CN109347335B - 一种适用于电流源控制的模块化多电平换流器桥臂拓扑 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于电流源控制的模块化多电平换流器桥臂拓扑，包括：结构相同的各相上、下桥臂电路，每个桥臂电路由N个结构相同的子模块、N个相同的功率开关管和一个桥臂电感依次串联组成。子模块和功率开关管的配置数量相同，子模块的导通方向与功率开关管的导通方向相反。本发明所公开的MMC桥臂拓扑结构简单、容易控制、易于无限扩展。通过切换控制策略实现适用于电压源控制的整流和并网逆变模式和适用于电流源控制的整流模式之间的切换，实用性强、可靠性高，适应柔性直流输电的多种应用。

Description

一种适用于电流源控制的模块化多电平换流器桥臂拓扑
技术领域
本发明属于柔性直流输电领域，特别涉及一种模块化多电平换流器新型桥臂拓扑。
背景技术
柔性直流输电技术为解决大型风电场等可再生能源的并网瓶颈，为城市高压电网的增容改造、电网互联及孤岛供电提供了新手段和技术方案，具有较强的技术优势，是改变大电网发展格局的战略选择，是高性能输变电关键设备，是需要重点技术攻关的重大技术装备。由于柔性直流输电是从常规直流输电的基础上发展起来的，因此除了常规直流输电技术所具有的优点，柔性直流输电还具有紧凑化、模块化设计，易于移动、安装、调试和维护，易于扩展和实现多端直流输电等优点。而电压源换流器(VSC)是柔性直流输电系统中的重要环节。
基于模块化多电平换流器的直流输电技术(MMC-HVDC)是电压源换流器型高压直流输电(VSC-HVDC)中的一种新型结构。传统的模块化多电平换流器(MMC)是VSC的一种，其由大量的子模块构成，子模块数越多，直流侧电压越高。MMC的子模块有多种类型，其中半桥子模块是最早提出的、也是应用最广泛的子模块。半桥子模块种上、下两个开关管互补导通，输出电压有电容电压和零两个电平，目前绝大部分已经建成的或者在建的基于MMC的直流输电工程均采用的是半桥子模块。除半桥子模块，还有全桥、钳位子模块、混合级联多电平等拓扑。
和级联H桥变流器相比，MMC保留了高度模块化的结构特点，同时又具有一个高压直流母线，能够实现输出电压、输出电流的四象限运行。和传统的二、三电平变流器相比，MMC不存在开关管串联并联的均压、均流的问题。MMC采用模块化技术，每个子模块完全一致且结构相对简单、容易控制、可无限扩展，因此便于实现冗余控制，在研发、制造、动态和静态均压以及减小环流方面有着显著优势。MMC将VSC的两电平或三电平提高到几十电平甚至上百电平，从而在维持耐压水平的基础之上提高了系统电压等级、显著降低开关器件的开关频率从而减少开关损耗、输出电压波形更趋近正弦波从而进一步减少谐波含量。
传统MMC由于拓扑的限制只能工作在电压源换流器模式，尤其是对于采用半桥子模块拓扑的换流器，几乎不存在故障阻断能力，且对直流电流的调节控制能力较弱。结合直流输电技术，尤其是柔性直流输电技术的发展，对输出直流电流的稳定控制能力需求日益增强，而构建一种适用于电流源控制的MMC桥臂拓扑，为直流输电系统提供电流源型整流器，实现输出电流稳定，并且能够减小短路故障电流的影响，以适应不同的应用场合。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种适用于电流源控制的模块化多电平换流器桥臂拓扑，为直流输电系统提供电流源型整流器，实现输出电流稳定，并且能够减小短路故障电流的影响，以适应不同的应用场合。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
提出一种适用于电流源控制的模块化多电平换流器桥臂拓扑。模块化多电平换流器包括A相桥臂电路、B相桥臂电路、C相桥臂电路。A相桥臂电路由A相上桥臂电路和A相下桥臂电路组成；B相桥臂电路由B相上桥臂电路和B相下桥臂电路组成；C相桥臂电路由C相上桥臂电路和C相下桥臂电路组成。
