CN105450069A - 基于等式约束的辅助电容集中式全桥mmc自均压拓扑 - Google Patents

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Abstract

本发明提供基于等式约束的辅助电容集中式全桥MMC自均压拓扑。全桥MMC自均压拓扑，由全桥MMC模型和自均压辅助回路联合构建。全桥MMC模型与自均压辅助回路通过辅助回路中的6<i>N</i>个IGBT模块发生电气联系，IGBT模块触发，两者构成基于等式约束的辅助电容集中式全桥MMC自均压拓扑；IGBT模块闭锁，拓扑等效为全桥MMC拓扑。该全桥MMC自均压拓扑，可以箝位直流侧故障，同时不依赖于专门的均压控制，能够在完成交直流能量转换的基础上，自发地实现子模块电容电压的均衡，同时能相应降低子模块触发频率和电容容值，实现全桥MMC的基频调制。

Description

基于等式约束的辅助电容集中式全桥MMC自均压拓扑
技术领域
本发明涉及柔性输电领域，具体涉及一种基于等式约束的辅助电容集中式全桥MMC自均压拓扑。
背景技术
模块化多电平换流器MMC是未来直流输电技术的发展方向，MMC采用子模块（Sub-module，SM）级联的方式构造换流阀，避免了大量器件的直接串联，降低了对器件一致性的要求，同时便于扩容及冗余配置。随着电平数的升高，输出波形接近正弦，能有效避开低电平VSC-HVDC的缺陷。
全桥MMC由全桥子模块组合而成，全桥子模块由四个IGBT模块，一个子模块电容及1个机械开关构成，运行灵活，具有直流故障箝位能力。
与两电平、三电平VSC不同，全桥MMC的直流侧电压并非由一个大电容支撑，而是由一系列相互独立的悬浮子模块电容串联支撑。为了保证交流侧电压输出的波形质量和保证模块中各功率半导体器件承受相同的应力，也为了更好的支撑直流电压，减小相间环流，必须保证子模块电容电压在桥臂功率的周期性流动中处在动态稳定的状态。
基于电容电压排序的排序均压算法是目前解决全桥MMC中子模块电容电压均衡问题的主流思路。但是，排序功能的实现必须依赖电容电压的毫秒级采样，需要大量的传感器以及光纤通道加以配合；其次，当子模块数目增加时，电容电压排序的运算量迅速增大，为控制器的硬件设计带来巨大挑战；此外，排序均压算法的实现对子模块的开断频率有很高的要求，开断频率与均压效果紧密相关，在实践过程中，可能因为均压效果的限制，不得不提高子模块的触发频率，进而带来换流器损耗的增加。
文献“ADC-LinkVoltageSelf-BalanceMethodforaDiode-ClampedModularMultilevelConverterWithMinimumNumberofVoltageSensors”，提出了一种依靠钳位二极管和变压器来实现MMC子模块电容电压均衡的思路。但该方案在设计上一定程度破坏了子模块的模块化特性，子模块电容能量交换通道也局限在相内，没能充分利用MMC的既有结构，三个变压器的引入在使控制策略复杂化的同时也会带来较大的改造成本。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提出一种经济的，模块化的，不依赖均压算法，同时能相应降低子模块触发频率和电容容值且具有直流故障箝位能力的全桥MMC自均压拓扑。
本发明具体的构成方式如下。
基于等式约束的辅助电容集中式全桥MMC自均压拓扑，包括由A、B、C三相构成的全桥MMC模型，A、B、C三相每个桥臂分别由N个全桥子模块及1个桥臂电抗器串联而成；包括由6N个IGBT模块，6N+5个钳位二极管，2个辅助电容，2个辅助IGBT模块组成的自均压辅助回路。
