CN111371336A - 一种基于能量自平衡电路的混合型模块化多电平变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于能量自平衡电路的混合型模块化多电平变换器，属于发电、变电或配电技术领域。本发明中，一定数量的混合子模块与一定数量的半桥子模块以及一个桥臂电感共同构成混合型模块化多电平变换器的一个桥臂，每相中上下桥臂对称，三相结构完全对称。混合子模块中包括一个全桥子模块、一个半桥子模块与一条能量自平衡通路，能量自平衡通路由两个反向串联的开关管与一个缓冲电感串联而成，两端分别连在半桥模块电容的正极与全桥模块电容的正极之间。本发明以极小的成本与损耗代价，在高压直流输电中直流侧电压跌落故障发生时，能够提高混合型多电平变换器在超调运行模式下系统的可靠性与稳定性。

Description

一种基于能量自平衡电路的混合型模块化多电平变换器
技术领域
本发明涉及高压直流输电技术，更具体地，涉及一种基于能量自平衡电路的混合型模块化多电平变换器，属于发电、变电或配电的技术领域。
背景技术
基于模块化多电平变换器的柔性直流输电技术获得了工业界与学术界的广泛研究与实践，其在有功调节与无功调节方面都具有很高的灵活性，并且，模块化多电平变换器自身结构所具有的模块化特性与冗余特性也使系统获得了较高的运行可靠性。
目前，具有结构简单、成本低、损耗小等优点的半桥子模块在模块化多电平变换器系统中应用最为广泛，但是，针对高压直流输电架空线路中出现的直流侧故障，基于半桥子模块的模块化多电平变换器系统不具备故障清除与故障隔离的能力，这些故障包括由于恶劣天气等引起的不同程度的直流侧电压跌落以及直流侧电压短路等。为了解决上述问题，学者提出了基于全桥子模块的模块化多电平变换器系统，但若将所有半桥子模块全部替换为全桥子模块，将带来系统过于复杂、成本和损耗过高等问题。因此，为兼顾系统的故障隔离能力、经济性与高效运行能力，采用混合型模块化多电平变换器成为一个比较具有优势的方案，即在每个桥臂中采用一定比例的全桥子模块和半桥子模块，构成混合型模块化多电平变换器。
在直流侧电压跌落的情况下，混合型模块化多电平变换器将运行在超调模式，当调制比过高时，由于全桥子模块与半桥子模块的充放电特性不同(半桥子模块不具备独立的充放电特性)，两种子模块中电容的平均电压会出现很大的偏差，将导致子模块电容产生严重的过电压，从而威胁混合型模块化多电平变换器系统的运行可靠性。
目前，为了抑制子模块电容电压偏差，大多采用无功功率、无功电流或二次谐波电流注入等方法，这些方法在实现电压平衡控制的同时会增大开关器件的电流应力并减小系统有功的传输能力。同时，这些方法并不能完全消除两种不同类型子模块(即全桥子模块与半桥子模块)之间的电压差异，在电网故障情况下，模块化多电平变换器系统虽然能够持续运行，但是全桥子模块与半桥子模块的电容电压波动特性和波动范围不一致，这使得模块化多电平变换器输出的电能质量得不到保证。
因此，在不影响混合型模块化多电平变换器系统原有功能特性的前提下，为了进一步提高电网故障运行时的系统稳定性与可靠性，有必要对混合型模块化多电平变换器系统进行优化。
发明内容
本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种基于能量自平衡电路的混合型模块化多电平变换器，从而能够在混合型模块化多电平变换器工作在超调状态下实现混合子模块内部不同类型模块电容电压的自平衡，避免超调严重时造成部分模块电容过电压威胁系统的可靠运行，解决了现有抑制子模块电容电压偏差的方法不能完全消除全桥子模块和半桥子模块之间电压差的技术问题。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
