CN111585460A - 一种模块化多电平变换器子模块拓扑结构 - Google Patents

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黄家才
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曾元静
盛云龙
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Abstract

本发明公开了一种模块化多电平变换器子模块拓扑结构，包括全桥电路和阻抗源电路，全桥电路用于保证子模块的直流故障穿越能力和完成子模块的输出，阻抗源电路用于保证子模块的桥臂直通能力和输出电压稳定。本发明通过全桥电路保证了子模块的直流故障穿越能力，具有很高的运行可靠性；通过阻抗源电路保证了子模块的桥臂直通能力和输出电压稳定，子模块本身具有子模块电压控制能力，可使环流交流分量小，无需采用环流抑制策略，使子模块电容电压值降低，减小电容尺寸和成本。

Description

一种模块化多电平变换器子模块拓扑结构
技术领域
本发明属于大功率变换器领域，具体涉及一种模块化多电平变换器子模块拓扑结构。
背景技术
模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)被广泛应用于柔性直流输电系统、电能质量治理、储能、中高压电力传动等领域，并被认为是最具发展前景的中高压大功率变换器。在中高压大功率工程领域，特别是输电及并网变流器领域，要求设备具有很高的可靠性，甚至要求具有故障不停机运行能力。由于MMC由大量的子模块组成，所以子模块的可靠性决定了MMC的可靠性。
传统MMC子模块本身存在的问题主要有子模块电容电压过高、子模块电压波动较大、上下开关管不能直通和直流侧故障穿越等几个方面。针对子模块电容电压过高，现有文献大都采用控制策略进行优化，但是抑制效果有限。针对子模块电压波动较大和上下开关管不能直通问题，有文献研究了基于箝位和能量转移电路的MMC子模块拓扑结构，但是该子模块电容电压过高且无直流故障穿越能力。现有文献针对直流侧故障穿越的问题提出了多种子模块结构，如全桥子模块、箝位子模块、级联子模块和逆阻型子模块等，但是都不能解决子模块电容电压过高、子模块电压波动大和直通问题。现有技术尚无同时从子模块电容电压过高、子模块电压波动较大、上下开关管不能直通和直流侧故障穿越等几个方面的问题提出一个全面的解决方案。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供一种模块化多电平变换器子模块拓扑结构，使得MMC子模块具有直通和直流故障穿越能力，并解决了子模块电容电压过高和子模块电压波动较大的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种模块化多电平变换器子模块拓扑结构，包括全桥电路和阻抗源电路，所述全桥电路用于保证子模块的直流故障穿越能力和完成子模块的输出，所述阻抗源电路用于保证子模块的桥臂直通能力和输出电压稳定。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
进一步地，上述全桥电路包括三个功率开关管S1、S2和S3，三个所述功率开关管内均集成有反并联二极管，所述功率开关管S1的发射集分别与所述功率开关管S2和子模块连接；所述功率开关管S3的集电极分别与二极管D2的阳极和子模块连接。
进一步地，上述阻抗源电路由箝位电路、Buck电路和boost电路级联组成。
进一步地，上述箝位电路包括依次串联的电感L1、电容C1、电容C2和功率二极管D1。
进一步地，上述Buck电路包括两个电容C2和C3、电感L2、二极管D2、S3的反并联二极管和集成有反并联二极管的功率开关管SZ1；所述电感L2串联于电容C2和C3之间，所述功率开关管S3的反并联二极管、电容C1、C2和C3并联，所述二极管D2的串联于所述功率开关管S3的反并联二极管和所述电感L2之间，所述功率开关管SZ1与所述电感L2并联。
进一步地，上述boost电路包括电容C1、C3、电感L3、二极管D3和开关管SZ2，所述电感L3和二极管D3串联于所述电容C1和C3之间，所述电容C1、C3和开关管SZ2并联。
本发明的有益效果是：
本发明提供的一种模块化多电平变换器子模块拓扑结构，通过全桥电路保证了子模块的直流故障穿越能力，具有很高的运行可靠性；通过阻抗源电路保证了子模块的桥臂直通能力和输出电压稳定，子模块本身具有子模块电压控制能力，可使环流交流分量小，无需采用环流抑制策略，使子模块电容电压值降低，减小电容尺寸和成本。
附图说明
图1为基于半桥子模块的模块化多电平变换器结构示意图。
图2为本发明的模块化多电平变换器子模块拓扑结构示意图。
图3为本发明的全桥电路正常工作原理示意图。
图4为本发明的全桥电路旁路工作原理示意图。
图5为本发明的直通状态工作原理示意图。
图6为本发明的箝位电路工作原理示意图。
图7为本发明的Buck电路工作原理示意图。
图8为本发明的Boost电路工作原理示意图。
