CN205754049U - 基于不等式约束的辅助电容分布式半桥/全桥混联mmc自均压拓扑 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供基于不等式约束的辅助电容分布式半桥/全桥混联MMC自均压拓扑。半桥/全桥混联MMC自均压拓扑中，半桥/全桥混联MMC模型与自均压辅助回路通过辅助回路中的辅助开关发生电气联系，辅助开关闭合，两者构成基于不等式约束的辅助电容分布式半桥/全桥混联MMC自均压拓扑，辅助开关打开，拓扑等效为半桥/全桥混联MMC拓扑。在不强调两种拓扑差异的情况下，辅助开关中的6K个机械开关可以省略。该半桥/全桥混联MMC自均压拓扑，具有直流故障箝位能力，不依赖于专门的均压控制，能够在完成直交流能量转换的基础上，自发地实现子模块电容电压的均衡，同时可以相应降低子模块触发频率和电容容值，实现MMC的基频调制。

Description

基于不等式约束的辅助电容分布式半桥/全桥混联MMC自均压 拓扑

技术领域

本实用新型涉及柔性输电领域，具体涉及一种基于不等式约束的辅助电容分布式半桥/全桥混联MMC自均压拓扑。

背景技术

模块化多电平换流器MMC是未来直流输电技术的发展方向，MMC采用子模块(Sub-module，SM)级联的方式构造换流阀，避免了大量器件的直接串联，降低了对器件一致性的要求，同时便于扩容及冗余配置。随着电平数的升高，输出波形接近正弦，能有效避开低电平VSC-HVDC的缺陷。

半桥/全桥混联MMC由半桥和全桥子模块组合而成，半桥子模块结构简单，成本低，运行损耗小，全桥子模块具有直流故障箝位能力。

与两电平、三电平VSC不同，MMC的直流侧电压并非由一个大电容支撑，而是由一系列相互独立的悬浮子模块电容串联支撑。为了保证交流侧电压输出的波形质量和保证模块中各功率半导体器件承受相同的应力，也为了更好的支撑直流电压，减小相间环流，必须保证子模块电容电压在桥臂功率的周期性流动中处在动态稳定的状态。

基于电容电压排序的排序均压算法是目前解决MMC中子模块电容电压均衡问题的主流思路，但是也在不断地暴露着它的一些固有缺陷。首先，排序功能的实现必须依赖电容电压的毫秒级采样，需要大量的传感器以及光纤通道加以配合；其次，当子模块数目增加时，电容电压排序的运算量迅速增大，为控制器的硬件设计带来巨大挑战；此外，排序均压算法的实现对子模块的开断频率有很高的要求，开断频率与均压效果紧密相关，在实践过程中，可能因为均压效果的限制，不得不提高子模块的触发频率，进而带来换流器损耗的增加。

文献“A DC-Link Voltage Self-Balance Method for a Diode-ClampedModular Multilevel Converter With Minimum Number of Voltage Sensors”，提出了一种依靠钳位二极管和变压器来实现MMC子模块电容电压均衡的思路。但该方案在设计上一定程度破坏了子模块的模块化特性，子模块电容能量交换通道也局限在相内，没能充分利用MMC的既有结构，三个变压器的引入在使控制策略复杂化的同时也会带来较大的改造成本。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型的目的在于提出一种经济的，模块化的，不依赖均压算法，同时能相应降低子模块触发频率和电容容值且具有直流故障箝位能力的半桥/全桥混联MMC自均压拓扑。

本实用新型具体的构成方式如下。

基于不等式约束的辅助电容分布式半桥/全桥混联MMC自均压拓扑，包括由A、B、C三相构成的半桥MMC模型，A、B、C三相每个桥臂分别由K个半桥子模块、N-K个全桥子模块及1个桥臂电抗器串联而成；包括由6N个辅助开关（6K个机械开关，6N-6K个IGBT模块），6N+11个钳位二极管，8个辅助电容，4个辅助IGBT模块组成的自均压辅助回路。

