一種用于vsc-hvdc的三相模塊化多電平換流器及其載波移相調制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于VSC-HVDC的三相模塊化多電平換流器及其載波移相調制方法，屬于電平換流器【技術領域】。本發(fā)明包括三個相單元和第一電壓電容，所述三個相單元其中的兩個相單元之間相互并聯(lián)在一起后在與第一電壓電容和另外的一個相單元并聯(lián)在一起；所述相單元包括兩個并聯(lián)在一起的橋臂，所述橋臂包括電抗器和N個子模塊。對于N+1電平的三相模塊化多電平換流器，每個橋臂包含N個級聯(lián)的子模塊，需要采用N組二電平的三角載波，三角載波相位依次錯開2π/N角度。本發(fā)明不會帶來額外的開關損耗，同時便于估算出由功率器件帶來的換流器損耗。
【專利說明】—種用于VSC-HVDC的三相模塊化多電平換流器及其載波移相調制方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多電平換流器，尤其涉及一種用于VSC-HVDC的三相模塊化多電平換流器及其載波移相調制策略。

【背景技術】
[0002]世界范圍內電力工業(yè)需要采用更加靈活、經濟、環(huán)保的輸配電方式來迎接技術、經濟與環(huán)境方面的挑戰(zhàn)，因此，先進電力電子裝置的需求變得日益迫切。電壓源換流器型直流輸電(voltage source converter-high voltage DC, VSC-HVDC)的技術優(yōu)勢使其在可再生能源并網(wǎng)、無源網(wǎng)絡供電、城市電網(wǎng)供電、異步交流電網(wǎng)互聯(lián)等領域都發(fā)揮了積極作用，VSC是VSC-HVDC輸電系統(tǒng)中的核心組成部分，其拓撲結構及調制策略對VSC-HVDC的運行特性以及VSC-HVDC工程的有效性、經濟性和可靠性都有很大的影響。目前已投運的VSC-HVDC多采用兩電平VSC或三電平VSC拓撲結構。兩電平VSC存在的主要問題是過高開關頻率帶來的過高開關損耗、IGBT串聯(lián)帶來的靜態(tài)、動態(tài)均壓和電磁干擾，另外，對器件的開關一致性要求很高；三電平VSC存在的主要問題為直流側的均壓和直流側中性點存在的3次諧波電流影響。上述兩種拓撲結構也給VSC的設計、布局及裝配帶來了極大的難度。
[0003]為了解決上述VSC的問題，西門子公司提出了一種適用于HVDC和FACTS的新型VSC拓撲結構——模塊化多電平換流器。MMC采用模塊化設計，通過調整子模塊的串聯(lián)個數(shù)可以實現(xiàn)電壓及功率等級的靈活變化，并且可以擴展到任意電平輸出，減小了電磁干擾和輸出電壓的諧波含量，輸出電壓非常平滑且接近理想正弦波形，因此在網(wǎng)側不需要大容量交流濾波器；開關器件的開關頻率低，開關損耗也相應減少；由于MMC拓撲將能量分散存儲在橋臂的各個子模塊電容中，提高了故障穿越能力。MMC的這些特點提高了高壓直流輸電系統(tǒng)的經濟性、可靠性和適應性。
[0004]雖然西門子承建的世界上首個采用MMC的直流輸電工程(Trans Bay CableProject)已于2010年3月在美國投入商業(yè)運行，但是目前國內外學術界對MMC型電壓源換流器直流輸電技術的研究相對較少，諸如調制策略、電容電壓平衡控制、故障保護等關鍵技術還沒有得到完全解決，亟待深入研究。


【發(fā)明內容】

[0005]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術中存在的不足，本發(fā)明提供一種用于VSC-HVDC的三相模塊化多電平換流器及其載波移相調制方法，該發(fā)明不會帶來額外的開關損耗和便于估算出由功率器件帶來的換流器損耗。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為:一種用于VSC-HVDC的三相模塊化多電平換流器，包括三個相單元和第一電壓電容，所述三個相單元其中的兩個相單元之間相互并聯(lián)在一起后在與第一電壓電容和另外的一個相單元并聯(lián)在一起；所述相單元包括兩個并聯(lián)在一起的橋臂，所述橋臂包括電抗器和N個子模塊，N大于等于1，且所述子模塊、電抗器相互串聯(lián)在一起；所述子模塊包括直流儲能電容和開關單元，所述開關單元包括第一、第二絕緣柵雙極型晶體管，所述第一絕緣柵雙極型晶體管與直流儲能電容串聯(lián)后，與第二絕緣柵雙極型晶體管并聯(lián)；還包括兩個反并聯(lián)的第一、第二二極管，所述第一二極管與第一絕緣柵雙極型晶體管并聯(lián)，所述第二二極管與第二絕緣柵雙極型晶體管并聯(lián)。
[0007]進一步地:還包括安全開關，所述安全開關并聯(lián)在子模塊上，所述安全開關包括高速旁路開關和壓接式封裝晶閘管，所述高速旁路開關與壓接式封裝晶閘管相互并聯(lián)。
[0008]—種適用于VSC-HVDC的三相模塊化多電平換流器的載波移相調制方法，對于N+1電平的三相模塊化多電平換流器，每個橋臂包含N個級聯(lián)的子模塊,需要采用N組二電平的三角載波，三角載波相位依次錯開2 π/N角度；設橋臂參考電壓為子模塊I的參考電壓為<，i = l，2，...，Ν;各子模塊參考電壓均應等于橋臂參考電壓，即 < = 個子模塊參考電壓和N組載波相比較，產生N組PWM脈沖，分別控制N個子模塊的上IGBT，取反并加入一定的死區(qū)時間后控制N個子模塊的下IGBT，以避免各子模塊發(fā)生直通后電容迅速放電；所述橋臂輸出電壓是由所有子模塊的二電平PWM脈沖疊加而成。
[0009]根在電容電壓平衡的條件下，若想控制整個橋臂按照輸出電壓，只需滿足橋臂內所有子模塊的參考電壓之和等于橋臂參考電壓的N倍，SP，

【權利要求】
1.一種用于VSC-HVDC的三相模塊化多電平換流器，其特征在于:包括三個相單元和第一電壓電容，所述三個相單元其中的兩個相單元之間相互并聯(lián)在一起后在與第一電壓電容和另外的一個相單元并聯(lián)在一起；所述相單元包括兩個并聯(lián)在一起的橋臂，所述橋臂包括電抗器和N個子模塊，N大于等于1，且所述子模塊、電抗器相互串聯(lián)在一起；所述子模塊包括直流儲能電容和開關單元，所述開關單元包括第一、第二絕緣柵雙極型晶體管，所述第一絕緣柵雙極型晶體管與直流儲能電容串聯(lián)后，與第二絕緣柵雙極型晶體管并聯(lián)；還包括兩個反并聯(lián)的第一、第二二極管，所述第一二極管與第一絕緣柵雙極型晶體管并聯(lián)，所述第二二極管與第二絕緣柵雙極型晶體管并聯(lián)。
2.根據(jù)權利要求1所述的用于VSC-HVDC的三相模塊化多電平換流器，其特征在于:還包括安全開關，所述安全開關并聯(lián)在子模塊上，所述安全開關包括高速旁路開關和壓接式封裝晶閘管，所述高速旁路開關與壓接式封裝晶閘管相互并聯(lián)。
3.一種基于權利要求1所述的適用于VSC-HVDC的三相模塊化多電平換流器的載波移相調制方法，其特征在于:對于N+1電平的三相模塊化多電平換流器，每個橋臂包含N個級聯(lián)的子模塊，需要采用N組二電平的三角載波，三角載波相位依次錯開2 π /N角度；設橋臂參考電壓為《I.，子模塊I的參考電壓為<，i = 1，2，...，Ν;各子模塊參考電壓均應等于橋臂參考電壓，即u: = Uhr; N個子模塊參考電壓和N組載波相比較，產生N組PWM脈沖，分別控制N個子模塊的上IGBT，取反并加入一定的死區(qū)時間后控制N個子模塊的下IGBT，以避免各子模塊發(fā)生直通后電容迅速放電；所述橋臂輸出電壓是由所有子模塊的二電平PWM脈沖疊加而成。
4.根據(jù)權利要求3所述的適用于VSC-HVDC的三相模塊化多電平換流器的載波移相調制方法，其特征在于:在電容電壓平衡的條件下，若想控制整個橋臂按照<輸出電壓，只需滿足橋臂內所有子模塊的參考電壓之和等于橋臂參考電壓的N倍，即，
5.根據(jù)權利要求4所述的適用于VSC-HVDC的三相模塊化多電平換流器的載波移相調制方法，其特征在于:不改變整個橋臂輸出電壓的同時，在±10%范圍內調整橋臂內部各子模塊的參考電壓。
6.一種基于權利要求1所述的適用于VSC-HVDC的三相模塊化多電平換流器的MMC內部環(huán)流抑制器，其特征在于:所述抑制器采用陷波器提取出環(huán)流中的二倍頻分量，再以比例諧振PR控制器對其進行跟蹤補償，并將補償信號疊加在子模塊參考電壓中，從而達到限制環(huán)流的目的。
7.一種基于權利要求1所述的適用于VSC-HVDC的三相模塊化多電平換流器的MMC內部環(huán)流抑制方法，其特征在于:分為環(huán)流2次分量提取及理想PR控制器兩個部分，首先，通過陷波器陷除環(huán)流中的二次成分，再將其與原環(huán)流做差，從而得到環(huán)流二次基本成分；將此二次環(huán)流與參考值再做差，然后將參考值選取為0，將差值送入PR控制器進行跟蹤處理，即可得到需要的參考電壓補償信號。
【文檔編號】H02M7/00GK104201909SQ201410466691
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月12日 優(yōu)先權日:2014年9月12日
【發(fā)明者】余海濤, 孟高軍, 胡敏強, 黃磊 申請人:東南大學