CN105305405B - 一种应用于mmc型柔性直流输电的mmc模块拓扑 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种应用于MMC型柔性直流输电的MMC模块拓扑，包含9个IGBT以及9个IGBT反并联二极管以及2个独立的二极管，通过控制T11和T12的开通和关断来投入和切除电容C1，通过控制T21和T22的开通和关断来投入和切除电容C2，从而产生所需要的交流电压，T13和T14用来控制附加第一LC回路，T23和T24用来控制附加第二LC回路，来吸收直流电容上C1和C2上的基频以及二倍频功率波动，从而减小功率波动，降低直流电容的容值和体积，达到提高功率密度的目的。通过控制T5的导通和关断来阻断直流短路故障。

Description

一种应用于MMC型柔性直流输电的MMC模块拓扑

【技术领域】

本发明涉及柔性输配电技术领域，具体涉及一种应用于MMC型柔性直流输电的MMC模块拓扑。

【背景技术】

与传统电压源换流器相比，模块化多电平换流器(Modular MultileverConverter，MMC)具有扩展性好、谐波小、开关频率低、对器件一致触发要求少等优点，尤其适用于直流输电应用场合。

为降低损耗和器件数量，早期的MMC采用半桥子模块级联形式，但半桥子模块级联形式的MMC无法有效闭锁直流故障。同时，对于单相桥臂，直流电流、基波电流和基波电压产生一个基频以及二倍频的功率波动，该功率波动体现在模块的直流电容上会导致直流电容的电压有基频以及少量二倍频波动，因此在选取电容的时候需要较大的容值以应对该基频电压波动，造成电容容值较大，故体积较大，成本较高。因此，亟需一种新型拓扑的提出以解决上述技术问题。

【发明内容】

本发明提出一种应用于MMC型柔性直流输电的MMC模块拓扑，通过辅助电路的引入减小直流电容的容值，从而减小模块体积，提高功率密度。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种应用于MMC型柔性直流输电的MMC模块拓扑，包括9个IGBT T11、T12、T13、T14、T21、T22、T23、T24和T5，9个IGBT分别反并联有二极管D11、D12、D13、D14、D21、D22、D23、D24和D5，其中IGBT T11、T12构成第一H半桥结构且并联有电容C1，IGBT T21、T22构成第二H半桥结构且并联有电容C2，IGBT T13、T14构成第三H半桥，第一LC回路连接在T13的发射极和T14的发射极之间，IGBT T23、T24构成第四H半桥，第二LC回路连接在T23的发射极和T24的发射极之间，四个H半桥及IGBT T5并联连接；通过控制第一H半桥结构中的两个IGBT T11、T12和第二H半桥结构中的两个IGBT T21、T22的开通和关断来投入和切除直流电容C1和C2，从而产生所需要的电压；通过第三H半桥结构中的两个IGBT T13、T14和第四H半桥结构中的两个IGBT T23、T24控制第一LC回路和第二LC回路来吸收直流电容上的基频以及二倍频的功率波动；通过控制IGBT T5的导通和关断阻断直流短路故障。

进一步，所述IGBT T11的发射级与T12的集电极相连，T13的发射极和T14的集电极相连，第一LC回路连接在T13的发射极和T14的发射极之间，直流电容C1连接在T13的集电极和T14的发射极之间，接线端子A连接在T11和T12之间；

进一步，所述IGBT T22的发射级与T21的集电极相连，T23的发射极和T24的集电极相连，第二LC回路连接在T23的发射极和T24的发射极之间，直流电容C2连接在T23的集电极和T24的发射极之间，接线端子B连接在T22和T21之间，IGBT T11、T12、T13、T14、T21、T22、T23、T24、T5的栅极连接驱动信号。

进一步，所述第一LC回路由电感La1和电容Ca1组成，第二LC回路由电感La2和电容Ca2组成。

进一步，二极管D31的正极连接IGBT T5的集电极，负极连接IGBT T11的集电极，二极管D32的正极连接IGBT T21的发射极，负极连接IGBT T5的发射极；通过二极D31、D32在不控整流阶段通过二极管的正向导通电流的能力给电容提供充电回路，并均衡电容C1和C2上的电压。