上述基于不等式约束的辅助电容分布式半桥/全桥混联MMC自均压拓扑，A相上桥臂的第1个子模块，其子模块电容负极向下与A相上桥臂的第2个子模块IGBT模块中点相连接,其子模块IGBT模块中点向上与直流母线正极相连接； A相上桥臂的第i个子模块，其中i的取值为2～K-1，其子模块电容负极向下与A相上桥臂的第i+1个子模块IGBT模块中点相连接,其子模块IGBT模块中点向上与A相上桥臂的第i-1个子模块电容负极相连接；A相上桥臂的第K个半桥子模块，其子模块电容负极向下与A相上桥臂的第K+1个子模块一个IGBT模块中点相连接，其子模块IGBT模块中点向上与A相上桥臂的第K-1个子模块电容负极相连接；A相上桥臂的第j个子模块，其中j的取值为K+2～N-1，其子模块一个IGBT模块中点向下与A相上桥臂第j+1个子模块一个IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模块中点向上与第A相上桥臂第j-1个子模块一个IGBT模块中点相连接；A相上桥臂第N个子模块，其子模块一个IGBT模块中点向下经两个桥臂电抗器L₀与A相下桥臂的第1个子模块IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模块中点向上与A相上桥臂的第N-1个子模块一个IGBT模块中点相连接；A相下桥臂的第i个子模块，其中i的取值为2～K-1，其子模块电容负极向下与A相下桥臂第i+1个子模块IGBT模块中点相连接，其IGBT模块中点向上与A相下桥臂第i-1个子模块电容负极相连接；A相下桥臂的第K个子模块，其子模块电容负极向下与第A相下桥臂第K+1个子模块一个IGBT模块中点相连接，其子模块IGBT模块中点向上与A相下桥臂第K-1个子模块电容负极相连接；A相下桥臂第j个子模块，其中j的取值为K+2～N-1，其子模块一个IGBT模块中点向下与A相下桥臂第j+1个子模块一个IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模块中点向上与A相下桥臂第j-1个子模块一个IGBT模块中点相连接；A相下桥臂第N个子模块一个IGBT模块中点向下与直流母线负极相连接，另一个IGBT模块中点向上与A相下桥臂的第N-1个子模块一个IGBT模块中点相连接。B相上桥臂的第1个子模块，其子模块电容正极向上与直流母线正极相连接，其子模块IGBT模块中点向下与B相上桥臂的第2个子模块电容正极相连接；B相上桥臂的第i个子模块，其中i的取值为2～K-1，其子模块电容正极向上与B相上桥臂的第i-1个子模块IGBT模块中点相连接，其子模块IGBT模块中点向下与B相上桥臂的第i+1个子模块电容正极相连接；B相上桥臂的第K个子模块，其子模块电容正极向上与B相上桥臂的第K-1个子模块IGBT模块中点相连接，其子模块IGBT模块中点向下与B相上桥臂第K+1个子模块一个IGBT模块中点相连接；B相上桥臂的第j个子模块，其中j的取值为K+2～N-1，其子模块一个IGBT模块中点向上与B相上桥臂第j-1个子模块一个IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模块中点向下与B相上桥臂第j+1个子模块一个IGBT模块中点相连接；B相上桥臂第N个子模块，其子模块一个IGBT模块中点向上与B相上桥臂第N-1个子模块一个IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模块中点向下经两个桥臂电抗器L₀与B相下桥臂的第1个子模块电容正极相连接；B相下桥臂的第i个子模块，其中i的取值为2～K-1，其子模块电容正极向上与B相下桥臂的第i-1个子模块IGBT模块中点相连接，其子模块IGBT模块中点向下与B相下桥臂的第i+1个子模块电容正极相连接；B相下桥臂的第K个子模块，其子模块电容正极向上与B相下桥臂第K-1个子模块IGBT模块中点相连接，其子模块IGBT模块中点向下与B相下桥臂第K+1个子模块一个IGBT模块中点相连接；B相下桥臂第j个子模块，其中j的取值为K+2～N-1，其子模块一个IGBT模块中点向上与B相下桥臂第j-1个子模块一个IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模块中点向下与B相下桥臂第j+1个子模块一个IGBT模块中点相连接；B相下桥臂第N个子模块，其子模块一个IGBT模块中点向上与B相下桥臂第N-1个子模块一个IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模块中点向下与直流母线负极相连接。C相上下桥臂子模块的连接方式与A相或B相一致。

自均压辅助回路中，第一个辅助电容与第二个辅助电容通过钳位二极管并联，第二个辅助电容正极连接辅助IGBT模块第一个辅助电容负极连接钳位二极管并入直流母线正极；第三个辅助电容与第四个辅助电容通过钳位二极管并联，第三个辅助电容负极连接辅助IGBT模块第四个辅助电容正极连接钳位二极管并入直流母线负极；第五个辅助电容与第六个辅助电容通过钳位二极管并联，第五个辅助电容正极连接辅助IGBT模块第六个辅助电容负极连接钳位二极管并入直流母线正极；第七个辅助电容与第八个辅助电容通过钳位二极管并联，第八个辅助电容负极连接辅助IGBT模块第七个辅助电容正极连接钳位二极管并入直流母线负极。钳位二极管，通过辅助开关连接A相上桥臂中第1个子模块电容与第一个辅助电容正极；通过辅助开关连接A相上桥臂中第i个子模块电容与第i+1个子模块电容正极，其中i的取值为1～N-1；通过辅助开关连接A相上桥臂中第N个子模块电容与A相下桥臂第1个子模块电容正极；通过辅助开关连接A相下桥臂中第i个子模块电容与A相下桥臂第i+1个子模块电容正极，其中i的取值为1～N-1；通过辅助开关连接A相下桥臂中第N个子模块电容与第三个辅助电容正极。钳位二极管，通过辅助开关连接B相上桥臂中第1个子模块电容与第二个辅助电容的负极；通过辅助开关连接B相上桥臂中第i个子模块电容与第i+1个子模块电容的负极，其中i的取值为1～N-1；通过辅助开关连接B相上桥臂中第N个子模块电容与B相下桥臂第1个子模块电容的负极；通过辅助开关连接B相下桥臂中第i个子模块电容与B相下桥臂第i+1个子模块电容的负极，其中i的取值为1～N-1；通过辅助开关连接B相下桥臂中第N个子模块电容与第四个辅助电容的负极。C相子模块的连接关系与A相一致时，C相上下桥臂中子模块间钳位二极管的连接方式与A相一致，同时第六个辅助电容正极经辅助开关、钳位二极管连接C相上桥臂第一个子模块电容正极，第五个辅助电容负极经辅助开关、钳位二极管连接B相上桥臂第一个子模块电容负极，第八个辅助电容正极经辅助开关、钳位二极管连接C相下桥臂第N个子模块电容正极，第七个辅助电容负极经辅助开关、钳位二极管连接B相下桥臂第N个子模块电容负极；C相子模块的连接关系与B相一致时，C相上下桥臂中子模块间钳位二极管的连接方式与B相一致，同时第五个辅助电容负极经辅助开关、钳位二极管连接C相上桥臂第一个子模块电容负极，第六个辅助电容正极经辅助开关、钳位二极管连接A相上桥臂第一个子模块电容正极，第七个辅助电容负极经辅助开关、钳位二极管连接C相下桥臂第N个子模块电容负极，第八个辅助电容正极经辅助开关、钳位二极管连接A相下桥臂第N个子模块电容正极。

