CN112152496B - 一种桥臂复用模块化多电平换流器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桥臂复用模块化多电平换流器AS‑MMC，包括三个相同的相单元，每个相单元均由上桥臂电抗L_arm1、上桥臂、公用桥臂、下桥臂、下桥臂电抗L_arm2依次串联组成。上桥臂、公用桥臂、下桥臂分别由多个子模块串联构成，通过两个相同的桥臂切换开关K₁、K₂接入到交流电源。与传统的MMC相比，公用桥臂的使用提高了换流器经济性。

Description

一种桥臂复用模块化多电平换流器

技术领域

本发明涉及一种减少模块化多电平换流器中子模块数量的桥臂复用拓扑，属于电力电子技术领域。

背景技术

随着高比例新能源互联系统的构建，如何高效可靠地接纳可再生能源已成为当今电力系统亟待解决的难题。传统两电平、三电平电压源型换流器(voltage sourcecontroller，VSC)具有谐波含量高、运行损耗大和触发信号一致性要求高的弊端，已逐渐被多电平换流器所取代。在众多多电平换流器中，模块化多电平换流器(modular multilevelconverter，MMC)因具备谐波含量低、传输效率高和易于拓展的优势而成为国内外研究的热点。

MMC在柔性直流输电、海上风电场并网、中压电机驱动、异步电网互联、无缘孤岛送电等诸多应用场景都具有广阔的应用前景。与传统两电平或三电平换流器相比,MMC避免了半导体开关器件的直接连接，没有无功补偿问题、无换相失败问题、还可同时独立调节有功功率和无功功率，并且能够为无源系统供电，是未来电网发展的重要方向。然而MMC子模块数量众多，投资成本高且占地面积大的弊端已在现有MMC柔直工程中有所体现，至今仍未能很好的解决。

发明目的

本发明的目的是提出一种桥臂复用模块化多电平换流器(Arm-sharing modularmultilevel converter，AS-MMC)，在保证较高的电压质量同时降低换流器的投资成本。AS-MMC通过桥臂复用的方式在保持输出电平数不变的前提下减少了子模块使用量，大大降低了换流器投资成本与占地面积。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种桥臂复用模块化多电平换流器AS-MMC，其包括三个相同的相单元，每个相单元均由上桥臂电抗L_arm1、上桥臂、公用桥臂、下桥臂、下桥臂电抗L_arm2依次串联组成；所述上桥臂通过L_arm1与直流侧正极母线连接，所述下桥臂通过L_arm2与直流侧负极母线连接；所述上桥臂、公用桥臂、下桥臂分别由M、G、L个子模块SM串联构成，其中，M、G、L为整数且大于等于2；所述上桥臂与公用桥臂的连接点为a₁，所述下桥臂与公用桥臂的连接点为a₂，将上桥臂和公用桥臂组合为复合上桥臂，将下桥臂和公用桥臂组合为复合下桥臂；通过两个相同的桥臂切换开关K₁、K₂分别将a₁、a₂点与交流侧接入点a点连接。

优选地，所述桥臂切换开关K₁由双向开关S₁和快速机械开关T₁串联组成，所述桥臂切换开关K₂由双向开关S₂和快速机械开关T₂串联组成，其中双向开关S₁、S₂分别由两个带反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管IGBT反向串联构成。

