CN116979791A - 一种具备自均压能力的模块化多电平变换器拓扑 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具备自均压能力的模块化多电平变换器拓扑，所述拓扑中，每个全桥MMC子模块FBSM由四个带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管IGBT和一个电容组成，具有正负两个输出端口；将一个由两个IGBT反向串联组成的支路连接在相邻FBSM同一侧的端点处，为相邻子模块电容提供直接并联的路径；本发明可以无需实时电容电压信息实现MMC电容电压自均衡；相比传统排序均压能够有效减小计算复杂度，大大降低控制器的运算和实时性要求，适合于MMC在高电压大容量电力传输领域的应用。

Description

一种具备自均压能力的模块化多电平变换器拓扑
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，特别是涉及一种具备自均压能力的模块化多电平变换器拓扑。
背景技术
模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)已被广泛应用于高压直流输电领域。由于整体采用模块化的设计理念，MMC很容易实现向高电压大容量领域的拓展，代表着未来换流器的发展方向。但这种模块化的设计在应用时也会衍生出一系列新的问题，这其中包括典型的子模块电容电压均衡问题。
MMC模块的固定串联连接有一定的局限性。当总电压被分成小单元并分布在模块之间时，电流却没有。处于投入状态的子模块，其电容电流等于桥臂电流。处于旁路状态的子模块，其电容电流为零，无法分担桥臂电流，造成了投入状态的子模块电容电压波动较大。由于MMC依靠子模块电容实现交直流能量的传递，研究子模块电容电压的均衡问题对模块化多电平换流器的稳定运行至关重要。
以冒泡排序法为代表的排序均压方法是传统子模块电容电压排序算法的常用方法。这些方法不仅计算量大，而且功率器件开关损耗大。近年来，保持因子法、质因子分解法、随机选择法等陆续被提出，这些方法虽然在传统排序均压方法上做出了优化和改善，在一定程度上解决了排序复杂的问题，然而在高电压等级下，MMC子模块数量多，上述均压排序算法仍具有相当程度的计算量。并且上述方法均需要子模块电容电压信息，对监测系统的实时性有较高要求。因此，需要寻找一种高效的均压策略，扩展MMC的使用场景。
发明内容
本发明的目的是提供一种具备自均压能力的模块化多电平变换器拓扑，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种具备自均压能力的模块化多电平变换器拓扑，所述拓扑中，每个全桥MMC子模块FBSM由四个带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管IGBT和一个电容组成，具有正负两个输出端口；将一个由两个IGBT反向串联组成的支路连接在相邻FBSM同一侧的端点处，为相邻子模块电容提供直接并联的路径；通过这种连接方式，可以实现电容的自均压，使得每个子模块的电压波动降低。
可选的，在串联相邻子模块时，支路关闭，各子模块的开关控制信号与传统的全桥型MMC相同。
可选的，在并联相邻子模块时，支路开通，并联的子模块被定义为一个子模块组，组内的子模块电容并联工作。
可选的，子模块组可以处于旁路状态、正向投入状态或反向投入状态，由组中首尾两个子模块的开关状态决定。
可选的，所述拓扑采用动态分配均压控制策略，根据电平数指令n来确定子模块的分组情况；根据n的值，确定每组应包含的子模块个数M。
可选的，当n为正数时，如果总子模块数N能够被n整除，则从桥臂首端起每M个子模块分为一组；如果不能整除，则有余数a，a组的子模块个数为M+1，其余组的子模块个数为M；每组首尾两个子模块的开关状态决定投入状态，其余子模块旁路运行，组内并联支路开通，每组之间串联。
可选的，该拓扑的动态分配均压控制方法的步骤如下：
S1.检测n的变化，确定子模块应分成的组数n；
S2.根据n确定每组应包含的子模块个数M，式中，/>表示向下取整函数；