一种基于能量自平衡电路的混合型模块化多电平变换器，包括混合子模块、半桥子模块、桥臂电感。混合子模块包括全桥子模块、半桥子模块与能量自平衡电路，全桥子模块的桥臂中点引出后，一端作为混合子模块的正极性输出端子，另一端连接至半桥子模块的桥臂中点，半桥子模块电容的负极引出为混合子模块的负极性输出端子。能量自平衡电路包括电感、反向串联的第一开关管、第二开关管，电感的一端与第一开关管的发射极连接，，电感的另一端与全桥子模块电容正极相连，第二开关管的集电极与第一开关管的集电极连接，第二开关管的发射极与半桥子模块电容正极相连；能量自平衡电路也可以接在半桥子模块电容负极和全桥子模块电容负极之间。
进一步地，一种基于能量自平衡电路的混合型模块化多电平变换器，每个桥臂内部所有子模块的电容电压平衡策略为：首先根据排序算法确定半桥子模块、混合子模块中全桥子模块与混合子模块中半桥子模块的开关管通断状态；再依据混合子模块中能量自平衡的实施方法确定能量自平衡电路中开关管的通断状态。
令高压直流电压为uHV，额定高压直流电压为uHV *，高压交流侧相电压幅值为uG *，m为系统调制比，m*为系统额定调制比，子模块电容额定电压为uC *，可以得到如下关系：
Figure BDA0002445783960000031
Figure BDA0002445783960000032
当直流侧电压发生跌落故障时，即uHV<uHV *时，m>1，系统运行在超调状态下。
半桥子模块、混合子模块中全桥子模块与混合子模块中半桥子模块的开关管通断状态控制原则为：根据桥臂电压指令值的绝对值求出需要投入的子模块数n，
a、当桥臂电压指令为负时，投入n个全桥子模块，所有的半桥子模块(包括混合子模块中的半桥子模块)处于旁路状态：
当桥臂电压为负、桥臂电流为负时，将全桥子模块电容电压由小至大升序排序，选择前n个全桥子模块输出负电平，对前n个电容电压较小的全桥子模块充电；当桥臂电压为负、桥臂电流为正时，将全桥子模块电容电压由小至大升序排序，选择后n个全桥子模块输出负电平，后n个电容电压较大的全桥子模块放电；
b、当桥臂电压指令为正时，半桥子模块(包括混胡子模块中的半桥子模块)与全桥子模块根据排序算法轮流投入：
当桥臂电压为正、桥臂电流为正时，将包含桥臂上半桥子模块、混合子模块中全桥子模块及半桥子模块的所有子模块电容电压由小至大升序排序，选择前面n个子模块输出正电平；当桥臂电压为正、电流为负时，将所有子模块电容电压由小至大升序排序，选择后面n个子模块输出正电平；
c、当桥臂电压为0时，桥臂上的全部子模块被旁路。
m＝1时，混合型模块化多电平变换器直流侧电压正常时，系统正常运行，混合子模块中能量自平衡电路开关管全部关断；一个混合子模块等效为一个全桥子模块与一个半桥子模块。同时，全桥子模块不输出负电平，等效为半桥子模块。
m>1时，即直流侧电压发生跌落故障时，混合模块化多电平变换器系统超调运行，混合子模块中能量自平衡电路开关管投入工作，混合子模块中能量自平衡的实施方法为：当且仅当混合子模块中与全桥子模块连接的半桥子模块桥臂上的下桥臂开关管开通时，能量自平衡电路中与半桥子模块电容串联的第二开关管T8开通，与开关管T8反向串联的第一开关管T7关断，能量流通路径为：半桥子模块电容-–接在第二开关管发射极和集电极之间的反向二极管–第一开关管–电感–全桥子模块电容–接在与半桥子模块导通下桥臂开关管连接全桥子模块下桥臂开关管发射极和集电极之间的反向二极管–半桥子模块导通下桥臂开关管–半桥子模块电容，半桥子模块电容对全桥子模块电容充电，两者电压一致时，电流为零，充电结束；当且仅当混合子模块中与半桥子模块连接的全桥子模块桥臂上的下桥臂开关管开通时，能量自平衡电路中与全桥子模块电容连接的第一开关管开通，与第一开关管反向串联的第二开关管关断，能量流通路径为：全桥子模块电容-电感-接在第一开关管发射极和集电极之间的反相二极管-第二开关管-半桥子模块电容-接在与全桥子模块中导通下桥臂开关管连接半桥子模块下桥臂开关发射极和集电极之间的反向二极管-全桥子模块导通下桥臂开关管-全桥子模块电容，全桥子模块电容对半桥子模块电容充电，两者电压一致时，电流为零，充电结束；当上述全桥子模块下桥臂开关管和半桥子模块下桥臂开关管都不开通时，反向串联的第一开关管与第二开关管都关断。