CN113474986B - 用于mmc的换流器单元、mmc及其控制方法 - Google Patents
用于mmc的换流器单元、mmc及其控制方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113474986B CN113474986B CN201980092097.4A CN201980092097A CN113474986B CN 113474986 B CN113474986 B CN 113474986B CN 201980092097 A CN201980092097 A CN 201980092097A CN 113474986 B CN113474986 B CN 113474986B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- semiconductor switch
- energy storage
- cell
- inductor
- mmc
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 10
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 claims abstract description 81
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 88
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 208000026817 47,XYY syndrome Diseases 0.000 claims description 3
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000005669 field effect Effects 0.000 claims description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 2
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 claims description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 2
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 15
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 3
- 238000007635 classification algorithm Methods 0.000 description 2
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- 101150013204 MPS2 gene Proteins 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
- H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
- H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
- H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
- H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
- H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
- H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
- H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
- H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
- H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
- H02M3/1582—Buck-boost converters
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
- H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
- H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
- H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
- H02M7/4835—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels comprising two or more cells, each including a switchable capacitor, the capacitors having a nominal charge voltage which corresponds to a given fraction of the input voltage, and the capacitors being selectively connected in series to determine the instantaneous output voltage
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
- H02J3/18—Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks
- H02J3/1821—Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks using shunt compensators
- H02J3/1835—Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks using shunt compensators with stepless control
- H02J3/1842—Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks using shunt compensators with stepless control wherein at least one reactive element is actively controlled by a bridge converter, e.g. active filters
- H02J3/1857—Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks using shunt compensators with stepless control wherein at least one reactive element is actively controlled by a bridge converter, e.g. active filters wherein such bridge converter is a multilevel converter
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
- H02J3/36—Arrangements for transfer of electric power between ac networks via a high-tension dc link
Abstract
本公开涉及一种用于MMC的换流器单元(4)。该单元包括：初级储能器(Cm)、电感器(Lf)和次级储能器(Cf)；以及第一换流器阀(T1)和第二换流器阀(T2)。次级储能器(Cf)与第一换流器阀(T1)串联连接，并和所述第一换流器阀一起与电感器(Lf)并联连接，并且初级储能器(Cm)与第二换流器阀(T2)串联连接，并和所述第二换流器阀(T2)一起与电感器(Lf)并联连接。
Description
技术领域
本公开涉及一种用于模块化多电平换流器(MMC)的换流器单元。
背景技术
MMC已成为中压(MV)和高压(HV)并网换流器的流行选择，这是由于其增强的模块化、可扩展性和出色的谐波性能以及降低的损耗所致。向占地面积(尺寸)减小和紧凑性的发展最近一直受到关注。
为了减小单元电容和/或储能器在单元内的可能集成，WO2016/150466A1公开了一种半桥(HB)构型，其具有连接到主储能器的DC-DC级，该主储能器可以是电池、超级电容器或普通电容器。还需要滤波电感器来控制主储能器和滤波储能器之间的电流/电力流。一些开关在近基本频率下切换以插入或绕过单元，而DC-DC级的开关在更高频率(>1kHz)下切换以减小滤波元件的尺寸。该单元的缺点包括需要两种不同类型的开关，即，在近基本切换频率下切换的开关以及在高切换频率下切换的DC-DC级，并且需要复杂的控制结构，即，分类算法，其中中央控制架构用以操作具有基本频率的开关且本地单元级控制器用以操作DC-DC级开关。
发明内容
一种常规MMC由HB或全桥(FB)单元组成，具体取决于应用。由于每个HB或FB单元是所谓的降压换流器，因此单元DC电压必须始终高于所生成的输出电压，否则二极管将被正向偏压并且单元将表现为二极管整流器。当然，可允许过调制，高达例如1.27p.u，但带有谐波注入。为简单起见，此处仅考虑线性调制。对于高压直流输电(HVDC)、静态同步补偿器(STATCOM)和其他MMC应用(诸如，静频率铁路供电电源换流器等)，每个基本频率周期流入单元储能器中的净DC能量可能为零。然而，可能存在需要存储在单元储能器中的纹波能量(例如，50或100Hz，具体取决于拓扑或操作)。单元电容然后可以是额定的，使得在考虑来自换流器桥臂的纹波能量的情况下确保对所有操作点的线性调制。单元储能器(此处为电容器)计算的表达式可以是：
其中，
·Ccell是所需的单元电容，
·Earm,pk-pk是从换流器桥臂电流和电压波形计算得出的峰-峰桥臂纹波能量，
·N是每个换流器桥臂的换流器单元数量，以及
·Umax和Umin是考虑到MMC的所有操作点在从系统设计中获得的最大纹波点和最小纹波点处的单元电压值。
通常，针对常规MMC单元考虑10％峰-峰的单元电压纹波。因此，90％的单元储能器能量未被使用，从而使单元不必要地庞大。
现在已认识到，通过本发明的实施例，可以使用更加多的储能器容量(即，单元DC电压)来处理DC电压纹波，借此可以大幅减小每个单元的储能器的尺寸(物理地(占地面积)和就容量两者)。例如，如果使用90％的单元电容器能量，则可以实现高达80％的单元电容器减少(
倍的减少)。
根据本发明，为了生成所需的单元输出电压波形而不管单元储能器上的大电压纹波，将需要换流器单元中的所谓的升降压(BB)操作。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于MMC的换流器单元。该单元包括初级储能器、电感器和次级储能器。该单元还包括第一换流器阀和第二换流器阀，该第一换流器阀包括第一半导体开关和第一反并联二极管，并且该第二换流器阀包括第二半导体开关和第二反并联二极管，该第二半导体开关具有与第一半导体开关相同的极性。次级储能器与第一换流器阀串联连接，并且所述次级储能器和所述第一换流器阀一起与电感器并联连接(跨接)。初级储能器与第二换流器阀串联连接，并且所述初级储能器和所述第二换流器阀一起与电感器并联连接(跨接)。
