CN107689739A - 一种可重构mmc子模块单元及其控制单元 - Google Patents

一种可重构mmc子模块单元及其控制单元 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种可重构的MMC子模块单元及其控制单元，所述的可重构MMC子模块单元主要由MMC子模块单元及可重构机构组成，可重构机构由开关组成，通过可重构机构中开关的分合，实现MMC子模块单元拓扑的转换。基于本发明的可重构MMC子模块单元及其控制单元，能够实现换流器拓扑结构的快速变化，适用于中压配电网接线及拓扑多变的需求，所述的可重构MMC子模块满足动态模拟试验中针对不同换流器拓扑进行动态模拟试验的需求，降低建设成本和周期，提高试效率，具有很高的灵活性和很强的通用性。

Description

一种可重构MMC子模块单元及其控制单元
技术领域
本发明属于中压配电网领域和动态模拟试验领域，具体地说是一种可重构MMC子模块单元及其控制单元。
背景技术
模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)通过若干个换流阀子模块单元同向顺序级联实现高压大容量输出，不需要开关器件的直接串联，避免了器件直接串联对一致触发性的要求，此外还具有开关频率低、扩展性好、输出电压波形质量高、运行损耗低等诸多优点，因此广泛应用于柔性交、直流输电场合，目前在海岛及城市负荷密集区供电、背靠背联网以及大规模可再生能源并网等领域获得广泛应用，拥有广阔的发展前景。
MMC中压配电网中需要是实现直流故障隔离及故障后快速恢复，采用带有自关断能力的换流阀拓扑是一种优化方案，但采用自关断能力的换流阀拓扑方案导致换流器损耗大，因此采用半桥全桥混合式拓扑方案是一种优选方案，但此种方案如果直接部分采用半桥MMC子模块，部分采用全桥MMC子模块，导致子模块通用性较差且不能互换，因此在不增加额外较大成本情况下设计一种可重构MMC子模块单元成为一种可行方案。
同时MMC动模试验系统模拟模块化多电平换流器的工作状态，以验证实际工程的控制保护策略、阀基电子控制系统的控制策略等关键技术，是目前研究模块化多电平换流器的重要技术手段。
工程中常用的MMC子模块单元拓扑结构有半桥结构、全桥结构、类全桥结构等，然而，目前搭建的MMC动态模拟试验平台普遍存在动态模拟子模块单元拓扑单一、不易灵活调节等缺点，无法在一个子模块单元内实现多种拓扑结构的变换，当模拟子模块单元拓扑发生变化时，无法满足动态模拟试验的需求，需要重新搭建新的动态模拟试验平台。如果针对不同MMC子模块拓扑分别搭建动态模拟试验平台，会造成工作量巨大且建设成本高昂，同时MMC动态模拟试验平台的工作效率低下。因此，具有多种典型拓扑切换能力的MMC动态模拟子模块单元具有重要的意义。
发明内容
针对上述技术问题，本发明所要解决的技术问题是提供一种可重构MMC子模块单元及其控制单元，本发明能够满足中压配电网和MMC动态模拟试验中针对不同子模块单元拓扑进行换流器可重构的需求，中压配电网增加子模块通用性，动模系统降低MMC动态模拟试验平台建设成本和工作量，提高试验平台工作效率，具有很高的灵活性和通用性。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种可重构MMC子模块单元，可重构MMC子模块单元由MMC子模块单元和可重构机构组成，可重构机构由各种开关组成，可重构机构通过电力连接线或铜排嵌入到MMC子模块单元，通过可重构机构中开关的分合，实现MMC子模块单元拓扑的转换。