优选地，假设所述多电平换流器AS-MMC需要输出N+1电平，则所述上桥臂、公用桥臂、下桥臂的子模块SM数量M、G、L满足下式：

M+G+L≥N，

根据本发明的另一个方面，提供了一种上述多电平换流器AS-MMC的桥臂切换开关操作方法，包括以下步骤：

S1、先检测，使公用桥臂处于旁路状态；

S2、操作桥臂切换开关：闭合时，先闭合快速机械开关T₁、T₂，再触发双向开关S₁、S₂；断开时，先闭锁双向开关S₁、S₂，再断开快速机械开关T₁、T₂。

附图说明

图1为AS-MMC拓扑结构示意图。

图2为桥臂切换开关拓扑结构示意图。

图3为电容电压均衡策略原理图。

图4为桥臂切换策略原理图。

图5为AS-MMC系统正常运行状态下仿真结果。

具体实施方式

以下结合附图，详细阐述本发明。

1、AS-MMC的拓扑结构及工作原理

1)拓扑结构

本发明所述的AS-MMC拓扑结构如附图1所示，图中A、B、C三相结构完全相同，故仅以A相为例。AS-MMC由三个相同的相单元组成，每个相单元中由上桥臂电抗L_arm1、上桥臂、公用桥臂、下桥臂、下桥臂电抗L_arm2依次串联组成。上桥臂通过L_arm1与直流侧正极母线(附图1中“+”)连接，下桥臂通过L_arm2与直流侧负极母线(附图1中“－”)连接。上、公用、下三个桥臂分别由M、G、L个子模块串联构成(其中子模块以SM表示)。上桥臂与公用桥臂的连接点为a₁、下桥臂与公用桥臂的连接点为a₂，将上桥臂和公用桥臂组合、下桥臂和公用桥臂组合分别称之为复合上桥臂、复合下桥臂。AS-MMC通过两个相同的桥臂切换开关K₁、K₂分别将a₁、a₂点与交流侧接入点a点连接。

2)工作原理

AS-MMC与传统MMC工作原理相似，每个桥臂均可等效为一个可控的电压源，通过对子模块投切，输出电压随控制信号切换而变化。上、下桥臂电压可等效为U_p、U_n，公用桥臂电压可等效为U_g。MMC在运行时，同样应具备以下几个特征：

(1)直流侧维持直流电压U_dc恒定。则有

U_p+U_n+U_g＝U_dc (1)

若要保证输出N+1电平，则每个相单元投入的子模块数量仍为N，则任一瞬间上桥臂子模块投入子模块数量m、下桥臂投入子模块数量l、公用桥臂投入子模块数量g，满足如下关系：

m+l+g＝N (2)

(2)在交流侧输出三相交流电压。由于各个相单元中处于投入状态的子模块数恒为N，通过对相单元三个桥臂中处于投入状态的子模块数进行分配并配合桥臂切换开关实现换流器对正弦参考电压的追踪。

(3)输出电平数具有完整性。通过对各桥臂子模块数量的分配即桥臂切换开关的切换，应使得交流侧输出仍为N+1电平阶梯波。

(4)电流分布均衡。如图1所示，三个相单元仍具有对称性，总直流电流I_dc在三个相单元之间平均分配，每个相单元的直流电流为I_dc/3。上下桥臂电抗器虽然移动了位置，但L_arm1与L_arm2的电抗值仍相同，所以交流电流I_va在上下桥臂间均分。

2、各桥臂子模块个数确定原则

AS-MMC相比于传统MMC换流器多了一个公用桥臂，因而需要重新确定各桥臂子模块数量。上、下、公用桥臂的子模块数量分别为M、L、G，要满足直流侧电压稳定，则

M+L+G≥m+l+g＝N (5)

MMC交流侧最大输出电压应为直流正极母线电压，此时上桥臂投入的子模块为0，则复合下桥臂子模块数应满足

L+G≥l+g＝N (6)

同理，MMC交流侧输出直流负极电压时，下桥臂投入的子模块为0，则复合上桥臂子模块数应满足

M+G≥m+g＝N (7)

此外，为保证输出电平阶梯的完整性，上、下桥臂子模块数量均需大于N/2，其论证如下：

若M<N/2，分析可知，则上桥臂最多投入M个子模块，，当上桥臂完全投入时，为保证直流侧电压稳定，则复合下桥臂投入子模块为

若需要输出0电平，则复合下桥臂和上桥臂需投入相同子模块，则有

而式(8)和式(9)不能同时满足，即得到上桥臂子模块

同理，可得下桥臂子模块数量

一般情况，为保证结构对称性，令M＝N,因而有各桥臂子模块数量设计原则如式(12)所示

分析可知，上、下桥臂子模块数量越少，公用桥臂子模块数量越多，则AS-MMC的经济性越好。在不考虑冗余的情况下，上、下桥臂子模块数量最少为N/2，此时公用桥臂子模块数量也为N/2，经济性最优。

