CN113595424B - 一种桥臂复用mmc拓扑结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种桥臂复用MMC拓扑结构，属于电力系统技术领域；本桥臂复用MMC拓扑结构由上复用桥臂电路、下复用桥臂电路、三相常规MMC桥臂电路、三相滤波电感组成；上、下复用桥臂电路分别由三相全桥开关电路和复用桥臂子模块阀串并联组成；三相常规MMC桥臂电路的任一相桥臂由桥臂子模块阀串和桥臂电感串联组成；常规MMC任一相上、下桥臂电路分别对应连接上、下三相全桥开关电路上下开关的中间点；本发明中的一种桥臂复用MMC拓扑，具备传统MMC的交流端口、直流端口的电气特性，通过增加上、下复用桥臂电路，实现上、下复用桥臂被三相常规MMC上、下桥臂电路分时复用，相比传统MMC，可节省1/6子模块数量，降低装置体积，降低成本，提升MMC功率密度。

Description

一种桥臂复用MMC拓扑结构
技术领域
本发明涉及电力系统的技术领域，具体是一种桥臂复用MMC拓扑结构。
背景技术
近年来，随着中低压交直流配电网的发展，MMC成为中低压交直流配电网与中高压交直流电网能量互联的关键装置。但在实际应用中，MMC暴露出占地面积大、功率密度低和成本较高的问题，数量庞大的MMC子模块是造成以上情况的原因之一。因此如何降低MMC子模块数量，调整控制方式，保证传统MMC的交直流端口电气特性，对推动实现MMC低成本、少占地和高功率密度应用，具有巨大的价值。
发明内容
针对上述技术背景提到的不足，本发明的目的在于提供一种桥臂复用MMC拓扑结构。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种桥臂复用MMC拓扑结构，所述拓扑结构由上复用桥臂电路、下复用桥臂电路、三相常规MMC桥臂电路、三相滤波电感组成；
所述上复用桥臂由上三相全桥开关电路和上复用桥臂子模块阀串并联组成；
所述下复用桥臂由上三相全桥开关电路和下复用桥臂子模块阀串并联组成；
所述三相常规MMC桥臂电路的任一相由上桥臂子模块阀串、上桥臂电感和下桥臂子模块阀串、下桥臂电感串联组成；
所述三相常规MMC桥臂电路的任一相桥臂由桥臂模块阀串和桥臂电感串联组成；
所述三相常规MMC桥臂电路的上下桥臂中间点分别对应连接三相滤波电感。
进一步的，所述上复用桥臂的上三相全桥开关电路上端和上复用桥臂子模块阀串上端连接；
所述上复用桥臂的上三相全桥开关电路下端和上复用桥臂子模块阀串下端连接；
所述上复用桥臂的上三相全桥开关电路由三个半桥开关电路并联组成；
所述上三相全桥开关电路的任一相半桥电路上开关上端相互连接，并共同和上复用桥臂阀串上端、直流端口正极相连；
所述上三相全桥开关电路的任一相半桥电路下开关下端相互连接，并共同和上复用桥臂阀串下端相连；
进一步的，所述下复用桥臂的下三相全桥开关电路上端和下复用桥臂子模块阀串上端连接；
所述下复用桥臂的下三相全桥开关电路下端和下复用桥臂子模块阀串下端连接；
所述下复用桥臂的下三相全桥开关电路由三个半桥开关电路并联组成；
所述下三相全桥开关电路的任一相半桥电路上开关上端相互连接，并共同和下复用桥臂阀串上端相连；
所述下三相全桥开关电路的任一相半桥电路下开关下端相互连接，并共同和下复用桥臂阀串下端、直流端口负极相连；
进一步的，所述上、下三相全桥开关电路中的开关可为串联的同向全控型器件或反向并联半控型器件；
所述三相全桥开关电路中上下开关互补导通；
进一步的，所述上下复用桥臂子模块阀串数量相等；
所述上下复用桥臂子模块可为半桥子模块、全桥子模块或混合子模块；
进一步的，所述三相常规MMC桥臂电路中任一相上下桥臂子模块阀串数量均相等，且上下桥臂对称；
所述三相常规MMC桥臂电路中任一相桥臂电感值均相等；