上述基于等式约束的辅助电容集中式全桥MMC自均压拓扑，全桥MMC模型中，A相上桥臂的第1个子模块，其一个IGBT模块中点向上与直流母线正极相连接，另一个IGBT模块中点向下与A相上桥臂的第2个子模块一个IGBT模块中点相连接；A相上桥臂的第i个子模块，其中i的取值为2～N-1，其一个IGBT模块中点向上与A相上桥臂的第i-1个子模块一个IGBT模块中点相连，另一个IGBT模块中点向下与A相上桥臂的第i+1个子模块一个IGBT模块中点相连；A相上桥臂的第N个子模块，其一个IGBT模块中点向下经两个桥臂电抗器与A相下桥臂的第1个子模块一个IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模块中点向上与A相上桥臂的第N-1个子模块一个IGBT模块中点相连接；A相下桥臂的第i个子模块，其中i的取值为2～N-1，其一个IGBT模块中点向上与A相下桥臂的第i-1个子模块一个IGBT模块中点相连，另一个IGBT模块中点向下与A相下桥臂的第i+1个子模块一个IGBT模块中点相连；A相下桥臂的第N个子模块，其一个IGBT模块中点向下与直流母线负极相连接，另一个IGBT模块中点向上与A相下桥臂的第N-1个子模块两个IGBT模块中点相连接。B相和C相上下桥臂子模块的连接方式与A相一致。
上述基于等式约束的辅助电容集中式全桥MMC自均压拓扑，自均压辅助回路中，第一个辅助电容正极连接辅助IGBT模块，负极连接钳位二极管并入直流母线正极；第二个辅助电容负极连接辅助IGBT模块，正极连接钳位二极管并入直流母线负极。钳位二极管，通过IGBT模块连接A相上桥臂中第1个子模块电容与第一个辅助电容正极；通过IGBT模块连接A相上桥臂中第i个子模块电容与第i+1个子模块电容正极，其中i的取值为1～N-1；通过IGBT模块连接A相上桥臂中第N个子模块电容与A相下桥臂第1个子模块电容正极；通过IGBT模块连接A相下桥臂中第i个子模块电容与A相下桥臂第i+1个子模块电容正极，其中i的取值为1～N-1；通过IGBT模块连接A相下桥臂中第N个子模块电容和第二个辅助电容正极。钳位二极管，通过IGBT模块连接B相上桥臂中第1个子模块电容与第一个辅助电容负极；通过IGBT模块连接B相上桥臂中第i个子模块电容与第i+1个子模块电容负极，其中i的取值为1～N-1；通过IGBT模块连接B相上桥臂中第N个子模块电容与B相下桥臂第1个子模块电容负极；通过IGBT模块连接B相下桥臂中第i个子模块电容与B相下桥臂第i+1个子模块电容负极，其中i的取值为1～N-1；通过IGBT模块连接B相下桥臂中第N个子模块电容与第二个辅助电容负极。C相中钳位二极管的连接关系与A相或B相相似。
附图说明
图1是全桥子模块的结构示意图；
图2是基于等式约束的辅助电容集中式全桥MMC自均压拓扑。
具体实施方式
为进一步阐述本发明的性能与工作原理，以下结合附图对对发明的构成方式与工作原理进行具体说明。但基于该原理的全桥MMC自均压拓扑不限于图2。
参考图2，基于等式约束的辅助电容集中式全桥MMC自均压拓扑，包括由A、B、C三相构成的全桥MMC模型，A、B、C三相每个桥臂分别由N个全桥子模块及1个桥臂电抗器串联而成，包括由6N个IGBT模块，6N+5个钳位二极管，2个辅助电容，2个辅助IGBT模块组成的自均压辅助回路。
