CN109039127A - 一种模块化多电平换流器的子模块和模块化多电平换流器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种模块化多电平换流器的子模块和模块化多电平换流器，其中，该子模块至少包括：功率单元、PWM调制驱动电路、第一直流电容和控制器，其中，所述功率单元的直流输入端与所述子模块的直流输入端连接，所述第一直流电容与所述功率单元并联连接，所述控制器的输出端与所述PWM调制驱动电路的输入端连接，所述PWM调制驱动电路的输出端与所述功率单元的控制端连接。本发明通过采用PWM驱动控制，能够使得在一个开关周期内，功率单元的输出值等于给定值，因而在各子模块中不需要设定均衡控制器，使得模块化多电平换流器的控制结果变得简单，扩展性强。
Description
技术领域
本发明涉及大功率电子换流器领域，尤其涉及一种模块化多电平换流器的子模块和模块化多电平换流器。
背景技术
模块化多电平换流器(MMC)是一种高压变流技术，主要用于HVDC、电力系统柔性输电等高压变流应用场合中。MMC的工作原理是将低压的桥式变流器模块(SM)串联，构成高压变流器，用于实现交直流之间的变换。
由于功率半导体器件的最高耐压只有数千伏，而高压变流器经常需要承受几十万伏电压，因此串联的模块数量非常多，到达几十甚至几百个。如此多的模块对控制系统提出非常高的要求，通常会采用多层控制结构，控制器包括了系统控制器、均衡控制器和模块控制器。系统控制器用于实现MMC的功能，均衡控制器实现模块间的功率平衡，模块控制实现模块的控制。其中均衡控制需要平衡桥臂所有模块的功率，通常当桥臂数量很多的时候，会将模块进行分组，每一组采用一个均衡控制器，避免均衡控制器控制的模块数量太多。现有的MMC控制系统中，由于需要增加中间均衡控制器，使得模块化多电平的控制结构变得复杂，扩展性降低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种模块化多电平换流器的子模块和模块化多电平换流器，该模块化多电平换流器的子模块通过采用PWM驱动控制，能够使得在一个开关周期内，功率单元的输出值等于给定值，因而在各子模块中不需要设定均衡控制器，使得模块化多电平换流器的控制结果变得简单，扩展性强。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种模块化多电平换流器的子模块，至少包括：功率单元、PWM调制驱动电路、第一直流电容和控制器，其中，所述功率单元的直流输入端与所述子模块的输入端连接，所述第一直流电容与所述功率单元并联连接，所述控制器的输出端与所述PWM调制驱动电路的输入端连接，所述PWM调制驱动电路的输出端与所述功率单元的控制端连接。
具体地，所述子模块还包括电流传感器和电压传感器，所述电流传感器用于测量所述功率单元的直流电流值，并将所述直流电流值上传给所述控制器，所述电压传感器用于测量所述第一直流电容的电压，并将所述电压值上传给所述控制器。
具体地，所述子模块还包括辅助电源，所述辅助电源的输入端分别与所述第一直流电容的两端连接，所述辅助电源的输出端分别与所述控制器和所述PWM调制驱动电路的电源输入端连接。
具体地，所述功率单元为桥式变流器。
具体地，所述桥式变流器包括：晶闸管、开关、第一IGBT管、第二IGBT管、第一反向二极管、第二反向二极管和直流电容，其中，所述晶闸管的阳极与所述桥式变流器的输入端连接，所述晶闸管的阴极与地连接，所述开关与所述晶闸管并联连接，所述第一IGBT管的栅极与所述PWM调制驱动电路的输出端连接，所述第一IGBT管的射极与所述第二IGBT管的集电极连接，所述第一IGBT管的集电极与所述直流电容的一端连接，所述第二IGBT管的输入端与所述PWM调制驱动电路的输出端连接，所述第二IGBT管的射极与地连接，所述第一反向二极管的阳极与所述第一IGBT管的射极连接，所述第一反向二极管的阴极与所述第一IGBT管的集电极连接，所述第二反向二极管的阳极与所述第二IGBT管的射极连接，所述第二反向二极管的阴极与所述第二IGBT管的集电极连接。
本发明还提供一种模块化多电平换流器，其特征在于，包括：上桥臂和下桥臂，第二电容、第三电容和系统控制器，上桥臂和下桥臂串联连接，所述第二电容的一端与所述多电平换流器的直流输入端的正极连接，所述第二电容的另外一端与所述第三电容的一端连接，所述第三电容的另外一端与地连接，所述上桥臂的输入端与所述多电平换流器的直流输入端的正极连接，所述下桥臂的输出端与地连接，交流输入端与所述第二电容和所述第三电容的连接点连接，所述交流输出端与所述上桥臂和所述下桥臂的连接点连接；
其中所述上桥臂和所述下桥臂由多个由前述的子模块和桥臂电感串联而成，
所述系统控制器与所述子模块的控制器连接。
