CN114221564B - 一种基于桥臂分时复用的混合型mmc拓扑结构装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于桥臂分时复用的混合型MMC拓扑结构装置，为三相结构，每相由靠近直流侧的直流开关组，靠近交流侧的交流开关组，共用桥臂组和交流电抗器组成；所述直流开关组包含上桥臂直流开关组和下桥臂直流开关组；所述交流开关组包含上桥臂交流开关组和下桥臂交流开关组；所述共用桥臂组由全桥子模块串联组成。本发明采用的交流开关组由同向连接和反向连接的功率开关管串联组成，具备直流故障阻断能力。同时，与基于全桥子模块的MMC拓扑结构相比较，本发明所提出的混合拓扑受益于对共用桥臂的分时复用控制，实现了桥臂中子模块数量由4*N4减为N4，且子模块电容值也明显降低，能够在较大程度上降低装置体积。

Description

一种基于桥臂分时复用的混合型MMC拓扑结构装置
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种基于桥臂分时复用的混合MMC拓扑结构装置。
背景技术
模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)具有高度模块化、易于扩展和输出电压波形好等特点，尤其适用于高压直流输电系统。近年来，高压大容量柔性直流输电工程的建设对更高电压等级和更大容量MMC换流阀的研制提出了迫切需求。然而，随着电压等级和系统容量的提升，换流阀的重量、体积和造价都会急剧增加，限制了柔性直流输电技术的推广应用。特别是对土地资源有较大限制的城市电网互联或多馈入供电场景，对换流阀尺寸及重量有较高要求的柔性直流换流阀海上风电送出平台，以及对换流阀重量有较高要求的高烈度地震多发地区等，亟需突破柔性直流换流阀的轻型化关键技术瓶颈。
发明内容
本发明公开了一种基于桥臂分时复用的混合型MMC拓扑结构装置，以降低全桥子模块MMC系统所需子模块数量和子模块电容容值，进而降低系统体积和成本。
一种基于桥臂分时复用的混合型MMC拓扑结构装置，为三相结构，其特征在于：
所述三相结构中，每相由靠近直流侧的直流开关组，靠近交流侧的交流开关组和共用桥臂组组成；
所述直流开关组包含上桥臂直流开关组和下桥臂直流开关组；
所述交流开关组包含上桥臂交流开关组和下桥臂交流开关组；
任一相中上桥臂直流开关组的一端与共用桥臂组的一端对应连接并形成端口A；
任一相中上桥臂直流开关组的另一端与直流母线电压的正极连接；
任一相中下桥臂的一端与共用桥臂组的另一端对应连接并形成端口B；
任一相中下桥臂直流开关组的另一端与直流母线电压的负极连接；
任一相中上桥臂交流开关组的一端与端口A连接；
任一相中下桥臂交流开关组的一端与端口B连接；
任一相中上桥臂交流开关组的另一端与下桥臂交流开关组的另一端连接并形成交流端口C：
任一相中交流端口C和交流电抗器L的一端连接；
任一相中交流电抗器L的另一端形成交流端口D。
进一步的，所述基于桥臂分时复用的混合型MMC拓扑结构装置，其特征在于：三相交流端口D的线电压为相位互差2π/3的三相电压。
进一步的，所述基于桥臂分时复用的混合型MMC拓扑结构装置，其特征在于：所述直流开关组由N1个同向连接的功率开关管串联而成。
进一步的，所述基于桥臂分时复用的混合型MMC拓扑结构装置，其特征在于：所述交流开关组由N2个同向连接的功率开关管和N3个反向连接的功率开关管串联而成。
进一步的，所述基于桥臂分时复用的混合型MMC拓扑结构装置，其特征在于：所述功率开开关管采用带反向二极管的IGBT。
进一步的，所述基于桥臂分时复用的混合型MMC拓扑结构装置，其特征在于：所述共用桥臂由N4个全桥子模块组成。
进一步的，所述基于桥臂分时复用的混合型MMC拓扑结构装置，其特征在于：所述全桥子模块由四个功率开关管S1～S4和一个悬浮电容C构成，
