CN113054861A - 一种少模块数的串联mmc变流器拓扑结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电力系统领域，具体的是一种少模块数的串联MMC变流器拓扑结构，所述拓扑结构由三相桥式电路、半桥阀串、三相滤波电感、三相工频变压器组成。本发明设计的少模块数的串联式MMC变流器拓扑结构，仅需要两组半桥阀串，相比于传统MMC结构大大减少了阀串的数量，在实现相同高压直流电压输出的条件下，可提升MMC变流器功率密度，可实现三相交流端口电压的稳定输出，也可实现两组半桥阀串内子模块电容电压的均衡；本发明设计的拓扑结构相对于传统MMC拓扑结构，可节省近2/3的子模块数量，且具有更大的交直流电压传输比，有利于降低MMC变流器的成本，减小装置体积，提升功率密度。

Description

一种少模块数的串联MMC变流器拓扑结构
技术领域
本发明涉及电力系统领域，具体的是一种少模块数的串联MMC变流器拓扑结构。
背景技术
近年来，MMC变流器已经广泛应用于高压直流输电、交直流电网互联等场合，可实现中低压直流与中高压交流电网互联与能量交换。而随着电压等级的不断提升，受限于目前商用半导体器件耐压水平，现有MMC变流器拓扑只能通过增加子模块数量，支撑交直流侧的母线电压，但这导致MMC系统成本升高、体积增大、功率密度显著下降、可靠性降低。因此，如何在不增加开关器件与直流储能电容耐压要求的条件下，通过改变MMC变流器拓扑结构，从而减小MMC变流器模块数量，降低装置体积，提升功率密度是目前亟需解决的一个问题。
发明内容
为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种少模块数的串联MMC变流器拓扑结构，解决了MMC变流器模块数量庞大，体积庞大与功率密度低的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种少模块数的串联MMC变流器拓扑结构，所述拓扑结构由三相桥式电路、半桥阀串、三相滤波电感、三相工频变压器组成；
所述三相桥式电路由A相桥式电路、B相桥式电路和C相桥式电路三相桥式电路串联组成，任意一相桥式电路均由高压直流电容、第一高压开关串与第二高压开关串组合组成，第一高压开关串和第二高压开关串相互串联后，与高压直流电容并联组成；
所述半桥阀串由一组半桥子模块串联组成，或者使用全桥子模块或半桥/全桥混合子模块组成；
所述三相滤波电感另一端子分别连接至三相工频变压器原边绕组端子，三相工频变压器副边绕组端子构成高压交流端口，三相工频变压器的连接方式采用Y/Y、Δ/Y、Δ/Δ、Y/Δ结构中的一种。
进一步地，任意一相所述桥式电路采用三电平结构。
进一步地，所述第一高压开关串下端子与第二高压开关串上端子为该相桥式电路的交流输出中间点，A相桥式电路的电容正极与C相桥式电路的电容负极构成高压直流端口。
进一步地，每相所述桥式电路中的高压开关串可由一组串联的半导体开关组成，也可以由一组串联的半桥模块组成，其中任意半桥模块内包含两个半导体开关和一个均压电容组成。
进一步地，所述A相桥式电路的交流输出中间点连接至半桥阀串1的正极，半桥阀串1的负极连接A相滤波电感；
所述C相桥式电路的交流输出中间点连接至半桥阀串2的负极，半桥阀串2的正极连接C相滤波电感；
所述B相桥式电路的交流输出中间点直接连接B相滤波电感。
进一步地，所述三相桥式电路中所有开关管均采用50％占空比控制，每相桥式电路中第一开关管与第二开关管驱动信号相反。
进一步地，所述A相桥式电路中，第一开关管驱动信号vSA1与A相调制波vA的相位相同；
所述B相桥式电路中，第一开关管驱动信号vSB1与B相调制波vB的相位相同；
所述C相桥式电路中，第一开关管驱动信号vSC1与C相调制波vc的相位相同。