附图说明

下面结合附图对本实用新型进一步说明。

图1是半桥子模块的结构示意图；

图2是全桥子模块的结构示意图；

图3是基于不等式约束的辅助电容分布式半桥/全桥混联MMC自均压拓扑。

具体实施方式

为进一步阐述本实用新型的性能与工作原理，以下结合附图对实用新型的构成方式与工作原理进行具体说明。但基于该原理的半桥/全桥混联MMC自均压拓扑不限于图3。

参考图3，基于不等式约束的辅助电容分布式半桥/全桥混联MMC自均压拓扑，包括由A、B、C三相构成的半桥/全桥混联MMC模型，A、B、C三相每个桥臂分别由K个半桥子模块、N-K个全桥子模块及1个桥臂电抗器串联而成；包括由6N个辅助开关（6K个机械开关，6N-6K个IGBT模块），6N+11个钳位二极管，8个辅助电容，4个辅助IGBT模块组成的自均压辅助回路。

半桥/全桥混联MMC模型中，A相上桥臂的第1个子模块，其子模块电容C­_{au­_1}负极向下与A相上桥臂的第2个子模块IGBT模块中点相连接,其子模块IGBT模块中点向上与直流母线正极相连接； A相上桥臂的第i个子模块，其中i的取值为2～K-1，其子模块电容C­_{au­_i}负极向下与A相上桥臂的第i+1个子模块IGBT模块中点相连接,其子模块IGBT模块中点向上与A相上桥臂的第i-1个子模块电容C_{­au­_i-1}负极相连接；A相上桥臂的第K个半桥子模块，其子模块电容C_{­au­_K}负极向下与A相上桥臂的第K+1个子模块一个IGBT模块中点相连接，其子模块IGBT模块中点向上与A相上桥臂的第K-1个子模块电容C­_{au­_K-1}负极相连接；A相上桥臂的第j个子模块，其中j的取值为K+2～N-1，其子模块一个IGBT模块中点向下与A相上桥臂第j+1个子模块一个IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模块中点向上与第A相上桥臂第j-1个子模块一个IGBT模块中点相连接；A相上桥臂第N个子模块，其子模块一个IGBT模块中点向下经两个桥臂电抗器L₀与A相下桥臂的第1个子模块IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模块中点向上与A相上桥臂的第N-1个子模块一个IGBT模块中点相连接；A相下桥臂的第i个子模块，其中i的取值为2～K-1，其子模块电容C­_{al­_i}负极向下与A相下桥臂第i+1个子模块IGBT模块中点相连接，其IGBT模块中点向上与A相下桥臂第i-1个子模块电容C­_{al­_i-1}负极相连接；A相下桥臂的第K个子模块，其子模块电容C_{­al_K}负极向下与第A相下桥臂第K+1个子模块一个IGBT模块中点相连接，其子模块IGBT模块中点向上与A相下桥臂第K-1个子模块电容C­_{al­_K-1}负极相连接；A相下桥臂第j个子模块，其中j的取值为K+2～N-1，其子模块一个IGBT模块中点向下与A相下桥臂第j+1个子模块一个IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模块中点向上与A相下桥臂第j-1个子模块一个IGBT模块中点相连接；A相下桥臂第N个子模块一个IGBT模块中点向下与直流母线负极相连接，另一个IGBT模块中点向上与A相下桥臂的第N-1个子模块一个IGBT模块中点相连接。B相上桥臂的第1个子模块，其子模块电容C_{­bu­_1}正极向上与直流母线正极相连接，其子模块IGBT模块中点向下与B相上桥臂的第2个子模块电容C_{­bu­_2}正极相连接；B相上桥臂的第i个子模块，其中i的取值为2～K-1，其子模块电容C­_{bu­_i}正极向上与B相上桥臂的第i-1个子模块IGBT模块中点相连接，其子模块IGBT模块中点向下与B相上桥臂的第i+1个子模块电容C­_{bu­_i+1}正极相连接；B相上桥臂的第K个子模块，其子模块电容C­_{bu­_K}正极向上与B相上桥臂的第K-1个子模块IGBT模块中点相连接，其子模块IGBT模块中点向下与B相上桥臂第K+1个子模块一个IGBT模块中点相连接；B相上桥臂的第j个子模块，其中j的取值为K+2～N-1，其子模块一个IGBT模块中点向上与B相上桥臂第j-1个子模块一个IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模块中点向下与B相上桥臂第j+1个子模块一个IGBT模块中点相连接；B相上桥臂第N个子模块，其一个IGBT模块中点向上与B相上桥臂第N-1个子模块一个IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模块中点向下经两个桥臂电抗器L₀与B相下桥臂的第1个子模块电容C_{­bl­_1}正极相连接；B相下桥臂的第i个子模块，其中i的取值为2～K-1，其子模块电容C_{­bl_i}正极向上与B相下桥臂的第i-1个子模块IGBT模块中点相连接，其子模块IGBT模块中点向下与B相下桥臂的第i+1个子模块电容C­_{bl­_i+1}正极相连接；B相下桥臂的第K个子模块，其子模块电容C_{­bl_K}正极向上与B相下桥臂第K-1个子模块IGBT模块中点相连接，其子模块IGBT模块中点向下与B相下桥臂第K+1个子模块一个IGBT模块中点相连接；B相下桥臂第j个子模块，其中j的取值为K+2～N-1，其一个IGBT模块中点向上与B相下桥臂第j-1个子模块一个IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模块中点向下与B相下桥臂第j+1个子模块IGBT一个IGBT模块中点相连接；B相下桥臂第N个子模块，其子模块一个IGBT模块中点向上与B相下桥臂第N-1个子模块一个IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模块中点向下与直流母线负极相连接。C相上下桥臂子模块的连接方式与A相一致。