本发明提出的MMC模块拓扑包含9个IGBT以及9个IGBT反并联二极管以及2个独立的二极管，通过控制T11和T12的开通和关断来投入和切除电容C1，通过控制T21和T22的开通和关断来投入和切除电容C2，从而产生所需要的交流电压。T13和T14用来控制附加第一LC回路，T23和T24用来控制附加第二LC回路，来吸收直流电容上C1和C2上的基频以及二倍频功率波动，从而减小功率波动，降低直流电容的容值和体积，达到提高功率密度的目的。通过控制T5的导通和关断来阻断直流短路故障。

【附图说明】

图1为本发明所提的拓扑图；

图2为新拓扑在MMC型柔性直流输电系统中的应用示意图；

图3为采用新拓扑后直流故障阻断功能的示意图；

图4为辅助电路的控制策略的示意图；

图5为采用新拓扑后电容电压波动减小的示意图；

【具体实施方式】

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合图1、2、3、4对本发明的原理做详细描述。

参见图1，所提新拓扑模块包括：9个IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，引导绝缘栅双极型晶体管)：T11，T12，T13，T14，T21，T22，T23，T24，T5、4个电容：C1和Ca1，C2和Ca2以及9个反并联二极管：D11，D12，D13，D14，D21，D22，D23，D24，其中T11，T12和T21，T22以及所包含的反并联二极管D11，D12和D21，D22为主开关器件，主要负责模块电容的投入和切除从而产生所需的电压，在后文中称为主开关器件。T13，T14和T23，T24以及所包含的反并联二极管D13，D14和D23，D24为辅助开关器件，主要负责吸收基频以及二倍频功率，在后文中称为辅助开关器件。

具体的连接方式为：T11的集电极与二极管D11的负极相连，T11的发射极和D11的正极相连。T11的发射级与T12的集电极相连，D12的正极与T12的发射级相连，D12的负极与T12的集电极相连。T13的集电极和D13的负极相连，T13的发射极和D13的正极相连。T13的发射极和T14的集电极相连，T14的集电极和D14的负极相连，T4的发射级和D14的正极相连。第一LC回路连接在T13的发射极和T14的发射极之间。直流电容C1连接在T13的集电极和T14的发射极之间。端子A连接在T11和T12之间。T22的集电极与二极管D22的负极相连，T22的发射极和D22的正极相连。T22的发射级与T21的集电极相连，D21的正极与T12的发射级相连，D21的负极与T21的集电极相连。T23的集电极和D23的负极相连，T23的发射极和D23的正极相连。T23的发射极和T24的集电极相连，T24的集电极和D24的负极相连，T24的发射级和D24的正极相连。第二LC回路连接在T23的发射极和T24的发射极之间。直流电容C2连接在T23的集电极和T24的发射极之间。端子B连接在T22和T21之间。T11，T12，T13，T14，T21，T22，T23，T24，T5的栅极连接驱动信号。

D31、D32在不控整流阶段通过二极管的正向导通电流的能力给电容提供充电回路，同时可以起到均衡电容C1和C2上的电压的作用。二极管D31的正极连接T5的集电极，负极连接T11的集电极。二极管D32的正极连接T21的发射极，负极连接T5的发射极。

图2为所提的新拓扑模块在MMC型柔性直流输电系统中的应用。以柔性直流输电的单端系统为例，a，b，c接入交流三相系统。柔性直流输电系统每相含有两个桥臂，上桥臂和下桥臂。每个桥臂含有n个串联模块。正常工作时，主开关器件通过上下开关管的开通和关断控制主电容器的投入和切除，实现控制目标。T11，T21闭合时，对应的直流电容连入电路，T12，T22断开时，对应的直流电容被短接，不再接入电路。T13和T14控制第一LC回路中的电容的充放电来吸收基频以及二倍频功率波动，T23和T24控制第二LC回路中的电容的充放电来吸收基频以及二倍频功率波动。

