CN109617114A - 一种串并联多重化结合的模块化多电平换流器 - Google Patents

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方国华
李凯凯
于建洋
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Abstract

本发明公开了一种串并联多重化结合的模块化多电平换流器，包括若干子模块，各子模块采用串联多重化的方式连接，其中，各子模块均包括n个半桥模块及n个双耦合电抗器，其中，各子模块中的n个半桥模块及n个双耦合电抗器之间通过并联多重化的方式连接，该换流器能够耐受更大的电流，且谐波性能好，运行效率高。

Description

一种串并联多重化结合的模块化多电平换流器
技术领域
本发明属于大功率电力变换装置设计领域，涉及一种串并联多重化结合的模块化多电平换流器。
背景技术
随着电力电子技术的发展，基于电压源型换流器的高压直流输电(VSC-HVDC)越来越被关注，相较于LCC-HVDC，VSC-HVDC更为灵活，其交流端口的有功功率与无功功率可以独立调节，实现单位功率因数运行，无需额外的滤波器和无功补偿，这些优点使得其适用于安全高效的电网管理。模块化多电平换流器(MMC)是VSC拓扑中最被关注的，与两电平VSC或者其他多电平换流器相比，MMC有下列显著优点：模块化与可扩展性使其能够满足各种电压等级的要求；降低了功率开关器件和电容器的额定电压以及电压变化率，可靠性高，效率高；提高了设备的电能质量；具备容错能力；具备故障阻断能力，可改善基于MMC的HVDC系统的故障中断性能。因此，MMC成为了高压直流输电系统的核心设备。
但是，受限于子模块中功率开关器件IGBT的最大电流限制，目前的柔性直流输电系统只能通过提高直流电压等级来实现大容量的功率传输，这将增加系统的绝缘和过电压设计的成本。另外，为了应对电力系统调频、调压和短时过载运行的需求，柔性直流输电系统中的MMC换流器迫切需要提高功率运行范围和短时过载能力。最后，与交流系统相比，直流系统的阻抗很低，一旦发生了直流故障，故障扩散将非常快，这使得直流线路故障保护能力的提高成为了关注的重点。由于换流器子模块中IGBT元件的最大电流限制，使得在发生故障时，换流站都是选择闭锁，以保护元件不被大电流损坏，但是如果能够让换流器流过更大的电流，使其能够在故障期间不闭锁而是参与故障的抑制与恢复，那么对于电网的安全稳定运行将能够提供极大的支持。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种串并联多重化结合的模块化多电平换流器，该换流器能够耐受更大的电流，且谐波性能好，运行效率高。
为达到上述目的，本发明所述的串并联多重化结合的模块化多电平换流器包括若干子模块，各子模块采用串联多重化的方式连接，其中，各子模块均包括n个半桥模块及n个双耦合电抗器，其中，各子模块中的n个半桥模块及n个双耦合电抗器之间通过并联多重化的方式连接。
半桥模块为IGBT半桥模块，n个IGBT半桥模块的额定运行电流为单个IGBT半桥模块的额定运行电流的n倍。
用于移相载波调制或者最近电平逼近调制的MMC电路中。
能够作为半桥模块的换流器。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的串并联多重化结合的模块化多电平换流器将串联多重化与并联多重化相结合，使得换流器能够耐受更大的电流，即提高换流器的额定运行电流，使得换流器能够耐受更大的冲击电流，具体的，各子模块采用串联多重化的方式连接，各子模块均包括n个半桥模块及n个双耦合电抗器，n个半桥模块及n个双耦合电抗器之间通过并联多重化的方式连接。需要说明的是，本发明采用并联多重化技术，在原有子模块串联多重化的基础上再次倍频输出，进一步提高输出电压的波形质量，谐波性能好。
附图说明
图1为本发明的原理图；
图2为本发明中子模块内部等效电路模型图；
图3为本发明中子模块并联支路电流频谱图；
图4为本发明中子模块输出电流频谱图；
图5a为本发明中子模块并联支路电流波形图；
图5b为本发明中子模块输出电流波形图；
图6为本发明中子模块输出电压波形图；
图7为传统半桥模块HB-MMC子模块输出电流频谱图；
图8为本发明与传统半桥模块HB-MMC效率曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明所提出的变流器拓扑如下：在原有MMC拓扑中，子模块的连接方式不仅仅采用电压串联多重化技术，在子模块中还加入了多个IGBT半桥模块与耦合电抗器的并联多重化连接。图1给出了一个子模块的内部拓扑，图1中电源表示IGBT半桥模块等效的电压源，因为有n个半桥模块，相应的有n个等效电压源(Voa、Vob、…、Vom)，其中，图1中，o端为输入端接于电容负极，A端为输出端。
具体的，本发明所述的串并联多重化结合的模块化多电平换流器包括若干子模块，各子模块采用串联多重化的方式连接，其中，各子模块均包括n个半桥模块及n个双耦合电抗器，其中，各子模块中的n个半桥模块及n个双耦合电抗器之间通过并联多重化的方式连接；半桥模块为IGBT半桥模块，n个IGBT半桥模块的额定运行电流为单个IGBT半桥模块的额定运行电流的n倍。
性能理论说明
一、忽略耦合电抗器漏感情况
1、子模块调制原理为移相载波调制原理
