CN106602912A - 一种电容电压自排序式模块化多电平换流器 - Google Patents

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丁若瑜
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Abstract

本发明公开了一种电容电压自排序式模块化多电平换流器，包括多电平换流器主电路，主电路为桥式电路，桥式电路的桥臂为结构相同的对称结构，分别由数目相同的SM电路模块串联组成，SM电路模块包括IGBT开关管S1和IGBT开关管S2，IGBT开关管S1的发射极与IGBT开关管S2的集电极连接的节点M及IGBT开关管S2的发射极节点N为SM电路模块的输出连接节点，它还包括电压自排序电路：在各SM电路模块中的IGBT开关管S1的集电极设有自排序电路连接节点G，在相邻SM电路模块的自排序电路连接节点G之间反向连接自排序二极管D。它具有响应速度快，输出电压稳定等特点。

Description

一种电容电压自排序式模块化多电平换流器
技术领域
本发明涉及一种电容电压自排序式模块化多电平换流器，属于电能变换技术领域。
背景技术
高压直流输电是电力电子技术的一个重要应用领域。随着电力电子器件的发展，高压直流输电技术经历了由LCC-HVDC向VSC-HVDC的转变。与LCC相比，VSC可以有效的抑制低次谐波，具有良好的动态响应，在功率因数、效率等方面都有着明显的优势。但传统VSC由于输出电平数目少、开关损耗大、输出电压谐波含量高、扩展性差等问题，限制了其进一步发展。
针对传统VSC—HVDC技术的一系列缺陷，德国慕尼黑联邦国防军大学的学者Rainer Marquardt于2001年提出了模块化多电平换流器(modular multilevelconverter,MMC)拓扑。MMC得益于其模块化特征，具有功率/电压易拓展、谐波含量低等优点，在高压直流输电、电力电子变压器及新能源汇集等方面具有广阔的应用前景。目前，国外MMC—HVDC的工程主要有美国西门子公司承包的Trans Bay Cable工程、INELFE工程和SylWin1工程；法国阿尔斯通公司承包的Tres Amigas Superstation工程和South-WestLink工程，瑞士ABB集团投运的Dolwin1和Dolwin2工程。我国采用MMC拓扑的工程应用主要有上海南汇、浙江舟山、广东南澳和厦门柔性直流输电工程。
自MMC拓扑提出以来，许多学者对其不断进行改进，至今已形成多种拓扑。其子模块拓扑主要有基本桥式子模块拓扑(包括半桥和全桥子模块拓扑)、中点钳位子模块拓扑、飞跨电容型子模块拓扑、T型多电平子模块拓扑、直接串联的子模块拓扑和钳位型子模块拓扑，每种拓扑都有不同的性能和适用场合。而其系统级拓扑主要有由不同拓扑的子模块组成的混合型MMC拓扑、子模块和直接开关的混合型MMC拓扑，以及其他改进型MMC拓扑。
MMC模块化的特征决定了其在运行过程中能量分散存储于桥臂的各个子模块电容中，为保证其稳定运行，实现其子模块的电容电压均衡是非常必要的。目前针对MMC电容电压均衡问题常用的控制策略主要分为基于排序的均压策略和基于分级控制的均压策略两种。在传统MMC运行过程中，无论采取何种控制方法，为实现子模块电容电压均衡，均需对各个子模块的电容电压进行监测，为各个子模块配置直流电压传感器及相应的信号处理电路，增加了系统的成本和复杂程度。随着电平数量增多，控制系统计算量加大，系统控制周期增加，严重影响系统的响应速度。然而随着柔性直流输电工程电压等级和传输容量的提高，MMC子模块数量也越来越大。Trans Bay工程中三相子模块数目共计1296个；厦门柔性直流输电科技示范工程这一数字增长至2520，而在张北直流电网工程中该数目预期将达到4000，因此如何简化MMC子模块均压控制具有十分重要的意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种电容电压自排序式模块化多电平换流器，它具有响应速度快，输出电压稳定等特点。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种电容电压自排序式模块化多电平换流器，包括多电平换流器主电路，主电路为下述电路连接结构组成的桥式电路：包括对称设置的三个上桥臂和三个下桥臂，三个上桥臂的上端节点相连接，其下端节点各自通过电感L分别与相线A、相线B及相线C的节点连接；三个下桥臂的下端节点相连接，其上端节点各自通过电感L分别与相线A、相线B及相线C的节点连接；三个上桥臂和三个下桥臂为结构相同的对称结构，分别由数目相同的SM电路模块串联组成，SM电路模块包括IGBT开关管S1和IGBT开关管S2，IGBT开关管S1的发射极与IGBT开关管S2的集电极连接，IGBT开关管S1的发射极与IGBT开关管S2的集电极连接的节点M及IGBT开关管S2的发射极节点N为SM电路模块的输出连接节点，在IGBT开关管S1的集电极与IGBT开关管S2的发射极之间并联取压电容C，还包括用于控制IGBT开关管S1和IGBT开关管S2开关的控制电路，它还包括电压自排序电路：在各SM电路模块中的IGBT开关管S1的集电极设有自排序电路连接节点G，在相邻SM电路模块的自排序电路连接节点G之间反向连接自排序二极管D。
本发明进一步改进在于：
自排序二极管为面接触型二极管。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明在各SM电路模块中的IGBT开关管S1的集电极设有自排序电路连接节点G，在相邻SM电路模块的自排序电路连接节点G之间反向连接自排序二极管D，各桥臂SM电路模块的电容电压得到单向的钳位，桥臂的各个子模块的电容电压会按照从上到下依次减小的顺序排列，从而直流侧子模块电容电压均衡控制将会得到简化，每个子模块的直流电压传感器可以省略。降低了中小功率多电平换流器成本；子模块均压控制中省略按电容电压大小排序的步骤，大大简化了控制系统计算量，加快了系统响应速度，它具有响应速度快，输出电压稳定等特点。