自均压辅助回路中，辅助电容C₁与辅助电容C₂通过钳位二极管并联，辅助电容C₂正极连接辅助IGBT模块T₁，辅助电容C₁负极连接钳位二极管并入直流母线正极；辅助电容C₃与辅助电容C₄通过钳位二极管并联，辅助电容C₃负极连接辅助IGBT模块T₂，辅助电容C₄正极连接钳位二极管并入直流母线负极；辅助电容C₅与辅助电容C₆通过钳位二极管并联，辅助电容C₅正极连接辅助IGBT模块T₃，辅助电容C₆负极连接钳位二极管并入直流母线正极；辅助电容C₇与辅助电容C₈通过钳位二极管并联，辅助电容C₈负极连接辅助IGBT模块T₄，辅助电容C₇正极连接钳位二极管并入直流母线负极。钳位二极管，通过辅助开关K_{au_12}连接A相上桥臂中第1个子模块电容C_{­au­_1}与辅助电容C₁正极；通过辅助开关K_{au_i2}、K_{au_（i+1）2}连接A相上桥臂中第i个子模块电容C_{­au­_i}与第i+1个子模块电容C_{­au­_i+1}的正极，其中i的取值为1～K-1；通过辅助开关K_{au_K2}、T_{au_K+1}连接A相上桥臂中第K个子模块电容C_{­au­_K}与第K+1个子模块电容C­_{au_K+1}正极；通过辅助开关T_{au_j}、T_{au_j+1}连接A相上桥臂中第j个子模块电容C_{­au­_j}与第j+1个子模块电容C_{­au­_j+1}的正极，其中j的取值为K+1～N-1；通过辅助开关T_{au_N}、K_{al_12}连接A相上桥臂中第N个子模块电容C­_{au_N}与A相下桥臂第1个子模块电容C_{­al­_1}正极；通过辅助开关K_{al_i2}、K_{al_（i+1）2}连接A相下桥臂中第i个子模块电容C_{­al­_i}与第i+1个子模块电容C_{­al­_i+1}的正极，其中i的取值为1～K-1；通过辅助开关K_{al_K2}、T_{al_K+1}连接A相下桥臂中第K个子模块电容C­_{al­_K}与第K+1个子模块电容C­_{al­_K+1}正极；通过辅助开关T_{al_j}、T_{al_j+1}连接A相下桥臂中第j个子模块电容C_{­al_j}与第j+1个子模块电容C_{­al­_j+1}的正极，其中j的取值为K+1～N-1；通过辅助开关T_{al_N}连接A相下桥臂中第N个子模块电容C_{­al_N}与辅助电容C₃正极。钳位二极管，通过辅助开关K_{bu_12}连接B相上桥臂中第1个子模块电容C_{­bu­_1}与辅助电容C₂、辅助电容C₅负极；通过辅助开关K_{bu_i2}、K_{bu_（i+1）2}连接B相上桥臂中第i个子模块电容C­_{bu­_i}与第i+1个子模块电容C­_{bu­_i+1}负极，其中i的取值为1～K-1；通过辅助开关K_{bu_K2}、T_{bu_K+1}连接B相上桥臂中第K个子模块电容C­_{bu­_K}与第K+1个子模块电容C­_{bu­_K+1}负极；通过辅助开关T_{bu_j}、T_{bu_j+1}连接B相上桥臂中第j个子模块电容C­_{bu­_j}与第j+1个子模块电容C­_{bu­_j+1}负极，其中j的取值为K+1～N-1；通过辅助开关T_{bu_N}、K_{bl_12}连接B相上桥臂中第N个子模块电容C­_{bu­_N}与B相下桥臂中第1个子模块电容C­_{bl_1}负极；通过辅助开关K_{bl_i2}、K_{bl_（i+1）2}连接B相下桥臂中第i个子模块电容C­_{bl­_i}与第i+1个子模块电容C­_{bl­_i+1}负极，其中i的取值为1～K-1；通过辅助开关K_{bl_K2}、T_{bl_K+1}连接B相下桥臂中第K个子模块电容C­_{bl_K}与第K+1个子模块电容C­_{bl­_K+1}负极；通过辅助开关T_{bl_j}、T_{bl_j+1}连接B相下桥臂中第j个子模块电容C­_{bl­_j}与第j+1个子模块电容C­_{bl_j+1}负极，其中j的取值为K+1～N-1；通过辅助开关T_{bl_N}连接B相下桥臂中第N个子模块电容C_{­bl­_N}与辅助电容C₄、辅助电容C₇负极。辅助电容C₆正极经辅助开关K_{cu_12}、钳位二极管连接C相上桥臂第一个子模块电容C_{cu_1}正极；辅助电容C₈正极经辅助开关T_{cl_N}、钳位二极管连接C相下桥臂第N个子模块电容C_{cl_N}正极。