全桥MMC模型中，A相上桥臂的第1个子模块，其一个IGBT模块中点向上与直流母线正极相连接，另一个IGBT模块中点向下与A相上桥臂的第2个子模块一个IGBT模块中点相连接；A相上桥臂的第i个子模块，其中i的取值为2~N-1，其一个IGBT模块中点向上与A相上桥臂的第i-1个子模块一个IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模块中点向下与A相上桥臂的第i+1个子模块一个IGBT模块中点相连接；A相上桥臂的第N个子模块，其一个IGBT模块中点向上与A相上桥臂的第N-1个子模块一个IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模块中点向下经两个桥臂电抗器L 0与A相下桥臂的第1个全桥子模块一个IGBT模块中点相连接；A相下桥臂的第i个子模块，其中i的取值为2~N-1，其一个IGBT模块中点向上与A相下桥臂的第i-1个子模块一个IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模块中点向下与A相下桥臂的第i+1个子模块一个IGBT模块中点相连接；A相下桥臂的第N个子模块，其一个IGBT模块中点向下与直流母线负极相连接，另一个IGBT模块中点向上与A相下桥臂的第N-1个子模块一个IGBT模块中点相连接。B相和C相上下桥臂子模块的连接方式与A相一致。
自均压辅助回路中，辅助电容C 1正极连接辅助IGBT模块T 1，负极连接钳位二极管并入直流母线正极；辅助电容C 2负极连接辅助IGBT模块T 2，正极连接钳位二极管并入直流母线负极。钳位二极管，通过IGBT模块T au_1连接A相上桥臂中第1个子模块电容C -au-_1与辅助电容C 1正极；通过IGBT模块T au_i 、T au_i+1连接A相上桥臂中第i个子模块电容C -au-_i 与第i+1个子模块电容C-au-_i+1正极，其中i的取值为1～N-1；通过IGBT模块T au_N 、T al_1连接A相上桥臂中第N个子模块电容C-au-_N 与A相下桥臂第1个子模块电容C-al-_1正极；通过IGBT模块Tal_i 、T al_i+1连接A相下桥臂中第i个子模块电容C -al-_i 与A相下桥臂第i+1个子模块电容C-al-_i+1正极，其中i的取值为1～N-1；通过IGBT模块T al_N 连接A相下桥臂中第N个子模块电容C -al_N 与辅助电容C 2正极。钳位二极管，通过IGBT模块T bu_1连接B相上桥臂中第1个子模块电容C-bu-_1与辅助电容C 1负极；通过IGBT模块T bu_i 、T bu_i+1连接B相上桥臂中第i个子模块电容C-bu-_i 与第i+1个子模块电容C -bu-_i+1负极，其中i的取值为1～N-1；通过IGBT模块T bu_N 、T bl_1连接B相上桥臂中第N个子模块电容C-bu_N 与B相下桥臂第1个子模块电容C-bl-_1负极；通过IGBT模块T bl_i 、T bl_i+1连接B相下桥臂中第i个子模块电容C-bl-_i 与B相下桥臂第i+1个子模块电容C -bl-_i+1负极，其中i的取值为1～N-1；通过IGBT模块T bl_N 连接B相下桥臂中第N个子模块电容C- bl-_N 与辅助电容C 2负极。C相中钳位二极管的连接关系与A相一致。
正常情况下，自均压辅助回路中6N个IGBT模块T au_i 、T al_i 、T bu_i、T bl_i 、T cu_i 、T cl_i 常闭，其中i的取值为1～N，A相上桥臂第一个子模块电容C au_1旁路时，此时辅助IGBT模块T 1断开，子模块电容C au_1与辅助电容C 1通过钳位二极管并联；A相上桥臂第i个子模块电容C au_i 旁路时，其中i的取值为2～N，子模块电容C au_i 与子模块电容C au_i-1通过钳位二极管并联；A相下桥臂第一个子模块电容C al_1旁路时，子模块电容C al_1通过钳位二极管、两个桥臂电抗器L 0与子模块电容C au_N 并联；A相下桥臂第i个子模块电容C al_i 旁路时，其中i的取值为2～N，子模块电容C al-_i 与子模块电容C al_i-1通过钳位二极管并联；辅助IGBT模块T 2闭合时，辅助电容C 2通过钳位二极管与子模块电容C al_N 并联。
