CN108768193A - 一种基于功率解耦的模块化多电平电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于功率解耦的新型模块化多电平电路，可以有效克服传统拓扑中子模块电容较大的问题，与现有模块化多电平拓扑完全等效。本发明基于功率解耦电路，对每相交流二倍频功率进行解耦，并在每相桥臂中使用一个复用子模块，具有设计合理、低成本、高功率密度的特点，在柔性直流输电等场合具有较高的使用价值。

Description

一种基于功率解耦的模块化多电平电路
技术领域
本发明属于电力电子领域，涉及模块化多电平电路新型拓扑结构。
背景技术
随着科技的进步和发展，人们对高电压大功率的用电设备需求日益增加。而电力电子技术的发展，使得开关器件制造工艺有了长足的进步，不过较大功率等级下，器件开关频率的提高是有限的。在传统的两电平电压源型变换器(VSC)无法满足高电压大功率等级要求且开关器件没有本质突破的前提下，多电平变换器应运而生，并以其优越的输出特性成为高压大功率领域的一种有效手段。
2002年，德国慕尼黑联邦国防军大学的研究人员提出了模块化多电平电压源变换器(Modular Multilevel Converter，MMC)的概念。MMC不仅继承了传统级联H桥多电平换流器的优点，并且具有公共的直流母线端子，适用于高压直流输电场合。每相中桥臂采用子模块级联的方法，在电压等级和功率容量上具有高度的灵活性，工程实现难度也得到了降低。此外，由于输出波形为多电平，可以有效提升波形质量，大幅度降低器件开关频率，减少开关损耗，提高效率，且可以通过设置冗余模块，对换流器进行有效保护，提高了系统的可靠性等。
MMC技术在柔性直流输电工程中得到了广泛应用。2010年西门子公司在美国旧金山建成了世界上首条基于MMC的直流输电工程化线路，即美国跨湾(Trans Bay Cable)工程，该工程直流电压等级为±200kV，功率等级为400MW，单个桥臂含有200个子模块，相电压电平数为201，换流站之间通过85km的海底电缆相连接。随着柔性直流输电技术的逐渐成熟，直流输电工程的电压和功率等级逐渐提高，例如跨接法国与西班牙的INELFE工程作为欧洲电力传输网络的一部分，电压等级±320kV，容量达到2000MW，单个桥臂子模块数为400。该工程作为世界上最大的MMC—HVDC工程，已于2013年底投入运行。
在国外柔性直流输电技术飞快发展的同时，国内专业人士也对柔性直流输电技术进行了广泛研究。到目前为止，我国已经投入了包括上海南汇风电场并网项目、舟山多端柔性直流输电工程、南澳三端柔性直流输电工程以及大连跨海柔性直流输电工程等，这标志着我国在柔性直流输电领域有着很好的基础。在不远的未来，MMC势必会成为电力系统柔性直流输电中不可或缺的存在。
发明内容
本发明在于克服现有模块化多电平拓扑的子模块中电容值较大的缺点，提出一种设计合理、低成本、高功率密度并与现有模块化多电平拓扑完全等效的基于功率解耦的模块化多电平电路。为此，本发明采用以下技术方案：
一种基于功率解耦的模块化多电平电路，其特征是：它是一种三相变换器，它的每一相包括2N+1个子模块、两个桥臂电感和一个解耦电路，其每相上、下桥臂各有N个子模块，另外一个子模块由上、下桥臂复用，解耦电路解耦每相中的二倍频功率，N为奇数；
所述子模块由两个自带反向二极管的功率开关器件和子模块电容CN构成，并对外有三个接线端口，所述解耦电路由两个自带反向二极管功率开关器件、一个解耦电容Cx和电感Lx构成。
在采用上述技术方案的基础上，本发明还可采用或组合采用以下进一步的技术方案：
每个子模块的所述对外有三个接线端，该电路由电路拓扑完全相同的A相、B相和C相构成，以C相拓扑子模块为例说明，上接线端由功率开关器件S1集电极引出，中间接线端由功率开关器件S1的发射极和功率开关器件S2集电极连接处引出，下接线端由功率开关器件S2发射极引出，子模块电容CN并联连接于上、下接线端之间。
上桥臂子模块的接线方式为：上桥臂中自上至下第1个子模块的上接线端与其他两相上桥臂中自上至下第1个子模块的上接线端相连，并连接于直流侧的正极；从上至下的第2至第N个子模块的上接线端分别与其上一个子模块的中间接线端相连。
所述一个子模块由上、下桥臂复用，是指中间子模块三端口中上接线端与上桥臂中第N个子模块中间接线端通过上桥臂电感L相连，其中间接线端作为变换器交流侧输出端口，其下接线端与下桥臂中自上至下第1个子模块中间接线端经过下桥臂电感L相连。
下桥臂子模块的接线方式为：下桥臂中自上至下第1至第N‐1个子模块的下接线端分别与其下一个子模块的中间接线端相连；第N个子模块的下接线端与其他两相下桥臂中第N个子模块的下接线端相连，并连接于直流侧的负极。
解耦电路的两个开关功率器件与中间复用子模块的上、下接线端并联连接，解耦电容Cx和电感Lx串联在解耦电路的中间端口与中间复用子模块下接线端之间。
本发明采用功率解耦电路对模块化多电平每一相中的二倍频功率进行解耦，可大幅度减少子模块电容值，同时在上、下桥臂中间对一个子模块进行复用，是一种低成本、高功率密度的模块化多电平拓扑。
附图说明
图1是传统模块化多电平拓扑示意图。
图2是本发明基于功率解耦的模块化多电平电路示意图。
图3a是传统拓扑(子模块电容为2mF)子模块电容电压波形图