各相上、下桥臂电路的结构相同，均由N个结构相同的子模块、N个相同的功率开关管和一个桥臂电感依次串联组成。
各相上、下桥臂电路中，子模块和功率开关管的配置数量相同。
每个子模块中的各功率开关管的导通方向均一致，且N个子模块的导通方向均一致；N个功率开关管的导通方向均一致。
N个子模块的导通方向与N个功率开关管的导通方向相反。
N个子模块拓扑均采用半桥结构；一个半桥子模块中包括串联连接的第一功率开关管和第二功率开关管；第一功率开关管反并联第一二极管，第二功率开关管反并联第二二极管。
N个功率开关管，每个功率开关管均反并联一个二极管。
本发明提出的模块化多电平换流器桥臂拓扑，适用于电压源控制的换流模式，也适用于电流源控制的整流模式。电压源控制的换流模式式包括整流和并网逆变两种模式。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)本发明所公开的MMC桥臂拓扑结构简单、容易控制、且易于无限扩展。
(2)本发明所公开的MMC桥臂拓扑可以工作在电压源型换流模式下，该换流模式包括整流模式和并网逆变模式。在电压源型换流模式下，采用常规控制策略，换流器稳态输出波形好、实现恒电压输出，具有故障自恢复能力。
(3)本发明所公开的MMC桥臂拓扑可以工作在电压源型整流模式下。该模式下，采用常规控制策略，换流器稳态输出波形好、实现恒电流输出，具有故障自恢复能力。
(4)本发明所公开的MMC桥臂拓扑，通过控制策略的切换实现不同控制模式的切换，能够适应柔性直流输电的多种应用场合，实用性强、可靠性高。
附图说明
图1为本发明公开的一种适用于电流源控制MMC桥臂拓扑；
图2为本发明公开的一种适用于电流源控制MMC桥臂拓扑，工作在电压源型整流模式下的等效电路；
图3为本发明公开的一种适用于电流源控制MMC桥臂拓扑，工作在电流源型整流模式下的等效电路；其中图(a)为半桥子模块的等效过程，图(b)为电流源型整流模式下的等效电路；
图4为电压源整流模式下控制策略框图；
图5为电压源整流模式下，采用本发明公开的MMC输出的直流电压和直流电流波形图；其中图(a)为输出直流电流波形，图(b)为输出直流电压波形；
图6为电压源并网逆变模式下控制策略框图；
图7为电压源并网逆变模式下，采用本发明公开的MMC输出的网侧电流波形；
图8为电流源整流模式下控制策略框图；
图9为电流源整流模式下，采用本发明公开的MMC输出的直流电压和直流电流波形图；其中图(a)为输出直流电流波形，图(b)为输出直流电压波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
图1为本发明所公开的一种适用于电流源控制的MMC桥臂拓扑。该桥臂拓扑包括：A相桥臂电路(1)、B相桥臂电路(2)、C相桥臂电路(3)。A相桥臂电路(1)由A相上桥臂电路(11)和A相下桥臂电路(12)组成；B相桥臂电路(2)由B相上桥臂电路(21)和B相下桥臂电路(22)组成；C相桥臂电路(3)由C相上桥臂电路(31)和C相下桥臂电路(32)组成。
各相上、下桥臂电路的结构相同，均由N个结构相同的子模块SM、N个相同的功率开关管T和一个桥臂电感L依次串联组成。各相上、下桥臂电路中，子模块SM和功率开关管T的配置数量相同。
每个子模块SM中的各功率开关管的导通方向均一致，且N个子模块SM的导通方向均一致；N个功率开关管T的导通方向均一致。
N个子模块SM的导通方向与N个功率开关管T的导通方向相反。
N个子模块SM拓扑均采用半桥结构；一个半桥子模块SM中包括串联连接的第一功率开关管S1和第二功率开关管S2；第一功率开关管S1反并联第一二极管D1，第二功率开关管S2反并联第二二极管D2。
