CN107769598A - 一种新型二端口半桥‑全桥混合子模块mmc拓扑 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种新型二端口半桥‑全桥混合子模块（Hybrid Half‑Full Bridge Sub‑module,H‑HFBSM）MMC拓扑。新型拓扑由两类二端口子模块A（A‑Class Sub‑module,A‑SM）、B（B‑Class Sub‑module,B‑SM）构成，B类子模块由A类子模块经翻转重构得到。每个A类子模块中增加一组额外的IGBT及反并联二极管以保证其电容不会两极连通自放电。在输配电技术领域，MMC由新型半桥‑全桥混合子模块串联构成。该拓扑配合控制方式不仅具有普通MMC子模块（如全桥子模块）的全部功能、故障穿越能力，还具有局部自均压能力以及更强的通流能力，从而可以在相同电容电压纹波幅值下降低对电容容值的需求。

Description

一种新型二端口半桥-全桥混合子模块MMC拓扑
技术领域
本发明属于输配电技术领域，具体涉及一种新型二端口半桥-全桥混合子模块（Hybrid Half-Full Bridge Sub-module, H-HFBSM）的MMC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。
目前，大量投入使用的半桥子模块（Half-bridge Sub-module，HBSM）MMC虽然具有成本低等优势，但面临直流故障时，由于不具有直流箝位能力，只能通过MMC的可靠闭锁来阻断直流电流。然而由于子模块中与绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate BipolarTransistor，IGBT）反并联二极管的续流作用，半桥型子模块无法阻断交流测向故障点馈入的短路电流，所以无法进行直流故障的清除。MMC-HVDC系统的直流故障传播速度极快，加之目前没有成熟的直流断路器技术，若不能快速清除故障，将严重影响到电力系统的安全稳定运行。因此，具备直流故障电流清除能力的MMC-HVDC拓扑成为最有效可行的方案。
新型二端口半桥-全桥混合子模块MMC拓扑配合合适的控制策略，具有一定的自均压能力，能够不过分依赖于排序均压算法的大量开销。且由于其是二端口子模块，当换流器功率上升时，电流可以通过两个端口输入或输出，降低了单个端口IGBT的通流需求，大大提高了通流能力。
发明内容
针对上述问题，在学术界对对模块化多电平换流器拓扑结构研究的基础上，本发明设计一种新型二端口半桥-全桥混合子模块MMC拓扑，采用最近电平逼近调制，设计相应的子模块投切逻辑方法，实现直流故障的自清除以及局部自均压。
本发明提出的新型二端口半桥-全桥混合MMC子模块拓扑，为了实现自均压功能，结合子模块的开关状态集设计了相应的开关触发逻辑，同时保证了混合MMC的直流故障清除能力。
附图说明
图1是A类子模块（A-Class Sub-module, A-SM）拓扑的结构示意图；其中，T1~T6及TEX代表绝缘栅双极型晶体管，D1~D6及DEX代表二极管，C代表电容器；
图2是A-SM旁路示意图；
图3是A-SM拓扑输出U C示意图；
图4是B类子模块（B-Class Sub-module, B-SM）拓扑的结构示意图；其中，T1~T6代表绝缘栅双极型晶体管，D1~D6代表二极管，C代表电容器；
图5是B-SM旁路示意图；
图6是B-SM输出U C示意图；
图7是A、B子模块自均压回路示意图；
图1~图7中，绝缘栅双极型晶体管用灰色实线表示关断，用黑色实线表示开通；二极管用灰色实线表示关断，用黑色实线表示导通；电路的其他部分灰色实线表示在该种工况下该支路不属于工作回路，黑色实线表示该支路为该种工况工作回路的一部分。
图8是H-HFBSM结构图及其在MMC中的连接方式。
具体实施方式
为进一步阐述本发明的性能与工作原理，以下结合附图对发明的构成方式与工作原理进行具体说明。
图1为A类子模块（A-Class Sub-module, A-SM）拓扑，考虑IGBT的并联情况，由左半部分的全桥子模块和右半部分的半桥子模块构成。一个A-SM包含7个IGBT开关组和1个电容，器件数介于半桥和全桥之间，保留了半桥子模块的电压输出能力，配合B类子模块，也保留了全桥子模块的直流故障穿越能力。正常运行情况下，单个A-SM可以输出0、U C两种电平。以下以“1”表示IGBT开关导通，“0”表示关断。子模块输出0电平即旁路的电流通路如图2所示，T1~T6对应的开关状态依次是101001，同时，当A类子模块切除时，会形成经过TEX的自放电回路。为了阻断此回路，同时保障正常工作时电流流过，当A处于切除状态时，TEX关断，当A投入时，TEX导通；子模块输出U C电平的电流通路如图3所示，T1~T6对应的开关状态依次是100110。
图4为B类子模块（B-Class Sub-module, B-SM）拓扑，由A类子模块翻转重构得到。一个B-SM包含6个IGBT开关组和1个电容，器件数介于半桥和全桥之间，保留了半桥子模块的电压输出能力，配合A类子模块，也保留了全桥子模块的直流故障穿越能力。正常运行情况下，单个B-SM可以输出0、U C、两种电平。以下以“1”表示IGBT开关导通，“0”表示关断。子模块输出0电平即旁路的电流通路如图5所示，T1~T6对应的开关状态依次是010101；子模块输出U C电平的电流通路如图6所示，T1~T6对应的开关状态依次是100110。
当A类子模块与B类子模块连接时，若A处于切除状态，即输出0电平时，A、B子模块电容并联，形成均压通路，实现局部自均压，如图7所示。
新型拓扑具备局部自均压功能，但是由于A-B连接结构中不存在均压通路，无法实现整体电压的自动平衡，故仍需借助排序方法均衡子模块之间的电容电压。不考虑子模块冗余时，一个桥臂具有N/2组A-B连接的子模块结构，每一组结构中的电容电压由于自均压的存在而非常接近。所以，每一组子模块只需监测一个电容的电压，对共计N/2个电压进行排序。若采用冒泡排序法且N较大，相比传统对N个电压排序的情况，此时计算量将降至1/4左右。
子模块投入方法和传统拓扑的策略相同，只是由于测量电压只测每一组中的一个，所以同一组子模块在两次投入或两次切除之间需要变换进行投入或切除的子模块，以更大程度地保障电压均衡以及开关器件动作频率的一致。
新型二端口半桥-全桥混合MMC子模块拓扑（Hybrid Half-Full Bridge Sub-module, H-HFBSM）包含全桥结构，当A、B类子模块交替连接时，其清除直流故障的原理与全桥子模块相同。当发生直流侧单极接地或双极短路故障时，由于投入模块电容的充电效应，能够保证投入的串联模块电容电压之和迅速等于或大于交流电压幅值，防止交流测持续向短路点馈入电流，从而实现故障穿越。
由上述具体说明可知，结合适当的控制方法，所提出的新型二端口半桥-全桥混合MMC子模块拓扑具备直流故障清除和子模块局部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 (4)

