CN107834868A - 一种基于双半桥和并联全桥混合的mmc子模块的电容电压平衡方法 - Google Patents

一种基于双半桥和并联全桥混合的mmc子模块的电容电压平衡方法 Download PDF

Info

Publication number
CN107834868A
CN107834868A CN201711013120.5A CN201711013120A CN107834868A CN 107834868 A CN107834868 A CN 107834868A CN 201711013120 A CN201711013120 A CN 201711013120A CN 107834868 A CN107834868 A CN 107834868A
Authority
CN
China
Prior art keywords
bridge
full
parallel
voltage
bridges
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201711013120.5A
Other languages
English (en)
Inventor
贾秀芳
李嘉龙
张继元
石璐
许建中
赵成勇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
North China Electric Power University
Original Assignee
North China Electric Power University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by North China Electric Power University filed Critical North China Electric Power University
Priority to CN201711013120.5A priority Critical patent/CN107834868A/zh
Publication of CN107834868A publication Critical patent/CN107834868A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/36—Arrangements for transfer of electric power between ac networks via a high-tension dc link
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0067—Converter structures employing plural converter units, other than for parallel operation of the units on a single load
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/60—Arrangements for transfer of electric power between AC networks or generators via a high voltage DC link [HVCD]

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Rectifiers (AREA)

Abstract

本发明涉及一种基于双半桥和并联全桥混合的MMC子模块的电容电压平衡方法。本发明的进步之处在于，以最常采用的最近电平逼近策略作为基础，设计阀段内部及阀段之间的子模块电容均压控制策略，将两者综合在一起形成了双半桥和并联全桥混合子模块的电容电压平衡方法。该方法不依赖于电容电压测量、排序，从而对电容电压监测实时性和控制器运算速度的需求大大降低，不仅继承了灵活的运行特性，而且大大简化控制逻辑，降低了对传感器的要求，有较好的工程应用前景，有望助推混合MMC向更高电压等级、更大容量发展。本发明所提出的方法对均压控制及半桥和全桥混合子模块拓扑等研究方向的研究者具有重要的参考价值。