正常情况下，自均压辅助回路中6N个辅助开关K_{au_i2}、K_{al_i2}、K_{bu_i2}、K_{bl_i2}、K_{cu_i2}、K_{cl_i2}、T_{au_j}、T_{al_j}、T_{bu_j}、T_{bl_j}、T_{cu_j}、T_{cl_j}常闭，其中i的取值为1～K，j的取值为K+1～N，A相上桥臂第一个子模块电容C­_{au­_1}旁路时，此时辅助IGBT模块T₁断开，子模块电容C_{­au­_1}与辅助电容C₁通过钳位二极管并联；A相上桥臂第i个子模块电容C­_{au­_i}旁路时，其中i的取值为2～N，子模块电容C­_{au­_i}与子模块电容C­_{au­_i-1}通过钳位二极管并联；A相下桥臂第一个子模块电容C­_{al_1}旁路时，子模块电容C­_{al­_1}通过钳位二极管、两个桥臂电抗器L₀与子模块电容C­_{au­_N}并联；A相下桥臂第i个子模块电容C­_{al_i}旁路时，其中i的取值为2～N，子模块电容C­_{al­_i}与子模块电容C­_{al_i-1}通过钳位二极管并联；辅助IGBT模块T₂闭合时，辅助电容C₃通过钳位二极管与子模块电容C­_{al_N}并联。

正常情况下，自均压辅助回路中6N个辅助开关K_{au_i2}、K_{al_i2}、K_{bu_i2}、K_{bl_i2}、K_{cu_i2}、K_{cl_i2}、T_{au_j}、T_{al_j}、T_{bu_j}、T_{bl_j}、T_{cu_j}、T_{cl_j}常闭，其中i的取值为1～K，j的取值为K+1～N，辅助IGBT模块T₁闭合时，辅助电容C₂与子模块电容C­_{bu­_1}通过钳位二极管并联；B相上桥臂第i个子模块电容C­_{bu­_i}旁路时，其中i的取值为1～N-1，子模块电容C­_{bu­_i}与子模块电容C­_{bu­_i+1}通过钳位二极管并联；B相上桥臂第N个子模块电容C­_{bu_N}旁路时，子模块电容C_{­bu­_N}通过钳位二极管、两个桥臂电抗器L₀与子模块电容C­_{bl­_1}并联；B相下桥臂第i个子模块电容C­_{bl_i}旁路时，其中i的取值为1～N-1，子模块电容C_{­bl­_i}与子模块电容C­_{bl_i+1}通过钳位二极管并联；B相下桥臂第N个子模块电容C­_{bl_N}旁路时，子模块电容C­_{bl­_N}与辅助电容C­₄通过钳位二极管并联。上述辅助IGBT模块T₁的触发信号与A相上桥臂第一个子模块的触发信号一致；辅助IGBT模块T₂的触发信号与B相下桥臂第N个子模块的触发信号一致。

在直交流能量转换的过程中，各个子模块交替投入、旁路，辅助IGBT模块T₁、T₂交替闭合、关断，A、B相上下桥臂间电容电压在钳位二极管的作用下，满足下列约束：

辅助电容C₁、C₂电压之间，辅助电容C₃、C₄电压之间存在不等式约束条件：

由此可知，在半桥/全桥混联MMC在完成直交流能量转换的动态过程中，满足下面的约束条件：

同理，B、C相上下桥臂子模块电容电压满足下述的约束条件：

由上述具体说明可知，该半桥/全桥混联MMC拓扑具备子模块电容电压自均衡能力。

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 (5)

1.基于不等式约束的辅助电容分布式半桥/全桥混联MMC自均压拓扑，其特征在于：包括由A、B、C三相构成的半桥/全桥混联MMC模型，A、B、C三相每个桥臂分别由K个半桥子模块、N-K个全桥子模块及1个桥臂电抗器串联而成；包括由6N个辅助开关（6K个机械开关，6N-6K个IGBT模块），6N+11个钳位二极管，8个辅助电容C₁、C₂、C₃、C₄、C₅、C₆、C₇、C₈，4个辅助IGBT模块T₁、T₂、T₃、T₄构成的自均压辅助回路。