该单元可被构造成使得当电力流入单元中并且第一半导体开关被切换为导通且第二半导体开关被切换为非导通时，允许电流经由第一半导体开关从次级储能器流到电感器，从而对电感器充电。然后，当第一半导体开关和第二半导体开关两者都被切换为非导通时，允许电流经由第二反并联二极管从已充电的电感器流到初级储能器，从而对初级储能器充电。
进一步地，该单元可被构造成使得当电力流出单元并且第一半导体开关被切换为非导通且第二半导体开关被切换为导通时，允许电流经由第二半导体开关从初级储能器流到电感器，从而对电感器充电。然后，当第一半导体开关和第二半导体开关两者都被切换为非导通时，允许电流经由第一反并联二极管从已充电的电感器流到次级储能器，从而对次级储能器充电。
根据本发明的另一个方面，提供了一种MMC，其包括多个换流器桥臂，每个桥臂包括本公开的多个串联连接的换流器单元。
根据本发明的另一个方面，提供了一种由控制布置结构(arrangement)执行以控制MMC中的换流器单元(例如，根据以上方面的换流器单元)的方法。
该方法通常包括：当电力流入单元中时，将第一半导体开关切换为导通，而第二半导体开关被切换为非导通，从而允许电流在该单元内经由第一半导体开关从次级储能器流到电感器，从而对电感器充电；以及将第一半导体开关切换为非导通，而第二半导体开关保持被切换为非导通，从而允许电流在该单元内经由第二反并联二极管从已充电的电感器流到初级储能器，从而对初级储能器充电，该第二反并联二极管与第二半导体开关反并联。
该方法通常包括：当电力流出单元时，将第二半导体开关切换为导通，而第一半导体开关被切换为非导通，从而允许电流在该单元内经由第二半导体开关从初级储能器流到电感器，从而对电感器充电；以及将第二半导体开关切换为非导通，而第一半导体开关保持被切换为非导通，从而允许电流在该单元内经由第一反并联二极管从已充电的电感器流到次级储能器，从而对次级储能器充电，该第一反并联二极管与第一半导体开关反并联。
要注意的是，可在适当的情况下将任何方面的任何特征应用于任何其他方面。同样，任何方面的任何优势都可应用于任何其他方面。从以下详细公开内容、所附从属权利要求以及附图，随附实施例的其他目的、特征和优点将变得显而易见。
一般而言，除非本文中另有明确定义，否则权利要求中使用的所有术语均将根据其在技术领域中的普通含义来解释。除非另有明确陈述，否则对“一/一个/元件、设备、部件、器件、步骤等”的所有引用都将被开放地解释为指代元件、设备、部件、器件、步骤等的至少一个实例。除非明确陈述，否则本文中所公开的任何方法的步骤均不必按所公开的确切顺序执行。针对本公开的不同特征/部件使用“第一”、“第二”等仅旨在将特征/部件与其他类似的特征/部件区分开来，而不是赋予特征/部件以任何顺序或层次。
附图说明
将通过示例的方式参考附图来描述实施例，在附图中：
图1是根据本发明的实施例的MMC的示意性电路图。
图2是根据本公开的实施例的BB换流器单元的示意性电路图。
图3a是根据本公开的实施例的由MMC的控制布置结构执行的电流参考生成的示意性功能框图。
图3b是根据本公开的实施例的基于图3a的电流参考的MMC的控制布置结构的电流控制器的示意性功能框图。
图3c是根据本公开的实施例的由MMC的控制布置结构基于图3b的电流控制器的输出所执行的PWM生成的示意性功能框图。
具体实施方式
现在将在下文中参考附图更充分地描述实施例，附图中示出了某些实施例。然而，在本公开的范围内，许多不同形式的其他实施例是可能的。相反，通过示例的方式提供以下实施例，使得本公开将是彻底的和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本公开的范围。在说明书通篇中，相似的数字指代相似的元件。
在图1和图2中呈现了BB-MMC电力电子换流器1的概念。
本公开提出了基于升降压(BB)单元4的MMC 1。与常规HB-MMC相比，在所提出的BB-MMC的情况下可实现例如高达80％的单元电容减小，代价是半导体额定值加倍。由于每个单元4的能量被显著减小(超过五倍)，因此可放宽单元直通故障和旁路保护要求。这可允许在MV和HV并网MMC应用中使用具有较低能量处理能力的半导体开关S(例如，键合线装置)的用途，这可导致成本降低。由于BB单元4的切换频率增大，因此所提出的单元变得更紧凑。这可能非常适合碳化硅(SiC)半导体装置(开关S和/或二极管D)。与其中还存在低次谐波分量的常规HB单元形成对比，每个BB单元4可生成所请求的仅具有切换频率谐波分量的电压参考。因此，即使每个换流器桥臂3的单元数量较少，也可避免换流器1的低次谐波生成，从而使其适合于中压直流输电(MVDC)、STATCOM或铁路供电电源(联锁电力网(intertie))应用，在这些应用中，每个桥臂3的单元4数量可例如少于10。
由于分布式控制架构可用于BB-MMC 1(即，电压参考被发送到每个BB单元4，并且在单元级完成三角载波补偿PWM)，因此可消除如常规链节式(chain-link)换流器中那样对用于执行分类算法的中央控制器的需求，从而减少控制延迟和谐波稳定性问题。附加地，可注意到，所提出的BB单元4可以充当电流源单元。因此，可能不需要桥臂式电抗器(armreactor)5，或者可以减小其额定值，因为每个单元4均具有用以在单元级控制电流的电抗器Lf，从而导致占地面积减小。
图1图示了MMC 1，其在此处呈双星拓扑中的三相交流电(AC)至直流电(DC)链节式换流器的形式。应注意，对于本发明的一些实施例，HVDC或MVDC可以是优选的应用，但是对于一些其他实施例，例如STATCOM(通常具有三角形(delta)或Y形(wye)拓扑)、静频率AC-AC换流器(通常具有三相至单相或三相至三相MMC)应用，其他应用也可以是优选的。
MMC 1包括多个换流器桥臂3(可替代地称为支路、分支或链节)，每个换流器桥臂包括多个串联连接(可替代地称为链节式连接或级联)的换流器单元4。在该图的HVDC/MVDC示例中，使用了双星拓扑，其中每个相2具有连接到DC端子中的一者(此处为正DC端子DC+)的上桥臂3a以及连接到DC端子中的另一者(此处为负端子DC-)的下桥臂3b。相应相2中的每一者在MMC的相应的AC端子a、b和c处连接到或被构造成连接到AC电网的相应相。应注意，除了图中举例说明的双星(也称为双Y形，-Y)拓扑之外，还可在任何MMC拓扑中使用本发明的BB单元4，例如三角形(Δ)拓扑、Y形(Y)拓扑或其组合。