Description

一种基于双半桥和并联全桥混合的MMC子模块的电容电压平 衡方法
技术领域
本发明属于输配电技术领域，具体涉及一种基于双半桥和并联全桥混合的MMC子模块的电容电压平衡方法。
背景技术
作为柔性直流输电的一种拓扑，模块化多电平换流器高压直流输电(ModularMultilevel Converter HVDC，MMC-HVDC)相比传统电网换相直流输电具有无换相失败、谐波特性好、功率独立可控等优势，成为直流输电研究和应用的热点。
直流输电中常见MMC子模块拓扑有半桥子模块(Half-bridge Sub-module，HBSM)、全桥子模块(Full-bridge Sub-module，FBSM)和双箝位子模块(Clamped Double Sub-module，CDSM)等。HBSM器件数量最少，但不具备直流故障处理能力；而以FBSM、CDSM为代表的可处理直流故障型子模块，不同程度存在器件数量多、运行损耗大等不足。为平衡技术经济性，结合MMC的模块化配置特点，子模块混合型MMC(又称混合MMC)应运而生。将两种子模块通过一定数量配比构成混合MMC，使换流器兼顾直流故障处理能力和较好的经济性，在MMC领域具有广阔的应用前景。
随着电压等级、传输容量不断提升，混合MMC与传统单一类型子模块MMC面临着类似的难点，子模块器件耐压和通流能力不足的矛盾逐渐凸显。一方面，为解决耐压问题，需要大量子模块级联——在μs级控制周期内，完成每站数千个子模块电容电压的采集监测和排序均衡，对二次系统构成巨大挑战；另一方面，开关器件总流过桥臂全电流，造成的电流应力不能回避。
针对MMC均压方法，现有文献多从排序理论、保持因子、分组分层、电压预测、调制与谐波等角度进行改进设计，以降低计算复杂度。但目前存在的均压算法应用于混合MMC时会出现诸如计算复杂度升高，均压效果下降等负面影响。
因此，为适应现实工程中的需求，如何实现混合MMC的均压控制，降低计算复杂度，改善均压效果，同时降低对传感器和控制系统的要求是亟需解决的重要问题。
发明内容
本发明提供一种基于双半桥和并联全桥混合的MMC子模块的电容电压平衡方法，该平衡方法包括以下几个步骤：
步骤1：设新型混合MMC一个桥臂由N D个D-HBSM和N P个P-FBSM组成，共包含(N=2N D+N P)个电容，为(N+1)电平MMC系统。结合2.2节分析，在每个D-HBSM里选取一个电容电压U Di (i=1~N D)参与阀段间均压；此外，选取P-FBSM阀段的一个电容电压U P代表该阀段所有电容电压。由系统级控制生成电压调制波，进一步得到桥臂电压参考波，经最近电平逼调制获得桥臂电平数指令值，设为n ON；
步骤2：当电平数较低时，优先利用P-FBSM阀段形成含有多个并联电容的子模块段，即n ON<0.5N P时，令P-FBSM阀段电平数指令n P=n ON，D-HBSM阀段旁路(D-HBSM阀段电平数指令n D=0)；
当P-FBSM阀段子模块段内电容数达到2，则与D-HBSM均压情况相同，使D-HBSM参与输出电平，即0.5N P <n ON(t) < 0.5N P+N D时，令n P=0.5N P、n D=n ON-0.5N P；
当电平数较大，即n ON>0.5N P+N D时，对U P和U Di 进行加权排序，赋U P权重为N P、每个U Di 权重为2。根据排序结果，结合桥臂电流方向，确定n D与n P的值；
步骤3：经阀段间均压获得两个阀段电平数指令后，分别在各自阀段内部进行相应自均压控制。
针对D-HBSM阀段，采用简化排序均压方法。以同一子模块的两个电容为一组，对N D个电容电压进行排序，当n D≤N D时，根据排序结果和桥臂电流方向，优先令每个子模块两电容并联输出+U C电平；当n D>N D时，为满足电平输出，按照序列使前(n D-N D)个子模块输出+2U C电平，其余为+U C电平。
针对P-FBSM阀段，采取动态分配均压控制，即根据n P最大限度使电容分段并联，优化均压效果。
附图说明
图1是双半桥和并联全桥混合的MMC拓扑结构图；
图2是并联全桥拓扑结构图；
图3是双半桥拓扑结构图；
图4是双半桥拓扑均压控制示意图；
图5是新型MMC阀级控制流程图；
图6是混合MMC阀段均压控制流程图。
具体实施方式
为进一步阐述本发明的原理，以下结合附图对发明涉及的双半桥和并联全桥混合子模块均压算法进行详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
图1为双半桥和并联全桥混合的MMC拓扑结构图。每个桥臂均由一定数目的并联全桥子模块和双半桥子模块产生，在系统运行中，根据运行需求，在均压算法的控制下有规律的投入和切出。
图2为并联全桥拓扑结构图，图中可以看到，将两个全桥子模块分列运行，令同一位置的开关器件保持相同的开关动作，相当于将两个子模块并联，提升了系统的通流能力。
图3为双半桥拓扑结构图，图中可以看到，将两个反串联双半桥子模块分列运行，令同一位置的开关器件保持相同的开关动作，相当于将两个子模块并联，提升了系统的通流能力。
由图4所示，双半桥拓扑可以实现相邻两个电容的并联，以此来实现两个电容的自均压，无需排序，降低了系统的排序运算复杂度；与此同时，该双半桥子模块依旧可以对外部电路输出大小为一个电容电压的电压值，而无需切出电路。
此处举例说明本文均压算法的具体实施步骤。
设N P与N D均为10：
当n ON<5时，只投入全桥模块，利用P-FBSM阀段形成含有多个并联电容的子模块段，半桥模块旁路；
当5<n ON<15时，P-FBSM阀段子模块段内电容数达到2，此时使D-HBSM模块参与输出电平；
当n ON>15时，对U P和U Di 进行加权排序，赋U P权重为N P、每个U Di 权重为2。根据排序结果，结合桥臂电流方向，确定n D与n P的值。
以上部分为阀段间均压，图6为阀段间均压流程图。
针对D-HBSM阀段，采用简化排序均压方法。以同一子模块的两个电容为一组，对10个电容电压进行排序，当n D≤10时，根据排序结果和桥臂电流方向，优先令每个子模块两电容并联输出+U C电平；当n D>10时，为满足电平输出，按照序列使前(n D-10)个子模块输出+2U C电平，其余为+U C电平。
针对P-FBSM阀段，采取动态分配均压控制，在此不再赘述。
以上为阀段内均压。

Claims (5)

