CN105024569A - 适用于低调制比应用的分叉结构模块化多电平变换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于低调制比应用的分叉结构模块化多电平变换器，由六个桥臂组和对应的桥臂电感组成，每个桥臂组由第一、第二、第三分支桥臂构成；所述分叉结构MMC的输入功率由两组三相交流电源输入，分别为U_A1U_B1U_C1和U_A2U_B2U_C2，其中：U_A1与U_B2接入到第一桥臂组，U_B1与U_C2接入到第二桥臂组，U_C1与U_A2接入到第三桥臂组，即两路交流输入在每个桥臂组中错相连接；通过控制分支桥臂的电压来维持直流电压的稳定并控制交流侧电流。本发明的每一条支路的交流基频电流幅值均为传统MMC的一半，从而实现了整体功率器件容量的减小、损耗和电容总量的减小。

Description

适用于低调制比应用的分叉结构模块化多电平变换器

技术领域

本发明涉及电力系统中柔性直流输电、电力电子技术领域，具体地，涉及一种适用于低调制比应用的分叉结构模块化多电平变换器。

背景技术

模块化多电平变换器(modular multilevel converter，MMC)广泛应用在柔性直流输电领域，是一种适用于高压大功率应用的电力电子变换器，可扩展性强，具有较高的可靠性，子模块中功率开关的电压应力小，具有较多的电平数，输出电能质量较高。

理论上MMC可以将电压较低的交流电源连接到电压较高的直流电源，但传统MMC在应用时往往调制比接近于1，即交流电压幅值接近直流电压一半。当调制比远低于1时，即交流电压幅值原小于直流电压一半时，虽然从原理上MMC依然可以正常运行，但是交流输入电流幅值远大于直流输出电流，导致桥臂电流较大，因此需要选取具有较大额定电流的电力电子开关器件，而传统MMC的桥臂串联结构使得整体功率器件的容量需要大幅增加；另一方面，较低的调制比导致较大的桥臂交流电流，增加了MMC子模块电容电压的波动，子模块需要选取较大的电容来减小电容电压纹波，从而进一步增加了变换器的体积和成本，损耗也增加。综上所述，当传统MMC在低调制比应用时，功率器件总容量、损耗和电容总量大幅增加，使得体积和成本都较高。

经检索，“模块组合多电平变换器的研究综述”，中国电机工程学报，第33卷，第6期，2013。其MMC的桥臂由子模块串联构成，常应用在调制比接近于1的场合，当调制比减小时，桥臂电流和电容电压波动均会增大，导致损耗增加，并需要选取较大的功率器件和较大子模块电容。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于低调制比应用的分叉结构模块化多电平变换器，每个桥臂组由3个分支桥臂构成，两组交流交流电源通过错相连接到各个桥臂组，通过控制分支桥臂的合成电压来控制交流侧电压；在传输同等功率时，每个分支桥臂中的基频交流电流为传统MMC桥臂电流的一半，减小了所需功率器件的额定电流，减小了整体损耗和整体功率器件容量，也减小了子模块电容的总量。传统MMC的调制与电压均压控制也适用于分叉结构MMC。

为实现以上目的，本发明提供一种适用于低调制比应用的分叉结构模块化多电平变换器，所述分叉结构模块化多电平变换器由六个桥臂组和对应的桥臂电感组成，六个桥臂组分别为第一上桥臂组、第一下桥臂组、第二上桥臂组、第二下桥臂组、第三上桥臂组、第三下桥臂组，各上桥臂组与对应的下桥臂组通过桥臂电感串联，串联后各桥臂组整体连接到公共直流母线，上桥臂与下桥臂通过桥臂电感连接点引出作为交流连接端；

每个桥臂组由第一、第二、第三分支桥臂构成，第一、第二、第三分支桥臂通过一个公共点呈星型连接，其中第三分支桥臂连接到直流母线，第一分支桥臂与第二分支桥臂分别通过桥臂电感与对应的上桥臂组或下桥臂组的第一分支桥臂与第二分支桥臂串联；

所述分叉结构模块化多电平变换器的输入功率由两组三相交流电源输入，第一组三相交流电源的A、B、C相表示为U_A1、U_B1、U_C1，第二组三相交流电源的A、B、C相表示为U_A2、U_B2、U_C2，其中：U_A1与U_B2接入到第一桥臂组，U_B1与U_C2接入到第二桥臂组，U_C1与U_A2接入到第三桥臂组，即两路交流输入在每个桥臂组中错相连接。