正常情况下，自均压辅助回路中6N个IGBT模块T au_i 、T al_i 、T bu_i、T bl_i 、T cu_i 、T cl_i 常闭，其中i的取值为1～N，辅助IGBT模块T 1闭合时，辅助电容C 1与子模块电容C bu_1通过钳位二极管并联；B相上桥臂第i个子模块电容C bu_i 旁路时，其中i的取值为1～N-1，子模块电容C bu_i 与子模块电容C bu_i+1通过钳位二极管并联；B相上桥臂第N个子模块电容C bu_N 旁路时，子模块电容C bu_N 通过钳位二极管、两个桥臂电抗器L 0与子模块电容C bl_1并联；B相下桥臂第i个子模块电容C bl_i 旁路时，其中i的取值为1～N-1，子模块电容C bl_i 与子模块电容C bl_i+1通过钳位二极管并联；B相下桥臂第N个子模块电容C bl_N 旁路时，子模块电容C bl_N 与辅助电容C 2通过钳位二极管并联。上述辅助IGBT模块T 1的触发信号与A、C相上桥臂第一个子模块触发信号的“逻辑和”一致；辅助IGBT模块T 2的触发信号与B相下桥臂第N个子模块的触发信号一致。
在直交流能量转换的过程中，各个子模块交替投入、旁路，辅助IGBT模块T 1、T 2交替闭合、关断，A、B相上下桥臂间电容电压在钳位二极管的作用下，满足下列约束：
由此可知，全桥MMC在完成直交流能量转换的动态过程中，满足下面的约束条件：
C、B相间的约束条件与A、B相间的约束条件一致。
由上述具体说明可知，该全桥MMC拓扑具备子模块电容电压自均衡能力。
最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims (6)

1.基于等式约束的辅助电容集中式全桥MMC自均压拓扑，其特征在于：包括由A、B、C三相构成的全桥MMC模型，A、B、C三相每个桥臂分别由N个全桥子模块及1个桥臂电抗器串联而成；包括由6N个IGBT模块，6N+5个钳位二极管，2个辅助电容C 1、C 2，2个辅助IGBT模块T 1、T 2构成的自均压辅助回路。
2.根据权利1所述的基于等式约束的辅助电容集中式全桥MMC自均压拓扑，其特征在于：全桥MMC模型中，A相上桥臂的第1个子模块，其一个IGBT模块中点向上与直流母线正极相连接，另一个IGBT模块中点向下与A相上桥臂的第2个子模块一个IGBT模块中点相连接；A相上桥臂的第i个子模块，其中i的取值为2~N-1，其一个IGBT模块中点向上与A相上桥臂的第i-1个子模块一个IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模块中点向下与A相上桥臂的第i+1个子模块一个IGBT模块中点相连接；A相上桥臂的第N个子模块，其一个IGBT模块中点向上与A相上桥臂的第N-1个子模块一个IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模块中点向下经两个桥臂电抗器L 0与A相下桥臂的第1个全桥子模块一个IGBT模块中点相连接；A相下桥臂的第i个子模块，其中i的取值为2~N-1，其一个IGBT模块中点向上与A相下桥臂的第i-1个子模块一个IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模块中点向下与A相下桥臂的第i+1个子模块一个IGBT模块中点相连接；A相下桥臂的第N个子模块，其一个IGBT模块中点向下与直流母线负极相连接，另一个IGBT模块中点向上与A相下桥臂的第N-1个子模块一个IGBT模块中点相连接；B相和C相上下桥臂子模块的连接方式与A相一致；在A、B、C相上下桥臂的第i个子模块的上下输出线之间分别并联有机械开关K au_i ，K al_i ，K bu_i ，K bl_i ，K cu_i ，K cl_i ，其中i的取值为1~N；上述连接关系构成的A、B、C三相地位一致，三相轮换对称之后的其他拓扑在权利范围内。