当MMC 1如图1中那样具有DC侧时(例如，对于HVDC或MVDC应用)，DC端子DC+和DC-可连接到储能器系统，该储能器系统例如包括一个或若干个电池或超级电容器或其组合，或者由一个或若干个电池或超级电容器或其组合组成。
MMC 1的控制布置结构10可以包括中央控制器以及用于控制MMC的操作的分布式控制器。
图2图示了BB单元4的实施例。该单元包括初级储能器Cm，例如包括电容器布置结构(包括至少一个电容器或超级电容器)或电池布置结构(包括至少一个电池)。本文中将初级储能器举例说明为主电容器Cm。该单元还包括次级储能器Cf，例如包括电容器布置结构(包括至少一个电容器或超级电容器)或电池布置结构(包括至少一个电池)。本文中将次级储能器举例说明为滤波电容器Cf。该单元还包括电感器Lf(例如，电抗器)，本文中也称为滤波电感器Lf。
初级储能器Cm、次级储能器Cf和电感器Lf全部都彼此并联连接，即，每一者跨接其他两者中的每一者。因此，在单元4内形成了用于电流循环的两条电流路径，经由次级储能器Cf、电感器Lf和第一换流器阀T1的前端电流路径、以及经由初级储能器Cm、电感器Lf和第二换流器阀T2的后端电流路径。每个换流器阀T包括：单向半导体开关S，例如包括Si或SiC(其中SiC对于本发明的实施例的相对高的切换频率可以是优选的)绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、集成门极换向晶闸管(IGCT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或双模绝缘栅晶体管(BiGT)，具体取决于使用MMC 1所针对的应用；以及反并联二极管D(跨接开关，但由于具有相反极性(即，由于能够沿相反方向导通)而反并联)。因此，第一阀T1包括第一开关S1和第一反并联二极管D1，并且第二阀T2包括第二开关S2和第二反并联二极管D2。在图2的实施例中，第一换流器阀T1和第二换流器阀T2彼此串联连接，其中第一开关S1和第二开关S2具有相同的极性，即，当被切换为电导通时能够沿相同的串联连接方向传导电流(也称为ON或闭合开关)。
在单元4中，在其两个端子之间形成了单元电压Uo，并且在初级储能器Cm的两端形成了DC电压Udc。图中示意性地给出的电流io、iL和idc已被给予符号方向。然而，应注意，当本文中讨论电流时，她是沿其预期的正方向的电流。
单元4被构造成使得当电力流入单元中时，分两步对初级储能器Cm充电。首先，当第一半导体开关S1被切换为导通且第二半导体开关S2被切换为非导通(也称为OFF或断开开关)，电流或允许电流经由第一半导体开关S1从次级储能器Cf的正极侧流到电感器Lf，从而对电感器充电，例如电流在图2的前端路径中顺时针循环。然后，当第一半导体开关S1和第二半导体开关S2两者都被切换为非导通时，电流或允许电流经由第二反并联二极管D2从已充电的电感器Lf流到初级储能器Cm的正极侧，从而对初级储能器充电，例如电流在图2中的后端电流路径中逆时针循环。
类似地，单元4被构造成使得当电力流出单元时，分两步对初级储能器Cm放电。首先，当第一半导体开关S1被切换为非导通且第二半导体开关S2被切换为导通时，电流或允许电流经由第二半导体开关S2从初级储能器Cm的正极侧流到电感器Lf，从而对电感器充电，例如电流在图2中的后端电流路径中顺时针循环。然后，当第一半导体开关S1和第二半导体开关S2两者都被切换为非导通时，电流或允许电流经由第一反并联二极管D1从已充电的电感器Lf流到次级储能器Cf的正极侧，从而对次级储能器充电，例如电流在图2中的前端电流路径中逆时针循环。
所提出的单元结构可以被视为在电容器Cf后面的电流源，该电容器表现为电压源单元。因此，可以省略桥臂式电抗器5，或者可以减小其额定值，因为在每个单元4(模块化电抗器概念)内存在在单元级控制电流的电抗器Lf。如果将BB MMC 1用作没有DC线路的STATCOM，则不需要相电抗器5。然而，如果使用DC链路(例如，用于HVDC或MVDC应用)，则在DC链路上发生线间短路的情况下，某个桥臂式电抗器值可对限制浪涌电流仍然有用。使用BB单元4的积极方面可以是所需的电感器额定值可以是分布式的，并且可以缓和短路的相电抗器的故障情况。
BB单元4对于高压或中压应用可特别有用。
在BB单元4的实施例中，储能器Cm+Cf的总尺寸可小于常规HB或FB单元的单个储能器，从而减小换流器1的占地面积。
在任何MMC(链节式换流器)1中，单元储能器每个基本周期与电网交换的净DC能量可为零。可以开发切换平均模型以理解所提出的单元结构的开关S额定值。单元输出电压(Uo)和电流(io)是已知的量，从中可以如下确定初级储能器电压(Udc)和电流(Idc)波形：
开关电流的切换周期平均值可以被定义为：
IS2(t)＝Idc(t) (4)
IS1(t)＝I0(t) (5)
因此，第一开关S1的额定值达到单元输出电流io的峰值(即，桥臂电流)，且第二开关S2的额定值达到DC电流idc的峰值。第一开关S1和第二开关S2各自必须能够阻断Uo和Udc之和的峰值。假设Uo的峰值与Udc相同，第一开关和第二开关中的每一者必须能够阻断两倍于标称单元DC电压Udc的电压。
对于进入单元中(即，从次级储能器Cf到初级储能器Cm)的电力流，第一开关S1被切换为导通，并且使第二开关S2保持OFF。当第一开关S1被接通时，由次级储能器Cf对电感器Lf充电，并且当第一开关S1被切断时，存储在电感器中的能量经由第二二极管D2转移到初级储能器Cm。在换流器1的稳态操作下，管控第一开关S1的占空比和电感器电流iL的方程可以被定义为：
类似地，对于从单元中出来(即，从初级储能器Cm到次级储能器Cf)的电力流，第二开关S2被切换为导通，并且使第一开关S1保持OFF。当第二开关S2被接通时，由初级储能器对电感器Lf充电，并且当第二开关S2被切断时，存储在电感器Lf中的能量经由第一二极管D1转移到次级储能器Cf。在换流器1的稳态操作下，管控第二开关S2的占空比和电感器电流iL的方程可以被定义为：