所述三相常规MMC桥臂电路中子模块可为半桥子模块、全桥子模块或混合子模块；
进一步的，所述三相常规MMC桥臂电路中任一相上桥臂最上端接对应上三相全桥开关电路上下开关中间点；
所述三相常规MMC桥臂电路中任一相下桥臂最下端接对应下三相全桥开关电路上下开关中间点；
进一步的，所述三相滤波电感分别连接对应三相常规MMC桥臂电路的中间点；
所述三相滤波电感另一端分别连接对应交流侧三相端口；
进一步的，所述上复用桥臂子模块阀串工作阶段为任一相交流相电压均小于其他两相相电压的时间阶段，且被该相上桥臂所分时复用；
所述下复用桥臂子模块阀串工作阶段为任一相交流相电压均大于其他两相相电压的时间阶段，且被该相上桥臂所分时复用；
所述上、下复用桥臂子模块阀串功率平衡，通过设计功率平衡角实现复用桥臂子模块被任一相桥臂复用阶段的功率平衡；
所述上、下复用桥臂子模块阀串调制电压为所设计功率平衡的电压。
所述三相常规MMC桥臂电路的任一相上下桥臂调制电压为传统MMC调制电压减去被该桥臂所复用桥臂子模块阀串的调制电压；
进一步的，所述上、下复用桥臂子模块阀串被三相常规MMC的任一相上、下桥臂分时复用，分别最大可产生任一相交流相电压峰值的一半，相比较传统MMC，可节省1/6子模块数量。
本发明的有益效果：
本发明中的一种桥臂复用MMC拓扑，具备传统MMC的交流端口、直流端口的电气特性，通过增加上、下复用桥臂电路，实现上、下复用桥臂被三相常规MMC上、下桥臂电路分时复用，相比传统MMC，可节省1/6子模块数量，降低装置体积，降低成本，提升MMC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是本发明的桥臂复用MMC拓扑图；
图2是桥臂复用MMC拓扑的基本控制方法；
图3是桥臂复用MMC拓扑三相常规桥臂子模块电压工作波形；
图4是桥臂复用MMC拓扑上、下复用桥臂子模块电压工作波形；
图5是桥臂复用MMC拓扑的交流侧电流波形。
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。
本发明提出的一种桥臂复用MMC拓扑结构，所述拓扑结构由上复用桥臂电路、下复用桥臂电路、三相常规MMC桥臂电路、三相滤波电感组成
实施例如下：
如图1所示，所述上复用桥臂由上三相全桥开关电路和上复用桥臂子模块阀串并联组成；所述下复用桥臂由上三相全桥开关电路和下复用桥臂子模块阀串并联组成；所述上、下复用桥臂三相全桥开关电路开关可为同向串联全控器件或者反向并联半控器件组成；所述三相常规MMC桥臂电路的任一相由上桥臂子模块阀串、上桥臂电感和下桥臂子模块阀串、下桥臂电感串联组成；所述上、下复用桥臂子模块阀串、常规MMC桥臂子模块阀串可为半桥、全桥或者半桥/全桥混合型模块；三相常规MMC桥臂电路的A相上桥臂连接上复用桥臂Au点，B相上桥臂连接上复用桥臂Bu点，C相上桥臂连接上复用桥臂Cu点；A相下桥臂连接下复用桥臂Al点，B相下桥臂连接下复用桥臂Bl点，C相下桥臂连接下复用桥臂Cl点。上复用桥臂上端连接直流端口正极，下复用桥臂下端连接直流端口负极。三相常规MMC桥臂中间点A、B、C分别连接滤波电感La、Lb和Lc，三相滤波电感La、Lb和Lc分别对应连接a、b、c三相交流端口。
与上述相对应，提出了一种适用于本发明所述的MMC拓扑的基本控制方法，以A相调制为例，如图2所示，桥臂复用MMC工作模态分析如下所示。在ω2-ω8时,Qal1导通，Qal2关断，下复用桥臂复用到A相下桥臂，B相、C相下桥臂分别通过Qbl2、Qcl2接入直流端口负极；在ω8-ω14时，Qbl1导通，Qbl2关断，下复用桥臂复用到B相下桥臂，A相、C相下桥臂分别通过Qal2、Qcl2接入直流端口负极；在ω14-ω20时，Qcl1导通，Qcl2关断，下复用桥臂复用到C相下桥臂，A相、B相下桥臂分别通过Qal2、Qbl2接入直流端口负极。同理，在ω5-ω11时,Qcu2导通，Qcu1关断，上复用桥臂复用到C相上桥臂，A相、B相下桥臂分别通过Qau1、Qbu1接入直流端口正极；在ω11-ω17时,Qau2导通，Qau1关断，上复用桥臂复用到A相上桥臂，B相、C相下桥臂分别通过Qbu1、Qcu1接入直流端口正极；在大于ω17的1/6工频周期时间里，Qbu2导通，Qbu1关断，上复用桥臂复用到B相上桥臂，A相、C相下桥臂分别通过Qau1、Qcu1接入直流端口正极。其中，上下复用桥臂调制电压为交流侧电压的一半，常规桥臂调制电压为传统MMC桥臂调制电压减去复用桥臂调制电压，以A相调制为例，详细的调制原理分析如下:为了上、下复用桥臂子模块阀串功率平衡，在一个周期中ω2＝π/6、ω5＝π/2、ω8＝5π/6、ω11＝7π/6、ω14＝3π/2、ω17＝11π/6各点设计左右相同功率平衡角δ，使得[ω2-δ，ω2+δ](也为[ω18，ω4])、[ω8-δ，ω8+δ]([ω6，ω10])阶段，下复用子模块投入工作，被A相下桥臂复用，此阶段，下复用桥臂子模块调制波VSMl*＝m(标幺后，载波为[-1,1],其中，m为调制比),A相下桥臂调制波为
Figure BDA0003205432030000068
(
Figure BDA0003205432030000061
为a相初相位)；在一个周期中[ω2+δ，ω8-δ]([ω4，ω6])阶段，下复用子模块被A相下桥臂复用，下复用桥臂调制波为
Figure BDA0003205432030000063
A相下桥臂调制波为
Figure BDA0003205432030000062
在一个周期中[ω8+δ，ω2-δ]([ω10，ω18])阶段，A相下桥臂调制波为
Figure BDA0003205432030000064
在一个周期中[ω11-δ，ω11+δ]([ω9，ω13])、[ω17-δ，ω17+δ]([ω15，ω19])阶段，上复用子模块被A相上桥臂复用，上复用桥臂调制波为VSMu*＝m，A相下桥臂调制波为
Figure BDA0003205432030000065
在一个周期中[ω11+δ，ω17-δ]([ω13，ω15])阶段，上复用子模块被A相上桥臂复用，上复用桥臂调制波为
Figure BDA0003205432030000066
A相上桥臂调制波为
Figure BDA0003205432030000067
在一个周期中[ω17+δ，ω11-δ]([ω1，ω9])阶段，A相上桥臂调制波为
Figure BDA0003205432030000071
同理，B相、C相调制原理同A相调制相同。
在前述基本控制方法下，采用传统电压均压闭环控制以及功率角度闭环控制策略，实现三相常规桥臂电路及上下复用桥臂电路稳定工作，三相常规MMC桥臂子模块、上下复用桥臂子模块电容电压均衡，三相常规MMC桥臂子模块电容电压如图3所示，上下复用桥臂子模块电容电压波形如图4所示，三相交流侧电流波形如图5所示。
实施例1中的拓扑结构相对于传统MMC拓扑结构，可节省1/6的子模块数量，降低成本，减小装置体积，提高功率密度，同时具有传统MMC的交直流端口电气特性，具有较高的工程应用价值，但增加了部分复用桥臂选择开关，复用桥臂选择开关最大承压为复用桥臂子模块阀串电压和的一半。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (9)

1.一种桥臂复用MMC拓扑结构，其特征在于，所述拓扑结构由上复用桥臂电路、下复用桥臂电路、三相常规MMC桥臂电路、三相滤波电感组成；
所述上复用桥臂由上三相全桥开关电路和上复用桥臂子模块阀串并联组成；