3.根据权利1所述的基于等式约束的辅助电容集中式全桥MMC自均压拓扑，其特征在于：自均压辅助回路中，辅助电容C 1正极连接辅助IGBT模块T 1，负极连接钳位二极管并入直流母线正极；辅助电容C 2负极连接辅助IGBT模块T 2，正极连接钳位二极管并入直流母线负极；钳位二极管，通过IGBT模块T au_1连接A相上桥臂中第1个子模块电容C au_1与辅助电容C 1正极；通过IGBT模块T au_i 、T au_（i+1）连接A相上桥臂中第i个子模块电容C au_i 与第i+1个子模块电容C au_i+1正极，其中i的取值为1～N-1；通过IGBT模块T au_N 、T al_1连接A相上桥臂中第N个子模块电容C au_N 与A相下桥臂第1个子模块电容C al_1正极；通过IGBT模块T al_i 、T al_（i+1）连接A相下桥臂中第i个子模块电容C al_i 与第i+1个子模块电容C al_i+1的正极，其中i的取值为1～N-1；通过IGBT模块T al_N 连接A相下桥臂中第N个子模块电容C al_N 与辅助电容C 2正极；钳位二极管，通过IGBT模块T bu_1连接B相上桥臂中第1个子模块电容C bu_1与辅助电容C 1负极；通过IGBT模块T bu_i 、T bu_（i+1）连接B相上桥臂中第i个子模块电容C bu_i 与第i+1个子模块电容C bu_i+1负极，其中i的取值为1～N-1；通过IGBT模块T bu_N 、T bl_1连接B相上桥臂中第N个子模块电容C bu_N 与B相下桥臂中第1个子模块电容C bl_1负极；通过IGBT模块T bl_i 、T bl_（i+1）连接B相下桥臂中第i个子模块电容C bl_i 与第i+1个子模块电容C bl_i+1负极，其中i的取值为1～N-1；通过IGBT模块T bl_N 连接B相下桥臂中第N个子模块电容C bl_N 与辅助电容C 2负极；C相中钳位二极管的连接关系与A相或B相一致；上述A、B、C三相中6N个IGBT模块T au_i 、T al_i 、T bu_i 、T bl_i 、T cu_i 、T cl_i ，其中i的取值为1～N，6N+5个钳位二极管，2个辅助电容C 1、C 2及2个辅助IGBT模块T 1、T 2，共同构成自均压辅助回路。
4.根据权利1所述的基于等式约束的辅助电容集中式全桥MMC自均压拓扑，其特征在于：正常情况时，自均压辅助回路中6N个IGBT模块T au_i 、T al_i 、T bu_i 、T bl_i 、T cu_i 、T cl_i 常闭，故障情况时，6N个IGBT模块T au_i 、T al_i 、T bu_i 、T bl_i 、T cu_i 、T cl_i 断开，其中i的取值为1～N；正常情况下，A相上桥臂第一个子模块电容C au_1旁路时，此时辅助IGBT模块T 1断开，子模块电容C au_1与辅助电容C 1通过钳位二极管并联；A相上桥臂第i个子模块电容C au_i 旁路时，其中i的取值为2～N，子模块电容C au_i 与子模块电容C au_i-1通过钳位二极管并联；A相下桥臂第一个子模块电容C al_1旁路时，子模块电容C al_1通过钳位二极管、两个桥臂电抗器L 0与子模块电容C au_N 并联；A相下桥臂第i个子模块电容C al_i 旁路时，其中i的取值为2～N，子模块电容C al_i 与子模块电容C al_i-1通过钳位二极管并联；辅助IGBT模块T 2闭合时，辅助电容C 2通过钳位二极管与子模块电容C al_N 并联；辅助IGBT模块T 1闭合时，辅助电容C 1与子模块电容C