可以注意到，电感器电流iL的方向被反转以反转电力流。针对MMC的额定的电容、电感和单位功率因数(UPF)操作，在MATLAB中模拟初级储能器(呈单元电容器的形式)Cm的电压和电流波形以及切换平均模型的输出。所见到的是，BB单元4的半导体额定值是常规HB单元的半导体额定值的两倍。
参考图3a、图3b和图3c，控制布置结构10可包括用于每个BB单元4的相应的单元级控制器。可在两种不同的模式下操作单元4：
1.电压源模式，其中该单元充当电压源换流器(VSC)，即，将单元输出电压Uo(在次级储能器Cf的两端)控制为来自每个换流器桥臂3的电流控制器的预定电压参考。
2.电流源模式，其中该单元充当电流源换流器(CSC)，即，控制由单元4注入其换流器桥臂3中的输出电流io。
可通过使用电流控制器来控制电感器Lf电流iL的大小和方向，以控制初级储能器Cm和次级储能器Cf之间的电力流。电感器电流参考可从(多个)外控制回路(即，从来自换流器桥臂电流控制器的电压或电流参考)生成，具体取决于单元4是否必须分别表现为电压或电流源。附加地，储能器(例如，单元电容器)电压控制器可被包括在(多个)外控制回路中，以确保初级储能器保持其标称DC电压idc值。为简单起见，可使用比例(P)控制器，但比例积分(PI)或比例积分微分(PID)控制器(可选地具有前馈项)可替代地或附加地用于改善瞬变性能。单元级电流控制器可生成控制电感器电流iL所需的占空比。使用基于载波比较的脉宽调制(PWM)来调制单元4的第一开关S1和第二开关S2。可使用先进的调制方法来调制单元4的第一开关S1和第二开关S2以获得特定目标，诸如损耗降低或谐波降低。
在本发明的一些实施例中，第一半导体开关S1和第二半导体开关S2中的每一者被构造成用于至少1kHz的切换频率，例如至少5或10kHz。
在本发明的一些实施例中，第一半导体开关S1和第二半导体开关S2中的每一者包括碳化硅或硅半导体材料或其组合，优选地为碳化硅。
在本发明的一些实施例中，第一半导体开关S1和第二半导体开关S2中的每一者包括IGBT、IGCT、BiGT或MOSFET。
在本发明的一些实施例中，MMC具有Y形、双Y形、三Y形或三角形拓扑、或其组合，例如，如图1中的双Y形拓扑。
在本发明的一些实施例中，MMC被构造成作为STATCOM、作为HVDC或MVDC换流器、或作为铁路联锁电力网操作，例如如图1中的AC至DC换流器，诸如用于HVDC或MVDC应用。
在本发明的一些实施例中，MMC 1具有包括正DC端子DC+和负DC端子DC-的DC侧。在一些实施例中，正DC端子和负DC端子连接到储能器系统，该储能器系统例如包括一个或若干个电池或超级电容器或其组合，或者由一个或若干个电池或超级电容器或其组合组成。
根据本发明的更一般的结构方面，提供了一种用于MMC 1的换流器单元4。该单元包括：初级储能器Cm、电感器Lf和次级储能器Cf；以及第一换流器阀T1和第二换流器阀T2。次级储能器Cf与第一换流器阀T1串联连接，并和所述第一换流器阀一起与电感器Lf并联连接，并且初级储能器Cm与第二换流器阀T2串联连接，并和所述第二换流器阀T2一起与电感器Lf并联连接。
上文已主要参考几个实施例描述了本公开。然而，如由本领域技术人员容易理解的，在如由所附权利要求定义的本公开的范围内，除了上文所公开的实施例之外的其他实施例同样是可能的。
Claims (14)
1.一种用于模块化多电平换流器MMC(1)的换流器单元(4)，所述单元由以下各者组成：
初级储能器(Cm)、电感器(Lf)以及次级储能器(Cf)，所述初级储能器(Cm)、所述电感器(Lf)以及所述次级储能器(Cf)都彼此并联连接在所述单元的两个端子之间，其中所述两个端子连接在所述次级储能器(Cf)的两端；以及
第一换流器阀(T1)和第二换流器阀(T2)，所述第一换流器阀(T1)包括第一半导体开关(S1)和第一反并联二极管(D1)，并且所述第二换流器阀(T2)包括第二半导体开关(S2)和第二反并联二极管(D2)，所述第二半导体开关在被切换为导通时能够沿与所述第一半导体开关(S1)相同的方向传导电流；
其中，所述次级储能器(Cf)与所述第一换流器阀(T1)串联连接，并和所述第一换流器阀一起与所述电感器(Lf)并联连接，并且所述初级储能器(Cm)与所述第二换流器阀(T2)串联连接，并和所述第二换流器阀(T2)一起与所述电感器(Lf)并联连接；
其中，所述单元被构造成使得当电力流入所述单元中时：
当所述第一半导体开关(S1)被切换为导通且所述第二半导体开关(S2)被切换为非导通时，允许电流从所述次级储能器(Cf)经由所述第一半导体开关流到所述电感器(Lf)，从而对所述电感器充电，此后
当所述第一半导体开关(S1)和所述第二半导体开关(S2)两者都被切换为非导通时，允许电流从已充电的电感器(Lf)经由所述第二反并联二极管(D2)流到所述初级储能器(Cm)，从而对所述初级储能器充电；并且
其中，所述单元被构造成使得当电力流出所述单元时：
当所述第一半导体开关(S1)被切换为非导通且所述第二半导体开关(S2)被切换为导通时，允许电流从所述初级储能器(Cm)经由所述第二半导体开关流到所述电感器(Lf)，从而对所述电感器充电，此后，
当所述第一半导体开关(S1)和所述第二半导体开关(S2)两者都被切换为非导通时，允许电流从已充电的电感器(Lf)经由所述第一反并联二极管(D1)流到所述次级储能器(Cf)，从而对所述次级储能器充电。
2.根据权利要求1所述的单元，其中，所述第一半导体开关(S1)和所述第二半导体开关(S2)中的每一者被构造成用于至少1kHz的切换频率。
3.根据权利要求2所述的单元，其中，所述第一半导体开关(S1)和所述第二半导体开关(S2)中的每一者被构造成用于至少5kHz的切换频率。
4.根据权利要求2所述的单元，其中，所述第一半导体开关(S1)和所述第二半导体开关(S2)中的每一者被构造成用于至少10kHz的切换频率。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的单元，其中，所述第一半导体开关(S1)和所述第二半导体开关(S2)中的每一者包括半导体材料。
