本發(fā)明屬于柔性直流輸電技術領域，具體涉及一種三相對稱的MMC模塊電容電壓自均衡拓撲。

背景技術：
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模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter，MMC)是柔性直流輸電技術換流閥的基本拓撲，其解決了在高壓大電流應用時，傳統(tǒng)兩電平換流器中開關器件直接串并聯(lián)的問題。在損耗方面，采用階梯波逼近的正弦波調制方式，大大降低了其開關頻率，和傳統(tǒng)兩電平換流器的高頻調制相比，損耗大幅降低。多個子模塊級聯(lián)后輸出的階梯波非常逼近正弦波，波形質量高，降低了濾波器的要求。此外，采用冗余設計后，故障子模塊可由冗余子模塊代替，增強了可靠性。

子模塊電容電壓均衡是保證MMC換流器輸出高質量波形，換流閥可靠運行的關鍵，傳統(tǒng)的MMC拓撲中，采用基于電容電壓排序子模塊投切策略解決子模塊電容電壓的均衡問題，其基本的思想是：采集系統(tǒng)所有子模塊的電壓，根據換流器橋臂電流的方向，模塊充電時，橋臂上的所有模塊按升壓排序，優(yōu)先投入電壓較低的模塊；模塊放電時，模塊按降壓排序，電壓較高的模塊優(yōu)先放電，應用這種投切策略，排序頻率較高時，能夠很好的保證子模塊電容電壓的一致性。但是隨著輸電容量及電壓等級的提升，模塊數大幅增加，每個橋臂上的模塊數多達幾百個，是無法很快將所有模塊電壓采集到一個處理器中的，從而不利于排序的進行，而且排序所需的排序次數也很多，這時就要用多個處理器進行分組排序，分組投切，采用這種方法，模塊電容電壓的一致性就會降低。

文獻“A DC-Link Voltage Self-Balance Method for a Diode-Clamped Modular Multilevel Converter With Minimum Number of Voltage Sensors”中提出了一種利用輔助箝位二極管及變壓器來實現(xiàn)MMC模塊電容自壓的方法，子模塊能量均衡局限于相內，且變壓器的引入使系統(tǒng)結構和控制策略較為復雜。

專利“基于等式約束的輔助電容集中式半橋MMC自均壓拓撲”中基于前一段所提文獻中的輔助二極管均壓法，提出了一種基于輔助電容的相間能量均衡拓撲及調制策略。其基本思想是了利用子模塊電容所連接的輔助二極管，A、C兩相相內不平衡自動向上流動，在橋臂最上端A、C兩相并聯(lián)后利用輔助電容相B相最上面的模塊放電；B相則相反，不平衡經能量輔助二極管向下流動，流至輔助電容，向A、C兩相放電。其拓撲能基本實現(xiàn)相內，相間的模塊能量均衡，但是拓撲本身不對稱，破壞了三相系統(tǒng)的對稱性，最終A、C相能實現(xiàn)完全對稱，與B相相差較大。此外，其拓撲中B相和A、C兩相使用的子模塊不一樣，不利于模塊化生產。

技術實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的是為了克服“基于等式約束的輔助電容集中式半橋MMC自均壓拓撲”中三相不對稱的問題，提供了一種三相對稱的MMC模塊電容電壓自均衡的拓撲，這種拓撲能實現(xiàn)相內模塊電容電壓自均壓，相間不平衡能量循環(huán)流通，且拓撲結構完全對稱。

為達到上述目的，本發(fā)明是通過以下技術方案來實現(xiàn)的：

一種三相對稱的MMC模塊電容電壓自均衡的拓撲，包括三相半橋型MMC模型、相內箝位二極管自均壓電路和相間不平衡能量流通回路；三相半橋型MMC模型用于實現(xiàn)交直流轉換，與三相半橋型MMC模型中子模塊連接的相內箝位二極管自均壓電路迫使子模塊電壓自動均衡，同時三相半橋型MMC模型中相間的不平衡能量通過相間不平衡能量流通回路流通。