本发明实施例的有益效果在于：模块化多电平换流器的子模块通过采用PWM驱动控制，能够使得在一个开关周期内，功率单元的输出值等于给定值，因而在各子模块中不需要设定均衡控制器，使得模块化多电平换流器的控制结果变得简单，扩展性强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有技术中的基于MMC的交直流变换器。
图2是现有技术中MMC的控制结构。
图3是本发明的一种模块化多电平换流器的子模块的结构框图。
图4是本发明的模块化多电平换流器。
图5是本发明的桥式变流器。
图6是本发明的平衡控制功能实现的方法。
具体实施方式
以下各实施例的说明是参考附图，用以示例本发明可以用以实施的特定实施例。
图1是现有技术中的基于MMC的交直流变换器，该交直流变换器包括多个子模块SM1、SM2……SMN、SM N+1、SM N+2、……、SM 2N，其中，子模块SM1、SM2……SMN依次串联之后与桥臂电感Lr串联形成上桥臂，子模块SM N+1、SM N+2、……、SM 2N依次串联之后与桥臂电感Lr串联形成下桥臂，该上桥臂和下桥臂串联之后形成了一个相单元，直流输入端的正极与第一电容C1的一端连接，另外一端与第二电容C2的一端连接，第二电容C2的另外一端与地连接，交流输入端与第一电容C1和第二电容C2的连接点连接，该交流输出端与上桥臂和下桥臂的连接点连接。
图2是现有技术中MMC的控制结构，该MMC控制结构一共包括n个桥臂，其中每一个桥臂包括k个子模块，每一个桥臂与一个均衡控制器连接，所有的均衡控制器连接到系统控制器。
以下参照图3所示，本发明实施例提供一种模块化多电平换流器的子模块，包括：
功率单元、PWM调制驱动电路、第一直流电容C11和控制器，其中，所述功率单元的直流输入端与所述子模块的输入端连接，所述第一直流电容C11与所述功率单元并联连接，所述控制器的输出端与所述PWM调制驱动电路的输入端连接，所述PWM调制驱动电路的输出端与所述功率单元的控制端连接。
具体地，所述子模块还包括电流传感器和电压传感器，所述电流传感器用于测量所述功率单元的直流电流值，并将所述直流电流值上传给所述控制器，所述电压传感器用于测量所述第一直流电容C11的电压，并将所述电压值上传给所述控制器。
具体地，所述子模块还包括辅助电源，所述辅助电源的输入端分别与所述第一直流电容C11的两端连接，所述辅助电源的输出端分别与所述控制器和所述PWM调制驱动电路的电源输入端连接。采用辅助电源从子模块的直流母线取电，可以避免采用额外的辅助电源输入，使得子模块功能比较独立。
具体地，所述功率单元为桥式变流器。
具体地，如图4所示，所述桥式变流器包括：晶闸管SCR、开关K、第一IGBT管T1、第二IGBT管T2、第一反向二极管D1、第二反向二极管D2和第二直流电容C21，其中，所述晶闸管SCR的阳极与所述桥式变流器的输入端连接，所述晶闸管SCR的阴极与地连接，所述开关K与所述晶闸管SCR并联连接，所述第一IGBT管T1的栅极与所述PWM调制驱动电路的输出端连接，所述第一IGBT管T1的射极与所述第二IGBT管T2的集电极连接，所述第一IGBT管T1的集电极与所述第二直流电容C21的一端连接，所述第二IGBT管T2的输入端与所述PWM调制驱动电路的输出端连接，所述第二IGBT管T2的射极与地连接，所述第一反向二极管D1的阳极与所述第一IGBT管T1的射极连接，所述第一反向二极管D1的阴极与所述第一IGBT管T1的集电极连接，所述第二反向二极管D2的阳极与所述第二IGBT管T2的射极连接，所述第二反向二极管D2的阴极与所述第二IGBT管T2的集电极连接，其中所述桥式变流器的晶闸管SCR的输入电压为Usm，所述第二直流电容C21的输出电压为Uc。
模块化多电平换流器的子模块通过采用PWM驱动控制，能够使得在一个开关周期内，功率单元的输出值等于给定值，因而在各子模块中不需要设定均衡控制器，使得模块化多电平换流器的控制结果变得简单，扩展性强。
本发明实施例的有益效果在于：模块化多电平换流器的子模块通过采用PWM驱动控制，能够使得在一个开关周期内，功率单元的输出值等于给定值，因而在各子模块中不需要设定均衡控制器，使得模块化多电平换流器的控制结果变得简单，扩展性强。
基于本发明实施例一，本发明实施例二提供一种模块化多电平换流器，如图5所示，该模块化多电平换流器至少包括：
上桥臂和下桥臂，第三电容C3、第四电容C4和系统控制器，上桥臂和下桥臂串联连接，所述第三电容C3的一端与所述多电平换流器的直流输入端的正极连接，所述第三电容C3的另外一端与所述第四电容C4的一端连接，所述第四电容C4的另外一端与地连接，所述上桥臂的输入端与所述多电平换流器的直流输入端的正极连接，所述下桥臂的输出端与地连接，
其中所述上桥臂和所述下桥臂由多个由前述的子模块和桥臂电感串联而成，
所述系统控制器与所述子模块的控制器连接。
