CN114268234A - 高效低谐波的混合型模块化多电平换流器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开高效低谐波的混合型模块化多电平换流器及其控制方法，所述混合型模块化多电平换流器包括基于硅器件的模块化多电平换流器和基于碳化硅器件的谐波补偿器级联；所述基于硅器件的模块化多电平换流器每相均含有上下两个桥臂，每个桥臂包括n个相同的基于硅器件的子模块和一个桥臂电感；所述基于碳化硅器件的谐波补偿器一端连接至换流器的交流侧输出，另一端连接至负载。本发明能够在保证系统输出电能质量的同时降低换流系统的运行损耗，达到高效低谐波的输出效果；采用硅半导体与碳化硅半导体相结合的方法，通过基于碳化硅器件的谐波补偿器，降低模块化多电平变换器输出侧的谐波含量，实现了在保证输出电能质量的前提下。

Description

高效低谐波的混合型模块化多电平换流器及其控制方法

技术领域

本发明涉及换流器领域，具体是一种高效低谐波的混合型模块化多电平换流器及其控制方法。

背景技术

随着电力电子技术的快速发展，模块化多电平换流器(Modular MultilevelConverter,MMC)目前已经成为了高压大功率系统中最具吸引力的变换器拓扑，凭借模块化程度高、可使用低压器件、能量传输效率高、交流侧输出电压谐波含量低、可实现冗余控制等优点，更是在中高压直流输电、交直流电网互联、中压电机驱动等领域中得到了广泛的应用。

目前的模块化多电平换流器所采用的开关器件以硅基绝缘栅双极型晶体管(Si-IGBT)为主，可以实现子模块的自由开断，这一技术相对成熟，但在桥臂子模块数量较少时，往往存在输出谐波含量较高的问题，而如果通过增加子模块数量或提高开关频率来降低谐波，模块化多电平换流器本身的设备成本和开关损耗又会明显增加，因此单一的基于硅器件的模块化多电平换流器存在系统运行效率与电能质量之间的矛盾。

近年来，基于碳化硅的宽禁带功率器件发展迅速。相比于传统的硅器件，碳化硅器件的载流子速度更快，寄生电容更小，这使得碳化硅器件具有电压等级高、开关损耗小、开关频率高等优势，能够显著提高大容量场合的系统效率和功率密度。然而，目前碳化硅器件成本普遍偏高，在传统的多电平换流器系统中，若要保证换流器输出的电能质量高，必须增加子模块数量或提高半导体器件的开关频率，这明显增加了系统的设备成本及运行损耗，降低了运行效率。

发明内容

本发明的目的在于提供高效低谐波的混合型模块化多电平换流器及其控制方法，通过将硅半导体器件和碳化硅半导体器件相结合运用于模块化多电平变换器中，在基于硅器件的换流器系统交流输出侧级联基于碳化硅器件的谐波补偿器，借助碳化硅半导体器件高开关频率低损耗的优势，在保证系统输出电能质量的同时，能够减少模块化多电平换流器桥臂子模块的数量以及硅器件的开关频率，从而降低系统总体损耗，提高了系统的运行效率。同时由于换流器主要半导体器件仍然以硅器件为主，换流器系统的设备成本得到了尽可能的降低。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

高效低谐波的混合型模块化多电平换流器，所述混合型模块化多电平换流器包括基于硅器件的模块化多电平换流器和基于碳化硅器件的谐波补偿器级联；

所述基于硅器件的模块化多电平换流器每相均含有上下两个桥臂，每个桥臂包括n个相同的基于硅器件的半桥子模块单元和一个桥臂电感；

所述基于碳化硅器件的谐波补偿器一端连接至换流器的交流侧输出，另一端连接至负载。

进一步的，所述基于硅器件的模块化多电平换流器直流侧连接直流母线，交流侧连接基于碳化硅器件的谐波补偿器的一端。

进一步的，所述基于碳化硅器件的谐波补偿器包括基于SiC-IGBT的全桥子模块。

进一步的，所述基于碳化硅器件的谐波补偿器包括基于SiC-MOSFET的全桥子模块。

高效低谐波的混合型模块化多电平换流器的控制方法，控制方法包括以下步骤：

S1:对基于硅器件的模块化多电平换流器，采用最近电平调制策略，根据换流器系统想要输出的参考电压波u_j，其中j＝a,b,c，计算得出上桥臂需要投入的子模块数量为：

n_pj＝N/2-round(u_j/U_sm)

下桥臂需要投入的子模块数量为：

n_nj＝N-n_pj

式中，U_sm为子模块电容电压标称值、N为桥臂子模块数量；

S2:对基于碳化硅器件的谐波补偿器，采用高频脉宽调制策略，根据换流器系统想要输出的参考电压波u_j，以及S1中算得的上下桥臂子模块投入数量n_pj、n_nj，推导出基于碳化硅器件的谐波补偿器的调制波:y_{SiC_j}＝u_j-0.5*U_sm*(n_nj-n_pj)；

S3:按照n_pj、n_nj投入相应数量的硅器件子模块，同时按照调制波y_{SiC_j}对谐波补偿器中的全桥模块进行调制，使得换流器系统输出端的三相电压等于参考电压波。

本发明的有益效果：

1、本发明能够在保证系统输出电能质量的同时降低换流系统的运行损耗，达到高效低谐波的输出效果；采用硅半导体与碳化硅半导体相结合的方法，通过基于碳化硅器件的谐波补偿器，来降低模块化多电平变换器输出侧的谐波含量，这样就实现了在保证输出电能质量的前提下，减少子模块数量并降低开关损耗；