1.一种基于双半桥和并联全桥混合的MMC子模块的电容电压平衡方法，其特征在于，针对新型子模块拓扑均压特性与传统拓扑不同，不能像传统MMC一样进行全局统一处理的特点，按照“桥臂电平数-阀段间均压-阀段内均压”的逻辑提出新型混合MMC的均压控制策略，将均压算法划分为阀段间均压和阀段内均压两个部分；该方法有效地降低了均压算法的计算复杂度，尽可能的发挥系统的自均压特性，提升系统的均压效果；该方法包括以下步骤：
步骤1：由系统级控制生成电压调制波，进一步得到桥臂电压参考波，经最近电平逼调制获得桥臂电平数指令值，设为n ON；
步骤2：当电平数较低时，优先利用P-FBSM阀段形成含有多个并联电容的子模块段；当P-FBSM阀段子模块段内电容数达到2，则与D-HBSM均压情况相同，使D-HBSM参与输出电平；当电平数较大，对U P和U Di 进行加权排序，赋U P权重为N P、每个U Di 权重为2；根据排序结果，结合桥臂电流方向，确定n D与n P的值；
步骤3：针对D-HBSM阀段，采用简化排序均压方法；针对P-FBSM阀段，采取动态分配均压控制，即根据n P最大限度使电容分段并联。
2.根据权利要求1所述的一种基于双半桥和并联全桥混合的MMC子模块的电容电压平衡方法，其特征在于：该发明将均压过程拆分为阀段间均压和阀段内均压，尽可能多的利用并联全桥模块，从而减少均压排序的运算量，降低均压算法复杂度。
3.根据权利要求1所述的一种基于双半桥和并联全桥混合的MMC子模块的电容电压平衡方法，其特征在于：步骤1、2和3是本发明的一个整体内容，三个步骤环环相扣，不可分割，并且有相应的执行顺序。
4.根据权利要求1所述的一种基于双半桥和并联全桥混合的MMC子模块的电容电压平衡方法，其特征在于：并联全桥模块通过将开关器件并联，将桥臂电流分配给多个子模块，使得系统的通流能力提升，同时可以使桥臂等效电阻达到最小，进而降低了系统的通态损耗；双半桥模块在提升系统通流能力的同时，还能够降低开关器件数量，节约生产成本。
5.根据权利要求1所述的一种基于双半桥和并联全桥混合的MMC子模块的电容电压平衡方法，其特征在于：该发明不仅能通过多电平电压源换流器直接应用于柔性直流输电领域，也能够通过静止同步补偿器（STATCOM）、统一潮流控制器（UPFC）等装置应用于柔性交流输电领域：简介利用该发明方法及思想的其他应用场合在权利范围之内。
CN201711013120.5A 2017-10-25 2017-10-25 一种基于双半桥和并联全桥混合的mmc子模块的电容电压平衡方法 Pending CN107834868A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711013120.5A CN107834868A (zh) 2017-10-25 2017-10-25 一种基于双半桥和并联全桥混合的mmc子模块的电容电压平衡方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711013120.5A CN107834868A (zh) 2017-10-25 2017-10-25 一种基于双半桥和并联全桥混合的mmc子模块的电容电压平衡方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN107834868A true CN107834868A (zh) 2018-03-23

Family

ID=61649361

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711013120.5A Pending CN107834868A (zh) 2017-10-25 2017-10-25 一种基于双半桥和并联全桥混合的mmc子模块的电容电压平衡方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107834868A (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108512445A (zh) * 2018-04-26 2018-09-07 南京理工大学 一种基于开关电容的模块化多电平变换器
CN108683348A (zh) * 2018-06-19 2018-10-19 西安交通大学 基于取能电源控制的c-mmc静态均压控制方法
CN109787497A (zh) * 2019-03-11 2019-05-21 中国矿业大学 一种混合型mmc的过调制均压方法
CN112701945A (zh) * 2020-12-11 2021-04-23 中国航空综合技术研究所 直流电压降低下混合mmc的电容电压平衡控制方法
EP4329181A1 (de) * 2022-08-22 2024-02-28 Siemens Aktiengesellschaft Modularer bremssteller mit hybridem aufbau