6.根据权利要求5所述的单元，其中，所述第一半导体开关(S1)和所述第二半导体开关(S2)中的每一者包括碳化硅或硅或其组合。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的单元，其中，所述第一半导体开关(S1)和所述第二半导体开关(S2)中的每一者包括绝缘栅双极型晶体管IGBT、集成门极换向晶闸管IGCT、双模绝缘栅晶体管BiGT、或金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。
8.一种模块化多电平换流器MMC(1)，其包括多个换流器桥臂(3)，每个桥臂包括多个串联连接的根据权利要求1-7中任一项所述的换流器单元(4)。
9.根据权利要求8所述的MMC，其中，所述MMC具有Y形、双Y形、三Y形或三角形拓扑、或其组合。
10.根据权利要求8所述的MMC，其中，所述MMC被构造成作为STATCOM、作为HVDC或MVDC换流器、或作为铁路联锁电力网操作。
11.根据权利要求8所述的MMC，其中，所述MMC(1)具有包括正DC端子(DC+)和负DC端子(DC-)的DC侧，所述正DC端子(DC+)和所述负DC端子(DC-)连接到换流器桥臂上。
12.根据权利要求11所述的MMC，其中，所述正DC端子和所述负DC端子连接到储能器系统，所述储能器系统包括一个或若干个电池或超级电容器或其组合。
13.根据权利要求12所述的MMC，其中，所述正DC端子和所述负DC端子连接到储能器系统，所述储能器系统由一个或若干个电池或超级电容器或其组合组成。
14.一种由控制布置结构(10)执行以控制模块化多电平换流器MMC(1)中的权利要求1-7中任一项所述的换流器单元(4)的方法，所述方法包括：
当电力流入所述单元中时：
将第一半导体开关(S1)切换为导通，而第二半导体开关(S2)被切换为非导通，从而允许电流在所述单元内经由所述第一半导体开关从次级储能器(Cf)流到电感器(Lf)，从而对所述电感器充电，以及
将所述第一半导体开关(S1)切换为非导通，而所述第二半导体开关(S2)保持被切换为非导通，从而允许电流在所述单元内经由第二反并联二极管(D2)从已充电的电感器(Lf)流到初级储能器(Cm)，从而对所述初级储能器充电，所述第二反并联二极管与所述第二半导体开关(S2)反并联；以及
当电力流出所述单元时：
将所述第二半导体开关(S2)切换为导通，而所述第一半导体开关(S1)被切换为非导通，从而允许电流在所述单元内经由所述第二半导体开关从所述初级储能器(Cm)流到所述电感器(Lf)，从而对所述电感器充电，以及
将所述第二半导体开关(S2)切换为非导通，而所述第一半导体开关(S1)保持被切换为非导通，从而允许电流在所述单元内经由第一反并联二极管(D1)从已充电的电感器(Lf)流到所述次级储能器(Cf)，从而对所述次级储能器充电，所述第一反并联二极管与所述第一半导体开关(S1)反并联。
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/EP2019/054835 WO2020173557A1 (en) | 2019-02-27 | 2019-02-27 | Buck boost converter cell for mmc |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113474986A CN113474986A (zh) | 2021-10-01 |
| CN113474986B true CN113474986B (zh) | 2022-06-03 |
Family
ID=65724357
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201980092097.4A Active CN113474986B (zh) | 2019-02-27 | 2019-02-27 | 用于mmc的换流器单元、mmc及其控制方法 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US11424679B2 (zh) |
| EP (1) | EP3931959B1 (zh) |
| CN (1) | CN113474986B (zh) |
| WO (1) | WO2020173557A1 (zh) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11765862B2 (en) * | 2020-09-29 | 2023-09-19 | Baidu Usa Llc | Thermal management system for electronic components with thermoelectric element |
| CN112784513B (zh) * | 2020-12-31 | 2023-10-27 | 中国长江三峡集团有限公司 | 一种igct-mmc换流阀子模块箝位电路损耗计算方法和装置 |
| CN113037085B (zh) * | 2021-02-07 | 2022-08-05 | 西安电子科技大学 | 一种多端口网格形模块化的多电平直流变换器 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2015136552A2 (en) * | 2014-03-12 | 2015-09-17 | Indian Institute Of Technology Bombay | A modular multilevel converter (mmc) sub-module structure for reducing switching losses |
| WO2017001024A1 (en) * | 2015-07-02 | 2017-01-05 | Abb Schweiz Ag | Multilevel converter |