N个功率开关管T，每个功率开关管T均反并联一个二极管。
具体实施例一：
以图1为例，对本发明公开的一种适用于电流源控制的MMC桥臂拓扑的开展详细说明。
图1所示MMC包括：A相桥臂电路(1)、B相桥臂电路(2)、C相桥臂电路(3)、A相网侧电压源ega、B相网侧电压源egb、C相网侧电压源egc、A相网侧连接电感Ls、B相网侧连接电感Ls、C相网侧连接电感Ls、A相网侧滤波电容C、B相网侧滤波电容C、C相网侧滤波电容C、直流侧正极滤波大电感Ldc、直流侧负极滤波大电感Ldc。
各相网侧电压源的峰值均为Em，直流侧电压为Udc，直流侧电流为Idc。
具体实施例二：
图2为本发明公开的一种适用于电流源控制MMC桥臂拓扑，工作在电压源型整流模式下的等效电路。以图2为例，对本发明公开的一种适用于电流源控制的MMC桥臂拓扑，工作在电压源整流模式下开展详细说明。
MMC采用电压源整流控制模式时，各相上、下桥臂电路中功率开关管T均保持导通状态，具备电流双向流通能力，因此在此状态下将功率开关管T等效为通路，实现典型电压源换流器拓扑结构。
具体实施例三：
图3为本发明公开的一种适用于电流源控制MMC桥臂拓扑，工作在电流源型整流模式下的等效电路。以图3为例，对本发明公开的一种适用于电流源控制的MMC桥臂拓扑，工作在电流源整流模式下开展详细说明。
MMC采用电流源整流控制模式时，各相上、下桥臂电路中的半桥子模块SM中的第一功率开关管S1和第二功率开关管S2均闭锁，此时电容电压被旁路，即相当于半桥子模块SM中仅第二二极管D2呈导通状态，如图3(a)所示。
各相上、下桥臂电路中的半桥子模块SM均按照以上描述被等效为二极管，N个半桥子模块串联相当于N个二极管串联，在忽略开关管损耗等附加情况下，N个二极管串联也可等效为一个二极管，因此电流源型整流模式下的等效电路如图3(b)所示。电流源型整流模式下，各相上、下桥臂电路中N个功率开关管T保持同时开通或同时关断，并且由该工作模式下输出的直流电流Idc经直流侧平波电抗器后可实现较为理想的直流电流波形。
具体实施例四：
图4为电压源整流模式下控制策略框图。图5为电压源整流模式下，采用本发明公开的MMC输出的直流电压和直流电流波形图；其中图(a)为输出直流电流波形，图(b)为输出直流电压波形。结合图4和图5，对工作在电压源整流模式下，采用本发明公开MMC的输出结果开展详细说明。
如图4所示，本发明公开的MMC采用电压外环、电流内环的控制策略。d轴的外环为直流电压Udc，外环的输出为内环电流的参考值Idref。q轴无外环控制，内环电流参考值Iqref直接设置为零。将内环进行闭环解耦控制，最后生成MMC的控制信号。此控制模式下忽略各相网侧滤波电容C的作用。
仿真中的优选参数如表1所示。
表1仿真模型参数
Figure BDA0001798651180000051
如图5所示，本发明公开的MMC工作在电压源整流模式下，约0.1s后进入稳态，此时直流电压Udc稳定为2000V、直流电流Id稳定为50A，从波形上看，稳态整流效果理想。
仿真过程中，模拟0.3s时发生负载突变故障，即直流侧负载从40Ω切换为40Ω与20Ω并联，如图5所示，本发明公开的MMC工作在电压源整流模式下，具备故障恢复能力，并将输出直流电压Udc重新稳定在2000V，实现恒电压输出；而输出直流电流Id从50A开始突变上升并最终稳定在150A。
通过上述优选实施例的仿真结果可见，本发明公开的MMC能够工作于电压源整流模式下，因此具备实现电压源型整流器的能力。
具体实施例五：
图6为电压源并网逆变模式下控制策略框图；图7为电压源并网逆变模式下，采用本发明公开的MMC输出的网侧电流波形。
结合图6和图7，对工作在电压源并网逆变模式下，采用本发明公开MMC的输出结果开展详细说明。