图9为本发明的桥臂电流为正时直流故障穿越工作原理示意图。
图10为本发明的桥臂电流为负时直流故障穿越工作原理示意图。
图11为本发明的仿真波形图。
具体实施方式
现在结合附图1-11对本发明作进一步详细的说明。
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1所示，在本发明的其中一个实施例中，基于半桥子模块的模块化多电平变换器每相由上下两个桥臂通过两个桥臂电感连接而成，每个桥臂包含N个子模块，该子模块为传统的子模块。
如图2所示，在本发明的其中一个实施例中，一种模块化多电平变换器子模块拓扑结构，由全桥电路和阻抗源电路组成。全桥电路由两个含有反并联二极管的功率开关管S1、S2、S3和一个二极管D2组成，S1的发射极连接S2的集电极和子模块输出正电压，S3的集电极连接二极管D2的阳极和子模块输出电压负。阻抗源电路由箝位电路、Buck电路和boost电路级联组成。箝位电路由一个电感L1、两个电容C1和C2以及一个功率二极管D1串联组成。所述Buck电路由两个电容C2和C3、一个电感L2、一个二极管D2、S3反并联二极管和一个含有反并联二极管的功率开关管SZ1组成；所述boost电路由两个电容C1和C3、一个电感L3、一个二极管D3和一个开关管SZ2组成。
如图3和图4所示，全桥电路中，当S1和S3导通、S2关闭时，子模块处于正常工作状态，C1和L1接入电路中，根据桥臂电流(输入子模块电流)方向，C1电压上升或下降。当S2和S3导通、S1关闭时，子模块处于旁路工作状态，无电容电感元件接入电路中。
如图5和图6所示，当C1电压超过设定上限阈值，当S1和S2同时导通，C1放电，电压下降；当C1电压超过设定上限阈值，当S2关闭，箝位电路开始工作，电容C1继续通过L1放电，D1导通，C1电压继续下降，C2电压上升。由桥臂工作原理分析可知，桥臂开关管具有直通能力。
如图7和图8所示，在Buck电路中，当C2电压过高，高于上限阀值时SZ1开通，C2经过L2给C3充电，C3电压升高；当C2电压低于下限阀值时SZ1关闭，D2导通，L2给C3充电，C3电压继续升高，Buck电路将C2的能量增量都转移给C3。当桥臂电流为负时，电容C1下降，在Boost电路中当C1电压低于下限阈值时SZ2开通，C3给L3放电；当C1电压高于上限阈值时，SZ2关闭，D3导通，C3经过L3给C1充电。Boost电路实现了将C3增加的能量转移到C1上，保持C1电压稳定。由Buck电路和Boost电路工作原理分析可知，C1、C2和C3电压可被控制，子模块电压被控制在C1和C2电压之间，C3电压比C1和C2电压都低。
如图9和图10所示，当发生直流故障时，子模块中所有开关管都闭锁。当桥臂电流为正时，C1和L1接入电路中；当桥臂电流为负时，C3和L2接入电路中。两种状态都可抑制直流侧短路电压过高，通过电感的接入，进一步抑制短路电流过大，增强了直流故障抑制能力。
图11为本发明的仿真波形图。从图中可以看出，在动态变化过程中，交流电压uo幅值一直为1500V左右，交流电流io从500A变为250A，电压电流波形质量较好。电容C3电压保持稳定，能量波动是保持平衡的，且大大低于额定值1500V，C1和C2电压被控制在1500V上下波动，波动范围为50V以内。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种模块化多电平变换器子模块拓扑结构，其特征在于，包括全桥电路和阻抗源电路，所述全桥电路用于保证子模块的直流故障穿越能力和完成子模块的输出，所述阻抗源电路用于保证子模块的桥臂直通能力和输出电压稳定。
2.根据权利要求1所述的模块化多电平变换器子模块拓扑结构，其特征在于，所述全桥电路包括三个功率开关管S1、S2和S3，三个所述功率开关管内均集成有反并联二极管，所述功率开关管S1的发射集分别与所述功率开关管S2和子模块连接；所述功率开关管S3的集电极分别与二极管D2的阳极和子模块连接。
3.根据权利要求1所述的模块化多电平变换器子模块拓扑结构，其特征在于，所述阻抗源电路由箝位电路、Buck电路和boost电路级联组成。
4.根据权利要求3所述的模块化多电平变换器子模块拓扑结构，其特征在于，所述箝位电路包括依次串联的电感L1、电容C1、电容C2和功率二极管D1。
5.根据权利要求3所述的模块化多电平变换器子模块拓扑结构，其特征在于，所述Buck电路包括两个电容C2和C3、电感L2、二极管D2、S3的反并联二极管和集成有反并联二极管的功率开关管SZ1；所述电感L2串联于电容C2和C3之间，所述功率开关管S3的反并联二极管、电容C1、C2和C3并联，所述二极管D2的串联于所述功率开关管S3的反并联二极管和所述电感L2之间，所述功率开关管SZ1与所述电感L2并联。
6.根据权利要求3所述的模块化多电平变换器子模块拓扑结构，其特征在于，所述boost电路包括电容C1、C3、电感L3、二极管D3和开关管SZ2，所述电感L3和二极管D3串联于所述电容C1和C3之间，所述电容C1、C3和开关管SZ2并联。
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