CN109167522B - 一种具有双向自均压能力的mmc拓扑结构 - Google Patents

一种具有双向自均压能力的mmc拓扑结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有双向自均压能力的MMC拓扑结构，柔性直流输电技术领域。本发明由A、B、C三相电路组成，每一相电路包含上下两个桥臂和两个桥臂电感，每个桥臂包含N个子模块，相邻两相电路之间具有均压回路，整个双向自均压MMC拓扑包含9N+1个IGBT模块和3N+1个功率电阻。本发明能够按照自身的拓扑结构特点实现子模块电容间的双向均压，完全摒弃了均压控制算法，在MMC电平数上升时，不会增加实现系统的复杂度，能够很好地运用到高电压大容量的高压直流柔性输电领域。

Description

一种具有双向自均压能力的MMC拓扑结构
技术领域
本发明涉及一种具有双向自均压能力的MMC拓扑结构，柔性直流输电技术领域。
背景技术
模块化多电平换流器凭借其模块化结构，具有易扩展、输出波形质量好、故障保护全面、恢复能力强、损耗低和不平衡运行能力强等优势，被广泛的应用于高压直流输电领域。尽管MMC具有多项优点，但也面临着由独特结构引发的问题，诸如均压问题和环流抑制问题。MMC的直流侧由若干个独立电容串联而成，通过控制投入和切除的子模块数量实现输出不同电平。在换流过程中，为了抑制环流、减小损耗，使输出波形谐波含量少，需要保持各个子模块电容间电压周期性均衡。
目前针对MMC均压问题主要的解决方法是采用均压控制算法，通过对MMC子模块电压进行排序。运用均压控制算法首先需要对所有子模块的电容电压进行采样，需要大量的传感器和高采样率器件的支持，而且当MMC电平数增多时，均压算法复杂度会成倍数上升，使控制难度急剧增加，限制了控制算法均压在大容量MMC的应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种具有双向自均压能力的MMC拓扑结构，用以解决上述问题。
本发明的技术方案是：一种具有双向自均压能力的MMC拓扑结构，由子模块组成的A、B、C三相电路，每一相包含上下两个桥臂，每个桥臂由N个子模块，在A、B、C三相电路上下桥臂之间存在两个桥臂电感；相邻两相之间具有双向均压回路。整个双向自均压MMC拓扑包含18N+1个IGBT模块和6N+1个功率电阻。
A相电路的上桥臂第1个子模块的上输出端连接直流端母线正极，下输出端连接第2个子模块的上输出端，第2个子模块的上输出端连接第一个子模块的下输出端，下输出端连接第3个子模块的下输出端，第i个子模块的上输出端连接第i-1个子模块的下输出端，下输出端连接第i+1个子模块的上输出端，上桥臂的第N个子模块的上输出端连接第N-1个子模块的下输出端，下输出端连接A相电路的桥臂电抗器L，上桥臂电感连接下桥臂电抗器，在上下桥臂电抗器的连接点引出A相电路的交流输出端口。A相电路下桥臂的第1个子模块的上输出端连接下桥臂电抗器，下输出端连接下桥臂的第2个子模块的上输出端，对于下桥臂第i个子模块的上输出端连接第i-1个子模块的下输出端，下输出端连接第i+1个子模块的上输出端，对于下桥臂的第N个子模块，上输出端连接第N-1个子模块的下输出端，下输出端连接直流母线的负极。B、C两相电路的子模块的连接方式和A相相同。
双向自均压回路由IGBT和功率电阻组成，IGBT在均压回路的前端，功率电阻在均压回路的后端；对于单相桥臂间的双向自均压，A相电路第一个子模块均压回路的IGBT集电极连接到第一个子模块的电容的上端，即连接到直流母线的正极，发射极连接功率电阻的一端，功率电阻的另一端连接到第二个第2子模块的电容的正极。第二个均压回路的IGBT的集电极连接到第2个子模块的电容的正极，发射极连接到功率电阻的一端，功率电阻的另一端连接到第3个子模块电容的正极。对于A相电路上下桥臂的2N-1个子模块的均压回路连接都和第2个模块的均压回路连接方式相同。对于A相电路相邻子模块来说，由于第N-1个子模块和第N个子模块已经存在均压回路，下桥臂第N个子模块不需要添加和第N-1个子模块的均压回路，即A相电路上下桥臂的2N个子模块间只需要2N-1个均压回路。B、C单相电路相邻子模块间的均压回路的连接和A相相同。
