子模块成本低、运行效率高及全桥子模块可输出负电平的优势，采用本发明所提出的零直流电压故障穿越方案，根据半桥子模块与全桥子模块额定电压，并结合MMC直流侧额定电压及交流侧相电压峰值，计算出半桥和全桥子模块配置个数；得到的MMC可在保证其能实现零直流电压故障穿越的前提下，有效降低变换器成本及提高变换器的运行效率。本发明提出的技术方案并不局限于半桥子模块和全桥子模块的组合，还可以是半桥子模块和其它能在非闭锁状态下输出正、负及零三类电平的子模块的组合，比如交叉连接双半桥子模块。显然，本发明所设计的MMC还具备非零直流电压故障的穿越能力。

附图说明

图1是H-MMC拓扑结构图；

图2是F-MMC拓扑结构图；

图3是C-MMC拓扑结构图；

图4是交叉连接双半桥子模块的拓扑结构图；

图5是采用本发明实施例1的MMC的设计方法设计的可实现零直流电压故障穿越的MMC拓扑结构图；

图6是MMC在零直流电压故障穿越下的等效电路；

图7是采用本发明实施例2的MMC的设计方法设计的可实现零直流电压故障穿越的MMC拓扑结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例的MMC的设计方法包括如下步骤：

(1)确定MMC由两种拓扑结构的子模块组成，分别表示为第一子模块和第二子模块，其中，第一子模块确定为半桥子模块，以降低MMC的设计成本及提高其运行效率，第二子模块需满足如下条件：能在非闭锁状态下输出正、负及零三类电平，以使MMC具备零直流电压穿越能力。

具体地，第二子模块为全桥子模块或交叉连接双半桥子模块。

(2)确定零直流电压故障穿越方案。

具体地，穿越方案遵循以下原则：所有半桥子模块均旁路，同相上、下桥臂的第二子模块总输出电压等大反相，下桥臂第二子模块总输出电压为该相瞬时电压值，同桥臂第二子模块只能输出正电平及零电平，或者负电平及零电平。

第二子模块投切原则满足如下条件：(A1)需追加投入子模块时，如果当前桥臂电流对子模块中电容充电，应投入原处于切除状态的电压较低的第二子模块；反之，应投入原处于切除状态的电压较高的第二子模块；(A2)需追加切除子模块时，如果当前桥臂电流对子模块电容充电，应切除原处于投入状态的电压较高的第二子模块；反之，应切除原处于投入状态的电压较低的第二子模块。

(3)根据步骤(2)确定的零直流电压故障穿越方案，确定第一子模块和第二子模块的个数，以使得MMC在可实现零直流电压故障穿越的同时成本最低及运行效率最高，完成MMC的设计。

具体地，半桥子模块的个数满足如下条件：单桥臂中半桥子模块总投入电压为直流侧额定电压与交流侧相电压峰值之差；第二子模块的个数满足如下条件：单桥臂中第二子模块最大总投入电压为交流相电压的峰值。

具体地，在电压调制系数为1时，如果半桥子模块的额定电压与第二子模块的额定电压比值为1:1，则半桥子模块与第二子模块的个数比为1:1，半桥子模块个数为直流侧额定电压与半桥子模块额定电压比值的一半；如果半桥子模块的额定电压与第二子模块的额定电压比值为1:2，则半桥子模块与第二子模块的个数比为2:1，半桥子模块个数为直流侧额定电压与半桥子模块额定电压比值的三分之二。

为使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合具体实施例，对本发明的模块化多电平变换器的设计方法进行详细说明。

实施例1

MMC的设计方法包括如下步骤：

(1)为降低MMC的设计成本及提高其运行效率，选取半桥子模块作为MMC的第一子模块；为使MMC具备零直流电压穿越能力，选取能在非闭锁状态下输出负电平的全桥子模块作为MMC的第二子模块。形成的MMC的拓扑结构如图5所示。

