CN107786110B - 一种基于h桥的mmc子模块拓扑结构调制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于H桥的MMC子模块拓扑结构调制方法，包括如下步骤：使所述拓扑结构中的各H桥子模块在工作模式M1与工作模式M2之间相互切换，对于各H桥子模块，在工作模式M1中，使晶体管VT1常通，而使晶体管VT3和晶体管VT4交替导通；在工作模式M2中，使晶体管VT4常通，而使晶体管VT1和晶体管VT2交替导通。本发明所述调制方法使得系统损耗较低且有利于系统散热设计。
Description
技术领域
本发明涉及柔性输配电技术领域，具体涉及一种基于H桥的MMC子模块拓扑结构调制方法。
背景技术
与传统电压源换流器(Voltage Source Converter，VSC)相比，模块化多电平换流器(Modular Multilever Converter，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。为了降低损耗、器件数量，以及控制复杂度，早期的MMC子模块拓扑结构一般采用半桥子模块级联构成。
随着柔性直流输电技术优势的逐渐凸显，越来越多的输电工程采用基于MMC的柔性直流输电技术，推动着柔性直流输电高压大容量的发展。而且，随着输电电压提高、容量扩大、距离攀升，架空线成为了经济性更加的输电线路。基于架空线的输电线路面临着雷击等天气条件的影响，直流输电线路短路的现象难以避免，但是基于半桥的MMC子模块拓扑结构无法有效闭锁直流故障，不具备直流故障处理能力，因此越来越不适合柔性直流输电的高压大容量方面的发展。
为了解决上述问题，基于H桥的MMC子模块拓扑结构应运而生，其能够有效实现直流故障状态下的故障电流清除，在学术界以及工业界受到了越来越多的关注。
但是，H桥子模块包含四只开关器件，相对于传统的只包含两只开关器件的半桥子模块而言结构更加复杂，除了带来成本提升、结构复杂的问题以外，还会增加系统损耗。同时，输电工程损耗的提升使得散热系统设计的困难加大，直接影响系统运行的经济效益。而现有的基于H桥的MMC子模块拓扑结构调制方法未能有效地降低系统损耗，也不利于系统散热设计。
因此，针对H桥的MMC子模块拓扑结构，亟需提出一种损耗较低且能够有利于系统散热设计的调制技术。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中所存在的上述缺陷，针对H桥的MMC子模块拓扑结构提供一种损耗较低且有利于系统散热设计的调制方法。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种基于H桥的MMC子模块拓扑结构调制方法，其包括如下步骤：
使所述拓扑结构中的各H桥子模块在工作模式M1与工作模式M2之间相互切换，
对于各H桥子模块，在工作模式M1中，使晶体管VT1常通，而使晶体管VT3和晶体管VT4交替导通；在工作模式M2中，使晶体管VT4常通，而使晶体管VT1和晶体管VT2交替导通。
可选地，在工作模式M1中，晶体管VT3导通时使H桥子模块的输出电压为0，以切除子模块电容，晶体管VT4导通时使H桥子模块的输出电压为Vc，以投入子模块电容；
在工作模式M2中，晶体管VT2导通时使H桥子模块的输出电压为0，以切除子模块电容，晶体管VT1导通时使H桥子模块的输出电压为Vc，以投入子模块电容。
可选地，各H桥子模块在工作模式M1与工作模式M2之间相互切换的周期大于该H桥子模块的开关周期。
可选地，所述调制方法还包括：根据H桥子模块中晶体管的温度情况实现工作模式M1与工作模式M2的相互切换。
可选地，所述根据H桥子模块中晶体管的温度情况实现工作模式M1与工作模式M2的相互切换包括：
当所述H桥子模块处于工作模式M1时，实时测量晶体管VT1的温度，若晶体管VT1的温度超过预设的温度T1，则使该H桥子模块由工作模式M1切换为工作模式M2。