一种可重构MMC子单元采用带旁路开关的全桥子模块时,所述全桥子模块由四个功率半导体元件、旁路开关、均压电阻和电容组成，所述每个功率半导体均含有反并联二极管，第一功率半导体元件的发射极、第二功率半导体的集电极与旁路开关的上端相联，第三功率半导体元件的发射极、第四功率半导体的集电极与旁路开关下端相联，第一功率半导体和第三功率半导体的集电极与电容正端相联，第二功率半导体和第四功率半导体的发射极与电容负端相联，均压电阻上端联接电容正端、下端联接电容负端。可重构子模块单元包含由三个转换开关构成的可重构机构，第一转换开关一端联接全桥子模块电容负端，另一端与旁路开关和第二转换开关的一端相联；第二转换一端联接于全桥子模块第三功率半导体元件和第四功率半导体元件的桥臂中点，另一端与旁路开关和第一转换开关的一端相联；第三转换开关一端联接于全桥子模块第一功率半导体元件的集电极，另一端联接于全桥子模块第三功率半导体元件的集电极。
一种可重构MMC子单元的可重构机构由第一转换开关、第二转换开关和第三转换开关构成，第一转换开关并联在原有全桥子模块的电容负极和低压出线端，第二转换开关串联到原有全桥子模块低压出线端，第三转换开关串联到原有全桥子模块第一功率半导体元件的集电极和第三功率半导体元件的集电极。
一种可重构子模块单元，MMC子模块单元可以采用全桥子模块或类全桥子模块。
一种可重构子模块单元控制单元，二次控制保护单元分别联接MMC子模块功率半导体及开关元件、转换结构的转换开关的控制端，通过控制系统控制转换开关的分合，实现子模块单元拓扑结构的改变。
一种具有可重构子模块单元控制单元，通过闭合第一转换开关S1，断开第二转换开关S2、第三转换开关S3构成半桥子模块拓扑结构。
一种具有可重构子模块单元控制单元，通过闭合转换开关S2、S3，断开转换开关S1构成全桥子模块拓扑结构。
一种可重构子模块单元控制单元，通过闭合转换开关S2、S3，断开转换开关S1，持续给第三功率器件T3管发导通命令，构成类全桥子模块拓扑结构。
一种可重构子模块单元控制单元，由全桥或类全桥拓扑切换为半桥拓扑的方法为合上第一转换开关，同时分开第二转换开关和第三转换开关。
一种可重构MMC单元组成可重构换流器，若干个可重构子模块单元，由可重构子模块第一功率半导体元件和第二功率半导体元件的桥臂中点引出作为该MMC动态模拟子模块单元的第一端，由可重构子模块旁路开关、第一转换开关及第二转换开关的联接端引出作为该MMC动态模拟子模块单元的第二端，将若干个可重构MMC子模块单元的第一端与隔壁MMC子模块单元的第二端同向顺序级联组成MMC换流器，通过控制换流器中可重构子模块转换开关，可以组成半桥MMC换流器、全桥MMC换流器、类全桥MMC换利器和半桥全桥混合MMC换流器。
一种利用可重构子模块构成可可重构换流器，可重构子模块转换开关构成的半桥MMC子模块单元组成半桥MMC换流器；可重构子模块转换开关构成的全桥MMC子模块单元组成全桥MMC换流器；利用构成的类全桥MMC子模块单元组成类全桥MMC换流器；利用可重构子模块重构开关构成的半桥子模块单元和全桥子模块单元组成半桥全桥混合MMC换流器。
本发明所述的一种可重构MMC子模块单元，与现有技术相比，具有以下有益效果：可以通过转换开关控制及功率半导体导通闭锁实现一个换流阀子模块单元在半桥型、全桥型以及类全桥型拓扑结构之间的切换，满足MMC中压配电网拓扑灵活变换需求，满足中压配电网降低损耗、快速恢复的要求，实现子模块的统一。满足动态模拟试验中针对不同子模块单元拓扑进行动态模拟试验的需求，避免动模重复建设成本，降低MMC动态模拟试验平台整体投资和工作量，提高试验平台工作效率，具有很高的灵活性和通用性。
附图说明
图1可重构子模块单元及控制单元原理图。
图2是本发明的基于全桥可重构电气图。
图3是本发明可重构的半桥型结构示意图。
图4是本发明可重构的的全桥型结构示意图。
图5是本发明可重构的类全桥型结构示意图。
图6是本发明基于可重构子模块形成的MMC多电平换流器示意图。
图7是本发明基于可重构子模块形成的半桥全桥混合MMC多电平换流器示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