附图说明
图1是本发明的电路结构示意图；
图2是图1中SM电路模块的结构示意图；
图3是相邻SM电路模块之间与自排序二极管D连接结构示意图；
图4是本发明的控制方法流程图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
由图1-3所示的实施例可知，本实施例包括多电平换流器主电路，主电路为下述电路连接结构组成的桥式电路：包括对称设置的三个上桥臂和三个下桥臂，三个上桥臂的上端节点相连接，其下端节点各自通过电感L分别与相线A、相线B及相线C的节点连接；三个下桥臂的下端节点相连接，其上端节点各自通过电感L分别与相线A、相线B及相线C的节点连接；三个上桥臂和三个下桥臂为结构相同的对称结构，分别由数目相同的SM电路模块串联组成，SM电路模块包括IGBT开关管S1和IGBT开关管S2，IGBT开关管S1的发射极与IGBT开关管S2的集电极连接，IGBT开关管S1的发射极与IGBT开关管S2的集电极连接的节点M及IGBT开关管S2的发射极节点N为SM电路模块的输出连接节点，在IGBT开关管S1的集电极与IGBT开关管S2的发射极之间并联取压电容C，还包括用于控制IGBT开关管S1和IGBT开关管S2开关的控制电路，它还包括电压自排序电路：在各SM电路模块中的IGBT开关管S1的集电极设有自排序电路连接节点G，在相邻SM电路模块的自排序电路连接节点G之间反向连接自排序二极管D，自排序二极管为面接触型二极管。
工作原理：
控制方法：
本发明控制方法流程图参见图4，计算机采集电容电压自排序式模块化多电平换流器直流侧电压与交流侧电压并进行闭环计算，根据所需输出得出各桥臂所需调制波；调制波信号与多组相位相互错开一定角度的载波比较，确定各个桥臂的子模块投切量。载波由计算机产生，为N个频率为fc的三角波，其中N为单个桥臂的子模块数，fc为交流侧电压频率的2～4倍，载波相位依次滞后2π/Nfc。将这N个载波与调制波进行比较，若调制波大于载波，则该载波记为1，否则记为0。所有记为1的载波数量即为该时刻该桥臂内应投入的子模块数量；通过载波移相调制策略确定各个桥臂开通子模块数量，采用载波移相控制策略对所述拓扑进行调制；观测各桥臂的电流i的方向，规定电流流入子模块的方向为电流正方向，此时i>0，电流流出i<0；若电流流向电容正极，则子模块为充电状态；若电流从子模块正极流出，则子模块为放电状态；通过间隔投切与奇偶轮换的控制方法实现子模块电容均压。
对电容电压自排序MMC拓扑的各个桥臂子模块进行投切时，按间隔投切的方式进行，使各个桥臂子模块电容电压按照从上到下依次减小的顺序排列。在投入子模块数量变动的时刻，如果桥臂电流对子模块电容充电，则投入该桥臂中电容电压偏低的子模块；如果桥臂电流使子模块电容放电，则投入该桥臂中电容电压偏高的那些子模块。现对各个桥臂子模块进行编号，从上到下依次为1、2、3…2n。每个桥臂有四种投切方式：
①子模块电容充电，先投入1、3、5、7…2n-1单数号子模块，再投入2、4、6、8…2n双数号子模块；②子模块电容充电，先投入2、4、6、8…2n双数号子模块，再投入1、3、5、7…2n-1单数号子模块；③子模块电容放电，先投入2n-1…7、5、3、1单数号子模块，再投入2n…8、6、4、2双数号子模块；④子模块电容放电，先投入2n…8、6、4、2双数号子模块，再投入2n-1…7、5、3、1单数号子模块。现引入一个切换投切方式标志位F，标志位F初始值为0，当投入模块数量变化时F随之在0、1之间切换。若标志位为0，则子模块按①③来投入，若标志位为1，则子模块按②④来投入。如此可增大自排序二极管的开关频率，确保各个子模块投切平衡。
由上述方法使本发明的电路结构所产生的技术效果：
通过间隔投切与奇偶轮换的控制方法实现所述拓扑子模块均压，其具体工作原理为：如图3所示，其中Uc1为电容C1的电压，Uc2为电容C2的电压。对单个子模块而言，若上方IGBT导通，下方IGBT关断，称为投入状态；上方IGBT关断，下方IGBT导通，称为切除状态。对电容电压自排序MMC拓扑中两个子模块级联单元进行分析，SM1的M节点与SM2的N节点之间的电压为级联单元的输出电压。当子模块电容电压Uc2>Uc1时，有四种工作状态：①模块一与模块二都投入，此时两个子模块无钳位电流可流过的回路，自排序二极管D不导通，级联单元输出电压为Uc1+Uc2；②模块一投入，模块二切除，此时由于Uc2>Uc1，且C1、D、C2、SM2的S2构成回路，自排序二极管D导通，产生由C2流向C1的钳位电流，Uc1增大，Uc2减小，级联单元输出电压为Uc1；③模块一切除，模块二投入，两个子模块电容无形成钳位电流的回路，D不导通，级联单元输出电压为Uc2；④模块一切除与模块二都切除，此时C1、D、C2、SM2的S2构成回路，D导通，C2给C1充电，Uc1增大，Uc2减小，级联单元输出电压为0。当子模块电容电压Uc1>Uc2时，自排序二极管D无论何种状态都不会导通。根据上述分析，在电容电压自排序MMC电路运行过程中，桥臂的各个子模块的电容电压会按照从上到下依次减小的顺序排列，即：Uc1>Uc2>…>Uci>…>Ucn。当相临的两个子模块中下方的子模块处于切除状态时，自排序二极管导通。奇偶轮换投切可增大自排序二极管的开关频率，确保各个子模块投切平衡。故对电容电压自排序MMC拓扑的各个桥臂子模块进行投切时，按间隔投切与奇偶轮换的方式进行，使各个桥臂子模块电容电压按照从上到下依次减小的顺序排列。