可选地，所述根据H桥子模块中晶体管的温度情况实现工作模式M1与工作模式M2的相互切换包括：
当所述H桥子模块处于工作模式M2时，实时测量晶体管VT4的温度，若晶体管VT4的温度超过预设的温度T4，则使该H桥子模块由工作模式M2切换为工作模式M1。
可选地，利用靠近晶体管的水冷板铺设热电偶实现晶体管温度的测量。
有益效果：
本发明所述基于H桥的MMC子模块拓扑结构调制方法，使所述拓扑结构中的各H桥子模块在工作模式M1与工作模式M2之间相互切换，实现了功率器件发热的均匀化，还根据H桥子模块中晶体管的温度情况实现工作模式M1与工作模式M2的相互切换，从而在保证整体损耗不大幅增加的情况下平均各个晶体管的热应力。
附图说明
图1为本发明实施例提供的应用于柔性直流输电换流阀系统的MMC模块拓扑结构的示意图；
图2为本发明实施例提供的H桥子模块的结构示意图；
图3a为本发明实施例提供的H桥子模块在工作模式M1时其中各晶体管的时序示意图；
图3b为本发明实施例提供的H桥子模块在工作模式M2时其中各晶体管的时序示意图；
图4为本发明实施例提供的调制方法的流程图；
图5a为在本发明所述调制方法的作用下晶体管VT1的温度变化示意图；
图5b为在本发明所述调制方法的作用下晶体管VT4的温度变化示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，本发明实施例提供一种应用于柔性直流输电换流阀系统的MMC模块拓扑结构，其包括三个相单元，分别为A相单元、B相单元和C相单元，每个相单元均包括上桥臂和下桥臂，每个相单元的上桥臂和下桥臂的结构相同，均包括依次串联的电抗器L和n个子模块。每个相单元的子模块的数量是由系统设计之初通过直流母线电压、电子器件耐压等级以及子模块的类型等因素共同决定的。本实施例中，每个相单元的子模块的数量N＝2n＝Udc/USM，其中Udc是正负直流母线之间的电压，USM是每个子模块的电容电压，n是每个桥臂上的子模块的数量，且n>1。
具体地，如图1所示，对于A相单元的上桥臂，交流输出端Ag依次连接电抗器LA上、n个子模块后接入直流母线电压的正极Vdc+，其中，子模块1的输出端A与直流母线电压的正极Vdc+连接、输出端B与相邻的子模块2的输出端A连接，子模块n的输出端A与相邻的子模块(n-1)的输出端B连接、子模块n的输出端B与电抗器LA上的一端连接，电抗器LA上的另一端与A相交流输出端Ag连接，A相单元的上桥臂的其他子模块(除子模块1和子模块n以外的子模块)的输出端A均与其相邻的前一个子模块的输出端B连接，A相单元的上桥臂的其他子模块的输出端B均与其相邻的后一个子模块的输出端A连接。这里，与某一子模块相邻的前一个子模块指的是与该子模块相邻且在电路连接关系上比该子模块更接近直流母线电压的正极Vdc+的子模块，例如子模块2是与子模块3相邻的前一个子模块；与某一子模块相邻的后一个子模块指的是与该子模块相邻且在电路连接关系上比该子模块更接近A相交流输出端Ag的子模块，例如子模块3是与子模块2相邻的后一个子模块。电流路径为：A相交流输出端Ag→电抗器LA上→子模块n的输出端B→子模块n的输出端A→子模块(n-1)的输出端B→子模块(n-1)的输出端A→···→子模块1的输出端B→子模块1的输出端A→直流母线电压的正极Vdc+。
B相单元和C相单元的上桥臂的结构均与A相单元的上桥臂的结构相同，电流路径也类同，此处不再赘述。
如图1所示，对于A相单元的下桥臂，A相交流输出端Ag依次连接电抗器LA下、n个子模块后接入直流母线电压的负极Vdc-，其中，子模块1的输出端A与直流母线电压的负极Vdc-连接、输出端B与相邻的子模块2的输出端A连接，子模块n的输出端A与相邻的子模块(n-1)的输出端B连接、子模块n的输出端B与电抗器LA下的一端连接，电抗器LA下的另一端与交流输出端Ag连接，A相单元的下桥臂的其他子模块(除子模块1和子模块n以外的子模块)的输出端A均与其相邻的前一个子模块的输出端B连接，A相单元的下桥臂的其他子模块的输出端B均与其相邻的后一个子模块的输出端A连接。