图3b是本发明拓扑(子模块电容为1.86mF)子模块电容电压波形图。
图4a是传统拓扑(子模块电容为2mF)子模块电容电压波形FFT分析示意图。
图4b是本发明拓扑(子模块电容为1.86mF)子模块电容电压波形FFT分析示意图。
具体实施方式
以下结合附图详细描述本发明的实施方式。
图1为传统模块化多电平拓扑示意图。由已有文献可知，以A相为例，图1中上、下桥臂的电压、电流有如下关系：
式中ipa和ina分别为上、下桥臂电流，vpa和vna分别为上、下桥臂电压，Vd和Id分别为直流侧电压、电流，ω为电网角速度，为功率因数角。
上、下桥臂的瞬时功率分别为：
易知，相单元的能量存储在各个子模块电容中，为此，由已知文献和书籍，可得到子模块电容值:
式中，Uc为子模块电压，ε为电容电压波动率，Ps为额定功率，M为传统模块化多电平拓扑中每个桥臂的子模块个数。
图2是基于功率解耦的模块化多电平电路示意图。假定功率因数角由式(3)可得每相中的二倍频功率为:
假定每相中的二倍频功率被功率解耦电路全部吸收，则功率解耦后，每相上、下桥臂的瞬时功率分别为：
式中，Ppa和PNa分别为A相上、下桥臂的瞬时功率，Uam和Iam分别为A相交流电压、电流的幅值。
解耦后，上、下桥臂的能量分别存储在上、下桥臂的子模块中。此时子模块电容值为
式中，N为新型拓扑中桥臂子模块个数。
解耦电路中解耦电容Cx的取值由所需的二倍频解耦能量决定，解耦电感Lx由开关频率和解耦电容值决定，解耦电容Cx具体计算公式如下：
式中，η为电解电容利用率。
由式(4)和式(7)以及实际应用中电容取值经验，可得本发明中所用拓扑的子模块电容值与传统MMC子模块电容值的关系为：
由式(9)可知，ρ＜1，且k越大，ρ越小，即本发明中所用拓扑的子模块电容值越小，其最小值近似可以达到传统MMC子模块电容值的1/2。
为了验证本发明所提拓扑的可行性与优越性，发明人做如下仿真实验验证。实验参数如下：传统拓扑中(如图1所示)每个桥臂有四个子模块构成，每个中子模块电容为2mF，直流侧电压为800V，交流侧输出电压有效值为220V，此时ρ＝0.93；本发明中与此等效的子模块电容为1.86mF。仿真结果图3a、3b和图4a、4b所示，其中图3a为传统拓扑(子模块电容为2mF)子模块电容电压波形图、图4a为传统拓扑(子模块电容为2mF)子模块电容电压波形FFT分析示意图；图3b为本发明拓扑(子模块电容为1.86mF)子模块电容电压波形图、图4b为本发明拓扑(子模块电容为1.86mF)子模块电容电压波形FFT分析示意图。由图3b和图3a对比及图4b和图4a对比可知，本发明拓扑是一种设计合理、低成本、高功率密度并与现有模块化多电平拓扑完全等效的基于功率解耦的模块化多电平电路。
以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明的结构特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种基于功率解耦的模块化多电平电路，其特征是：它是一种三相变换器，它的每一相包括2N+1个子模块、两个桥臂电感和一个解耦电路，其每相上、下桥臂各有N个子模块，另外一个子模块由上、下桥臂复用，解耦电路解耦每相中的二倍频功率，N为奇数；
所述子模块由两个自带反向二极管的功率开关器件和子模块电容CN构成，并对外有三个接线端口，所述解耦电路由两个自带反向二极管功率开关器件、一个解耦电容Cx和电感Lx构成。
2.如权利要求1所述的一种基于功率解耦的模块化多电平电路，其特征是每个子模块的所述对外有三个接线端，该电路由电路拓扑完全相同的A相、B相和C相构成，以C相拓扑子模块为例说明，上接线端由功率开关器件S1集电极引出，中间接线端由功率开关器件S1的发射极和功率开关器件S2集电极连接处引出，下接线端由功率开关器件S2发射极引出，子模块电容CN并联连接于上、下接线端之间。
3.如权利要求1或2所述的一种基于功率解耦的模块化多电平电路，其特征是上桥臂子模块的接线方式为：上桥臂中自上至下第1个子模块的上接线端与其他两相上桥臂中自上至下第1个子模块的上接线端相连，并连接于直流侧的正极；从上至下的第2至第N个子模块的上接线端分别与其上一个子模块的中间接线端相连。
4.如权利要求1或2所述的一种基于功率解耦的模块化多电平电路，其特征是所述一个子模块由上、下桥臂复用，是指中间子模块三端口中上接线端与上桥臂中第N个子模块中间接线端通过上桥臂电感L相连，其中间接线端作为变换器交流侧输出端口，其下接线端与下桥臂中自上至下第1个子模块中间接线端经过下桥臂电感L相连。
5.如权利要求1或2所述的一种基于功率解耦的模块化多电平电路，其特征是下桥臂子模块的接线方式为：下桥臂中自上至下第1至第N‐1个子模块的下接线端分别与其下一个子模块的中间接线端相连；第N个子模块的下接线端与其他两相下桥臂中第N个子模块的下接线端相连，并连接于直流侧的负极。
6.如权利要求1或2所述的一种基于功率解耦的模块化多电平电路，其特征是解耦电路的两个开关功率器件与中间复用子模块的上、下接线端并联连接，解耦电容Cx和电感Lx串联在解耦电路的中间端口与中间复用子模块下接线端之间。
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