(2)确定零直流电压故障穿越方案。其中，穿越方案遵循如下原则：所有的半桥子模块均旁路，忽略交流电流在桥臂的阻抗，同相上、下桥臂的全桥子模块总输出电压等大反相，下桥臂全桥子模块总输出电压为当前交流侧相电压瞬时值，其等效电路如图6所示；同桥臂全桥子模块只能输出正电平及零电平，或者负电平及零电平。为保证故障穿越期间全桥子模块电压均衡，全桥子模块投切原则满足如下条件：(A1)需追加投入子模块时，如果当前桥臂电流对子模块中电容充电，应投入原处于切除状态的电压较低的全桥子模块；反之，应投入原处于切除状态的电压较高的全桥子模块；(A2)需追加切除子模块时，如果当前桥臂电流对子模块电容充电，应切除原处于投入状态的电压较高的全桥子模块；反之，应切除原处于投入状态的电压较低的全桥子模块。

(3)为使设计的MMC在可实现零直流电压故障穿越的同时成本最低及运行效率最高，半桥子模块与全桥子模块的个数需满足特定关系，且该关系与两种模块额定电压的比值有关。

在半桥子模块的额定电压与全桥子模块的额定电压相同时，半桥子模块和全桥子模块的配置个数的计算过程如下。

不考虑冗余，假设桥臂中半桥子模块及全桥子模块个数分别为m、n；正常工作时半桥子模块的额定输出电压为U_c0，交流侧调制系数M为1，直流侧电压用V_dc表示，交流侧相电压峰值用U_m表示，则有

U_{m} = M \frac{V_{dc}}{2} = \frac{m + n}{2} U_{c 0} - - - (1)

采用步骤(2)中所述的穿越方案时，MMC桥臂的最大可输出电压V_m为

V_m＝nU_c0 (2)

为保证MMC能在任意时刻实现直流侧零电压穿越，需要保证直流短路故障期间，V_m满足

V_m≥U_m (3)

结合式(1)～(3)可得

n≥m (4)

因为m与n的加和应等于V_dc与U_c0的比值，根据式(4)求得的约束条件，结合半桥子模块成本较低及运行效率较高的优势，选取m＝n。此时，半桥子模块的个数为V_dc与U_c0的比值的一半。较传统设计的F-MMC，本方法所设计的MMC在保证零直流电压穿越能力的同时，成本可降低6.52％，通态损耗可降低20.6％。

在半桥子模块的额定电压与全桥子模块的额定电压比值为1:2时，半桥子模块和全桥子模块的配置个数的计算过程如下。

U_{m} = M \frac{V_{dc}}{2} = \frac{m + 2 n}{2} U_{c 0} - - - (5)

V_m＝2nU_c0 (6)

V_m≥U_m (7)

结合式(5)～(7)可得

n≥m/2 (8)

因为m与2n的加和应等于V_dc与U_c0的比值，根据式(8)求得的约束条件，结合半桥子模块成本较低及运行效率较高的优势，选取m＝2n。此时，半桥子模块的个数为V_dc与U_c0的比值的三分之二。较传统设计的F-MMC，本方法所设计的MMC在保证零直流电压穿越能力的同时，成本得到有效降低，运行效率得到有效升高。

显然上述个数配置满足如下条件：单桥臂中半桥子模块总投入电压为直流侧额定电压与交流侧相电压的峰值之差；单桥臂中全桥子模块的最大输出电压为交流相电压的峰值。

实施例2

MMC的设计方法包括如下步骤：

(1)为降低MMC的设计成本及提高其运行效率，选取半桥子模块作为MMC的第一子模块；为使MMC具备零直流电压穿越能力，选取能在非闭锁状态下输出负电平的交叉连接双半桥子模块作为MMC的第二子模块。形成的MMC的拓扑结构如图7所示。