双向自均压MMC拓扑单相电路中的上下两个桥臂所用的均压回路和单个桥臂中相邻的两个子模块的均压回路相同，桥臂间的双向自均压回路只存在于两相第一个和最后一个子模块中。对于A相电路第1个子模块，从电容的负极接功率电阻的一端，功率电阻的另一端连接IGBT的集电极，IGBT的射极和B相电路的第1个子模块的电容的负极相连，形成了A、B两相电路第1个模块的双向均压。B、C两相电路第1个子模块的双向均压和A、B两相电路相同。对于A、B两相电路最后一个子模块间双向均压：IGBT的集电极连接A相电路最后一个子模块的上输出端，发射极连接功率电阻一端，功率电阻的另一端连接B相电路最后一个子模块的上输出端。B、C两相电路的接线方式和A、B两相电路接线方式相同。
本发明的有益效果是：双向自均压MMC拓扑结构能够按照自身的拓扑结构特点实现子模块电容间的双向均压，完全摒弃了均压控制算法，在MMC电平数上升时，不会增加实现系统的复杂度，能够很好地运用到高电压大容量的高压直流柔性输电领域。
附图说明
图1是本发明的子模块拓扑图；
图2是本发明的整体拓扑图；
图3是本发明的均压原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
双向自均压拓扑的子模块拓扑结构如图1所示，图1中(a)为三相电路相邻上桥臂的双向自均压拓扑结构，(b)为三相电路相邻下桥臂的双向自均压拓扑，两种拓扑都是由基础MMC子模块、一个IGBT和一个功率电阻串联而成。两种子模块的不同在于，第一种子模块IGBT和功率电阻串联电路接到了电容的负极，第二种子模块IGBT和功率电阻串联到电容的正极。
图2是双向自均压MMC拓扑结构，该拓扑包含由子模块组成的A、B、C三相电路，每一相电路包含上下两个桥臂，每个桥臂由N个子模块，在A、B、C三相电路上下桥臂之间存在两个桥臂电感；相邻两相电路之间具有双向均压回路。整个双向自均压MMC拓扑包含18N+1个IGBT模块和6N+1个功率电阻。
A相电路的上桥臂第1个子模块的上输出端连接直流端母线正极，下输出端连接第2个子模块的上输出端，第2个子模块的上输出端连接第一个子模块的下输出端，下输出端连接第3个子模块的下输出端，第i个子模块的上输出端连接第i-1个子模块的下输出端，下输出端连接第i+1个的上输出端，上桥臂的第N个子模块的上输出端连接第N-1个子模块的下输出端，下输出端连接A相电路的桥臂电抗器L，上桥臂电感连接下桥臂电抗器，在上下桥臂电电抗器的连接点引出A相电路得交流输出端口。A相电路下桥臂的第1个子模块的上输出端连接下桥臂电抗器，下输出端连接下桥臂的第2个子模块的上输出端，对于下桥臂第i个子模块的上输出端连接第i-1个子模块的下输出端，下输出端连接第i+1个子模块的上输出端，对于下桥臂的第N个子模块，上输出端连接第N-1个子模块的下输出端，下输出端连接直流母线的负极。B、C两相电路得子模块的连接方式和A相电路相同。