2.根据权利1所述的基于不等式约束的辅助电容分布式半桥/全桥混联MMC自均压拓扑，其特征在于：A相上桥臂的第1个子模块，其子模块电容C­_{au­_1}负极向下与A相上桥臂的第2个子模块IGBT模块中点相连接,其子模块IGBT模块中点向上与直流母线正极相连接； A相上桥臂的第i个子模块，其中i的取值为2～K-1，其子模块电容C­_{au­_i}负极向下与A相上桥臂的第i+1个子模块IGBT模块中点相连接,其子模块IGBT模块中点向上与A相上桥臂的第i-1个子模块电容C_{­au­_i-1}负极相连接；A相上桥臂的第K个半桥子模块，其子模块电容C_{­au­_K}负极向下与A相上桥臂的第K+1个子模块一个IGBT模块中点相连接，其子模块IGBT模块中点向上与A相上桥臂的第K-1个子模块电容C­_{au­_K-1}负极相连接；A相上桥臂的第j个子模块，其中j的取值为K+2～N-1，其子模块一个IGBT模块中点向下与A相上桥臂第j+1个子模块一个IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模块中点向上与第A相上桥臂第j-1个子模块一个IGBT模块中点相连接；A相上桥臂第N个子模块，其子模块一个IGBT模块中点向下经两个桥臂电抗器L₀与A相下桥臂的第1个子模块IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模块中点向上与A相上桥臂的第N-1个子模块一个IGBT模块中点相连接；A相下桥臂的第i个子模块，其中i的取值为2～K-1，其子模块电容C­_{al­_i}负极向下与A相下桥臂第i+1个子模块IGBT模块中点相连接，其IGBT模块中点向上与A相下桥臂第i-1个子模块电容C­_{al­_i-1}负极相连接；A相下桥臂的第K个子模块，其子模块电容C_{­al_K}负极向下与第A相下桥臂第K+1个子模块一个IGBT模块中点相连接，其子模块IGBT模块中点向上与A相下桥臂第K-1个子模块电容C­_{al­_K-1}负极相连接；A相下桥臂第j个子模块，其中j的取值为K+2～N-1，其子模块一个IGBT模块中点向下与A相下桥臂第j+1个子模块一个IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模块中点向上与A相下桥臂第j-1个子模块一个IGBT模块中点相连接；A相下桥臂第N个子模块一个IGBT模块中点向下与直流母线负极相连接，另一个IGBT模块中点向上与A相下桥臂的第N-1个子模块一个IGBT模块中点相连接；B相上桥臂的第1个子模块，其子模块电容C_{­bu­_1}正极向上与直流母线正极相连接，其子模块IGBT模块中点向下与B相上桥臂的第2个子模块电容C_{­bu­_2}正极相连接；B相上桥臂的第i个子模块，其中i的取值为2～K-1，其子模块电容C­_{bu­_i}正极向上与B相上桥臂的第i-1个子模块IGBT模块中点相连接，其子模块IGBT模块中点向下与B相上桥臂的第i+1个子模块电容C­_{bu­_i+1}正极相连接；B相上桥臂的第K个子模块，其子模块电容C­_{bu­_K}正极向上与B相上桥臂的第K-1个子模块IGBT模块中点相连接，其子模块IGBT模块中点向下与B相上桥臂第K+1个子模块一个IGBT模块中点相连接；B相上桥臂的第j个子模块，其中j的取值为K+2～N-1，其子模块一个IGBT模块中点向上与B相上桥臂第j-1个子模块一个IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模块中点向下与B相上桥臂第j+1个子模块一个IGBT模块中点相连接；B相上桥臂第N个子模块，其一个IGBT模块中点向上与B相上桥臂第N-1个子模块一个IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模块中点向下经两个桥臂电抗器L₀与B相下桥臂的第1个子模块电容C_{­bl­_1}正极相连接；B相下桥臂的第i个子模块，其中i的取值为2～K-1，其子模块电容C_{­bl_i}正极向上与B相下桥臂的第i-1个子模块IGBT模块中点相连接，其子模块IGBT模块中点向下与B相下桥臂的第i+1个子模块电容C­_{bl­_i+1}正极相连接；B相下桥臂的第K个子模块，其子模块电容C_{­bl_K}正极向上与B相下桥臂第K-1个子模块IGBT模块中点相连接，其子模块IGBT模块中点向下与B相下桥臂第K+1个子模块一个IGBT模块中点相连接；B相下桥臂第j个子模块，其中j的取值为K+2～N-1，其一个IGBT模块中点向上与B相下桥臂第j-1个子模块一个IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模块中点向下与B相下桥臂第j+1个子模块IGBT一个IGBT模块中点相连接；B相下桥臂第N个子模块，其子模块一个IGBT模块中点向上与B相下桥臂第N-1个子模块一个IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模块中点向下与直流母线负极相连接；C相上下桥臂子模块的连接方式可以与A相一致，也可以与B相一致；由于全桥子模块的存在，半桥子模块上下输出线之间不必要配置晶闸管；故A、B、C相上下桥臂子模块的上下输出线之间并联有机械开关K_{au_i1}、K_{al_i1}、K_{bu_i1}、K_{bl_i1}、K_{cu_i1}、K_{cl_i1}、K_{au_j}、K_{al_j}、K_{bu_j}、K_{bl_j}、K_{cu_j}、K_{cl_j}，其中i的取值为1～K，j的取值为K+1～N；上述连接关系构成的A、B、C三相地位一致，三相轮换对称之后的其他拓扑在权利范围内。