功率开关管S1的一端分别和S3的一端，悬浮电容C的一端连接，功率开关S1的另一端与功率开关S2的一端连接并作为全桥子模块的连接端口X，功率开关管S3的另一端与功率开关S4的一端连接并作为全桥子模块的连接端口Y，功率开关管S2的另一端分别与功率开关管S4的另一端，悬浮电容C的另一端连接。
本发明能够实现如下有益效果：
本发明提出的基于桥臂分时复用的混合MMC拓扑结构装置，与基于全桥子模块的MMC拓扑相比，各相子模块数量由4*N4减为N4，子模块数量大幅降低；
本发明提出的基于桥臂分时复用的混合MMC拓扑结构装置，与基于全桥子模块的MMC拓扑相比，共用桥臂中子模块的电容容值也大幅降低，降低了系统体积和重量；
本发明由于交流开关组的功率开关管反向连接，可以阻断直流故障电流；
本发明提出的基于桥臂分时复用的混合MMC拓扑结构装置，无需配置传统MMC拓扑所需的桥臂空芯电抗器，只需在交流侧安装体积较小的交流电抗器即可，其所需电抗器数量较传统MMC拓扑降低一倍。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为所提出的混合MMC拓扑电路图
图2为混合MMC拓扑中上桥臂直流开关组和下桥臂直流开关组的开关结构图
图3为混合MMC拓扑中上桥臂交流开关组和下桥臂交流开关组的开关结构图
图4为共用桥臂中全桥子模块的电路图
图5为共用桥臂组电流波形。
图6为直流开关组和交流开关组的电流波形。
图7为共用桥臂组的子模块电容电压波形。
图8为调制比为1.25时的子模块电容电压波形。
图9为子模块电容电压纹波比较图。
图10为所提出拓扑的输出线电压波形。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
以A相为例进行分析：令A相交流端口相电压为：
va(t)＝Vasinωt (1)
令A相交流端口相电流为：
其中，Va为相电压幅值，Ia为相电流幅值，ω为交流电压角频率，为相电压和相电流的相位差。
令上桥臂直流开关组和下桥臂交流开关组的驱动信号为：
令上桥臂直流开关组和下桥臂交流开关组的驱动信号为：
令共用桥臂的桥臂输出电压和电流分别为：
其中，Vm为注入三次谐波电压幅值，为三次谐波电压和三次谐波电流的相差，Vdc为直流母线电压，uarma为A相共用桥臂的输出电压，iarma为A相共用桥臂的桥臂电流，va为所提出混合MMC拓扑的交流侧给定电压，v`a和i`a分别为基于三次谐波方案的交流侧等效输出电压和电流。
由(5)和(6)可以得出A相共用桥臂在半个工频周期的平均功率为
为了维持共用桥臂中全桥子模块的功率平衡，要求Parma＝0，即：
为方便分析，将式(8)等效表示为：
其中，L为系统交流侧电感，Z1为基波频率对应的负载阻抗，Zm为三次谐波对应的负载阻抗。因此，由式(9)可知，当调制比m给定时，可以通过计算得出满足共用桥臂功率平衡所需注入的三次谐波电压幅值Vm。进而得出式(5)中所需的共用桥臂的电压和电流给定值，对共用桥臂中的全桥子模块进行控制，维持本专利所提出的混合MMC拓扑的稳定运行。
图1为所提出的混合MMC拓扑电路图：为三相结构，其特征在于：每相由靠近直流侧的直流开关组，靠近交流侧的交流开关组、共用桥臂组和交流电抗器组成；所述直流开关组包含上桥臂直流开关组和下桥臂直流开关组；所述交流开关组包含上桥臂交流开关组和下桥臂交流开关组；所述共用桥臂组由全桥子模块串联组成；任一相中上桥臂直流开关组的一端与共用桥臂组的一端对应连接并形成端口A；任一相中上桥臂直流开关组的另一端与直流母线电压的正极连接；任一相中下桥臂的一端与共用桥臂组的另一端对应连接并形成端口B；任一相中下桥臂的另一端与直流母线电压的负极连接；任一相中上桥臂交流开关组的一端与端口A连接；任一相中下桥臂交流开关组的一端与端口B连接；任一相中上桥臂交流开关组的另一端与下桥臂交流开关组的另一端连接并形成交流端口C；任一相交流端口C与交流电抗器的一端连接；任一相交流电抗器的另一端形成交流端口D。