| CN106877371A (zh) * | 2017-03-30 | 2017-06-20 | 上海交通大学 | 一种具有储能功能的模块化多电平变流器的控制方法 |
| CN107947575A (zh) * | 2017-12-14 | 2018-04-20 | 东北电力大学 | 模块化可串并联双Buck级联电池充电机主电路拓扑 |
Family Cites Families (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5509348B2 (ja) * | 2010-03-15 | 2014-06-04 | アルストム テクノロジー リミテッド | マルチレベルコンバータを有する静止型無効電力補償装置 |
| DE102011017597A1 (de) | 2011-04-27 | 2012-10-31 | Siemens Aktiengesellschaft | Energiespeichervorrichtung, umfassend mehrere Speichermodule für elektrische Energie |
| DE102011108920B4 (de) | 2011-07-29 | 2013-04-11 | Technische Universität München | Elektrisches Umrichtersystem |
| US9287764B2 (en) * | 2013-02-28 | 2016-03-15 | Alstom Technology Ltd. | Energy delivery system and method for a gate drive unit controlling a thyristor-based valve |
| US9240731B2 (en) * | 2013-03-18 | 2016-01-19 | Rockwell Automation Technologies, Inc. | Power cell bypass method and apparatus for multilevel inverter |
| US9083230B2 (en) * | 2013-06-20 | 2015-07-14 | Rockwell Automation Technologies, Inc. | Multilevel voltage source converters and systems |
| US9325252B2 (en) * | 2014-01-13 | 2016-04-26 | Rockwell Automation Technologies, Inc. | Multilevel converter systems and sinusoidal pulse width modulation methods |
| US9917515B2 (en) * | 2014-06-24 | 2018-03-13 | Technische Universiteit Eindhoven | Cascadable modular 4-switch extended commutation cell |
| WO2016150466A1 (de) | 2015-03-20 | 2016-09-29 | Siemens Aktiengesellschaft | Energiespeicheranordnung |
| US10243370B2 (en) * | 2015-12-07 | 2019-03-26 | General Electric Company | System and method for integrating energy storage into modular power converter |
-
2019
- 2019-02-27 US US17/429,852 patent/US11424679B2/en active Active
- 2019-02-27 CN CN201980092097.4A patent/CN113474986B/zh active Active
- 2019-02-27 EP EP19709852.8A patent/EP3931959B1/en active Active
- 2019-02-27 WO PCT/EP2019/054835 patent/WO2020173557A1/en active Search and Examination
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2015136552A2 (en) * | 2014-03-12 | 2015-09-17 | Indian Institute Of Technology Bombay | A modular multilevel converter (mmc) sub-module structure for reducing switching losses |
| WO2017001024A1 (en) * | 2015-07-02 | 2017-01-05 | Abb Schweiz Ag | Multilevel converter |
| CN106877371A (zh) * | 2017-03-30 | 2017-06-20 | 上海交通大学 | 一种具有储能功能的模块化多电平变流器的控制方法 |
| CN107947575A (zh) * | 2017-12-14 | 2018-04-20 | 东北电力大学 | 模块化可串并联双Buck级联电池充电机主电路拓扑 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113474986A (zh) | 2021-10-01 |
| US20220045610A1 (en) | 2022-02-10 |
| WO2020173557A1 (en) | 2020-09-03 |