3、桥臂切换开关设计及桥臂切换策略

1)桥臂切换开关拓扑结构与开断原则

桥臂切换开关K₁、K₂的拓扑结构示意图如附图2所示，K₁由双向开关S₁和快速机械开关T₁串联组成，K₂由双向开关S₂和快速机械开关T₂串联组成，其中双向开关由两个带反并联二极管的IGBT反向串联构成。

为降低双向开关的耐受电压，且快速机械开关不宜对有电流的线路进行开断操作，桥臂切换开关操作原则如下：操作时先检测公用桥臂处于旁路状态，然后操作桥臂切换开关：闭合时，先闭合快速机械开关，再触发双向开关；断开时，先闭锁双向开关，再断开快速机械开关。

在上述逻辑配合下，快速机械开关的断开保证双向开关两端耐压恒为0，仅承担开断桥臂电流的功能，大大提高了MMC的经济性。快速机械开关并未开断桥臂电流，开断速度与安全性得以保障。

2)桥臂切换策略

AS-MMC的相单元可由桥臂切换开关的而划分成上、公用、下三个桥臂。以上桥臂为例，当m≤M时，上桥臂投入的子模块完全可由上桥臂提供；当m>M时，上桥臂投入的子模块需由复合上桥臂投入。以N＝10，M＝L＝G＝5为例，桥臂切换策略如附图3所示，图中n_up为某时刻上桥臂投入子模块，n_down为某时刻下桥臂投入子模块个数，正弦波形为调制波，阶梯波为任意时刻子模块投入个数，t1～t4为四种不同切换时刻。

首先设定两种运行模式：1)模式1，K₁断开，K₂闭合，复合下桥臂与上桥臂并列运行；

2)模式2，K₁闭合，K₂断开，复合上桥臂和下桥臂并列运行。以上桥臂中需要投入的子模块数n_up为控制变量，当n_up处于下降阶段同时n_up≤5，或当n_up处于上升阶段同时n_up<5时(t2～t3时刻)，相单元运行在模式1下。当n_up处于上升阶段同时n_up≥5时或当n_up处于下降阶段同时n_up>5时(t3～t4时刻)，相单元运行在模式2下。如附图3所示，以下桥臂中需要投入的子模块数n_down为控制变量时亦可获得相同的控制效果。

3、电容电压平衡策略

MMC为多电平换流器，交流侧可采用N+1电平阶梯波逼近正弦参考波，因此使用基于电容电压排序的子模块轮换策略即可实现电容电压的均衡。与传统MMC对固定桥臂中的子模块电容电压进行排序不同，AS-MMC中参与排序的子模块由附图3中的桥臂运行模式决定。AS-MMC的电容电压平衡策略流程图如附图4所示。当相单元运行在模式1下时，上桥臂中N/2个子模块电容电压信号构成序列X₁，复合下桥臂中共计N个子模块电容电压信号构成序列X₂。当相单元运行在模式2下时，复合上桥臂中共计N个子模块电容电压构成序列X₁，下桥臂中N/2个子模块电容电压信号构成序列X₂。最后，根据桥臂电流的正负对序列X₁与X₂进行升序或降序排列，并投入序列中前n_up或n_down个子模块。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)通过公用桥臂的使用提高了换流器的经济性。

传统MMC相单元中有2N个子模块，在任意时刻均有N个子模块处于闲置状态，大大增加了换流器的建造成本与占地面积。AS-MMC将传统MMC换流器结构的上下桥臂改造为上、公用、下三个桥臂。通过控制桥臂切换开关，可将上桥臂和公用桥臂组成复合上桥臂，等效于传统MMC的上桥臂；将下桥臂和公用桥臂等效为复合下桥臂，等效于传统MMC的下桥臂。相比于传统MMC，公用桥臂的使用可减少AS-MMC相单元中子模块数量，极大的提升了换流器的经济性。AS-MMC在相单元中公用了L个子模块，节省了模块使用量。当M＝L＝G＝N/2时，以交流侧产生N+1电平阶梯波的基于半桥子模块的传统MMC(HBSM-MMC)与基于半桥子模块的AS-MMC(HBSM-AS-MMC)为例进行对比，换流器成本如表1所示。