(2)确定零直流电压故障穿越方案。其中，穿越方案遵循如下原则：所有的半桥子模块均旁路，忽略交流电流在桥臂的阻抗，同相上、下桥臂的交叉连接双半桥子模块总输出电压等大反相，下桥臂交叉连接双半桥子模块总输出电压为当前交流侧相电压瞬时值，其等效电路如图6所示；同桥臂交叉连接双半桥子模块只能输出正电平及零电平，或者负电平及零电平。为保证故障穿越期间交叉连接双半桥子模块电压均衡，交叉连接双半桥子模块投切原则满足如下条件：(A1)需追加投入子模块时，如果当前桥臂电流对子模块中电容充电，应投入原处于切除状态的电压较低的交叉连接双半桥子模块；反之，应投入原处于切除状态的电压较高的交叉连接双半桥子模块；(A2)需追加切除子模块时，如果当前桥臂电流对子模块电容充电，应切除原处于投入状态的电压较高的交叉连接双半桥子模块；反之，应切除原处于投入状态的电压较低的交叉连接双半桥子模块。

(3)为使设计的MMC在可实现零直流电压故障穿越的同时成本最低及运行效率最高，半桥子模块与交叉连接双半桥子模块的个数需满足特定关系，且该关系与两种模块额定电压(认为交叉连接双半桥子模块的额定电压为其投入时的端口电压幅值)的比值有关。

由于交叉连接双半桥子模块是由两个半桥结构及两对允许电流双向流动的开关管组成(拓扑如图4所示)，半桥子模块的额定电压为U_c0。从易于设计的角度考虑，交叉连接双半桥子模块中半桥结构的额定电压与半桥子模块的额定电压可相同，其值为U_c0。

为实现交叉连接双半桥子模块的高效利用，正常工作及故障期间使其输出电压为±2U_c0及0三种电平，此时，半桥子模块的额定电压与交叉连接双半桥子模块的额定电压比值为1:2。基于以上条件，半桥子模块与交叉连接双半桥子模块的配置个数的计算过程如下。

不考虑冗余，假设桥臂中半桥子模块及交叉连接双半桥子模块的个数分别为m、n，交流侧调制系数M为1，直流侧电压用V_dc表示，交流侧相电压峰值用U_m表示，则有

U_{m} = M \frac{V_{dc}}{2} = \frac{m + 2 n}{2} U_{c 0} - - - (9)

V_m＝2nU_c0 (10)

V_m≥U_m (11)

结合式(9)～(11)可得

n≥m/2 (12)

因为m与2n的加和应等于V_dc与U_c0的比值，根据式(12)求得的约束条件，结合半桥子模块成本较低及运行效率较高的优势，选取m＝2n。此时，半桥子模块的个数为V_dc与U_c0的比值三分之二。较传统设计的由交叉连接双半桥子模块构成的MMC，由于省去了部分开关管T₄₅、T₄₆以及二极管D₄₅、D₄₆(如图4所示)，因而在保证零直流电压穿越能力的同时，成本得到有效降低，运行效率得到有效升高。

显然上述个数配置满足：单桥臂中半桥子模块总投入电压为直流侧额定电压与交流相电压的峰值之差；单桥臂中交叉连接双半桥子模块的最大输出电压为交流侧相电压的峰值。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种具备零直流电压故障穿越能力的MMC的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

(2)确定零直流电压故障穿越方案；

其中，半桥子模块的个数满足如下条件：单桥臂中半桥子模块总投入电压为直流侧额定电压与交流侧相电压峰值之差；第二子模块的个数满足如下条件：单桥臂中第二子模块最大总投入电压为交流相电压的峰值；

所述步骤(3)中，在电压调制系数为1时，如果半桥子模块的额定电压与第二子模块的额定电压比值为1:1，则半桥子模块与第二子模块的个数比为1:1，半桥子模块个数为直流侧额定电压与半桥子模块额定电压比值的一半；如果半桥子模块的额定电压与第二子模块的额定电压比值为1:2，则半桥子模块与第二子模块的个数比为2:1，半桥子模块个数为直流侧额定电压与半桥子模块额定电压比值的三分之二。

2.如权利要求1所述的具备零直流电压故障穿越能力的MMC的设计方法，其特征在于，所述第二子模块为全桥子模块或交叉连接双半桥子模块。

3.一种用权利要求1至2中任一项所述的方法设计的模块化多电平变换器。