如图6所示，本发明公开的MMC采用电流环解耦控制策略。d轴内环电流的参考值为Idref，q轴内环电流参考值Iqref直接设置为零。将内环进行闭环解耦控制，最后生成MMC的控制信号。此控制模式下忽略各相网侧滤波电容C的作用。
仿真中的优选参数如表2所示。
表2仿真模型参数
Figure BDA0001798651180000061
如图7所示，本发明公开的MMC工作在电压源并网逆变模式下，稳态下d轴内环电流的参考值为Idref稳定为50A。模拟0.3s时发生内环电流参考值突变，即Idref从50A切换到150A，根据图7可见，在电网电压保持不变的工况下，本发明公开的MMC输出的三相并网交流电流ia、ib和ic的峰值发生突变，即峰值从50A上升到150A。
通过上述优选实施例的仿真结果可见，本发明公开的MMC能够工作于电压源并网逆变模式下，因此具备实现电压源型逆变器的能力，并且具有良好的并网效果。
通过具体实施例四和具体实施例五的详细说明，本发明所公开的MMC桥臂拓扑，适用于电压源控制的换流模式下，该换流模式包括整流和逆变两种模式。
具体实施例六：
图8为电流源整流模式下控制策略框图；图9为电流源整流模式下，采用本发明公开的MMC输出的直流电压和直流电流波形图；其中图(a)为输出直流电流波形，图(b)为输出直流电压波形。
结合图8和图9，对工作在电流源整流模式下，采用本发明公开MMC的输出结果开展详细说明。
如图8所示，本发明公开的MMC采用输出直流电流闭环控制、网侧电流开环控制的策略，其实质上为网侧电流的间接控制。
如图9所示，本发明公开的MMC工作在电流源整流模式下，
图9为电流源整流器模式下的仿真波形图，约0.1s后进入稳态，此时直流电压Udc稳定为800V、直流电流Id稳定为20A，从波形上看，稳态整流效果理想。
仿真过程中，模拟0.3s时发生负载突变故障，如图9所示，本发明公开的MMC工作在电流源整流器模式下，也具备故障恢复能力，并将输出直流电压Udc稳定在300V，而输出直流电流Id最终重新稳定在20A，实现恒电流输出。
通过上述优选实施例的仿真结果可见，本发明公开的MMC能够工作于电流源整流器模式下，能够实现恒电流源的调节与控制，具备实现电流源型整流器的能力。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种适用于电流源控制的模块化多电平换流器桥臂拓扑，所述模块化多电平换流器包括A相桥臂电路、B相桥臂电路、C相桥臂电路；所述A相桥臂电路由A相上桥臂电路和A相下桥臂电路组成；所述B相桥臂电路由B相上桥臂电路和B相下桥臂电路组成；所述C相桥臂电路由C相上桥臂电路和C相下桥臂电路组成；其特征在于：各相上、下桥臂电路的结构相同，均由N个结构相同的子模块、N个相同的功率开关管和一个桥臂电感依次串联组成；所述各相上、下桥臂电路中，子模块和功率开关管的配置数量相同；每个子模块中的各功率开关管的导通方向均一致，且N个子模块的导通方向均一致；N个功率开关管的导通方向均一致；所述N个子模块的导通方向与N个功率开关管的导通方向相反，其中，所述N个子模块拓扑均采用半桥结构；一个半桥结构的子模块中包括串联连接的第一功率开关管和第二功率开关管；所述第一功率开关管反并联第一二极管，所述第二功率开关管反并联第二二极管。
2.根据权利要求1所述的一种适用于电流源控制的模块化多电平换流器桥臂拓扑，其特征在于：所述N个相同的功率开关管，每个功率开关管均反并联一个二极管。
3.根据权利要求1所述的一种适用于电流源控制的模块化多电平换流器桥臂拓扑，其特征在于：所述模块化多电平换流器适用于电压源控制的换流模式，也适用于电流源控制的整流模式。
4.根据权利要求3所述的一种适用于电流源控制的模块化多电平换流器桥臂拓扑，其特征在于：所述电压源控制的换流模式包括整流和并网逆变两种模式。
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