S3.判断总子模块数N是否能被n整除，如果能整除，则从桥臂首端起每M个子模块分为一组；
S4.如果不能整除，设余数为a，有a组的子模块个数应加1，即a组的子模块个数为M+1，其余n-a组的子模块个数为M；
S5.根据分组情况确定子模块的开关触发信号。
本发明的技术效果为：
本发明可以无需实时电容电压信息实现MMC电容电压自均衡；相比传统排序均压能够有效减小计算复杂度，大大降低控制器的运算和实时性要求，适合于MMC在高电压大容量电力传输领域的应用。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例中的具备自均压能力的模块化多电平变换器拓扑结构图；
图2(a)为本发明实施例中的具备自均压能力的模块化多电平变换器拓扑子模块正向投入时的电流通路，图2(b)为子模块反向投入时的电流通路，图2(c)为子模块旁路时的电流通路；
图3(a)为本发明实施例中的具备自均压能力的模块化多电平变换器拓扑子模块组旁路状态时的电流通路，图3(b)为子模块组正向投入时的电流通路，图3(c)为子模块组反向投入时的电流通路；
图4为本发明实施例中的具备自均压能力的模块化多电平变换器拓扑动态分配均压控制流程图；
图5为本发明实施例中的具备自均压能力的模块化多电平变换器拓扑动态分配均压控制示例图；
图6为本发明实施例中的具备自均压能力的模块化多电平变换器拓扑交流侧三相输出电压波形图；
图7为本发明实施例中的具备自均压能力的模块化多电平变换器拓扑交流侧三相输出电流波形图；
图8为本发明实施例中的具备自均压能力的模块化多电平变换器拓扑上桥臂子模块电容电压波形图；
图9为本发明实施例中的具备自均压能力的模块化多电平变换器拓扑下桥臂子模块电容电压波形图；
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
实施例一
本发明的目的是提出一种新型具备自均压能力的MMC拓扑，使换流器在完成交、直流能量转换的同时，自发地实现子模块电容电压的自均衡，而不依赖于外加的均压控制，从而在保证良好均压效果的同时，大大降低了控制系统的复杂度。
如图1-9所示，全桥MMC子模块(FBSM)由4个带反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和1个电容组成，并设立正、负2个输出端口。将一个由两个IGBT反向串联组成的支路连接在相邻FBSM同一侧的端点处，为相邻子模块电容直接并联提供路径，MMC拓扑结构图如图1所示。
相邻子模块串联时，并联支路关断，子模块各开关控制信号与传统全桥型MMC完全相同，正向接入与反向接入时电流通路分别如图2(a)和图2(b)所示。
相邻子模块并联时，并联支路开通，并联的子模块定义为1个子模块组，同组内子模块电容并联，从而实现电容自均压，并将本来被搁置的电容利用起来，降低单个子模块电容的电压波动。子模块组整体处于正向投入、反向投入、旁路状态，由本组首尾2个子模块的开关状态决定，其电流通路分别如图3(a)(b)(c)所示。
设子模块电容投切开关函数为S，则有：
设子模块组子模块数为M，子模块组中间子模块均为旁路状态，子模块组处于旁路、正向投入、反向投入状态时，其首尾子模块开关状态分别为：
设电平数指令为n。当0<n<N时，为避免单个或少量子模块串联造成过度充放电，应优先将所有子模块分组，实现尽量多的子模块电容串并联，为改善均压效果，应使每组包含子模块数尽可能相等。
以某一相的一个桥臂为例，桥臂电流在每个子模块组内均分，假设第i组的子模块数为Mi(i＝1,……,n)，桥臂电流与子模块电容电压的关系可表示为：
式中iarm为桥臂电流，C为电容容值，Ui为电容电压。
由上式可知，桥臂电流大小是第i组子模块电压微分的Mi倍，原本由一个电容承担的电流现在由多个电容来分担，这直接改善了均压效果。
以最近电平逼近调制作为调制策略，基于平均化的思想，设计改进型全桥子模块动态分配均压控制策略，流程图如图4所示。
动态分配均压控制方法具体步骤如下：
(1)检测n的变化，n即为子模块应分成的组数，根据n初步确定每组应包含的子模块个数M：式中，/>表示向下取整函数。