这里，与某一子模块相邻的前一个子模块指的是与该子模块相邻且在电路连接关系上比该子模块更接近直流母线电压的负极Vdc-的子模块，例如子模块2是与子模块3相邻的前一个子模块；与某一子模块相邻的后一个子模块指的是与该子模块相邻且在电路连接关系上比该子模块更接近A相交流输出端子Ag的子模块，例如子模块3是与子模块2相邻的后一个子模块。电流路径为：A相交流输出端Ag→电抗器LA下→子模块n的输出端B→子模块n的输出端A→子模块(n-1)的输出端B→子模块(n-1)的输出端A→···→子模块1的输出端B→子模块1的输出端A→直流母线电压的负极Vdc-。
B相单元和C相单元的下桥臂的结构均与A相单元的下桥臂的结构相同，电流路径也类同，此处不再赘述。
可以看出，各相单元的上桥臂的结构与下桥臂的结构对称。
本实施例中，每个子模块的结构均相同，均为H桥子模块，其包括晶体管VT1至VT4、分别与上述各晶体管反向并联的二极管VD1至VD4、以及电容C。
下面结合图2详细描述H桥子模块的具体结构。
晶体管VT1的集电极与二极管VD1的负极连接、发射极与二极管VD1的正极连接，晶体管VT2的集电极与二极管VD2的负极连接、发射极与二极管VD2的正极连接，晶体管VT1的发射极还与晶体管VT2的集电极连接，且输出端A与晶体管VT1的发射极和晶体管VT2的集电极的连接点相连；
晶体管VT3的集电极与二极管VD3的负极连接、发射极与二极管VD3的正极连接，晶体管VT4的集电极与二极管VD4的负极连接、发射极与二极管VD4的正极连接，晶体管VT3的发射极还与晶体管VT4的集电极连接，且输出端B与晶体管VT3的发射极和晶体管VT4的集电极的连接点相连；
晶体管VT1的集电极与晶体管VT3的集电极之间，以及晶体管VT2的发射极与晶体管VT4的发射极之间均通过H桥母线相连；
电容C的正极和晶体管VT1的集电极与晶体管VT3的集电极之间的H桥母线相连，电容C的负极和晶体管VT2的发射极与晶体管VT4的发射极之间的H桥母线相连。
本发明实施例中，每个子模块中的晶体管可以采用IGBT(Insulated GateBipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)、MOSFET(Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)或IGCT(Integrated GateCommutated Thyristors，集成门极换流晶闸管)。
上述H桥子模块的输出电压可以为-Vc，0或Vc，其中Vc为电容C上的电压。针对MMC的应用，由于输出负压会使得该H桥子模块所在桥臂需要投入更多的子模块来支撑直流母线电压，故本发明中暂不考虑H桥子模块输出负压的情况，即只考虑H桥子模块输出0或者Vc的情况。
发明人发现，使H桥子模块在开关周期中输出0或者Vc，可以有两种工作模式，分别为工作模式M1和工作模式M2。在工作模式M1中，使晶体管VT1常通、晶体管VT2常关，而使晶体管VT3和晶体管VT4依据上层指令交替导通(即交互切换)，各晶体管的时序图如图3a所示；在工作模式M2中，使晶体管VT4常通、晶体管VT3常关，而使晶体管VT1和晶体管VT2依据上层指令交替导通(即交互切换)，各晶体管的时序图如图3b所示。
可见，在工作模式M1下，晶体管VT1一直处于导通状态，导致晶体管VT1热积累严重，由于适用于柔性直流输电的功率器件(即晶体管)往往呈现正温度特性，温度上升后，晶体管的导通压降增大，从而导致更大的导通损耗；而且，针对晶体管VT3和晶体管VT4而言，鉴于柔性直流输电换流阀系统的运行特性，晶体管VT3承受更大的导通损耗以及开关损耗。因此，在工作模式M1下，H桥子模块中各个晶体管的温度从高到低依次为晶体管VT1、晶体管VT3、晶体管VT4和晶体管VT2。