进一步地，与所述A相桥式电路中间点连接的第一组半桥阀串1的调制波信号为(vSA1-vSB1)×(2/3×VM)/(N×VSM)-(vA-vB)，VM为高压直流端口电压，N为一组半桥阀串的子模块个数，VSM为半桥阀串子模块的电容电压；
与所述C相桥式电路中间点连接的第二组半桥阀串2的调制波信号为(vSB1-vSC1)×(2/3×VM)/(N×VSM)-(vB-vC)，三相调制波vA、vB、vC采用对阀串子模块电容电压闭环与交流侧电压或电流控制得到。
本发明的有益效果：
1、本发明设计的少模块数的串联式MMC变流器拓扑结构，仅需要两组半桥阀串，相比于传统MMC结构大大减少了阀串的数量，在实现相同高压直流电压输出的条件下，可提升MMC变流器功率密度，可实现三相交流端口电压的稳定输出，也可实现两组半桥阀串内子模块电容电压的均衡；
2、本发明设计的拓扑结构相对于传统MMC拓扑结构，可节省近2/3的子模块数量，且具有更大的交直流电压传输比，有利于降低MMC变流器的成本，减小装置体积，提升功率密度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；
图1是本发明少模块数的串联MMC变流器拓扑结构示意图；
图2是本发明少模块数的串联MMC变流器的高压开关串驱动波形与半桥阀串调制波形示意图；
图3是本发明少模块数的串联MMC变流器逆变状态下高压交流端口工作波形示意图；
图4是本发明少模块数的串联MMC变流器逆变状态下三相子模块电压工作波形示意图；
图5是本发明少模块数的另一种三电平型串联MMC变流器的拓扑示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
一种少模块数的串联MMC变流器拓扑结构，如图1所示，由三相桥式电路、半桥阀串、三相滤波电感、三相工频变压器组成；
三相桥式电路由A相桥式电路、B相桥式电路和C相桥式电路三相桥式电路串联组成，任意一相桥式电路均由高压直流电容、第一高压开关串与第二高压开关串组合组成，第一高压开关串和第二高压开关串相互串联后，与高压直流电容并联组成。第一高压开关串下端子与第二高压开关串上端子为该相桥式电路的交流输出中间点，A相桥式电路的电容正极与C相桥式电路的电容负极构成高压直流端口。
每相桥式电路中的高压开关串可由一组串联的半导体开关组成，也可以由一组串联的半桥模块组成，其中任意半桥模块内包含两个半导体开关和一个容值较小的均压电容组成。
半桥阀串由一组半桥子模块串联组成，也可以使用全桥子模块或半桥/全桥混合子模块组成。
A相桥式电路的交流输出中间点连接至半桥阀串1的正极，半桥阀串1的负极连接A相滤波电感；
C相桥式电路的交流输出中间点连接至半桥阀串2的负极，半桥阀串2的正极连接C相滤波电感；
B相桥式电路的交流输出中间点直接连接B相滤波电感。
三相滤波电感另一端子分别连接至三相工频变压器原边绕组端子，三相工频变压器副边绕组端子构成高压交流端口，三相工频变压器的连接方式可采用Y/Y、Δ/Y、Δ/Δ、Y/Δ结构中的一种。
一种少模块数的串联MMC变流器拓扑结构的基本控制方法，三相桥式电路中所有开关管均采用50％占空比控制，每相桥式电路中第一开关管与第二开关管驱动信号相反。
A相桥式电路中，第一开关管驱动信号vSA1与A相调制波vA的相位相同；B相桥式电路中，第一开关管驱动信号vSB1与B相调制波vB的相位相同；C相桥式电路中，第一开关管驱动信号vSC1与C相调制波vc的相位相同。
与A相桥式电路中间点连接的第一组半桥阀串1的调制波信号为(vSA1-vSB1)×(2/3×VM)/(N×VSM)-(vA-vB)，其中，VM为高压直流端口电压，N为一组半桥阀串的子模块个数，VSM为半桥阀串子模块的电容电压；
与C相桥式电路中间点连接的第二组半桥阀串2的调制波信号为(vSB1-vSC1)×(2/3×VM)/(N×VSM)-(vB-vC)，其中，三相调制波vA、vB、vC可采用对阀串子模块电容电压闭环与交流侧电压或电流控制得到。