双向自均压回路由IGBT和功率电阻组成，IGBT在均压回路的前端，功率电阻在均压回路的后端；对于单相电路桥臂间的双向自均压，A相电路第一个子模块均压回路的IGBT集电极连接到第一个子模块的电容的上端，即连接到直流母线的正极，发射极连接功率电阻的一端，功率电阻的另一端连接到第二个第2子模块的电容的正极。第二个均压回路的IGBT的集电极连接到第2个子模块的电容的正极，发射极连接到功率电阻的一端，功率电阻的另一端连接到第3个子模块电容的正极。对于A相电路上下桥臂的2N-1个子模块的均压回路连接都和第2个模块的均压回路连接方式相同。对于A相电路相邻子模块来说，由于第N-1个子模块和第N个子模块已经存在均压回路，下桥臂第N个子模块不需要添加和第N-1个子模块的均压回路，即A相电路上下桥臂的2N个子模块间只需要2N-1个均压回路。B、C两相电路相邻子模块间的均压回路的连接和A相电路相同。
双向自均压MMC拓扑单相中的上下两个桥臂所用的均压回路和单个桥臂中相邻的两个子模块的均压回路相同，桥臂间的双向自均压回路只存在于两相第一个和最后一个子模块中。对于A相电路第1个子模块，从电容的负极接功率电阻的一端，功率电阻的另一端连接IGBT的集电极，IGBT的射极和B相电路得第1个子模块的电容的负极相连，形成了A、B两相电路第1个模块的双向均压。B、C两相电路第1个子模块的双向均压和A、B两相电路相同。对于A、B两相电路最后一个子模块间双向均压：IGBT的集电极连接A相电路最后一个子模块的上输出端，发射极连接功率电阻一端，功率电阻的另一端连接B相电路最后一个子模块的上输出端。B、C两相电路的接线方式和A、B两相电路接线方式相同。
如图3(a)是电能在A相电路桥臂的子模块间传递。当电容CA1的电压大于电容UA2时，使Ta处于导通状态，能量通过Ta和电阻Ra传向电容CA2在经过续流二极管D4回到电容CA1，形成能量通路。动态过程中满足：
UCA1≤UCA2 (1)
当电容CA2电压大于CA1电容电压时，使Ta处于关断状态，能量通过续流二极管Da和电阻Ra传向电容CA1，形成能量通路。动态过程中满足：
UCA1≥UCA2 (2)
通过式(1)、(2)，可得：
UCA1＝UCA2 (3)
A相电路桥臂中相邻两个子模块皆采用图3(a)式连接，在动态过程中满足：
UCA1＝UCA2＝…＝UCAn＝…UCA2n (4)
如图3(b)是电能在A、B两相电路桥臂子模块之间进行传递。当电容CA1的电压大于电容CB1的电压时，使Tab处于关断状态，能量通过续流二极管D3流向电容CB1，在经过电阻Rab和续流二极管Dab回到电容CA1，形成能量通路。动态过程中满足：
UCA1≤UCB1 (5)
当电容CB1的电压大于电容CA1的电压时，使Tab处于导通状态，能量通过T3和续流二极管D1流向电容CA1，再经过电阻Rab和Tab回到电容CB1，形成能量通路。动态过程中满足：
UCA1≥UCB1 (6)
通过式(5)、(6)可得：
UCA1＝UCB1 (7)
如图3(c)是电能在B相电路桥臂子模块之间进行传递。当电容CB1的电压大于电容CB2的电压时，使Tb处于导通状态，能量通过电阻Rb和Tb流向电容CB2，再经过续流二极管D4回到电容CB1，形成能量通路。动态过程中满足：
UCB1≤UCB2 (8)
当电容CB2的电压大于电容CB1的电压时，使Tb处于关断状态，能量通过续流二极管Db和电阻Rb流向电容CB1在经过续流二极管D2和T4回到电容CB2，形成能量通路。动态过程中满足：
UCB1≥UCB2 (9)
通过式(8)、(9)可得:
UCB1＝UCB2 (10)
B相电路桥臂中相邻两个子模块皆采用图3(c)式连接，在动态过程中满足：
UCB1＝UCB2＝…＝UCBn＝…UCB2n (11)
如图3(d)是电能在A、B相电路桥臂子模块之间进行传递。当电容CA2n的电压大于电容CB2n时，使Tab处于导通状态，能量通过T1、电阻Rab、Tab和续流二极管D3流向电容CB2n，再回到电容CA2n，形成能量通路。动态过程中满足：
UCA2n≤UCB2n (12)
当电容CB2n的电压大于电容CA2n的电压时，使Tab处于关断的状态，能量通过T3、续流二极管Dab、电阻Rab和续流二极管D1流向电容CA2n，再回到电容CB2n，形成能量通路。动态过程中满足：