本发明提供一种具有可重构MMC子模块单元，多个子模块单元同向顺序级联可以构成MMC动态模拟换流器，通过可重构机构的转换开关控制及功率半导体导通闭锁实现一个换流阀子模块单元在半桥型、全桥型以及类全桥型拓扑结构之间的切换，满足MMC针对不同子模块单元拓扑切换或试验的需求。
如图1所示可重构MMC子模块单元及控制单元，由MMC子模块单元和可重构机构组成，可重构机构由各种开关组成，可重构机构通过电力连接线或铜排嵌入到MMC子模块单元，通过控制单元控制可重构机构中开关及半导体器件的分合关断，实现MMC子模块单元拓扑的转换，可以运行于不同的MMC拓扑结构，包括半桥、全桥和类全桥拓扑结构。
如图2所示，本发明所述一种可重构MMC子模块单元，包括直流支撑电容C、均压电阻R、第一功率半导体元件T1、第二功率半导体元件T2、第三功率半导体元件T3、第四功率半导体元件T4、第一个二极管D1、第二个二极管D2、第三个二极管D3、第四个二极管D4、旁路开关K1、第一转换开关S1、第二转换开关S2、第三转换开关S3和二次控制保护单元KZ，其中支撑电容C包含一个电容或者至少两个相互并联的电容，均压电阻R与所有直流支撑电容相互并联。
二次控制保护单元KZ分别联接四个功率半导体元件、三个转换开关以及旁路开关的控制端。
本发明一种可重构MMC子模块单元，可以通过切换开关控制及功率半导体导通闭锁实现一个MMC子模块单元在半桥型、全桥型以及类全桥型拓扑结构之间的切换，满足中压配电网对不同拓扑结构及拓扑结构快速改变的需求，满足MMC动态模拟试验中针对不同子模块单元拓扑进行动态模拟试验的需求。
本发明所述可重构MMC子模块单元的拓扑切换主要包括三种典型结构：半桥型结构、全桥型结构、类全桥型结构。以下将结合说明书附图及具体实施实例，对技术方案进行详细说明。
实施例一：半桥型拓扑结构。
如图3所示，第一转换开关S1闭合，第二转换开关S2断开，第三转换开关S3断开，此时第三功率半导体元件T3、第四功率半导体元件T4、第三个二极管D3、第四个二极管D4不接入电路，子模块单元为半桥型拓扑结构。
实施例二：全桥型拓扑结构。
如图4所示，第一转换开关S1断开，第二转换开关S2闭合，第三转换开关S3闭合，此时所有元器件接入电路，子模块单元为全桥型拓扑结构。
实施例三：类全桥型拓扑结构。
如图5所示，第一转换开关S1断开，第二转换开关S2闭合，第三转换开关S3闭合，此时所有元器件接入电路，正常运行时，第三功率半导体元件T3保持关断状态，不流过电流，可以从电路中缺省掉，只有反并联的第三个二极管流过电流，子模块单元为类全桥型拓扑结构。
如图6所示，是本发明可重构MMC子模块单元组成的半桥模块化多电平换流器示意图，包含若干个前述一种可重构MMC子模块单元，定义所述的第一功率半导体元件T1和第二功率半导体元件T2的桥臂中点引出作为该MMC动态模拟子模块单元的第一端，定义所述旁路开关K1、第一转换开关S1及第二转换开关S2的联接端引出作为该可重构MMC子模块单元的第二端，将若干个可重构MMC子模块单元的第一端与隔壁可重构子模块单元的第二端同向顺序级联组成MMC换流器桥臂，6个换流器桥臂形成可重构MMC换流器。
如图7所示，是本发明采用可重构MMC子模块构成的半桥和全桥混合多电平换流器示意图，每个桥臂由N个子模块组成，其中由N1个全桥子模块和N2个半桥子模块级联构成，全桥及半桥子模块个数由具体工程进行确认，一般情况全桥子模块不少于1/3，采用此种拓扑结构除能够实现直流故障隔离、损耗低等优点外，还能够快速切换子模块拓扑结构，实现不同拓扑结构的转换。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围。所属技术领域的普通技术人员应当理解到：对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明提出的技术思想和范围的任何修改或者等同替换均应涵盖在本发明权利要求的范围当中。