3.根据权利1所述的基于不等式约束的辅助电容分布式半桥/全桥混联MMC自均压拓扑，其特征在于：自均压辅助回路中，辅助电容C₁与辅助电容C₂通过钳位二极管并联，辅助电容C₂正极连接辅助IGBT模块T₁，辅助电容C₁负极连接钳位二极管并入直流母线正极；辅助电容C₃与辅助电容C₄通过钳位二极管并联，辅助电容C₃负极连接辅助IGBT模块T₂，辅助电容C₄正极连接钳位二极管并入直流母线负极；辅助电容C₅与辅助电容C₆通过钳位二极管并联，辅助电容C₅正极连接辅助IGBT模块T₃，辅助电容C₆负极连接钳位二极管并入直流母线正极；辅助电容C₇与辅助电容C₈通过钳位二极管并联，辅助电容C₈负极连接辅助IGBT模块T₄，辅助电容C₇正极连接钳位二极管并入直流母线负极；钳位二极管，通过辅助开关K_{au_12}连接A相上桥臂中第1个子模块电容C_{­au­_1}与辅助电容C₁正极；通过辅助开关K_{au_i2}、K_{au_（i+1）2}连接A相上桥臂中第i个子模块电容C_{­au­_i}与第i+1个子模块电容C_{­au­_i+1}的正极，其中i的取值为1～K-1；通过辅助开关K_{au_K2}、T_{au_K+1}连接A相上桥臂中第K个子模块电容C_{­au­_K}与第K+1个子模块电容C­_{au_K+1}正极；通过辅助开关T_{au_j}、T_{au_j+1}连接A相上桥臂中第j个子模块电容C_{­au­_j}与第j+1个子模块电容C_{­au­_j+1}的正极，其中j的取值为K+1～N-1；通过辅助开关T_{au_N}、K_{al_12}连接A相上桥臂中第N个子模块电容C­_{au_N}与A相下桥臂第1个子模块电容C_{­al­_1}正极；通过辅助开关K_{al_i2}、K_{al_（i+1）2}连接A相下桥臂中第i个子模块电容C_{­al­_i}与第i+1个子模块电容C_{­al­_i+1}的正极，其中i的取值为1～K-1；通过辅助开关K_{al_K2}、T_{al_K+1}连接A相下桥臂中第K个子模块电容C­_{al­_K}与第K+1个子模块电容C­_{al­_K+1}正极；通过辅助开关T_{al_j}、T_{al_j+1}连接A相下桥臂中第j个子模块电容C_{­al_j}与第j+1个子模块电容C_{­al­_j+1}的正极，其中j的取值为K+1～N-1；通过辅助开关T_{al_N}连接A相下桥臂中第N个子模块电容C_{­al_N}与辅助电容C₃正极；钳位二极管，通过辅助开关K_{bu_12}连接B相上桥臂中第1个子模块电容C_{­bu­_1}与辅助电容C₂负极；通过辅助开关K_{bu_i2}、K_{bu_（i+1）2}连接B相上桥臂中第i个子模块电容C­_{bu­_i}与第i+1个子模块电容C­_{bu­_i+1}负极，其中i的取值为1～K-1；通过辅助开关K_{bu_K2}、T_{bu_K+1}连接B相上桥臂中第K个子模块电容C­_{bu­_K}与第K+1个子模块电容C­_{bu­_K+1}负极；通过辅助开关T_{bu_j}、T_{bu_j+1}连接B相上桥臂中第j个子模块电容C­_{bu­_j}与第j+1个子模块电容C­_{bu­_j+1}负极，其中j的取值为K+1～N-1；通过辅助开关T_{bu_N}、K_{bl_12}连接B相上桥臂中第N个子模块电容C­_{bu­_N}与B相下桥臂中第1个子模块电容C­_{bl_1}负极；通过辅助开关K_{bl_i2}、K_{bl_（i+1）2}连接B相下桥臂中第i个子模块电容C­_{bl­_i}与第i+1个子模块电容C­_{bl­_i+1}负极，其中i的取值为1～K-1；通过辅助开关K_{bl_K2}、T_{bl_K+1}连接B相下桥臂中第K个子模块电容C­_{bl_K}与第K+1个子模块电容C­_{bl­_K+1}负极；通过辅助开关T_{bl_j}、T_{bl_j+1}连接B相下桥臂中第j个子模块电容C­_{bl­_j}与第j+1个子模块电容C­_{bl_j+1}负极，其中j的取值为K+1～N-1；通过辅助开关T_{bl_N}连接B相下桥臂中第N个子模块电容C_{­bl­_N}与辅助电容C₄负极；C相子模块的连接关系与A相一致时，C相上下桥臂中子模块间钳位二极管的连接方式与A相一致，同时辅助电容C₆正极经辅助开关K_{cu_12}、钳位二极管连接C相上桥臂第一个子模块电容C_{cu_1}正极，辅助电容C₅负极经辅助开关K_{bu_12}、钳位二极管连接B相上桥臂第一个子模块电容C_{bu_1}负极，辅助电容C₈正极经辅助开关T_{cl_N}、钳位二极管连接C相下桥臂第N个子模块电容C_{cl_N}的正极，辅助电容C₇负极经辅助开关T_{bl_N}、钳位二极管连接B相下桥臂第N个子模块电容C_{bl_N}负极；C相子模块的连接关系与B相一致时，C相上下桥臂中子模块间钳位二极管的连接方式与B相一致，同时辅助电容C₅负极经辅助开关K_{cu_12}、钳位二极管连接C相上桥臂第一个子模块电容C_{cu_1}负极，辅助电容C₆正极经辅助开关K_{au_12}、钳位二极管连接A相上桥臂第一个子模块电容C_{au_1}正极，辅助电容C₇负极经辅助开关T_{cl_N}、钳位二极管连接C相下桥臂第N个子模块电容C_{cl_N}负极，辅助电容C₈正极经辅助开关T_{al_N}、钳位二极管连接A相下桥臂第N个子模块电容C_{al_N}正极；上述A、B、C三相中6N个辅助开关K_{au_i2}、K_{al_i2}、K_{bu_i2}、K_{bl_i2}、K_{cu_i2}、K_{cl_i2}、T_{au_j}、T_{al_j}、T_{bu_j}、T_{bl_j}、T_{cu_j}、T_{cl_j}，其中i的取值为1～K，j的取值为K+1～N，6N+11个钳位二极管，8个辅助电容C₁、C₂、C₃、C₄、C₅、C₆、C₇、C₈及4个辅助IGBT模块T₁、T₂、T₃、T₄，共同构成自均压辅助回路。