在工作模式M2下，晶体管VT4一直处于导通状态，导致晶体管VT4热积累严重；而且。针对晶体管VT1与晶体管VT2，鉴于柔性直流输电换流阀系统的运行特点，晶体管VT2承受更大的导通损耗以及开关损耗。因此，在工作模式M2下，H桥子模块中各个晶体管的温度从高到低依次为晶体管VT4、晶体管VT2、晶体管VT1和晶体管VT3。
经过上述分析可知，在不同工作模式下，各晶体管的温度呈现不同的分布情况，如果仅仅采用工作模式M1或者工作模式M2的调制方式，单只功率器件(如晶体管VT1或晶体管VT4)的温度将明显较高，从而使该功率器件的热应力较大，散热难以设计，同时增大了系统的损耗。
为了解决上述问题，如图4所示，本发明提出一种基于H桥的MMC子模块拓扑结构调制方法，包括如下步骤S1：
S1.使所述拓扑结构中的各H桥子模块在工作模式M1与工作模式M2之间相互切换。
其中，在工作模式M1中，晶体管VT3导通时使H桥子模块的输出电压为0，实现电容C的切除，晶体管VT4导通时使H桥子模块的输出电压为Vc，实现电容C的投入，且晶体管VT3和晶体管VT4交替导通以实现输出特定电平的要求；
在工作模式M2中，晶体管VT2导通时使H桥子模块的输出电压为0，实现电容C的切除，晶体管VT1导通时使H桥子模块的输出电压为Vc，实现电容C的投入，且晶体管VT1和晶体管VT2交替导通以实现输出特定电平的要求。
由于在工作模式M1中，晶体管VT1的温度上升最快，与其相比晶体管VT4的温度上升较慢；而在工作模式M2中，晶体管VT4的温度上升最快，与其相比晶体管VT1的温度上升较慢，因此通过采用上述在工作模式M1与工作模式M2之间相互切换的调制方式可以实现常通功率器件的转换，进而实现功率器件热应力的平均。
发明人还发现，如果各H桥子模块在工作模式M1与工作模式M2之间相互切换的频率太快，例如在单个开关周期就切换一次(从工作模块M1切换至工作模式M2，或者从工作模式M2切换至工作模式M1)，则这种快速切换工作模式的调制方式(相当于不断切换左、右半桥)在柔性直流输电领域会引起功率器件开通/关断损耗的上升，降低柔性直流输电换流阀系统的效率和经济效益。
为了解决上述问题，在步骤S1中，可以使各H桥子模块在工作模式M1与工作模式M2之间相互切换的周期远大于该H桥子模块的开关周期，例如，这两个工作模式的切换周期约等于H桥子模块开关周期的104～105倍，以保证系统整体损耗不大幅增加。
而为了在平均各个晶体管的热应力的同时能够更好地降低柔性直流输电系统的整体损耗，较优地，在步骤S1中，根据H桥子模块中晶体管的温度情况实现工作模式M1与工作模式M2的相互切换。即，依据晶体管的温度信息，实现工作模式M1与工作模式M2之间的切换，由于温度的积累需要的时间远远大于功率器件的开关周期，在该情况下，工作模式M1与工作模式M2切换的频率较低(切换的周期较长)，故引起的额外的开关损耗可以忽略不计。
具体地，当H桥子模块处于工作模式M1时，其中各晶体管的温度从高到低依次为晶体管VT1、晶体管VT3、晶体管VT4和晶体管VT2，可见，晶体管VT1的温度上升最快且温度最高，故只需实时测量晶体管VT1的温度，一旦晶体管VT1的温度超过预设的温度T1(如图5a所示)，则认定晶体管VT1的温度过高，需使H桥子模块由工作模式M1切换为工作模式M2；当该H桥子模块切换为工作模式M2时，相比于工作模式M1，晶体管VT1上的损耗较低，导致其温度不断降低(如图5a所示)，该模式下各晶体管的温度从高到低依次为晶体管VT4、晶体管VT2、晶体管VT1和晶体管VT3，可见，在晶体管VT1的温度降低的同时，晶体管VT4的温度积累最严重，其温度上升最快且温度最高，故只需实时测量晶体管VT4的温度，一旦晶体管VT4的温度超过预设的温度T4(如图5b所示)，则认定晶体管VT4的温度过高，需使该H桥子模块由工作模式M2切换回工作模式M1；当该H桥子模块切换回工作模式M1时，相比于工作模式M2，晶体管VT4上的损耗较低，导致其温度不断降低(如图5b所示)，与此同时晶体管VT1的温度上升最快且温度最高。如此循环往复，直至所述拓扑结构停止工作。其中，温度T1以及温度T4的设定与晶体管的最高允许工作温度、晶体管的散热情况等系统工作条件相关。