bu_1通过钳位二极管并联；B相上桥臂第i个子模块电容C bu_i 旁路时，其中i的取值为1～N-1，子模块电容C bu_i 与子模块电容C bu_i+1通过钳位二极管并联；B相上桥臂第N个子模块电容C bu_N 旁路时，子模块电容C bu_N 通过钳位二极管、两个桥臂电抗器L 0与子模块电容C bl_1并联；B相下桥臂第i个子模块电容C bl_i 旁路时，其中i的取值为1～N-1，子模块电容C bl_i 与子模块电容C bl_i+1通过钳位二极管并联；B相下桥臂第N个子模块电容C bl_N 旁路时，子模块电容C bl_N 与辅助电容C 2通过钳位二极管并联；其中辅助IGBT模块T 1的触发信号与A、C相上桥臂第一个子模块触发信号的“逻辑和”一致；辅助IGBT模块T 2的触发信号与B相下桥臂第N个子模块的触发信号一致；在直交流能量转换的过程中，各个子模块交替投入、旁路，辅助IGBT模块T 1、T 2交替闭合、关断，A相上下桥臂子模块电容电压在钳位二极管的作用下，满足下列约束，U C1≥U Cau_1≥U Cau_2…≥U Cau_N ≥U Cal_1≥U Cal_2…≥U Cal_N ≥U C2；B相上下桥臂子模块电容电压在钳位二极管的作用下，满足下列约束，U C1≤U Cbu_1≤U Cbu_2…≤U Cbu_N ≤U Cbl_1≤U Cbl_2…≤U Cbl_N ≤U C2；基于等式约束的辅助电容集中式全桥MMC自均压拓扑，动态过程中，辅助电容C 1既可以作为A相电压最高的电容，又可以作为B相电压最低的电容；辅助电容C 2既可以作为A相电压最低的电容，又可以作为B相电压最高的电容；依靠着两个等式约束，max（U Ca）=min（U Cb），min（U Ca）=max（U Cb），A、B相上下桥臂中4N个子模块电容，C au_i 、Cal_i 、C bu_i 、C bl_i ，其中i取值为1～N，以及辅助电容C 1、C 2，的电压处于自平衡状态，拓扑A、B相间具备子模块电容电压自均衡能力；若拓扑中C相的构成形式与A相一致，则C、B相间电容电压的约束条件与A、B之间电容电压约束条件一致；若拓扑中C相的构成形式与B相一致，则A、C相间电容电压的约束条件与A、B之间电容电压约束条件一致，拓扑具备子模块电容电压自均衡能力；在利用钳位二极管实现相内相邻子模块间电容能量单相流动的基础上，依靠辅助电容电压的等式约束max（U Ca）=min（U Cb），min（U Ca）=max（U Cb），或max（U Ca）=min（U Cc），min（U Ca）=max（U Cc），或max（U Cc）=min（U Cb），min（U Cc）=max（U Cb），实现电容能量的相间流动构成电容能量的循环通路，进而保持相间子模块电容电压稳定，是该权利的保护内容。
5.根据权利1所述的基于等式约束的辅助电容集中式全桥MMC自均压拓扑，其特征在于：辅助电容C 1、C 2既作为A、B相间电容能量交换的通道，又作为B、C相间电容能量交换的通道；辅助电容的功能在拓扑中集中利用以减少自均压辅助回路中的器件消耗；辅助电容C 1的功能集中，辅助电容C 2的功能不集中；辅助电容C 1的功能不集中，辅助电容C 2的功能集中的拓扑在权利范围内。
6.根据权利1所述的基于等式约束的辅助电容集中式全桥MMC自均压拓扑，其特征在于：基于等式约束的辅助电容集中式全桥MMC自均压拓扑，不仅能作为多电平电压源换流器直接应用于柔性直流输电领域，也能通过构成静止同步补偿器（STATCOM），统一电能质量调节器（UPQC），统一潮流控制器（UPFC）等装置应用于柔性交流输电领域；间接利用该发明拓扑及思想的其他应用场合在权利范围内。
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