2、本发明相比基于单一碳化硅器件的模块化多电平换流器，拥有同样优秀的运行性能，但使用的碳化硅器件数量少，器件成本和系统造价更低；

3、本发所开发的拓扑仍然采用现有常见的MMC子模块结构，保留了系统模块化的特点及冗余特性，且控制方式基于现有的最近电平调制和脉宽调制，较为成熟，无论是搭建新设备还是改造原有模块化多电平换流器设备都便于实施。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明混合型模块化多电平换流器电路图。

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。

如图1所示，本发明为一种高效低谐波的混合型模块化多电平换流器，所述系统由两大部分组成：第一部分是基于硅器件的模块化多电平换流器1，基于硅器件的模块化多电平换流器由基于硅器件的半桥子模块单元1-1和桥臂电感2-1构成，其直流侧连接直流母线，交流侧连接谐波补偿器的一端；第二部分是基于碳化硅器件的谐波补偿器2，采用基于碳化硅的全桥子模块2-1组成，其一端连接基于硅器件的模块化多电流换流器的交流侧，另一端连接至交流电网或负载；所述基于碳化硅器件的谐波补偿器包括基于SiC-IGBT(SiC-Insulated Gate Bipolar Transistor,碳化硅-绝缘栅双极型晶体管)或SiC-MOSFET(SiC-Metal Oxide SemiconductorField-Effect Transistor，碳化硅-金氧半场效晶体管)的全桥子模块。

高效低谐波的混合型模块化多电平换流器的控制方法包括以下步骤：

S1:对基于硅器件的模块化多电平换流器，采用最近电平调制策略，根据换流器系统想要输出的参考电压波u_j(j＝a,b,c)，子模块电容电压标称值U_sm、和桥臂子模块数量N，计算得出上桥臂需要投入的子模块数量为n_pj＝N/2-round(u_j/U_sm)，下桥臂需要投入的子模块数量为n_nj＝N-n_pj。

S2:对基于碳化硅器件的谐波补偿器，采用高频脉宽调制策略，根据换流器系统想要输出的参考电压波u_j(j＝a,b,c)，以及S1中算得的上下桥臂子模块投入数量n_pj、n_nj，可以算出谐波补偿器的调制波y_{SiC_j}＝u_j-0.5*U_sm*(n_nj-n_pj)。

S3:按照n_pj、n_nj投入相应数量的硅器件子模块，同时按照调制波y_{SiC_j}对谐波补偿器中的全桥模块进行调制，使得换流器系统输出端的三相电压等于参考电压波。

以上高效低谐波的混合型模块化多电平换流器，能够很好的平衡换流器输出电能质量与系统运行损耗之间的矛盾，达到了高效低谐波的输出效果。另外，与现有的单一器件多电平换流器相比，本发明都在系统损耗或设备成本方面拥有明显优势，可以有效提高系统运行或投资效益。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

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 (5)

1.高效低谐波的混合型模块化多电平换流器，其特征在于，所述混合型模块化多电平换流器包括基于硅器件的模块化多电平换流器(1)和基于碳化硅器件的谐波补偿器(2)级联；

所述基于硅器件的模块化多电平换流器(1)每相均含有上下两个桥臂，每个桥臂包括n个相同的基于硅器件的半桥子模块单元(1-1)和一个桥臂电感(2-1)；

所述基于碳化硅器件的谐波补偿器(2)一端连接至换流器(1)的交流侧输出，另一端连接至负载。

2.根据权利要求1所述的高效低谐波的混合型模块化多电平换流器，其特征在于，所述基于硅器件的模块化多电平换流器(1)直流侧连接直流母线，交流侧连接基于碳化硅器件的谐波补偿器(2)的一端。

3.根据权利要求1或2所述的高效低谐波的混合型模块化多电平换流器，其特征在于，所述基于碳化硅器件的谐波补偿器(2)包括基于SiC-IGBT的全桥子模块。

4.根据权利要求1或2所述的高效低谐波的混合型模块化多电平换流器，其特征在于，所述基于碳化硅器件的谐波补偿器(2)包括基于SiC-MOSFET的全桥子模块。

5.基于权利要求1或2所述的混合型模块化多电平换流器的控制方法，其特征在于，控制方法包括以下步骤：

S1:对基于硅器件的模块化多电平换流器(2)，采用最近电平调制策略，根据换流器系统想要输出的参考电压波u_j，其中j＝a,b,c，计算得出上桥臂需要投入的子模块数量为：

n_pj＝N/2-round(u_j/U_sm)

下桥臂需要投入的子模块数量为：

n_nj＝N-n_pj

式中，U_sm为子模块电容电压标称值、N为桥臂子模块数量；

S2:对基于碳化硅器件的谐波补偿器(2)，采用高频脉宽调制策略，根据换流器系统想要输出的参考电压波u_j，以及S1中算得的上下桥臂子模块投入数量n_pj、n_nj，推导出基于碳化硅器件的谐波补偿器的调制波:y_{SiC_j}＝u_j-0.5*U_sm*(n_nj-n_pj)；

S3:按照n_pj、n_nj投入相应数量的硅器件子模块，同时按照调制波y_{SiC_j}对谐波补偿器中的全桥模块进行调制，使得换流器系统输出端的三相电压等于参考电压波。

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