通过两种工作模式之间的相互切换，可以实现功率器件(晶体管)的热平均，有利于散热系统的设计，提高功率器件工作的稳定性，降低系统因为热积累导致的损耗。
本实施例中，工作模式M1与工作模式M2之间的切换以晶体管自身的温度为标准，可选地，利用靠近晶体管的水冷板铺设热电偶实现晶体管温度的测量，以更加快速、准确地测量出晶体管的温度变化情况。
值得注意的是，由功率器件的发热变化而导致的温度变化存在一个时间过程，因此在柔性直流输电换流阀系统中，常采用水冷系统实现开关器件的散热。该应用领域中，温度变化时间常数为秒级，这相当于工作模式M1与工作模式M2之间的切换周期也是秒级，这远远大于子模块的开关周期(十微秒级)，因此在本发明的调制模式下，带来的额外开关损耗提升可以忽略不计。
综上所述，本发明所述基于H桥的MMC子模块拓扑结构调制方法，在满足各H桥子模块的依据上层指令实现电容投入或者电容切除功能的前提下，通过两种工作模式的切换，实现功率器件温度均衡，降低换流阀热设计难度，提升换流阀系统效率。
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)
1.一种基于H桥的MMC子模块拓扑结构调制方法，其特征在于，包括如下步骤：
使所述拓扑结构中的各H桥子模块在工作模式M1与工作模式M2之间相互切换，
对于各H桥子模块，在工作模式M1中，使晶体管VT1常通，晶体管VT2常关，而使晶体管VT3和晶体管VT4交替导通；在工作模式M2中，使晶体管VT4常通，晶体管VT3常关，而使晶体管VT1和晶体管VT2交替导通；
工作模式M1与工作模式M2的切换周期约等于H桥子模块开关周期的104～105倍，以及，
当所述H桥子模块处于工作模式M1时，实时测量晶体管VT1的温度，若晶体管VT1的温度超过预设的温度T1，则使该H桥子模块由工作模式M1切换为工作模式M2；
当所述H桥子模块处于工作模式M2时，实时测量晶体管VT4的温度，若晶体管VT4的温度超过预设的温度T4，则使该H桥子模块由工作模式M2切换为工作模式M1；
其中，H桥子模块包括晶体管VT1至VT4、分别与上述各晶体管反向并联的二极管VD1至VD4、以及电容C；
晶体管VT1的集电极与二极管VD1的负极连接、发射极与二极管VD1的正极连接，晶体管VT2的集电极与二极管VD2的负极连接、发射极与二极管VD2的正极连接，晶体管VT1的发射极还与晶体管VT2的集电极连接，且输出端A与晶体管VT1的发射极和晶体管VT2的集电极的连接点相连；
晶体管VT3的集电极与二极管VD3的负极连接、发射极与二极管VD3的正极连接，晶体管VT4的集电极与二极管VD4的负极连接、发射极与二极管VD4的正极连接，晶体管VT3的发射极还与晶体管VT4的集电极连接，且输出端B与晶体管VT3的发射极和晶体管VT4的集电极的连接点相连；
晶体管VT1的集电极与晶体管VT3的集电极之间，以及晶体管VT2的发射极与晶体管VT4的发射极之间均通过H桥母线相连；
电容C的正极和晶体管VT1的集电极与晶体管VT3的集电极之间的H桥母线相连，电容C的负极和晶体管VT2的发射极与晶体管VT4的发射极之间的H桥母线相连。
2.根据权利要求1所述的调制方法，其特征在于，
在工作模式M1中，晶体管VT3导通时使H桥子模块的输出电压为0，以切除子模块电容，晶体管VT4导通时使H桥子模块的输出电压为Vc，以投入子模块电容；
在工作模式M2中，晶体管VT2导通时使H桥子模块的输出电压为0，以切除子模块电容，晶体管VT1导通时使H桥子模块的输出电压为Vc，以投入子模块电容；
其中，Vc为电容C上的电压。
3.根据权利要求1所述的调制方法，其特征在于，利用靠近晶体管的水冷板铺设热电偶实现晶体管温度的测量。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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