4.根据权利1所述的基于不等式约束的辅助电容分布式半桥/全桥混联MMC自均压拓扑，其特征在于：正常情况时，自均压辅助回路中6N个辅助开关K_{au_i2}、K_{al_i2}、K_{bu_i2}、K_{bl_i2}、K_{cu_i2}、K_{cl_i2}、T_{au_j}、T_{al_j}、T_{bu_j}、T_{bl_j}、T_{cu_j}、T_{cl_j}常闭，其中i的取值为1～K，j的取值为K+1～N；故障情况时，6N-6K个辅助开关T_{au_j}、T_{al_j}、T_{bu_j}、T_{bl_j}、T_{cu_j}、T_{cl_j}断开，其中j的取值为K+1～N；正常情况下，A相上桥臂第一个子模块电容C­_{au­_1}旁路时，此时辅助IGBT模块T₁断开，子模块电容C_{­au­_1}与辅助电容C₁通过钳位二极管并联；A相上桥臂第i个子模块电容C­_{au­_i}旁路时，其中i的取值为2～N，子模块电容C­_{au­_i}与子模块电容C­_{au­_i-1}通过钳位二极管并联；A相下桥臂第一个子模块电容C­_{al_1}旁路时，子模块电容C­_{al­_1}通过钳位二极管、两个桥臂电抗器L₀与子模块电容C­_{au­_N}并联；A相下桥臂第i个子模块电容C­_{al_i}旁路时，其中i的取值为2～N，子模块电容C­_{al­_i}与子模块电容C­_{al_i-1}通过钳位二极管并联；辅助IGBT模块T₂闭合时，辅助电容C₃通过钳位二极管与子模块电容C­_{al_N}并联；辅助IGBT模块T₁闭合时，辅助电容C₂与子模块电容C­_{bu­_1}通过钳位二极管并联；B相上桥臂第i个子模块电容C­_{bu­_i}旁路时，其中i的取值为1～N-1，子模块电容C­_{bu­_i}与子模块电容C­_{bu­_i+1}通过钳位二极管并联；B相上桥臂第N个子模块电容C­_{bu_N}旁路时，子模块电容C_{­bu­_N}通过钳位二极管、两个桥臂电抗器L₀与子模块电容C­_{bl­_1}并联；B相下桥臂第i个子模块电容C­_{bl_i}旁路时，其中i的取值为1～N-1，子模块电容C_{­bl­_i}与子模块电容C­_{bl_i+1}通过钳位二极管并联；B相下桥臂第N个子模块电容C­_{bl_N}旁路时，子模块电容C­_{bl­_N}与辅助电容C­₄通过钳位二极管并联；其中辅助IGBT模块T₁的触发信号与A相上桥臂第一个子模块的触发信号一致；辅助IGBT模块T₂的触发信号与B相下桥臂第N个子模块的触发信号一致；在直交流能量转换的过程中，各个子模块交替投入、旁路，辅助IGBT模块T₁、T₂交替闭合、关断，A相上下桥臂子模块电容电压在钳位二极管的作用下，满足下列约束，U_C1≥U_{C­au_1}≥U_{C­au_2}…≥U_{C­au_N}≥U_{C­al_1}≥U_{C­al_2}…≥U_{C­al_N}≥U_C3；B相上下桥臂子模块电容电压在钳位二极管的作用下，满足下列约束，U_C2≤U_{C­bu_1}≤U_{C­bu_2}…≤U_{C­bu_N}≤U_{C­bl_1}≤U_{C­bl_2}…≤U_{C­bl_N}≤U_C4；依靠着辅助电容C₁、C₂电压之间，辅助电容C₃、C₄电压之间的两个不等式约束，U_C1≤U_C2，U_C3≥U_C4，A、B相上下桥臂中4N个子模块电容，C_{au_i}、C_{al_i}、C_{bu_i}、C_{bl_i}，其中i取值为1～N，以及辅助电容C₁、C₂、C₃、C₄，的电压处于自平衡状态，拓扑A、B相间具备子模块电容电压自均衡能力；若拓扑中C相的构成形式与A相一致，则通过辅助电容C₅、C₆、C₇、C₈的作用，C、B相间电容电压的约束条件与A、B之间电容电压约束条件类似；若拓扑中C相的构成形式与B相一致，则通过辅助电容C₅、C₆、C₇、C₈的作用，A、C相间电容电压的约束条件与A、B之间电容电压约束条件类似，拓扑具备子模块电容电压自均衡能力；在利用钳位二极管实现相内相邻子模块间电容能量单相流动的基础上，依靠辅助电容间的不等式约束，实现电容能量的相间流动构成电容能量的循环通路，进而保持相间子模块电容电压稳定，是该权利的保护内容。

5.根据权利1所述的基于不等式约束的辅助电容分布式半桥/全桥混联MMC自均压拓扑，其特征在于：基于不等式约束的辅助电容分布式半桥/全桥混联MMC自均压拓扑，不仅能作为多电平电压源换流器直接应用于柔性直流输电领域，也能通过构成静止同步补偿器（STATCOM），统一电能质量调节器（UPQC），统一潮流控制器（UPFC）等装置应用于柔性交流输电领域；间接利用该实用新型拓扑及思想的其他应用场合在权利范围内。