CN114362542A

CN114362542A - 基于单相mmc的超高变比多端口直流变换器拓扑

Info

Publication number: CN114362542A
Application number: CN202210037567.0A
Authority: CN
Inventors: 赵成勇; 杜舒; 郭小江; 申旭辉
Original assignee: Huaneng Clean Energy Research Institute; North China Electric Power University; Huaneng Group Technology Innovation Center Co Ltd
Current assignee: Huaneng Clean Energy Research Institute; North China Electric Power University; Huaneng Group Technology Innovation Center Co Ltd
Priority date: 2022-01-13
Filing date: 2022-01-13
Publication date: 2022-04-15

Abstract

本发明涉及一种基于单相MMC的超高变比多端口直流变换器拓扑(Ultra‑high ratio multi‑port DC converter topology based on single‑phase MMC)，主要针对的是海上风电的直流汇集和送出。所述拓扑采用“多端口独立输入，串联输出”方案，利用MMC子模块的多端口输入实现功率汇集，同时利用m个MMC子模块串联输出实现超高变比的直流升压，每个子模块对应一个端口，每个端口对应k台风机，只需二次DC‑DC变换，就可实现高压或特高压直流送出，其中m>1，k≥1；所述直流变换器拓扑具有多个独立输入的端口，实现风机间的解耦，当单台风机发生故障或检修时，其切除不影响整体海上风电系统的稳定运行，大大提高了系统的可靠性；所述直流变换器拓扑利用单相MMC子模块输出端直接串联升压，实现的直流功率送出，相比三相MMC而言，简化了DC‑DC变换器的结构，降低了变流器的体积和重量，从而大大减少海上平台的建设成本。

Description

基于单相MMC的超高变比多端口直流变换器拓扑

技术领域

本发明涉及一种基于单相MMC的超高变比多端口直流变换器拓扑，属于MMC直流变换器技术领域。

背景技术

为实现我国“碳达峰”“碳中和”的目标并满足能源需求，资源丰富、消纳方便、不占用土地、适宜大规模开发的海上风电将成为必然选择。随着海上资源的开发不断朝着远距离、大容量发展，采用直流汇集、直流传输的全直流海上风电场可以避免电缆的交流电压无功问题，有效地降低系统建设成本，减小系统损耗，提高系统效率。

针对海上风电这一场景，有学者提出输入并联输出串联型模块化结构，但需要大量的隔离变压器，且这些变压器的绕组之间存在很高的电位差，绝缘设计困难。也有学者提出基于MMC背靠背的直流变换器，但需要的子模块数量较多，重量和体积成本增加。

本发明提出一种基于单相MMC的超高变比多端口直流变换器拓扑及其控制方法，可用于实现海上风电直流送出的故障隔离，提高能量转换效率，节省投资，具有很好的工程应用前景。

发明内容

本发明提供一种基于单相MMC的超高变比多端口直流变换器拓扑，用于汇集多个风机端口输送的电能，并实现超高变比的直流升压，直流变换器中每个MMC子模块的输入端为经过整流或逆变等交直流变换后的k台风机，通过多端口输入从而实现功率汇集，同时利用m个MMC子模块的输出串联实现超高变比的直流升压，实现的直流功率送出，m>1，k≥1。

单相MMC直流变换器由m个MMC子模块输入端接入风机发出的功率，通过多端口输入实现功率汇集，输出端直接串联实现直流电压的抬升，变比可达几十到上百倍，m>1。每个子模块的输入端相互独立，输出端串联，其中子模块可以具有以下工作模式：

1)子模块导通时，输入功率经过桥臂，输送到高压直流线路上；

2)子模块关断时，输入功率暂时存储在子模块电容上；

3)对于具备故障自清除的子模块而言，比如全桥MMC子模块、箝位式MMC子模块等，可以输出反向的子模块电容电压，输入功率通过反向电流输送到高压直流线路上，从而实现故障清除。

假设子模块个数为m，

且U₁＝U₂＝···＝U_m＝V_sc，k＝1,2,···m，1≤i≤m时，高压直流电压V_HV与直流变换器中MMC子模块导通占空比D的关系是：

单相MMC直流变换器的输入端可以由高频电力电子变压器对多台风机进行初步汇集升压，实现电气隔离，减少所需电缆长度并提高系统可靠性。

单相MMC直流变换器不仅可以满足海上风电的黑启动要求，而且当某台或多台风机发生故障或停电检修需要切除时，可以通过MMC子模块将其旁路，但不影响海上风电系统整体的正常运行，大大提高了系统的可靠性，减少工人维修的出海作业，降低维护检修成本。