| EP3931959B1 (en) | 2023-04-05 |
| EP3931959A1 (en) | 2022-01-05 |
| US11424679B2 (en) | 2022-08-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Zamiri et al. | A new cascaded switched-capacitor multilevel inverter based on improved series–parallel conversion with less number of components | |
| US10491098B2 (en) | Soft switching solid state transformers and converters | |
| US8824179B2 (en) | Soft-switching high voltage power converter | |
| EP3387745B1 (en) | System and method for integrating energy storage into modular power converter | |
| US8842452B2 (en) | 3-phase high power UPS | |
| US9362848B2 (en) | Hybrid AC/DC converter for HVDC applications | |
| EP2816718B1 (en) | Multilevel power converter | |
| WO2017144693A1 (en) | Dual submodule for a modular multilevel converter and modular multilevel converter including the same | |
| KR100970566B1 (ko) | 전력회생이 가능한 ｈ-브리지 방식의 멀티레벨 컨버터 | |
| CN107223304B (zh) | 具有能量存储器的多电平变换器 | |
| RU2649888C2 (ru) | Устройство для компенсации реактивной мощности и активной мощности в сети высокого напряжения | |
| CN113474986B (zh) | 用于mmc的换流器单元、mmc及其控制方法 | |
| WO2013149633A9 (en) | A power converter | |
| CN113615066A (zh) | 用于mmc的全桥升降压转换器单元 | |
| Umuhoza et al. | A SiC-based power electronics interface for integrating a battery energy storage into the medium (13.8 kV) distribution system | |
| US11233463B2 (en) | Modular multilevel converter | |
| McHugh et al. | A high power density single-phase inverter using stacked switched capacitor energy buffer | |
| JP2015095926A (ja) | 電力変換システムおよび電力変換システムの初充電方法 | |
| Ismail et al. | A review of recent HVDC tapping topologies | |
| KR20150062999A (ko) | 에너지 저장 장치용 충전 회로를 포함하는 전기 구동 시스템, 그리고 에너지 저장 장치의 작동 방법 | |
| US20240014749A1 (en) | Soft-switching current source inverters | |
| Dabour et al. | Analysis and control of simplified dual-output single-phase split-source boost inverters | |
| Zhang et al. | Predictive current control of multi-pulse flexible-topology thyristor AC-DC converter | |
| RU2377632C2 (ru) | Способ регулирования мощности и устройство однофазного инвертора | |
| MOUNIKA et al. | Single-Phase Inverter using Stacked Switched Capacitor Energy Buffer with EMI Filter |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: Swiss Baden Applicant after: Hitachi energy Switzerland AG Address before: Swiss Baden Applicant before: ABB grid Switzerland AG |
|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20240104 Address after: Zurich, SUI Patentee after: Hitachi Energy Co.,Ltd. Address before: Swiss Baden Patentee before: Hitachi energy Switzerland AG |