Claims (9)

1.一种可重构MMC子模块单元，其特征在于：包括MMC子模块单元和可重构机构，所述可重构机构包括转换开关，可重构机构通过电力连接线或铜排嵌入到MMC子模块单元，通过可重构机构中转换开关的分合，实现MMC子模块单元拓扑的转换。
2.如权利1要求所述的可重构MMC子模块单元，其特征在于，在采用带旁路开关的全桥子模块的情况下,可重构MMC子模块单元包含由三个转换开关构成的可重构机构；
所述全桥子模块由四个功率半导体元件、旁路开关、均压电阻和电容组成，所述每个功率半导体均含有反并联二极管，第一功率半导体元件的发射极、第二功率半导体的集电极与旁路开关的上端相联，第三功率半导体元件的发射极、第四功率半导体的集电极与旁路开关下端相联，第一功率半导体和第三功率半导体的集电极与电容正端相联，第二功率半导体和第四功率半导体的发射极与电容负端相联，均压电阻上端联接电容正端、下端联接电容负端；
所述的可重构机构嵌入到全桥子模块单元中，第一转换开关一端联接全桥子模块电容负端，另一端与旁路开关下端和第二转换开关的一端相联；第二转换开关一端联接于全桥子模块第三功率半导体元件和第四功率半导体元件的桥臂中点，另一端与旁路开关下端和第一转换开关的一端相联；第三转换开关一端与全桥子模块第一功率半导体元件的集电极、电容正端和电阻负端相联，另一端与全桥子模块第三功率半导体元件的集电极相联。
3.如权利2要求所述的可重构MMC子模块单元，其特征在于，可重构机构由第一转换开关、第二转换开关和第三转换开关构成，第一转换开关并联在原有全桥子模块的电容负极和低压出线端，第二转换开关串联到原有全桥子模块低压出线端，第三转换开关串联到原有全桥子模块第一功率半导体元件的集电极和第三功率半导体元件的集电极。
4.一种具有可重构MMC子模块单元的控制单元，其特征在于：二次控制保护单元分别联接可重构MMC子模块的功率半导体及开关元件、转换结构的转换开关的控制端，通过控制系统控制转换开关的分合，实现子模块单元拓扑结构的改变；通过控制系统控制功率半导体的开通和关断，实现不同拓扑换流器的运行。
5.如权利要求4述的一种具有可重构MMC子模块单元的控制单元，其特征在于：通过闭合转换开关第一转换开关，断开转换开关第二转换开关、第三转换开关构成半桥子模块拓扑结构。
6.如权利要求4所述的一种具有可重构MMC子模块单元的控制单元，其特征在于：闭合转换开关第二转换开关、第三转换开关，断开转换开关第一转换开关构成全桥子模块拓扑结构。
7.如权利要求4所述的一种具有可重构MMC子模块单元的控制单元，其特征在于：闭合转换开关第二转换开关、第三转换开关，断开转换开关第一转换开关，持续给第三功率器件T3管发导通命令，构成类全桥子模块拓扑结构。
8.如权利要求4所述的一种具有可重构MMC子模块单元的控制单元，其特征在于：由全桥或类全桥拓扑切换为半桥拓扑的方法合上第一转换开关，同时分开第二转换开关和第三转换开关。
9.如权利要求2所示的一种可重构MMC子模块单元组成的可重构换流器，其特征在于：包括若干个可重构MMC子模块单元，由可重构子MMC模块第一功率半导体元件和第二功率半导体元件的桥臂中点引出作为可重构MMC子模块单元的第一端，由可重构MMC子模块旁路开关、第一转换开关及第二转换开关的联接端引出作为可重构MMC子模块单元的第二端，将若干个可重构MMC子模块单元的第一端与隔壁MMC子模块单元的第二端同向顺序级联组成MMC换流器，通过控制换流器中可重构子模块转换开关，组成半桥MMC换流器、全桥MMC换流器、类全桥MMC换利器和半桥全桥混合MMC换流器。
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