采用单相MMC串联升压，相比三相MMC直流变换器而言，使用的子模块数量和全控型器件大大减少，直流变换器的体积和海上平台的建设成本大大降低。

附图说明

图1海上风电全直流送出系统的结构示意图

图2基于单相MMC的超高变比多端口直流变换器(摘要附图)

图3多端口电力电子变压器模型示意图

具体实施方式

本发明提供一种基于单相MMC的超高变比多端口直流变换器拓扑，下面将对本发明的拓扑做进一步说明。应该强调的是下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1是海上风电全直流送出系统的结构示意图，如图1所示，该系统主要由风机、风机侧换流器、双有源桥式电力电子变压器(Dual Active Bridge，DAB)、全桥子模块构成的单相MMC直流变换器，直流海底电缆、陆上换流站和陆上交流系统构成。每台风机及其换流器和与其直接相连的双有源桥式直流变换器作为一个独立单元，将功率输送到MMC的一个子模块作为输入端，再将MMC子模块输出端串联来实现直流升压。

图2为基于单相MMC的超高变比多端口直流变换器拓扑，用于汇集多个风机端口输送的电能，并实现超高变比的直流升压，变比可达几十到上百倍，直流变换器中每个MMC子模块的输入端为经过整流或逆变等交直流变换后的一台或多台风机，子模块的输出端直接串联升压。

对于图2中的全桥子模块而言，可以具有以下工作模式：

1)当IGBT管T1和T4导通、IGBT管T2和T3关断，子模块处于“正投入”状态时，输出电压为+U_c，输入功率经过桥臂，输送到高压直流线路上；

2)当IGBT管T1和T4关断、IGBT管T2和T3导通，子模块处于“负投入”状态时，输出电压为-U_c，输入功率经过桥臂，输送到高压直流线路上；

3)当IGBT管T1和T3关断、IGBT管T2和T4导通或者IGBT管T3和T4关断、IGBT管T1和T3导通，子模块处于“旁路”状态时，输入功率暂时存储在子模块电容上；

4)当IGBT管T1、T2、T3、T4都关断时，子模块处于“闭锁”状态，不是正常运行状态，一般用于清除故障或系统启动。

设置单相MMC子模块投入个数时，需要同时考虑子模块数量冗余，假设每个子模块输入电压为V_sc，子模块个数为m，输出电压可以设定为mV_sc*K，0<K<1。

如图1所示，单相MMC直流变换器的输入端可以由中高频电力电子变压器，比如双有源桥式电力电子变压器对多台风机进行初步汇集升压，实现电气隔离，减少所需电缆长度并提高系统可靠性，多端口电力电子变压器结构示意图如图3所示。

对图1所示海上风电全直流系统，不仅可以实现风机的黑启动，当某台风机发生故障时，可以通过MMC子模块将其旁路，而不影响输电系统整体的正常运行；当高压直流输电线路发生短路故障时，可以通过全桥子模块产生反向电压实现故障自清除。

最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims

1.一种基于单相MMC的超高变比多端口直流变换器拓扑，用于汇集多个风机端口输送的电能，并实现超高变比的直流升压，其特征在于，经过整流或逆变等交直流变换后的k台风机作为直流变换器中每个MMC子模块的输入端，通过多端口输入从而实现功率汇集，同时利用m个MMC子模块的输出端串联实现超高变比的直流升压，实现的直流功率送出，k≥1，m>1。

2.根据权利要求1所述的单相MMC直流变换器拓扑，其特征在于，单相MMC直流变换器由m个MMC子模块输入端接入风机发出的功率，通过多端口输入实现功率汇集，输出端直接串联，实现直流电压的抬升，变比可达几十到上百倍，m>1。

3.根据权利要求1所述的单相MMC直流变换器拓扑，其特征在于，单相MMC直流变换器的输入端可以由高频电力电子变压器对多台风机进行初步汇集升压，实现电气隔离，减少所需电缆长度并提高系统可靠性。

4.根据权利要求1所述的单相MMC直流变换器拓扑，其特征在于，功率可以双向流动，不仅可以满足海上风电的黑启动要求，而且当某台或多台风机发生故障或停电检修需要切除时，可以通过MMC子模块将其旁路，而不影响海上风电系统整体的正常运行，大大提高了系统的可靠性，减少工人维修的出海作业，降低维护检修成本。

5.根据权利要求1所述的单相MMC直流变换器拓扑，其特征在于，采用单相MMC串联升压，相比三相MMC直流变换器而言效率提高，使用的子模块数量和全控型器件大大减少，直流变换器的体积和海上平台的建设成本大大降低。