表1 HBSM-MMC与HBSM-AS-MMC经济性对比

考虑到AS-MMC中所使用的快速机械开关数量较少且无需配备消弧装置，因此其增加的投资成本较少，可忽略不计。与HBSM-MMC相比，HBSM-AS-MMC在电容、IGBT和二极管方面均可减少近25％的投资成本，其优势在子模块数量较多的场合尤为突出。其中电容数量的降低还可减少测量装置的使用和换流器的占地面积。

(2)桥臂切换开关为双向开关和快速机械开关配合。

双向开关耐压水平低，可保证换流器的经济性，快速机械开关无需开断桥臂电流，可以保障换流器的安全性。

(3)正常工作时，AS-MMC与传统MMC具有相同效果。

通过采用相应的控制策略可实现电容电压均衡，以保证交直流变换过程中能量传输的稳定性。基于MATLAB/Simulink仿真平台搭建基于半桥子模块的13电平单端AS-MMC系统，系统参数如表2所示，其仿真结果如附图5所示，其中附图5(a)～5(d)分别为交流侧相电压、直流侧电压、A相上下桥臂子模块电容电压、A相公用桥臂子模块电容电压。AS-MMC的A相上桥臂、公共桥臂与下桥臂中子模块电容电压均稳定在额定值附近，且波动幅度在5％左右，子模块电容电压均衡。换流站交流侧输出相电压为12电平阶梯波，直流侧输出电压稳定在20kV左右，且波动幅度小于0.05％，即AS-MMC可顺利完成交直流变换，并保证功率的稳定传输。

表2 AS-MMC-HVDC仿真系统系统参数

Claims (4)

1.一种桥臂复用模块化多电平换流器AS-MMC，其特征在于，包括三个相同的相单元，每个相单元均由上桥臂电抗L_arm1、上桥臂、公用桥臂、下桥臂、下桥臂电抗L_arm2依次串联组成；所述上桥臂通过L_arm1与直流侧正极母线连接，所述下桥臂通过L_arm2与直流侧负极母线连接；所述上桥臂、公用桥臂、下桥臂分别由M、G、L个子模块SM串联构成，其中，M、G、L为整数且大于等于2；所述上桥臂与公用桥臂的连接点为a₁，所述下桥臂与公用桥臂的连接点为a₂，将上桥臂和公用桥臂组合为复合上桥臂，将下桥臂和公用桥臂组合为复合下桥臂；通过两个相同的桥臂切换开关K₁、K₂分别将a₁、a₂点与交流侧接入点a点连接。

2.根据权利要求1所述的多电平换流器AS-MMC，其特征在于，所述桥臂切换开关K₁由双向开关S₁和快速机械开关T₁串联组成，所述桥臂切换开关K₂由双向开关S₂和快速机械开关T₂串联组成，其中双向开关S₁、S₂分别由两个带反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管IGBT反向串联构成。

3.根据权利要求1或2所述的多电平换流器AS-MMC，其特征在于，假设所述多电平换流器AS-MMC需要输出N+1电平，则所述上桥臂、公用桥臂、下桥臂的子模块SM数量M、G、L满足下式：

M+G+L≥N，

4.根据权利要求1-3任一所述的多电平换流器AS-MMC的桥臂切换开关操作方法，包括以下步骤：

S1、先检测，使公用桥臂处于旁路状态；

S2、操作桥臂切换开关：闭合时，先闭合快速机械开关T₁、T₂，再触发双向开关S₁、S₂；断开时，先闭锁双向开关S₁、S₂，再断开快速机械开关T₁、T₂。

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