具体地控制方法为：系统控制器采用桥臂电流控制器产生控制信号-桥臂电压，也就是桥臂中所有子模块交流侧电压usm之和，系统控制器再将桥臂电压平均分配给每个子模块的控制器；子模块的控制器的控制任务是：控制交流电压等于usm，并保持电容电压uc为设定值。子模块控制器将子模块直流电压uc作为反馈信号反馈给系统控制器。
其中，子模块工作在PWM模式，也就是投入状态(储能状态)和旁路状态之间做PWM切换。
其中，子模块的主功率单元主要是第一IGBT管T1和第二IGBT管T2。
当第一IGBT管T1开通时候，子模块处于投入状态，usm＝uc
当第二IGBT管T2开通时候，子模块处于旁路状态，usm＝0
PWM称为脉宽调制，是电力电子电路的基本工作方式，原理是：两种状态在一个开关周期内按照一定的比例分时工作，使得在一个开关周期内的平均值等于给定值。
比如上述子模块在一个开关周期内，处于投入状态的时间比例为k，处于旁路状态的比例是1-k，则一个周期内usm的平均值是k*uc。
采用PWM工作，可以使usm的平均值等于0-uc之间的任意值。而若仅仅采用投入或者旁路一种状态工作，则usm只能等于0或者uc。
图6是平衡控制功能实现的方法的Simulink仿真建模图，其中Upper_control-signal表示控制信号，为usm参考值。Vcref为直流电压设定值Vsm为uc的值，iarm_p是本发明的子模块的电流，duty是子模块PWM的占空比，是子模块处于“投入状态”时间所占的比例。模块直流电压uc控制的工作原理是：根据直流电压的采样与设定值的比较，得到直流电压的误差信号，用Gain1作为调节器，其产生的增益系数为K，产生控制信号，控制信号是子模块的输入功率增量；该控制量与电流的正负符号相乘之后作为桥臂电压usm的调整值，用于控制模块。
有关本实施例的工作原理以及所带来的有益效果请参照本发明实施例一的说明，此处不再赘述。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (6)
1.一种模块化多电平换流器的子模块，其特征在于，至少包括：功率单元、PWM调制驱动电路、第一直流电容和控制器，其中，所述功率单元的直流输入端与所述子模块的直流输入端连接，所述第一直流电容与所述功率单元并联连接，所述控制器的输出端与所述PWM调制驱动电路的输入端连接，所述PWM调制驱动电路的输出端与所述功率单元的控制端连接。
2.根据权利要求1所述的子模块，其特征在于，所述子模块还包括电流传感器和电压传感器，所述电流传感器用于测量所述功率单元的直流电流值，并将所述直流电流值上传给所述控制器，所述电压传感器用于测量所述第一直流电容的电压，并将所述电压值上传给所述控制器。
3.根据权利要求2所述的子模块，其特征在于，所述子模块还包括辅助电源，所述辅助电源的输入端分别与所述第一直流电容的两端连接，所述辅助电源的输出端分别与所述控制器和所述PWM调制驱动电路的电源输入端连接。
4.根据权利要求3所述的子模块，其特征在于，所述功率单元为桥式变流器。
5.根据权利要求4所述的子模块，其特征在于，所述桥式变流器包括：晶闸管、开关、第一IGBT管、第二IGBT管、第一反向二极管、第二反向二极管和第二直流电容，其中，所述晶闸管的阳极与所述桥式变流器的输入端连接，所述晶闸管的阴极与地连接，所述开关与所述晶闸管并联连接，所述第一IGBT管的栅极与所述PWM调制驱动电路的输出端连接，所述第一IGBT管的射极与所述第二IGBT管的集电极连接，所述第一IGBT管的集电极与所述第二直流电容的一端连接，所述第二IGBT管的输入端与所述PWM调制驱动电路的输出端连接，所述第二IGBT管的射极与地连接，所述第一反向二极管的阳极与所述第一IGBT管的射极连接，所述第一反向二极管的阴极与所述第一IGBT管的集电极连接，所述第二反向二极管的阳极与所述第二IGBT管的射极连接，所述第二反向二极管的阴极与所述第二IGBT管的集电极连接。
6.一种模块化多电平换流器，其特征在于，包括：上桥臂和下桥臂，第二电容、第三电容和系统控制器，所述上桥臂和所述下桥臂串联连接，所述第二电容的一端与所述多电平换流器的直流输入端的正极连接，所述第二电容的另外一端与所述第三电容的一端连接，所述第三电容的另外一端与地连接，所述上桥臂的输入端与所述多电平换流器的直流输入端的正极连接，所述下桥臂的输出端与地连接，交流输入端与所述第二电容和所述第三电容的连接点连接，所述交流输出端与所述上桥臂和所述下桥臂的连接点连接；
其中所述上桥臂和所述下桥臂均由多个由权利要求1-5任一项所述的子模块和桥臂电感串联而成，
所述系统控制器与所述子模块的控制器连接。
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| CN111146794A (zh) * | 2019-12-23 | 2020-05-12 | 中国电力科学研究院有限公司 | 一种超大规模混合储能功率均衡控制系统及方法 |
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