如图3所示，少模块数的串联式MMC变流器高压交流端口工作波形，在前述控制方法下，可实现三相交流端口电压的稳定输出。
如图4所示，少模块数的串联式MMC变流器的半桥阀串内子模块电容电压工作波形，可实现两组半桥阀串内子模块电容电压的均衡。
如图5所示，为另一种三电平型串联式MMC变流器拓扑结构，高压直流端口侧的三相桥式电路采用三电平结构，可利用较低耐压的开关器件形成高压端口。
本发明所提出的拓扑结构相对于传统MMC拓扑结构，可节省近2/3的子模块数量，且具有更大的交直流电压传输比，有利于降低MMC变流器的成本，减小装置体积，提升功率密度。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (8)

1.一种少模块数的串联MMC变流器拓扑结构，其特征在于，所述拓扑结构由三相桥式电路、半桥阀串、三相滤波电感、三相工频变压器组成；
所述三相桥式电路由A相桥式电路、B相桥式电路和C相桥式电路三相桥式电路串联组成，任意一相桥式电路均由高压直流电容、第一高压开关串与第二高压开关串组合组成，第一高压开关串和第二高压开关串相互串联后，与高压直流电容并联组成；
所述半桥阀串由一组半桥子模块串联组成，或者使用全桥子模块或半桥/全桥混合子模块组成；
所述三相滤波电感另一端子分别连接至三相工频变压器原边绕组端子，三相工频变压器副边绕组端子构成高压交流端口，三相工频变压器的连接方式采用Y/Y、Δ/Y、Δ/Δ、Y/Δ结构中的一种。
2.根据权利要求1所述的一种少模块数的串联MMC变流器拓扑结构，其特征在于，任意一相所述桥式电路采用三电平结构。
3.根据权利要求1所述的一种少模块数的串联MMC变流器拓扑结构，其特征在于，所述第一高压开关串下端子与第二高压开关串上端子为该相桥式电路的交流输出中间点，A相桥式电路的电容正极与C相桥式电路的电容负极构成高压直流端口。
4.根据权利要求1所述的一种少模块数的串联MMC变流器拓扑结构，其特征在于，每相所述桥式电路中的高压开关串可由一组串联的半导体开关组成，也可以由一组串联的半桥模块组成，其中任意半桥模块内包含两个半导体开关和一个均压电容组成。
5.根据权利要求1所述的一种少模块数的串联MMC变流器拓扑结构，其特征在于，所述A相桥式电路的交流输出中间点连接至半桥阀串1的正极，半桥阀串1的负极连接A相滤波电感；
所述C相桥式电路的交流输出中间点连接至半桥阀串2的负极，半桥阀串2的正极连接C相滤波电感；
所述B相桥式电路的交流输出中间点直接连接B相滤波电感。
6.根据权利要求1所述的一种少模块数的串联MMC变流器拓扑结构，其特征在于，所述三相桥式电路中所有开关管均采用50％占空比控制，每相桥式电路中第一开关管与第二开关管驱动信号相反。
7.根据权利要求1或6所述的一种少模块数的串联MMC变流器拓扑结构，其特征在于，所述A相桥式电路中，第一开关管驱动信号vSA1与A相调制波vA的相位相同；
所述B相桥式电路中，第一开关管驱动信号vSB1与B相调制波vB的相位相同；
所述C相桥式电路中，第一开关管驱动信号vSC1与C相调制波vc的相位相同。
8.根据权利要求7所述的一种少模块数的串联MMC变流器拓扑结构，其特征在于，与所述A相桥式电路中间点连接的第一组半桥阀串1的调制波信号为(vSA1-vSB1)×(2/3×VM)/(N×VSM)-(vA-vB)，VM为高压直流端口电压，N为一组半桥阀串的子模块个数，VSM为半桥阀串子模块的电容电压；
与所述C相桥式电路中间点连接的第二组半桥阀串2的调制波信号为(vSB1-vSC1)×(2/3×VM)/(N×VSM)-(vB-vC)，三相调制波vA、vB、vC采用对阀串子模块电容电压闭环与交流侧电压或电流控制得到。
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