图3为所提的新拓扑模块在MMC型柔性直流输电系统中的阻断直流短路故障的原理图。当直流故障发生时，直流母线的正负极直接或者通过某种阻抗相连，对于采用半桥结构的MMC系统，短路后会形成一个直流通路，在这个通路中除了短路点的阻抗之外没有其它阻抗或者电压源，因此会产生一个很大的电流。而对于新提出的拓扑，当直流故障发生时，电流的路径会按照图3所示的路径流通。从图中可以看出，在直流故障发生时，模块的主电容会连接进回路中，电容上将给回路提供负电势，用以抵销直流电压，从而减小直流短路电流。

辅助电路的控制方式可以有很多种，图4给出了一种简单的闭环控制的方法，通过检测直流电容的电压，与指令值进行比较之后，通过PI进行控制，最终与三角载波比较产生PWM波，给到T13和T14的栅极。可能的方法包括但不仅含有，采用功率检测的方法得到基频以及二倍频功率，通过该基频以及二倍频功率作为指令值，控制直流电容上的功率。图5为采用辅助电路之后，直流电容上电压的波动的变化对比。从图中可以看出，通过辅助电路控制LC回路吸收基频以及二倍频功率的功率波动，直流电容上的电压波动明显的减少了。电压波动的减少可以减小对电容容量的要求。电容容量的减少对于成本和电容体积的减少都有很大的改善。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种应用于MMC型柔性直流输电的MMC模块拓扑，其特征在于：包括9个IGBT T11、T12、T13、T14、T21、T22、T23、T24和T5，每个IGBT分别反并联有二极管D11、D12、D13、D14、D21、D22、D23、D24和D5，其中IGBT T11、T12构成第一H半桥结构且并联有电容C1，IGBT T21、T22构成第二H半桥结构且并联有电容C2，IGBT T13、T14构成第三H半桥，第一LC回路连接在T13的发射极和T14的发射极之间，IGBT T23、T24构成第四H半桥，第二LC回路连接在T23的发射极和T24的发射极之间，四个H半桥及IGBT T5并联连接；

通过控制第一H半桥结构中的两个IGBT T11、T12和第二H半桥结构中的两个IGBT T21、T22的开通和关断实现投入和切除直流电容C1和C2，从而产生所需要的电压；通过第三H半桥结构中的两个IGBT T13、T14和第四H半桥结构中的两个IGBT T23、T24控制第一LC回路和第二LC回路来吸收直流电容上的基频以及二倍频的功率波动；通过控制IGBT T5的导通和关断阻断直流短路故障；

所述IGBT T11的发射级与T12的集电极相连，T13的发射极和T14的集电极相连，第一LC回路连接在T13的发射极和T14的发射极之间，直流电容C1连接在T13的集电极和T14的发射极之间，接线端子A连接在T11和T12之间；

所述IGBT T22的发射级与T21的集电极相连，T23的发射极和T24的集电极相连，第二LC回路连接在T23的发射极和T24的发射极之间，直流电容C2连接在T23的集电极和T24的发射极之间，接线端子B连接在T22和T21之间，IGBT T11、T12、T13、T14、T21、T22、T23、T24、T5的栅极连接驱动信号。

2.根据权利要求1所述的应用于MMC型柔性直流输电的MMC模块拓扑，其特征在于：所述第一LC回路由电感La1和电容Ca1组成，第二LC回路由电感La2和电容Ca2组成。

3.根据权利要求1所述的应用于MMC型柔性直流输电的MMC模块拓扑，其特征在于：二极管D31的正极连接IGBT T5的集电极，负极连接IGBT T11的集电极，二极管D32的正极连接IGBT T21的发射极，负极连接IGBT T5的发射极；通过二极D31、D32在不控整流阶段通过二极管的正向导通电流的能力给电容提供充电回路，并均衡电容C1和C2上的电压。