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：本发明在全桥模块和半桥模块电容之间接入能量自平衡电路构成了混合子模块，针对由混合子模块及半桥子模块组成的桥臂，本申请给出了混合型模块化多电平变换器电容电压平衡的控制方法，在直流侧发生电压跌落故障系统持续运行在超调情况下时，通过控制能量自平衡电路形成混合子模块中电容的充放电回路，能够消除桥臂中子模块电容之间的电压差，避免由于超调严重造成子模块电容过电压威胁系统的安全与可靠；同时，本发明的能量自平衡电路所需的额外损耗与成本都很小，即通过极低的成本代价与损耗代价保障了故障下混合型模块化多电平变换器系统运行的可靠性。
附图说明
图1是基于能量自平衡电路的混合子模块的电路图。
图2是基于能量自平衡电路的混合型模块化多电平变换器的整体结构图。
图3(a)是全桥子模块电容对半桥子模块电容充电时的能量自平衡通路，图3(b)是半桥子模块电容对全桥子模块电容充电时的能量自平衡通路。
图4(a)是直流侧电压正常情况下(m＝1)未加入自平衡电路时全桥子模块与半桥子模块电容电压的波形图，图4(b)是直流侧电压正常情况下(m＝1)加入自平衡电路时全桥子模块与半桥子模块电容电压的波形图，图4(c)是直流侧电压跌落较小情况下(m＝1.5)未加入自平衡电路时全桥子模块与半桥子模块电容电压的波形图，图4(d)是直流侧电压跌落较小情况下(m＝1.5)加入自平衡电路时全桥子模块与半桥子模块电容电压的波形图，图4(e)是直流侧电压跌落较大情况下(m＝2)未加入自平衡电路时全桥子模块与半桥子模块电容电压的波形图，图4(f)是直流侧电压跌落较大情况下(m＝2)加入自平衡电路时全桥子模块与半桥子模块电容电压的的波形图，实线表示所有半桥子模块电容的平均电压，虚线表示所有全桥子模块电容的平均电压。
图中标号说明：1、全桥子模块，2、半桥子模块，3、能量自平衡电路。
具体实施方式
下面将通过更详细的实施例对本发明消除超调工况下子模块电容电压差的改进型混合模块化多电平变换器电路进行进一步的阐述。
如图2所示，本发明公开的一种基于能量自平衡电路的混合型模块化多电平变换器电路为三相结构完全对称，每相中上下桥臂的结构也完全对称，每个桥臂中包括NH个带有能量自平衡电路的混合子模块H-SM和NHB个半桥子模块HBSM以及一个桥臂电感Larm。还可以采用与全桥子模块及半桥子模块电容电压充放电特性类似的模块实现本申请的多电平变换器。
如图1所示，带有能量自平衡电路的混合子模块H-SM包括：全桥子模块1、半桥子模块2与能量自平衡电路3。半桥子模块2由串接的开关管T5、开关管T6以及并接在桥臂两端的电容C2组成，输出两电平：0与正向的电容电压；全桥子模块1由开关管T1和开关管T2串联组成的第一桥臂、开关管T3和开关管T4串接组成的第二桥臂以及并联在第二桥臂两端的电容C1组成，输出三电平：0、正向电容电压、负向电容电压；能量自平衡电路3由一个缓冲电感L与开关管T7(即权利要求1中的第一开关管)、开关管T8(即权利要求中的第二开关管)反向串联支路串接而成。能量自平衡电路既可以串接在混合子模块中半桥子模块电容正极和全桥子模块电容正极之间也可以串接在混合子模块中半桥子模块电容负极和全桥子模块电容负极之间。缓冲电感L的电感可以设计到μH级，且额定电流也很小，自平衡电路中开关管的耐压等级为模块中开关管的一半，电流等级也远小于模块中开关管的电流应力等级。