1.一种新型二端口半桥-全桥混合子模块MMC拓扑，其特征在于：包括由A、B、C三相构成的MMC模型，A、B、C三相分别由2N个子模块、2个桥臂电抗器串联而成；在每相半桥臂的N个子模块中，有N/2个A类子模块（A-Class Sub-module, A-SM）和N/2个B类子模块（B-ClassSub-module, B-SM）；A类子模块和B类子模块串联连接，每个子模块正极两个端口P1、P2分别与前一个子模块的N1、N2相连接；特别地，对于一个半桥臂中第一个和最后一个子模块，其P1、P2或N1、N2需要共同接入主电路中，如摘要附图所示。
2.根据权利1所述的新型二端口半桥-全桥混合子模块MMC拓扑，其特征在于：考虑IGBT开关组并联时，A类子模块（A-Class Sub-module, A-SM）与B类子模块（B-Class Sub-module, B-SM）由半个全桥子模块和半个半桥子模块组合得到，且B类子模块是经A类子模块翻转重构得到；其器件数介于全桥子模块与半桥子模块之间；合理选取IGBT的开关状态，可以实现两类子模块内电容的并联，从而实现局部自均压。
3.根据权利1所述的新型二端口半桥-全桥混合子模块MMC拓扑，其特征在于：A类子模块与B类子模块中均有全桥结构，且因其特殊连接方式使得全桥结构和半桥结构交替排列，具备直流故障电流箝位能力；将该拓扑应用于直流输电中，直流侧发生单极接地或者双极短路故障时，全桥结构能够支撑起直流电流，保证投入模块电容电压之和迅速大于交流电压的幅值，从而实现二级管的反向偏置，达到抑制故障电流的效果；将A类子模块与B类子模块交替串联连接，可以用于清除直流故障。
4.根据权利1所述的新型二端口半桥-全桥混合子模块MMC拓扑，其特征在于：新型基于二端口半桥-全桥混合子模块的MMC换流器拓扑，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，也能通过构成原理类似MMC的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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