UCA2n≥UCB2n (13)
通过式(12)、(13)可得：
UCA2n＝UCB2n (14)
图3是A、B相电路桥臂上子模块的均压过程，通过式(1)-(14)可以得到：
UCA1＝…＝UCA2n＝UCB1＝…＝UCB2n (15)
由于MMC的模块化的特点，B、C相电路桥臂和A、B相电路桥臂的连接方式完全一样，在经过如图3所示的均压过程后，能够实现B、C相电路桥臂子模块间能量的平衡，各个电容电压达到动态稳定的状态。即能在动态过程中满足：
UCB1＝…＝UCB2n＝UCC1＝…＝UCC2n (16)
通过式(15)-(16)可得：
UCA1＝…＝UCB1＝UCC1＝…＝UCC2n (17)
即实现MMC整体结构的双向自均压。
双向自均压MMC拓扑结构可以作为多电平华流器用在柔性直流输电领域，也能通过构成静止同步补偿器，统一电能质量调节器，统一潮流控制器等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。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (2)

1.一种具有双向自均压能力的MMC拓扑结构，其特征在于：由A、B、C三相电路组成，每一相电路包含上下两个桥臂和两个桥臂电感，每个桥臂包含N个子模块，相邻两相电路之间具有均压回路，整个双向自均压MMC拓扑包含18N+1个IGBT模块和6N+1个功率电阻；
A、B、C三相电路皆采用一样的子模块结构，由第一和第二IGBT上下串联后和一个电容进行并联，子模块的上下输出端在第一和第二IGBT的连接点和第二IGBT的发射极；A相电路的上桥臂第1个子模块的上输出端连接直流端母线正极，下输出端连接第2个子模块的上输出端，第2个子模块的上输出端连接第1个子模块的下输出端，下输出端连接第3个子模块的上 输出端，第i个子模块的上输出端连接第i-1个子模块的下输出端，下输出端连接第i+1个子模块的上输出端，上桥臂的第N个子模块的上输出端连接第N-1个子模块的下输出端，下输出端连接A相电路的桥臂电抗器L，上桥臂电感连接下桥臂电抗器，在上下桥臂电抗器的连接点引出A相电路的交流输出端口；A相电路下桥臂的第1个子模块的上输出端连接下桥臂电抗器，下输出端连接下桥臂的第2个子模块的上输出端，对于下桥臂第i个子模块的上输出端连接第i-1个子模块的下输出端，下输出端连接第i+1个子模块的上输出端，对于下桥臂的第N个子模块，上输出端连接第N-1个子模块的下输出端，下输出端连接直流母线的负极，B、C两相电路的子模块的连接方式和A相电路相同；
双向自均压MMC拓扑结构单相中的上下两个桥臂所用的均压回路和单个桥臂中相邻的两个子模块的均压回路相同，桥臂间的双向自均压回路只存在于两相第一个和最后一个子模块中，对于A相电路第1子模块，从电容的负极接功率电阻的一端，功率电阻的另一端连接第三IGBT的集电极，第三IGBT的射极和B相的第1个子模块的电容的负极相连，形成了A、B两相电路第1个模块的双向均压，B、C两相电路第1个子模块的双向均压和A、B两相电路的第一个子模块的连接方式相同，对于A、B两相电路最后一个子模块间双向均压：第三IGBT的集电极连接A相电路最后一个子模块的上输出端，发射极连接功率电阻一端，功率电阻的另一端连接B相电路最后一个子模块的上输出端，B、C两相电路的接线方式和A、B两相电路接线方式相同。
2.根据权利要求1所述的具有双向自均压能力的MMC拓扑结构，其特征在于：对均压回路中的第三IGBT和功率电阻的连接不分前后，可以先连接第三IGBT也可以先连接功率电阻，两者的顺序可以互换。
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