本發(fā)明進一步的改進在于，三相半橋型MMC模型由A、B、C三相組成，每相有上、下兩個橋臂構成，每個橋臂上有N個半橋型子模塊，每個橋臂上子模塊編號從上到下依次為1-N；其中A相上橋臂的第1個子模塊，其子模塊電容C_{Au_1}的負極向下與A相上橋臂的第2個子模塊IGBT模塊中點相連接，其子模塊IGBT模塊中點向上與直流母線正極相連接，A相上橋臂的第i個子模塊，其中i的取值為2～N-1，其子模塊電容C_{Au_i}的負極向下與A相上橋臂的第i+1個子模塊IGBT模塊中點相連接，其子模塊IGBT模塊中點向上與A相上橋臂的第i-1個子模塊電容C_{Au_i-1}負極相連接，A相上橋臂的第N個子模塊，其子模塊電容C_{Au_n}的負極向下經兩個橋臂電抗器L_Au和L_Ad與A相下橋臂的第1個子模塊IGBT模塊中點相連接，其子模塊IGBT模塊中點向上與A相上橋臂的第N-1個子模塊電容C_{Au_n-1}的負極相連接，A相下橋臂的第i個子模塊，其子模塊電容C_{Ad_i}的負極向下與A相下橋臂的第i+1個子模塊IGBT模塊中點相連接，其IGBT模塊中點向上與A相下橋臂的第i-1個子模塊電容C_{Ad_i-1}的負極相連接，A相下橋臂第N個子模塊電容C_{Ad_n}的負極直接接至直流負母線，其IGBT模塊中點向上與A相下橋臂第N-1個子模塊電容C_{Ad_n-1}的負極相連；B相上橋臂的第1個子模塊，其子模塊電容C_{Bu_1}的負極向下與B相上橋臂的第2個子模塊IGBT模塊中點相連接，其子模塊IGBT模塊中點向上與直流母線正極相連接，B相上橋臂的第i個子模塊，其中i的取值為2～N-1，其子模塊電容C_{Bu_i}的負極向下與B相上橋臂的第i+1個子模塊IGBT模塊中點相連接，其子模塊IGBT模塊中點向上與B相上橋臂的第i-1個子模塊電容C_{Bu_i-1}負極相連接，B相上橋臂的第N個子模塊，其子模塊電容C_{Bu_n}的負極向下經兩個橋臂電抗器L_Bu和L_Bd與B相下橋臂的第1個子模塊IGBT模塊中點相連接，其子模塊IGBT模塊中點向上與B相上橋臂的第N-1個子模塊電容C_{Bu_n-1}的負極相連接，B相下橋臂的第i個子模塊，其子模塊電容C_{Bd_i}的負極向下與B相下橋臂的第i+1個子模塊IGBT模塊中點相連接，其IGBT模塊中點向上與B相下橋臂的第i-1個子模塊電容C_{Bd_i-1}的負極相連接，B相下橋臂第N個子模塊電容C_{Bd_n}的負極直接接至直流負母線，其IGBT模塊中點向上與B相下橋臂第N-1個子模塊電容C_{Bd_n-1}的負極相連；C相上橋臂的第1個子模塊，其子模塊電容C_{Cu_1}的負極向下與C相上橋臂的第2個子模塊IGBT模塊中點相連接，其子模塊IGBT模塊中點向上與直流母線正極相連接，C相上橋臂的第i個子模塊，其中i的取值為2～N-1，其子模塊電容C_{Cu_i}的負極向下與C相上橋臂的第i+1個子模塊IGBT模塊中點相連接，其子模塊IGBT模塊中點向上與C相上橋臂的第i-1個子模塊電容C_{Cu_i-1}負極相連接，C相上橋臂的第N個子模塊，其子模塊電容C_{Cu_n}的負極向下經兩個橋臂電抗器L_Cu和L_Cd與C相下橋臂的第1個子模塊IGBT模塊中點相連接，其子模塊IGBT模塊中點向上與C相上橋臂的第N-1個子模塊電容C_{Cu_n-1}的負極相連接，C相下橋臂的第i個子模塊，其子模塊電容C_{Cd_i}的負極向下與C相下橋臂的第i+1個子模塊IGBT模塊中點相連接，其IGBT模塊中點向上與C相下橋臂的第i-1個子模塊電容C_{Cd_i-1}的負極相連接，C相下橋臂第N個子模塊電容C_{Cd_n}的負極直接接至直流負母線，其IGBT模塊中點向上與C相下橋臂第N-1個子模塊電容C_{Cd_n-1}的負極相連；構成上述約束關系的A、B、C三相拓撲完全一致。