(2)判断N是否能被n整除，若能整除，则从桥臂首端起每M个子模块分为一组。
(3)若不能整除，设余数为a，n组中有a组的子模块个数应加1，即a组的子模块个数为M+1，n-a组的子模块个数仍为M。
(4)按照分组情况，每组首尾两个子模块决定投入状态，其余子模块旁路运行，组内并联支路开通，每组之间串联，得到子模块开关触发信号。
上述内容均针对n>0的情况，而当n<0时，子模块根据|n|分段，将原本的正向投入改为负向投入，即可实现桥臂的负电平输出功能。
下面以13电平(N＝12)MMC为例进行解释。当n＝2时，N可被整除，子模块分成2组，每组6个子模块；n＝3时，/>可被整除，子模块分成3组，每组4个子模块；n＝4时，/>可被整除，子模块分成4组，每组3个子模块；n＝5时，不可被整除，a＝2，子模块分成5组，其中2组包含3个子模块，剩余3组包含2个子模块；n＝6时，/>可被整除，子模块分成6组，每组2个子模块；以此类推。图5动态分配均压为示例图。
为具体说明本发明的方案，在MATLAB/SIMULINK仿真实验平台对所提方法进行验证，仿真所用系统参数设置为：直流侧电压为40kV。仿真所用变换器参数设置为：子模块电容为6mF，子模块电容额定电压为4kV，变换器桥臂电感为1mH，变换器桥臂子模块数为10。
如图6所示，为基于改进型自均压式全桥MMC交流侧三相输出电压波形图。图7为基于改进型自均压式全桥MMC交流侧三相输出电流波形图。由图可知MMC工作正常，子模块仅输出正电平时交流侧输出11级相电压。
图8和图9分别为基于改进型自均压式全桥MMC上桥臂和下桥臂其中5个子模块电容电压波形图。由图可知，上下桥臂电容电压波动趋势相似，子模块电容电压在4kV上下波动，电容有效地平衡到其额定值，纹波约为0.5％。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种具备自均压能力的模块化多电平变换器拓扑，其特征在于，
所述拓扑中，每个全桥MMC子模块FBSM由四个带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管IGBT和一个电容组成，具有正负两个输出端口；将一个由两个IGBT反向串联组成的支路连接在相邻FBSM同一侧的端点处，为相邻子模块电容提供直接并联的路径。
2.根据权利要求1所述的具备自均压能力的模块化多电平变换器拓扑，其特征在于，在串联相邻子模块时，支路关闭，各子模块的开关控制信号与传统的全桥型MMC相同。
3.根据权利要求1所述的具备自均压能力的模块化多电平变换器拓扑，其特征在于，在并联相邻子模块时，支路开通，并联的子模块被定义为一个子模块组，组内的子模块电容并联工作。
4.根据权利要求1所述的具备自均压能力的模块化多电平变换器拓扑，其特征在于，子模块组可以处于旁路状态、正向投入状态或反向投入状态，由组中首尾两个子模块的开关状态决定。
5.根据权利要求1所述的具备自均压能力的模块化多电平变换器拓扑，其特征在于，所述拓扑采用动态分配均压控制策略，根据电平数指令n来确定子模块的分组情况；根据n的值，确定每组应包含的子模块个数M。
6.根据权利要求5所述的具备自均压能力的模块化多电平变换器拓扑，其特征在于，当n为正数时，如果总子模块数N能够被n整除，则从桥臂首端起每M个子模块分为一组；如果不能整除，则有余数a，a组的子模块个数为M+1，其余组的子模块个数为M；每组首尾两个子模块的开关状态决定投入状态，其余子模块旁路运行，组内并联支路开通，每组之间串联。
7.根据权利要求1所述的具备自均压能力的模块化多电平变换器拓扑，其特征在于，该拓扑的动态分配均压控制方法的步骤如下：
S1.检测n的变化，确定子模块应分成的组数n；
S2.根据n确定每组应包含的子模块个数M，式中，/>表示向下取整函数；
S3.判断总子模块数N是否能被n整除，如果能整除，则从桥臂首端起每M个子模块分为一组；
S4.如果不能整除，设余数为a，有a组的子模块个数应加1，即a组的子模块个数为M+1，其余n-a组的子模块个数为M；
S5.根据分组情况确定子模块的开关触发信号。
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