图2所示基于能量自平衡电路的混合型模块化多电平变换器，桥臂内部所有子模块的电容电压平衡策略为：首先根据排序算法确定半桥子模块、混合子模块中全桥模块与混合子模块中半桥模块的开关管通断状态；再依据混合子模块中能量自平衡的实施方法确定能量自平衡电路中开关管的通断状态。
令高压直流电压为uHV，额定高压直流电压为uHV *，高压交流侧相电压幅值为uG *，m为系统调制比，m*为系统额定调制比，子模块电容额定电压为uC *，可以得到如下关系：
Figure BDA0002445783960000061
Figure BDA0002445783960000062
当直流侧电压发生跌落故障时，uHV<uHV *时候，m>1，系统运行在超调状态下。
半桥子模块、混合子模块中全桥子模块与混合子模块中半桥子模块的开关管通断状态控制原则为：根据桥臂电压指令值的绝对值求出需要投入的子模块数n，
a、当桥臂电压指令为负时，投入n个全桥子模块，所有的半桥子模块(包括混合子模块中的半桥子模块)处于旁路状态：
当桥臂电压为负、桥臂电流为负时，将全桥子模块电容电压由小至大升序排序，选择前n个全桥子模块输出负电平，对前n个电容电压较小的全桥子模块充电；当桥臂电压为负、桥臂电流为正时，将全桥子模块电容电压由小至大升序排序，选择后n个全桥子模块输出负电平，后n个电容电压较大的全桥子模块放电；
b、当桥臂电压指令为正时，半桥子模块(包括混胡子模块中的半桥子模块)与全桥子模块根据排序算法轮流投入：
当桥臂电压为正、桥臂电流为正时，将包含桥臂上半桥子模块、混合子模块中全桥子模块及半桥子模块的所有子模块电容电压由小至大升序排序，选择前面n个子模块输出正电平；当桥臂电压为正、电流为负时，将所有子模块电容电压由小至大升序排序，选择后面n个子模块输出正电平；
c、当桥臂电压为0时，桥臂上的全部子模块被旁路。
m＝1时，混合型模块化多电平变换器直流侧电压正常时，系统正常运行，混合子模块中能量自平衡电路开关管全部关断；一个混合子模块等效为一个全桥子模块与一个半桥子模块。同时，全桥子模块不输出负电平，等效为半桥子模块。
m>1时，即直流侧电压发生跌落故障时，混合模块化多电平变换器系统超调运行，混合子模块中能量自平衡电路开关管投入工作，所述混合子模块中能量自平衡的实施方法为：如图3(a)所示，当且仅当混合子模块中半桥子模块开关管T6开通时，能量自平衡电路中的开关管T8开通、开关管T7关断，能量流通路径为：C2-D8-T7-L-C1-D4-T6-C2，半桥子模块电容对全桥子模块电容充电，两者电压一致时，电流为零，充电结束；如图3(b)所示，当且仅当混合子模块中全桥子模块开关管T4开通时，能量自平衡电路中的开关管T7开通、开关管T8关断，能量流通路径为：C1-L-D7-T8-C2-D6-T4-C1，全桥子模块电容对半桥子模块电容充电，两者电压一致时，电流为零，充电结束；当开关管T4和开关管T6都不开通时，开关管T7与开关管T8都关断。因此，自平衡电路的开关管通断控制并不需要额外的控制电路。
采用上述系统结构设计与系统控制原则，本发明的一种基于能量自平衡电路的混合型模块化多电平变换器电路在逆变运行模式下的实施效果如图4所示，其中，实线表示所有半桥子模块电容的平均电压，虚线表示所有全桥子模块电容的平均电压。