Claims (2)

1.一种电容电压自排序式模块化多电平换流器，包括多电平换流器主电路，所述主电路为下述电路连接结构组成的桥式电路：包括对称设置的三个上桥臂和三个下桥臂，所述三个上桥臂的上端节点相连接，其下端节点各自通过电感L分别与相线A、相线B及相线C的节点连接；所述三个下桥臂的下端节点相连接，其上端节点各自通过电感L分别与相线A、相线B及相线C的节点连接；所述三个上桥臂和三个下桥臂为结构相同的对称结构，分别由数目相同的SM电路模块串联组成，所述SM电路模块包括IGBT开关管S1和IGBT开关管S2，所述IGBT开关管S1的发射极与IGBT开关管S2的集电极连接，所述IGBT开关管S1的发射极与IGBT开关管S2的集电极连接的节点M及IGBT开关管S2的发射极节点N为SM电路模块的输出连接节点，在所述IGBT开关管S1的集电极与所述IGBT开关管S2的发射极之间并联取压电容C，还包括用于控制IGBT开关管S1和IGBT开关管S2开关的控制电路，其特征在于：它还包括电压自排序电路：在所述各SM电路模块中的IGBT开关管S1的集电极设有自排序电路连接节点G，在所述相邻SM电路模块的自排序电路连接节点G之间反向连接自排序二极管D。
2.根据权利要求1所述的一种电容电压自排序式模块化多电平换流器，其特征在于：所述自排序二极管为面接触型二极管。
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