优选地，所述分叉结构模块化多电平变换器通过控制分支桥臂的电压来维持分支桥臂能量的稳定性并控制交流侧电流。具体的：

所述第一分支桥臂与第二分支桥臂产生相同的直流电压，第一分支桥臂与第三分支桥臂产生的直流电压之和等于直流侧总电压的一半；在每个桥臂组中，第一分支桥臂与第三分支桥臂产生的交流电压之和对第一分支桥臂的交流电流进行控制，第二分支桥臂与第三分支桥臂产生的交流电压之和对第二分支桥臂的交流电流进行控制。

优选地，每个所述分支桥臂的电压调制方法包括载波移相PWM调制、最近电平逼近调制或其他适用于常规MMC的调制方法，同时传统MMC中的各种电压平衡策略也完全适用于所述分叉结构MMC。

优选地，所述分支桥臂中的交流电压除需要满足电压合成需求，还需要满足能量平衡条件，以维持分支桥臂中的能量平衡：

式中：m_dc为分支桥臂的直流分量调制比，即分支桥臂的产生直流电压与变换器直流侧总电压之比；为分支桥臂中的直流电流值；m_ac为分支桥臂的交流分量调制比，即分支桥臂的产生的交流电压与变换器直流侧总电压之比；为分支桥臂中基频电流幅值；为分支桥臂产生的交流电压与对应的交流电源电压的相位差；γ为功率因数角。

优选地，所述第一分支桥臂、第二分支桥臂、第三分支桥臂均由若干个半桥结构子模块串联构成。

优选地，所述两组三相交流电源来自于同一个交流电源，或者来自于两个独立的交流电源。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1)适用于调制度较低的应用，各分支桥臂中的基频交流电流为传统MMC的一半；

2)变换器整体损耗减小

3)功率器件整体容量减小；

4)变换器电容总量减小。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例分叉结构MCC示意图；

图2为本发明一实施例的两组交流输出电流的仿真效果图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例提供一种适用于低调制比应用的分叉结构MMC，所述分叉结构MMC的具体参数如下：

额定功率10MW，每个分支桥臂中有10个子模块，每个子模块电容额定电压为2500V，桥臂电感200μH，交流侧滤波电感为1mH；各分支桥臂采用载波移相调制，载波频率为200Hz，直流侧电压为50000V；两组交流电压由同一个交流电源提供，交流侧线电压有效值为15000V，频率为50Hz；变换器按照单位功率因数运行。

本实施例中，所述各桥臂组按照次序分别记为：上桥臂组1，下桥臂组1，上桥臂组2，下桥臂组2，上桥臂组3，下桥臂组3。其中，各上桥臂组与对应的下桥臂组通过桥臂电感串联，串联后桥臂组整体连接到公共直流母线，上桥臂与下桥臂通过桥臂电感连接点引出作为交流连接端。对于每个桥臂组，由三个分支桥臂构成，三个分支通过一个公共点呈星型连接，其中第三分支桥臂3连接到直流母线，第一分支桥臂1与第二分支桥臂2分别通过桥臂电感与对应的上桥臂组或下桥臂组的第一分支桥臂1与第二分支桥臂2串联。

所述分叉结构MMC具有两路交流输入U_A1U_B1U_C1和U_A2U_B2U_C2，其中：U_A1与U_B2接入到桥臂组1，U_B1与U_C2接入到桥臂组2，U_C1与U_A2接入到桥臂组3。若稳态运行时变换器交流输出相电压幅值为U，按照以下各式控制桥臂组1的各个分支桥臂调制电压：

$u_{1u}={\hat{u}}_{dc}-U\cos (\mathrm{\ω}t-\frac{\mathrm{\π}}{3})$

$u_{2u}={\hat{u}}_{dc}-Ucos(\mathrm{\ω}t+\mathrm{\π})$

$u_{3u}={\hat{u}}_{dc}-U\cos (\mathrm{\ω}t+\frac{\mathrm{\π}}{3})$

$u_{1l}={\hat{u}}_{dc}+U\cos (\mathrm{\ω}t-\frac{\mathrm{\π}}{3})$

$u_{2l}={\hat{u}}_{dc}+Ucos(\mathrm{\ω}t+\mathrm{\π})$

$u_{3l}={\hat{u}}_{dc}+U\cos (\mathrm{\ω}t+\frac{\mathrm{\π}}{3})$

式中：u_1u、u_2u、u_3u分为上桥臂组1的分支桥臂1、分支桥臂2、分支桥臂3的调制电压，u_1l、u_2l、u_3l分为下桥臂组1的分支桥臂1、分支桥臂2、分支桥臂3的调制电压，U为稳态时交流输出相电压幅值。上桥臂组2与下桥臂组2中的各交流调制电压分别滞后上桥臂组1与下桥臂组1各交流调制电压2π/3，上桥臂组3与下桥臂组3中的交流调制电压分别滞后上桥臂组2与下桥臂组2各交流调制电压2π/3。在RTLAB实时仿真平台中进行仿真，额定条件下两组三相交流输出电流如图2所示。