图4(a)所示为直流侧电压正常情况下(m＝1)未加入自平衡电路时的全桥模块与半桥模块电容平均电压，图4(b)所示为直流侧电压正常情况下(m＝1)加入自平衡电路时的全桥子模块与半桥子模块电容平均电压，由于在正常直流侧电压时，全桥模块被等效为半桥模块运行，两者之间没有差别，在额定调制比情形下，无论是否加入能量自平衡电路，实线和虚线几乎重合，表明全桥子模块与半桥子模块电容平均电压几乎误差；图4(c)所示为直流侧电压跌落较小情况下(m＝1.5)未加入自平衡电路时的全桥模块与半桥模块电容平均电压，图4(d)所示为直流侧电压跌落较小情况下(m＝1.5)加入自平衡电路时的全桥模块与半桥模块电容平均电压，在加入自平衡电路之后，全桥子模块与半桥子模块在一个基波周期内，由于子模块充放电特性差异而产生的电压差被消除；图4(e)所示为直流侧电压跌落较大情况下(m＝2)未加入自平衡电路时的全桥模块与半桥模块电容平均电压，两种模块的电容电压出现了发散现象，半桥模块电容电压持续上升，全桥模块电容电压持续下降，系统将出现内部故障而无法持续运行，图4(f)所示为直流侧电压跌落较大情况下(m＝2)加入自平衡电路时的全桥模块与半桥模块电容平均电压，可以看出，采用本申请公开的能量平衡电路能够在变换器超调状态时消除不同模块之间的电容电压差，系统依然能够保持持续运行。
以上所述仅为本发明的实施例之一，根据本发明的发明宗旨作出的任何修改与等同替换均落入在本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于能量自平衡电路的混合型模块化多电平变换器，其特征在于，每个桥臂上串接有混合子模块和半桥子模块；所述混合子模块包括：全桥子模块、半桥子模块及能量自平衡电路，全桥子模块的一桥臂中点为混合子模块的正极性输出端子，半桥子模块的桥臂中点连接全桥子模块的另一桥臂中点，半桥子模块电容的负极为混合子模块的负极性输出端子，能量平衡电路串接在全桥子模块电容和半桥子模块电容相同极性的极板之间，能量平衡电路包括电感、第一开关管、第二开关管，电感的一端接全桥子模块电容，电感的另一端与第一开关管的发射极连接，第二开关管的集电极与第一开关管的集电极连接，第二开关管的发射极接半桥子模块电容。
2.权利要求1所述一种基于能量自平衡电路的混合型模块化多电平变换器的控制方法，其特征在于，初始化能量平衡电路中的开关管为关断状态，根据桥臂电压指令确定每个桥臂需要投入的子模块数后依据子模块电容电压的排序结果选择投入运行状态的子模块，在直流侧电压发生跌落故障时根据混合子模块中连接全桥子模块和半桥子模块的下桥臂开关管的通断情况控制能量平衡电路中两开关管的通断以形成电容充放电回路。
3.根据权利要求2所述一种基于能量自平衡电路的混合型模块化多电平变换器的控制方法，其特征在于，根据桥臂电压指令确定每个桥臂需要投入的子模块数后依据子模块电容电压的排序结果选择投入运行状态的子模块，n为每个桥臂需要投入的子模块数，具体方法为：
当桥臂电压指令为负时，投入n个全桥子模块，将桥臂中所有的半桥子模块旁路，将全桥子模块电容电压由小至大升序排序，当桥臂电压指令为负且桥臂电流为负时选择前n个全桥子模块输出负电平，对前n个电容电压较小的全桥子模块充电，当桥臂电压指令为负且桥臂电流为正时，选择后n个全桥子模块输出负电平，后n个电容电压较大的全桥子模块放电；
当桥臂电压指令为正时，将桥臂上包含混合子模块中各模块的所有子模块电容电压由小至大升序排序，当桥臂电压指令为正且桥臂电流为正时选择前n个子模块输出正电平，当桥臂电压指令为正且桥臂电流为负时选择后n个子模块输出正电平；
当桥臂电压指令为0时，将桥臂上包含混合子模块中各模块的的所有子模块旁路。
4.根据权利要求2所述一种基于能量自平衡电路的混合型模块化多电平变换器的控制方法，其特征在于，在直流侧电压发生跌落故障时根据混合子模块中连接全桥子模块和半桥子模块的下桥臂开关管的通断情况控制能量平衡电路中两开关管的通断以形成电容充放电回路，具体方法为：
当且仅当混合子模块中连接全桥子模块的半桥子模块下桥臂开关管开通时，控制第一开关管关断、第二开关管开通；
当且仅当混合子模块中连接半桥子模块的全桥子模块下桥臂开关管开通时，控制第一开关管开通、第二开关管关断。
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