设n相输出电压由一相调制波按照载波移相调制原理产生，即
其中，Va1＝Vb1＝Vc1＝…＝Vm1为n相输出电压的基波；Vasf,Vbsf,Vcsf,…,Vmsf为每相输出电压开关频率(附近)处的谐波；Va2sf,Vb2sf,Vc2sf,…,Vm2sf为每相输出电压2倍开关频率(附近)处的谐波；Vansf,Vbnsf,Vcnsf,…,Vmnsf为每相输出电压n倍开关频率(附近)处的谐波；
由1:1耦合电抗器原理可知：
根据电路的连接关系，得
将上式求和，由式(2)得
nVAo＝(Vao+Vbo+Vco+…+Vmo)
+(VA1+V2b)+(VA2+V3c)+(VA3+V1a)+…+(VA(n-1)+Vmn)
nVAo＝Vao+Vbo+Vco+…+Vmo
则有
将式(1)代入式(4)中，则有
式(5)的证明如下：
输出电压由移相载波原理产生，则其按照傅里叶级数分解可得：
其中，Va1,Vb1,...,Vm1为零序分量，an为基波或者谐波的幅值。由于
同时
并且
则有
所以
cos(kωt)+cos(kωt+kα)+…+cos(kωt+k(n-1)α)
＝cos(kωt)(1+cos(kα)+…+cos(k(n-1)α))
+sin(kωt)(sin(kα)+sin(2kα)+…+sin(k(n-1)α))
＝0
于是有
由此可见，虽然半桥模块交流侧电压Vao,Vbo,Vco,…,Vmo中最低次谐波为以开关频率为中心频率的边带谐波，但是，与电压串联多重化技术相似，经过并联多重化的连接方式后，低于n倍开关频率的谐波相互抵消，使得VAo的最低次谐波为以n倍开关频率为中心频率的边带谐波，因此其等效开关频率提高了n倍。
2、子模块调制原理为最近电平逼近原理
设n相输出电压由一相调制波按照最近电平逼近原理产生，则有
同1中证明，易得
即对于采用最近电平逼近原理调制的子模块，1中所述结论仍然适用。
二、考虑耦合电抗器漏感的真实情况
对于半桥模块交流侧电压中的零序分量，如基波Va1＝Vb1＝Vc1＝…＝Vm1，Vansf＝Vbnsf＝Vcnsf＝…＝Vmnsf等，根据耦合电抗器的等值电路，可列写如下方程：
由耦合电抗器结构对称及零序输入条件，得
将式(6)中的n式相加，则有
可见，对于半桥模块交流侧电压中的基波Va1＝Vb1＝Vc1＝…＝Vm1零序分量等，半桥模块交流侧端点到A点间仅有2倍耦合电抗器的漏感2Lσ起作用，压降非常小，当忽略耦合电抗器漏感时，可近似认为VaA＝VbA＝VcA＝0；对于半桥模块交流侧电压中的n倍开关频率(附近)处的谐波Vansf＝Vbnsf＝Vcnsf＝…＝Vmnsf零序分量等，由于频率很高，阻抗较大，滤波作用强。
对于半桥模块交流侧电压中的非零序分量，如每相输出电压开关频率(附近)处的谐波Vasf,Vbsf,Vcsf,…,Vmsf以及每相输出电压2倍开关频率(附近)处的谐波Va2sf,Vb2sf,Vc2sf,…,Vm2sf等，根据耦合电抗器的等值电路，也可列写如下方程：
由耦合电抗器结构对称及正负序输入条件，得
于是由式(9)，则有
可见，对于半桥模块交流侧电压中的非零序分量，如每相输出电压开关频率(附近)处的谐波Vasf,Vbsf,Vcsf,…,Vmsf以及每相输出电压2倍开关频率(附近)处的谐波Va2sf,Vb2sf,Vc2sf,…,Vm2sf等，半桥模块交流侧端点到A点间不仅有2倍耦合电抗器漏感2Lσ起作用，还有0到4倍耦合电抗器励磁电感(0～4)Lm起作用(当n为无穷时才趋近于0)，即使忽略耦合电抗器漏感，由于频率较高，励磁电抗值很大，对高频电流的抑制能力很强。
仿真实验
P-MMC(本发明)的主要参数及HB-MMC主要参数分别如表1及表2所示：
表1
表2
参考图3，由于载波频率为1000Hz，图3中出现了1000Hz的谐波，含量较大；参考图4，采用并联多重化技术后，每个半桥模块仅仅承受输出电流的五分之一，若使半桥模块满载，那么P-MMC就能承受相当于五个半桥模块的耐受电流，这使得P-MMC的工作范围较传统MMC大为提高。另外，输出电流中1000Hz的谐波相互抵消，仅有5000Hz的谐波较为显著，由此看出，与电压串联多重化技术相似，P-MMC同时采用了电流并联多重化技术，进一步提高了等效开关频率，系统谐波输出特性更好；参考图8，图8中效率的计算采用输出端的功率与输入端功率的比值，图8说明了在开关频率相同时，P-MMC的运行效率在负载大范围变化高于传统的HB-MMC，P-MMC的运行成本更低，效率更高。

Claims (4)

1.一种串并联多重化结合的模块化多电平换流器，其特征在于，包括若干子模块，各子模块采用串联多重化的方式连接，其中，各子模块均包括n个半桥模块及n个双耦合电抗器，其中，各子模块中的n个半桥模块及n个双耦合电抗器之间通过并联多重化的方式连接。
2.根据权利要求1所述的串并联多重化结合的模块化多电平换流器，其特征在于，半桥模块为IGBT半桥模块，n个IGBT半桥模块的额定运行电流为单个IGBT半桥模块的额定运行电流的n倍。
3.根据权利要求1所述的串并联多重化结合的模块化多电平换流器，其特征在于，用于移相载波调制或者最近电平逼近调制的MMC电路中。
4.根据权利要求1所述的串并联多重化结合的模块化多电平换流器，其特征在于，能够作为半桥模块的换流器。
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