图2为混合MMC拓扑中上桥臂直流开关组和下桥臂直流开关组的开关结构图：由同向连接的IGBT串联形成。
图3为混合MMC拓扑中上桥臂交流开关组和下桥臂交流开关组的开关结构图：由同向连接的IGBT和反向连接的IGBT串联形成。
图4为共用桥臂中全桥子模块的电路图：由四个功率开关管S1～S4和一个悬浮电容C构成，功率开关管S1的一端分别和S3的一端，悬浮电容C的一端连接，功率开关S1的另一端与功率开关S2的一端连接并作为全桥子模块的连接端口A，功率开关管S3的另一端与功率开关S4的一端连接并作为全桥子模块的连接端口B，功率开关管S2的另一端分别与功率开关管S4的另一端，悬浮电容C的另一端连接。
图5为阻感负载下的共用桥臂中的电流波形。
图6为直流开关组和交流开关组的电流波形。
图7为共用桥臂组的子模块电容电压波形。
图8为调制比m＝1.25时的子模块电容电压波形：其中图8(a)为传统全桥子模块MMC拓扑对应的电容电压波形，图8(b)为本专利所提出拓扑的子模块电容电压波形。由图可知，本项目提出的新型拓扑具有更低的子模块电容电压纹波。
图9为传统全桥子模块MMC和本项目所提出MMC拓扑在不同调制比情况下的子模块电容电压纹波比较图，可以看出，本发明所提出的新型拓扑在较长的调制比范围内具有更小的子模块电容电压纹波。
图10为所提出拓扑的输出线电压波形，在t＝0.7s时，系统调制比由1.2降为0.8。由仿真结果可以看出，各桥臂电压电流关系与理论分析相符，验证了本发明提出的基于桥臂分时复用的混合MMC拓扑的可行性。
综上所述，尽管本发明的基本结构、原理、方法通过以上实例予以具体阐述，但不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (2)

1.一种基于桥臂分时复用的混合型MMC拓扑结构装置，为三相结构，其特征在于：所述三相结构中，每相由靠近直流侧的直流开关组、靠近交流侧的交流开关组、共用桥臂组和交流电抗器组成；
所述直流开关组包含上桥臂直流开关组和下桥臂直流开关组；
所述交流开关组包含上桥臂交流开关组和下桥臂交流开关组；
任一相中上桥臂直流开关组的一端与共用桥臂组的一端对应连接并形成端口A；任一相中上桥臂直流开关组的另一端与直流母线电压的正极连接；
任一相中下桥臂直流开关组的一端与共用桥臂组的另一端对应连接并形成端口B；
任一相中下桥臂直流开关组的另一端与直流母线电压的负极连接；
任一相中上桥臂交流开关组的一端与端口A连接；
任一相中下桥臂交流开关组的一端与端口B连接；
任一相中上桥臂交流开关组的另一端与下桥臂交流开关组的另一端连接并形成交流端口C；
任一相中交流端口C和交流电抗器L的一端连接；
任一相中交流电抗器L的另一端形成交流端口D；
所述直流开关组由N1个同向连接的功率开关管串联而成；
所述交流开关组由N2个同向连接的功率开关管和N3个反向连接的功率开关管串联而成；
所述功率开关管采用带反向二极管的IGBT；
任一相中共用桥臂组由N4个全桥子模块组成，所述全桥子模块由四个功率开关管S1～S4和一个悬浮电容C构成，
功率开关管S1的一端分别和S3的一端、悬浮电容C的一端连接，功率开关S1的另一端与功率开关S2的一端连接并作为全桥子模块的连接端口X，功率开关管S3的另一端与功率开关S4的一端连接并作为全桥子模块的连接端口Y，功率开关管S2的另一端分别与功率开关管S4的另一端、悬浮电容C的另一端连接。
2.如权利要求1所述的基于桥臂分时复用的混合型MMC拓扑结构装置，其特征在于：三相交流端口D的线电压为相位互差2π/3的三相电压。
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