本發(fā)明進一步的改進在于，相內箝位二極管自均壓電路由連接在三相半橋型MMC模型中子模塊電容正極的箝位二極管組成，A相上橋臂第N個子模塊電容C_{Au_n}的正極經箝位二極管接到第N-1個模塊電容C_{Au_n-1}的正極，以此類推，A相上橋臂第2個子模塊電容C_{Au_2}正極接到第1個子模塊電容C_{Au_1}的正極，第1個子模塊電容C_{Au_1}的正極經二極管接至相間輔助電容C₁的正極；A相下橋臂第N個子模塊電容C_{Ad_n}正極經箝位二極管接至第N-1個子模塊電容C_{Ad_n-1}的正極，以此類推，下橋臂第2個子模塊電容C_{Ad_2}的正極經箝位二極管接至第一個子模塊電容C_{Ad_1}的正極，下橋臂第一個子模塊電容C_{Ad_1}的正極經箝位二極管接至A相上橋臂最后一個子模塊C_{Au_n}的正極；B相上橋臂第N個子模塊電容C_{Bu_n}的正極經箝位二極管接到第N-1個模塊電容C_{Bu_n-1}的正極，以此類推，B相上橋臂第2個子模塊電容C_{Bu_2}正極接到第1個子模塊電容C_{Bu_1}的正極，第1個子模塊電容C_{Bu_1}的正極經二極管接至相間輔助電容C₂的正極；B相下橋臂第N個子模塊電容C_{Bd_n}正極經箝位二極管接至第N-1個子模塊電容C_{Bd_n-1}的正極，以此類推，下橋臂第2個子模塊電容C_{Bd_2}的正極經箝位二極管接至第一個子模塊電容C_{Bd_1}的正極，下橋臂第一個子模塊電容C_{Bd_1}的正極經箝位二極管接至B相上橋臂最后一個子模塊C_{Bu_n}的正極；C相上橋臂第N個子模塊電容C_{Cu_n}的正極經箝位二極管接到第N-1個模塊電容C_{Cu_n-1}的正極，以此類推，C相上橋臂第2個子模塊電容C_{Cu_2}正極接到第1個子模塊電容C_{Cu_1}的正極，第1個子模塊電容C_{Cu_1}的正極經二極管接至相間輔助電容C₃的正極；C相下橋臂第N個子模塊電容C_{Cd_n}正極經箝位二極管接至第N-1個子模塊電容C_{Cd_n-1}的正極，以此類推，下橋臂第2個子模塊電容C_{Cd_2}的正極經箝位二極管接至第一個子模塊電容C_{Cd_1}的正極，下橋臂第一個子模塊電容C_{Cd_1}的正極經箝位二極管接至C相上橋臂最后一個子模塊C_{Cu_n}的正極；該三相完全一致的相內箝位二極管自均壓電路在權利范圍之內。

本發(fā)明進一步的改進在于，相間不平衡能量流通回路分別布置在每相上橋臂第一個子模塊之間和每相下橋臂第N個子模塊之間，相鄰兩個模塊之間的回路由兩個二極管，一個輔助充電電容和一個IGBT組成；A相上橋臂第一個子模塊電容C_{Au_1}的正極經二極管連接輔助電容C₁正極，電容C₁的負極經二極管連接到直流正母線上，此外，輔助電容C₁的正極經輔助IGBT T₁連接到B相上橋臂第1個模塊電容C_{Bu_1}的正極，電容C_{Bu_1}的負極經二極管連接到A相上橋臂輔助電容C₁的負極，構成相間回路，以此類推，B相上橋臂輔助電容C₂的正極經輔助IGBT T₂連接到C相上橋臂第1個模塊電容C_{Cu_1}的正極，C_{Cu_1}的負極連接到B相上橋臂輔助電容C₂的負極，同樣的，C相上橋臂輔助電容C₃連接到A相上橋臂第一個子模塊電容C_{Au_1}上，三相上橋臂第一個模塊構成三角形回路；與上橋臂類似，對于下橋臂的相間輔助回路，A相下橋臂第N個模塊電容C_{Ad_n}的正極經輔助二極管接到下橋臂輔助電容C₄的正極，輔助電容C₄的負極直接連接到直流負母線上，C₄的正極經輔助IGBT T₄連接到B相下橋臂最后一個子模塊電容C_{Bd_n}的正極，輔助電容C₄和B相最后一個子模塊電容C_{Bd_n}的負極通過直流負母線相連接，同樣的，B相下橋臂最后一個子模塊電容C_{Bd_n}的正極經二極管連接輔助電容C₅正極，輔助電容C₅的負極接直流負母線，輔助電容C₅的正極經輔助IGBT T₅接至C相下橋臂最后一個子模塊電容C_{Cd_n}的正極，C_{Cd_n}的負極經直流負母線構成回路，C相下橋臂最后一個子模塊電容C_{Cd_n}的正極經二極管連接輔助電容C₆正極，輔助電容C₆的負極接直流負母線，輔助電容C₆的正極經輔助IGBT T₆接至A相下橋臂最后一個子模塊電容C_{Ad_n}的正極，C_{Ad_n}的負極經直流負母線構成回路；這樣，三相下橋臂的最后一個子模塊也經過相間輔助電路構成三角形回路，實現(xiàn)三相完全對稱。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點：