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103280990A (zh) * 2013-05-15 2013-09-04 浙江大学 一种模块化多电平换流器的均压方法
CN104917415A (zh) * 2014-03-13 2015-09-16 国家电网公司 一种混合模块化多电平换流器的直流故障穿越控制方法
JP2016123159A (ja) * 2014-12-24 2016-07-07 株式会社東芝 電力変換装置
CN105958856A (zh) * 2016-06-22 2016-09-21 华北电力大学 兼具直流故障清除和局部自均压能力的新型混合mmc拓扑
CN107276107A (zh) * 2017-06-15 2017-10-20 上海电力学院 基于混合型模块化多电平换流器的低频模型预测控制方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103280990A (zh) * 2013-05-15 2013-09-04 浙江大学 一种模块化多电平换流器的均压方法
CN104917415A (zh) * 2014-03-13 2015-09-16 国家电网公司 一种混合模块化多电平换流器的直流故障穿越控制方法
JP2016123159A (ja) * 2014-12-24 2016-07-07 株式会社東芝 電力変換装置
CN105958856A (zh) * 2016-06-22 2016-09-21 华北电力大学 兼具直流故障清除和局部自均压能力的新型混合mmc拓扑
CN107276107A (zh) * 2017-06-15 2017-10-20 上海电力学院 基于混合型模块化多电平换流器的低频模型预测控制方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
熊岩等: "模块化多电平换流器电容电压均衡排序算法综述", 《电力工程技术》 *
陆翌等: "一种模块化多电平换流器的子模块优化均压方法", 《电力系统自动化》 *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108512445A (zh) * 2018-04-26 2018-09-07 南京理工大学 一种基于开关电容的模块化多电平变换器
CN108683348A (zh) * 2018-06-19 2018-10-19 西安交通大学 基于取能电源控制的c-mmc静态均压控制方法
CN108683348B (zh) * 2018-06-19 2019-12-24 西安交通大学 基于取能电源控制的c-mmc静态均压控制方法
CN109787497A (zh) * 2019-03-11 2019-05-21 中国矿业大学 一种混合型mmc的过调制均压方法
CN112701945A (zh) * 2020-12-11 2021-04-23 中国航空综合技术研究所 直流电压降低下混合mmc的电容电压平衡控制方法
EP4329181A1 (de) * 2022-08-22 2024-02-28 Siemens Aktiengesellschaft Modularer bremssteller mit hybridem aufbau
WO2024041786A1 (de) * 2022-08-22 2024-02-29 Siemens Aktiengesellschaft Modularer bremssteller mit hybridem aufbau

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107834868A (zh) 一种基于双半桥和并联全桥混合的mmc子模块的电容电压平衡方法
CN101707443B (zh) 一种新型电力电子变压器
CN102832841B (zh) 一种带辅助二极管模块化多电平变换器
CN103929045B (zh) 变换器装置，驱动单元和相关方法
CN101022262A (zh) 采用内外环双组整流桥箝位式五电平变频驱动装置
CN103715930A (zh) 一种提升柔性直流输电系统容量的方法及其装置
CN109067218A (zh) 一种基于多电平子模块的固态变压器拓扑构造方法
CN106787883A (zh) 基于最近电平逼近的均压调制方法和均压调制装置
CN108429477A (zh) 一种基于双半桥和并联全桥混合的mmc子模块优化均压方法
CN106787884A (zh) 最近电平逼近的均压调制方法和均压调制装置
CN107888096A (zh) 一种三相两桥臂三电平混合整流器
CN111327220B (zh) 一种提高直流电压利用率的多电平逆变器及电能变换设备
CN107565841A (zh) 一种钳位级联倍频多电平功率变换器及其控制方法
CN101534062A (zh) 用于矩阵式变换器的改进型双电压控制方法及其装置
CN109787497B (zh) 一种混合型mmc的过调制均压方法
Amankwah et al. Cell capacitor voltage control in a parallel hybrid modular multilevel voltage source converter for HVDC applications
CN102664549B (zh) 一种基于功率器件开关分配的级联型逆变器电压平衡控制方法
CN205657607U (zh) 基于不等式约束的辅助电容分布式半桥/单箝位混联mmc自均压拓扑
CN205754041U (zh) 基于等式约束的辅助电容集中式单箝位mmc自均压拓扑
CN103956921B (zh) 六开关组mmc混合变换器及其控制方法
CN1323095A (zh) 多功能三相功率因数可控变流器
CN105429491A (zh) 基于不等式约束的辅助电容集中式单箝位mmc自均压拓扑
CN105515427A (zh) 基于不等式约束的无辅助电容式全桥mmc自均压拓扑
CN105515428A (zh) 基于不等式约束的无辅助电容式半桥mmc自均压拓扑
CN105450070A (zh) 基于不等式约束的无辅助电容式半桥/全桥混联mmc自均压拓扑

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20180323

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication