CN113992053A - 一种三相串联混合式mmc拓扑结构及控制方法 - Google Patents

一种三相串联混合式mmc拓扑结构及控制方法 Download PDF

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Abstract

一种三相串联混合式MMC拓扑结构及控制方法。涉及电力系统技术领域，具体涉及一种三相串联MMC拓扑结构及控制方法的改进。包括直流侧电路和交流侧电路，所述直流侧电路包括A、B、C三相串联连接的桥臂电路，三相的所述桥臂电路具有相同结构；所述直流侧电路的两端，分别连接直流侧的正负端口；任一相的所述桥臂电路的两端均并联有电容，且三相的所述电容串联连接；所述交流侧电路包括分别连接三相的所述桥臂电路的三个全桥子模块阀串、三个电感和三个变压器；本发明在无功补偿状态下,保证MMC正常工作，为故障清除提供必要时间。

Description

一种三相串联混合式MMC拓扑结构及控制方法
技术领域
本发明涉及电力系统技术领域，具体涉及一种三相串联MMC拓扑结构及控制方法的改进。
背景技术
近年来，随着直交流配电网的发展，MMC(模块化多电平换流器)成为中压交、直流配电网互联与能量交换的关键装置。
中国专利CN112615388A(一种含分布式储能单元的中高压供电质量统一调节器)公开了一种MMC拓扑结构，通过六个桥臂、两两上下级联，形成三个相单元，三个相单元并联连接，上端口连接直流输入端正极、下端口连接直流输入端负极。用于输入电压为Vdc的转换时，每个桥臂都需要N个子模块，六个桥臂共需6N个子模块。MMC需要庞大数量的子模块，具有占地面积大、功率密度低和成本高昂的缺点。
实际应用中，为降低MMC的子模块用量，有两种选择：一种是沿用现有连接结构，提高单个子模块的电容电压；另一种是改进MMC的连接结构，使得同等水平的功率转换下所需子模块的数量减少，即提高MMC的功率密度。
而前种方法，单纯通过增大子模块的电容电压方式来减少MMC所需子模块的数量、实现装置体积减小，将导致子模块电容容量增加、子模块开关承压增大，最终导致MMC损耗增加，降低整体装置的效率，可行性差。因此，如何采用后种方法，通过改进MMC拓扑结构、调整控制方式，减小MMC所需子模块数量，最终实现MMC的功率密度提升、降低装置体积和成本，成为亟待解决的技术难题。
为解决前述技术问题，此前，我们提交了申请号为2021111071015(一种串联式MMC拓扑结构及控制方法)的发明专利申请文件(以下称前案)，前案相比传统MMC结构能够降低1/3的子模块用量。在继续研究中，我们发现，因前案的1-4桥臂组和2-3桥臂组交替接入电路，实质上电路利用的有效的子模块数量只有MMC拓扑总子模块数量的一半，始终存在一半数量的子模块闲置。本着如何进一步提高子模块的利用率，提高MMC的功率密度的目的，本案提出了以下技术方案。
发明内容
本发明针对以上问题，提供了一种运行效率更高，实现轻量化的、高功率密度的三相串联混合式MMC拓扑结构及控制方法。
本发明的技术方案为：
一种三相串联混合式MMC拓扑结构，包括直流侧电路和交流侧电路，
所述直流侧电路包括A、B、C三相串联连接的桥臂电路，三相的所述桥臂电路具有相同结构；所述直流侧电路的两端，分别连接直流侧的正负端口；任一相的所述桥臂电路的两端均并联有电容，且三相的所述电容串联连接；
所述交流侧电路包括分别连接三相的所述桥臂电路的三个全桥子模块阀串、三个电感和三个变压器；
所述桥臂电路包括上子模块阀串、下子模块阀串，分别记为arm1、arm2；所述arm1和arm2之间还串联连接有开关电路；所述开关电路包括四个串接的桥臂开关组，记为S1、S2、S3和S4；所述S1、S2之间设上抽头，所述S3、S4之间设下抽头，所述S1、S3之间设左抽头，所述S2、S4之间设右抽头；所述上抽头连接所述arm1的下端，所述下抽头连接所述arm2的上端；所述全桥子模块阀串的一端连接所述左抽头，另一端串接所述电感后连接所述变压器的原边上端；所述右抽头连接所述变压器的原边下端；
三个所述变压器的副边上端分别形成交流侧A、B、C三相的输出口，三个所述变压器的副边下端相互连接形成交流侧的中性点。
所述上子模块阀串、下子模块阀串的子模块数量之和，等于所述全桥子模块阀串的子模块数量。
所述上子模块阀串或下子模块阀串为半桥子模块、全桥子模块、半桥全桥混合子模块中的一种或几种的串联组合。
所述桥臂开关组为全控型器件、反向并联半控型器件中的一种或两种的同向的串联组合。
所述变压器的原/副边绕组采用Δ/Y连接或Δ/Δ连接。
一种三相串联混合式MMC拓扑结构的控制方法，所述桥臂电路的工作周期分为正半周期和负半周期：正半周期时，S1和S4闭合，S2和S3断开；负半周期时，S2和S3闭合，S1和S4断开；
三相的所述桥臂电路的工作周期的控制方法相同且控制同步。
所述桥臂电路的电压为：
Figure BDA0003328806120000021
所述全桥子模块阀串的电压为：
Figure BDA0003328806120000031
其中，i指代A相、B相、C相中的任一相；m为调制比；k＝0，1，2，3，…，n(n为整数)；Vdc为直流侧端口电压；
Figure BDA0003328806120000032
为任一相的相电压初相位；β为相电压与相电流的相位差；α为功率平衡角一；γ为功率平衡角二；ω为角频率；t为时间。
所述功率平衡角一α和功率平衡角二γ，用于实现所述桥臂电路的功率平衡和所述全桥子模块阀串的功率平衡。
本发明的一种三相串联混合式MMC拓扑结构及控制方法，MMC拓扑结构的全桥子模块阀串在正半周期和负半周期能够被复用，消除了子模块闲置的缺陷，相比传统MMC结构节省了2/3的子模块用量，相比前案MMC结构节省了1/2的子模块用量，使得MMC结构更为紧凑、功率密度进一步得到提升。
其次，在消除环流的处理上，本案相比前案，上/下子模块阀串的子模块数量可灵活配置，不必固定设为二者相等，具有更好的器件适应性。
最后，本发明的全桥子模块阀串既能产生正电平、也能产生负电平，在直流侧发生两极短路或者单极接地短路时，交流侧的全桥子模块阀串可作为STATCOM(静止同步补偿器)使用，工作在无功补偿状态下,保证MMC正常工作，为故障清除提供必要时间。
附图说明
图1是本发明的三相串联混合式MMC拓扑结构的示意图，
图2是本发明的三相串联混合式MMC拓扑结构的功率平衡原理图，
图3是本发明的三相串联混合式MMC拓扑结构的控制原理图。
具体实施方式
以下结合附图1-3，进一步说明本发明。
本发明的一种三相串联混合式MMC拓扑结构，用于直流到交流的转换，包括直流侧电路和交流侧电路，
直流侧电路包括A、B、C三相串联连接的桥臂电路，分别记为armA、armB、armC，三相的桥臂电路具有相同结构；直流侧电路的两端，分别连接直流侧的正负端口；任一相的桥臂电路的两端均并联有电容，且三相的电容串联连接；参见图1，armA的上端连接直流侧正极端口，armA的下端连接armB的上端，armB的下端连接armC的上端，armC的下端连接直流侧负极端口；
交流侧电路包括分别连接三相的桥臂电路的三个全桥子模块阀串、三个电感和三个变压器；
桥臂电路包括上子模块阀串、下子模块阀串，分别记为arm1、arm2；arm1和arm2之间还串联连接有开关电路；开关电路包括四个串接的桥臂开关组，记为S1、S2、S3和S4；S1、S2之间设上抽头，S3、S4之间设下抽头，S1、S3之间设左抽头，S2、S4之间设右抽头；上抽头连接arm1的下端，下抽头连接arm2的上端；全桥子模块阀串的一端连接左抽头，另一端串接电感后连接变压器的原边上端；右抽头连接变压器的原边下端；
三个变压器的副边上端分别形成交流侧A、B、C三相的输出口，三个变压器的副边下端相互连接形成交流侧的中性点。
上子模块阀串、下子模块阀串的子模块数量之和，等于全桥子模块阀串的子模块数量。
上子模块阀串或下子模块阀串为半桥子模块、全桥子模块、半桥全桥混合子模块中的一种或几种的串联组合。
桥臂开关组为全控型器件、反向并联半控型器件中的一种或两种的同向的串联组合。
变压器的原/副边绕组采用Δ/Y连接或Δ/Δ连接。
一种三相串联混合式MMC拓扑结构的控制方法，桥臂电路的工作周期分为正半周期和负半周期：正半周期时，S1和S4闭合，S2和S3断开；负半周期时，S2和S3闭合，S1和S4断开；
三相的桥臂电路的工作周期的控制方法相同且控制同步。
桥臂电路的电压为：
Figure BDA0003328806120000041
全桥子模块阀串的电压为：
Figure BDA0003328806120000042
其中，i指代A相、B相、C相中的任一相；m为调制比；k＝0，1，2，3，…，n(n为整数)；Vdc为直流侧端口电压；
Figure BDA0003328806120000056
为任一相的相电压初相位；β为相电压与相电流的相位差；α为功率平衡角一；γ为功率平衡角二；ω为角频率；t为时间。
功率平衡角一α和功率平衡角二γ，用于实现桥臂电路的功率平衡和全桥子模块阀串的功率平衡。
三相的桥臂电路控制方法相同，以A相为例，参见图2-3，t1-t5为正半周期，此时S1和S4闭合，S2和S3断开；t5-t6为负半周期，此时S2和S3闭合，S1和S4断开。S1/4为正半周期的工作时序图，S2/3为负半周期的工作时序图，VFBSMA为A相的全桥子模块阀串的电压，VarmA为A相的桥臂电路的电压，IAu为正半周期电流，IAl为负半周期电流，VA为A相的交流侧电压，IA是A相的交流侧电流。
参见图2，t1-t3阶段、即浅灰色部分的桥臂电路电压VSMA_C与正半周期电流IAu乘积的积分，用于给桥臂电路的子模块充电；t3-t5阶段、即浅灰色部分的桥臂电路电压VSMA_R与正半周期电流IAu乘积的积分，用于给桥臂电路的子模块放电；t2-t3阶段、即深灰色部分的全桥子模块电压VFBSMA_C和正半周期电流IAu乘积的积分，用于给全桥子模块充电；t4-t5阶段、即深灰色部分的全桥子模块电压VFBSMA_R和正半周期电流IAu乘积的积分，用于给全桥子模块放电。通过设计功率平衡角一α和功率平衡角二γ，使得桥臂电路和全桥子模块阀串在半周期内的充放电之和均为0，分别实现功率平衡。
在t1-t2时(此时
Figure BDA0003328806120000057
)和t3-t4时(此时
Figure BDA0003328806120000058
Figure BDA0003328806120000059
)，A相桥臂电路的电压VarmA为
Figure BDA0003328806120000051
A相的交流侧的全桥子模块阀串的电压VFBSMA为0。
在t2-t3时(此时
Figure BDA00033288061200000510
)，A相桥臂电路的电压VarmA为
Figure BDA0003328806120000052
A相的交流侧的全桥子模块阀串的电压VFBSMA为
Figure BDA0003328806120000053
在t4-t5时(此时
Figure BDA00033288061200000511
)，A相桥臂电路的电压VarmA为
Figure BDA0003328806120000054
A相的交流侧的全桥子模块阀串的电压VFBSMA为
Figure BDA0003328806120000055
B相和C相的控制方法相同。
根据上述控制方法，任一相的桥臂电路的电压Varmi和对应该相的交流侧的全桥子模块阀串的电压VFBSMi之和最大为
Figure BDA0003328806120000061
为传统MMC单相桥臂电压2Vdc的1/3，因此，相比传统MMC，本案的MMC拓扑结构至少可节省2/3的子模块数量，这将大大降低MMC装置的体积和制作成本，提升其功率密度。
在上述控制方法的基础上，采用传统电压均压闭环控制以及功率角度环策略，还能够实现三相桥臂电路的子模块电容电压均衡，拓扑结构直流端口的功率传输稳定。
对于本案所公开的内容，还有以下几点需要说明：
(1)、本案所公开的实施方式仅为示例，通过其他等效变通技术手段实施的技术方案归属本案保护范围；
(2)、在不冲突的情况下，本案所公开的技术特征可以相互组合以得到新的实施例；
以上，仅为本案所公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，本领域技术人员根据本案所公开的内容，对其中某些技术特征作出的修饰变换均应在本案保护范围内。

Claims (8)

1.一种三相串联混合式MMC拓扑结构，包括直流侧电路和交流侧电路，其特征在于，
所述直流侧电路包括A、B、C三相串联连接的桥臂电路，三相的所述桥臂电路具有相同结构；所述直流侧电路的两端，分别连接直流侧的正负端口；任一相的所述桥臂电路的两端均并联有电容，且三相的所述电容串联连接；
所述交流侧电路包括分别连接三相的所述桥臂电路的三个全桥子模块阀串、三个电感和三个变压器；
所述桥臂电路包括上子模块阀串、下子模块阀串，分别记为arm1、arm2；所述arm1和arm2之间还串联连接有开关电路；所述开关电路包括四个串接的桥臂开关组，记为S1、S2、S3和S4；所述S1、S2之间设上抽头，所述S3、S4之间设下抽头，所述S1、S3之间设左抽头，所述S2、S4之间设右抽头；所述上抽头连接所述arm1的下端，所述下抽头连接所述arm2的上端；所述全桥子模块阀串的一端连接所述左抽头，另一端串接所述电感后连接所述变压器的原边上端；所述右抽头连接所述变压器的原边下端；
三个所述变压器的副边上端分别形成交流侧A、B、C三相的输出口，三个所述变压器的副边下端相互连接形成交流侧的中性点。
2.根据权利要求1所述的一种三相串联混合式MMC拓扑结构，其特征在于，所述上子模块阀串、下子模块阀串的子模块数量之和，等于所述全桥子模块阀串的子模块数量。
3.根据权利要求1所述的一种三相串联混合式MMC拓扑结构，其特征在于，所述上子模块阀串或下子模块阀串为半桥子模块、全桥子模块、半桥全桥混合子模块中的一种或几种的串联组合。
4.根据权利要求1所述的一种三相串联混合式MMC拓扑结构，其特征在于，所述桥臂开关组为全控型器件、反向并联半控型器件中的一种或两种的同向的串联组合。
5.根据权利要求1所述的一种三相串联混合式MMC拓扑结构，其特征在于，所述变压器的原/副边绕组采用Δ/Y连接或Δ/Δ连接。
6.一种三相串联混合式MMC拓扑结构的控制方法，其特征在于，所述桥臂电路的工作周期分为正半周期和负半周期：正半周期时，S1和S4闭合，S2和S3断开；负半周期时，S2和S3闭合，S1和S4断开；
三相的所述桥臂电路的工作周期的控制方法相同且控制同步。
7.根据权利要求6所述的一种三相串联混合式MMC拓扑结构的控制方法，其特征在于，所述桥臂电路的电压为：
Figure FDA0003328806110000021
所述全桥子模块阀串的电压为：
Figure FDA0003328806110000022
其中，i指代A相、B相、C相中的任一相；m为调制比；k＝0，1，2，3，…，n(n为整数)；Vdc为直流侧端口电压；
Figure FDA0003328806110000023
为任一相的相电压初相位；β为相电压与相电流的相位差；α为功率平衡角一；γ为功率平衡角二；ω为角频率；t为时间。
8.根据权利要求7所述的一种三相串联混合式MMC拓扑结构的控制方法，其特征在于，所述功率平衡角一α和功率平衡角二γ，用于实现所述桥臂电路的功率平衡和所述全桥子模块阀串的功率平衡。
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