所述下复用桥臂由上三相全桥开关电路和下复用桥臂子模块阀串并联组成；
所述三相常规MMC桥臂电路的任一相由上桥臂子模块阀串、上桥臂电感和下桥臂子模块阀串、下桥臂电感串联组成；
所述三相常规MMC桥臂电路的任一相桥臂由桥臂模块阀串和桥臂电感串联组成；
所述三相常规MMC桥臂电路的上下桥臂中间点分别对应连接三相滤波电感；
所述上复用桥臂的上三相全桥开关电路上端和上复用桥臂子模块阀串上端连接；
所述上复用桥臂的上三相全桥开关电路下端和上复用桥臂子模块阀串下端连接；
所述上复用桥臂的上三相全桥开关电路由三个半桥开关电路并联组成；
所述上三相全桥开关电路的任一相半桥电路上开关上端相互连接，并共同和上复用桥臂阀串上端、直流端口正极相连；
所述上三相全桥开关电路的任一相半桥电路下开关下端相互连接，并共同和上复用桥臂阀串下端相连。
2.根据权利要求1所述的一种桥臂复用MMC拓扑结构，其特征在于，所述下复用桥臂的下三相全桥开关电路上端和下复用桥臂子模块阀串上端连接；
所述下复用桥臂的下三相全桥开关电路下端和下复用桥臂子模块阀串下端连接；
所述下复用桥臂的下三相全桥开关电路由三个半桥开关电路并联组成；
所述下三相全桥开关电路的任一相半桥电路上开关上端相互连接，并共同和下复用桥臂阀串上端相连；
所述下三相全桥开关电路的任一相半桥电路下开关下端相互连接，并共同和下复用桥臂阀串下端、直流端口负极相连。
3.根据权利要求2所述的一种桥臂复用MMC拓扑结构，其特征在于，所述上、下三相全桥开关电路中的开关可为串联的同向全控型器件或反向并联半控型器件；
所述三相全桥开关电路中上下开关互补导通。
4.根据权利要求1所述的一种桥臂复用MMC拓扑结构，其特征在于，所述上下复用桥臂子模块阀串数量相等；
所述上下复用桥臂子模块可为半桥子模块、全桥子模块或混合子模块。
5.根据权利要求1所述的一种桥臂复用MMC拓扑结构，其特征在于，所述三相常规MMC桥臂电路中任一相上下桥臂子模块阀串数量均相等，且上下桥臂对称；
所述三相常规MMC桥臂电路中任一相桥臂电感值均相等；
所述三相常规MMC桥臂电路中子模块可为半桥子模块、全桥子模块或混合子模块。
6.根据权利要求1所述的一种桥臂复用MMC拓扑结构，其特征在于，所述三相常规MMC桥臂电路中任一相上桥臂最上端接对应上三相全桥开关电路上下开关中间点；
所述三相常规MMC桥臂电路中任一相下桥臂最下端接对应下三相全桥开关电路上下开关中间点。
7.根据权利要求1所述的一种桥臂复用MMC拓扑结构，其特征在于，所述三相滤波电感分别连接对应三相常规MMC桥臂电路的中间点；
所述三相滤波电感另一端分别连接对应交流侧三相端口。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种桥臂复用MMC拓扑结构的基本控制方法，其特征在于，所述上复用桥臂子模块阀串的工作阶段为任一相交流相电压均小于其他两相相电压的时间阶段，且被该相上桥臂所分时复用；
所述下复用桥臂子模块阀串工作阶段为任一相交流相电压均大于其他两相相电压的时间阶段，且被该相上桥臂所分时复用；
所述上、下复用桥臂子模块阀串功率平衡，通过设计功率平衡角实现复用桥臂子模块被任一相桥臂复用阶段的功率平衡；
所述上、下复用桥臂子模块阀串调制电压为所设计功率平衡的电压；
所述三相常规MMC桥臂电路的任一相上下桥臂调制电压为传统MMC调制电压减去被该桥臂所复用桥臂子模块阀串的调制电压。
9.根据权利要求8所述的一种桥臂复用MMC拓扑结构的基本控制方法，其特征在于，所述上、下复用桥臂子模块阀串被三相常规MMC的任一相上、下桥臂分时复用，分别最大可产生任一相交流相电压峰值的一半，相比较传统MMC，可节省1/6子模块数量。
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