本实施例中，通过控制分支桥臂的电压来维持直流电压的稳定并控制交流侧电流：

分支桥臂1与分支桥臂2产生相同的直流电压，分支桥臂1与分支桥臂3产生的直流电压之和等于直流侧总电压的一半；在每个桥臂组中，分支桥臂1与分支桥臂3产生的交流电压之和对分支桥臂1的交流电流进行控制，分支桥臂2与分支桥臂3产生的交流电压之和对分支桥臂2的交流电流进行控制。

分支桥臂中的交流电压除了需要满足电压合成需求，还需要满足能量平衡条件，以维持分支桥臂中能量平衡：

式中：m_dc为分支桥臂的直流分量调制比，即分支桥臂的产生直流电压与变换器直流侧总电压之比；为分支桥臂中的直流电流值；m_ac为分支桥臂的交流分量调制比，即分支桥臂的产生的交流电压与变换器直流侧总电压之比；为分支桥臂中基频电流幅值；为分支桥臂产生的交流电压与对应的交流电源电压的相位差；γ为功率因数角。

对比传统MMC，在传输相同的功率时，本实施例所述分叉结构MMC的每一条支路的交流基频电流幅值均为传统MMC的一半，从而实现了整体功率器件容量的减小和电容总量的减小。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种适用于低调制比应用的分叉结构模块化多电平变换器，其特征在于，所述分叉结构模块化多电平变换器由六个桥臂组和对应的桥臂电感组成；

六个桥臂组分别为第一上桥臂组、第一下桥臂组、第二上桥臂组、第二下桥臂组、第三上桥臂组、第三下桥臂组，各上桥臂组与对应的下桥臂组通过桥臂电感串联，串联后各桥臂组整体连接到公共直流母线，上桥臂与下桥臂通过桥臂电感连接点引出作为交流连接端；

每个桥臂组由第一分支桥臂、第二分支桥臂、第三分支桥臂构成，三个分支桥臂通过一个公共点呈星型连接，其中第三分支桥臂连接到直流母线，第一分支桥臂与第二分支桥臂分别通过桥臂电感与对应的上桥臂组或下桥臂组的第一分支桥臂与第二分支桥臂串联；

所述分叉结构模块化多电平变换器的输入功率由两组三相交流电源输入，第一组三相交流电源的A、B、C相表示为U_A1、U_B1、U_C1，第二组三相交流电源的A、B、C相表示为U_A2、U_B2、U_C2，其中：U_A1与U_B2接入到第一桥臂组，U_B1与U_C2接入到第二桥臂组，U_C1与U_A2接入到第三桥臂组，即两路交流输入在每个桥臂组中错相连接。

2.根据权利要求1所述的一种适用于低调制比应用的分叉结构模块化多电平变换器，其特征在于，所述分叉结构模块化多电平变换器通过控制分支桥臂的电压来维持分支桥臂能量的稳定性并控制交流侧电流。

3.根据权利要求2所述的一种适用于低调制比应用的分叉结构模块化多电平变换器，其特征在于，所述第一分支桥臂与第二分支桥臂产生相同的直流电压，第一分支桥臂与第三分支桥臂产生的直流电压之和等于直流侧总电压的一半；在每个桥臂组中，第一分支桥臂与第三分支桥臂产生的交流电压之和对第一分支桥臂的交流电流进行控制，第二分支桥臂与第三分支桥臂产生的交流电压之和对第二分支桥臂的交流电流进行控制。

4.根据权利要求1所述的一种适用于低调制比应用的分叉结构模块化多电平变换器，其特征在于，每个所述分支桥臂的电压调制方法为载波移相PWM调制或最近电平逼近调制。

5.根据权利要求1所述的一种适用于低调制比应用的分叉结构模块化多电平变换器，其特征在于，所述分支桥臂中的交流电压除需要满足电压合成需求，还需要满足能量平衡条件，以维持分支桥臂中的能量平衡：

式中：m_dc为分支桥臂的直流分量调制比，即分支桥臂的产生直流电压与变换器直流侧总电压之比；为分支桥臂中的直流电流值；m_ac为分支桥臂的交流分量调制比，即分支桥臂的产生的交流电压与变换器直流侧总电压之比；为分支桥臂中基频电流幅值；为分支桥臂产生的交流电压与对应的交流电源电压的相位差；γ为功率因数角。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种适用于低调制比应用的分叉结构模块化多电平变换器，其特征在于，所述第一分支桥臂、第二分支桥臂、第三分支桥臂均由若干个半桥结构子模块串联构成。

7.根据权利要求1-5任一项所述的一种适用于低调制比应用的分叉结构模块化多电平变换器，其特征在于，所述两组三相交流电源来自于同一个交流电源，或者来自于两个独立的交流电源。