本發(fā)明整個拓撲所用子模塊完全相同，保證了MMC拓撲原有的對稱性，相內箝位二極管自均壓電路能夠實現(xiàn)MMC中每相中子模塊電壓自動均衡，三相之間的不平衡能量通過相間不平衡能量流通回路實現(xiàn)平衡，通過MMC，相內箝位二極管自均壓電路、相間不平衡能量流通回路三部分協(xié)調工作，使整個系統(tǒng)能量自動均衡。

進一步，相內實現(xiàn)MMC相內子模塊電容電壓自均衡，省去了電容電壓采樣的傳感器，假設每個橋臂上有N個模塊，則可以節(jié)省6N個電壓測量傳感器，以及相應的通信光線；此外，MMC模塊電壓自動均衡，控制器不在需要排序運算，降低了對控制器的要求，尤其是高壓大容量換流站中，子模塊數越多，該優(yōu)勢越顯著。

此外，相間不平衡能量流通回路布置在靠近直流正負母線的兩端，相間的不平衡能量通過兩端的回路流通，實現(xiàn)平衡，最終三相中對應子模塊的電壓也會相等，提高了模塊電容均壓性能。

綜上所述，三相完全對稱的相內子模塊電容自均衡、相間能量自平衡拓撲，不僅能應用于柔性直流輸電領域，也可以構成靜止同步補償器(STATCOM)、統(tǒng)一電能質量調節(jié)器(UPQC)，統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)等其他高壓大容量的FACTS裝置。間接利用該發(fā)明拓撲及思想的其他應用場合也在權利范圍之內。

附圖說明：

圖1為三相對稱的MMC模塊電容電壓自均衡拓撲；

圖2為半橋型子模塊的示意圖；

圖3為相內模塊電容電壓自均衡能量流通示意圖；

圖4為相間不平衡能量流通示意圖；

圖5為A相上橋臂子模塊電容電壓穩(wěn)態(tài)波形；

圖6為A相下橋臂子模塊電容電壓穩(wěn)態(tài)波形；

圖7為每相上橋臂第一個子模塊電壓穩(wěn)態(tài)波形；

圖8為每相下橋臂最后一個子模塊電壓穩(wěn)態(tài)波形；

圖9為每相上橋臂第四個子模塊電壓穩(wěn)態(tài)波形。

具體實施方式：

下面結合具體的實施例對本發(fā)明的拓撲及工作原理做進一步的詳細說明，所述是對本發(fā)明的解釋而不是限定。

1)參考圖1，半橋子模塊由兩個IGBT和一個模塊電容組成；參考圖2，三相對稱的MMC模塊電容電壓自均衡拓撲，包括由A、B、C三相構成的半橋MMC模型，A、B、C三相分別由2N個半橋子模塊，2個橋臂電抗器串聯(lián)而成；包括6(N-1)個箝位二極管，9個相間輔助二極管，6個輔助電容，6個輔助IGBT模塊組成的相內自均壓相間不平衡能量流通回路。

2)半橋型MMC拓撲中，A相上橋臂的第1個子模塊，其子模塊電容負極向下與A相上橋臂的第2個子模塊IGBT模塊中點相連接，其子模塊IGBT模塊中點向上與直流母線正極相連接；A相上橋臂的第i個子模塊，其中i的取值為2～N-1，其子模塊電容負極向下與A相上橋臂的第i+1個子模塊IGBT模塊中點相連接，其子模塊IGBT模塊中點向上與A相上橋臂的第i-1個子模塊電容負極相連接；A相上橋臂的第N個子模塊，其子模塊電容C_AuN的負極向下經兩個橋臂電抗器與A相下橋臂的第1個子模塊IGBT模塊中點相連接，其子模塊IGBT模塊中點向上與A相上橋臂的第N-1個子模塊電容負極相連接；A相下橋臂的第i個子模塊，其中i的取值為2～N-1，其子模塊電容負極向下與A相下橋臂的第i+1個子模塊IGBT模塊中點相連接，其IGBT模塊中點向上與A相下橋臂的第i-1個子模塊電容負極相連接。B、C兩相的連接方式和A相完全一致。

3)在相內自均壓輔助電路中，A相上橋臂最后一個子模塊(第N個)電容C_AuN的正極經輔助二極管接到第N-1個模塊電容的負極，以此類推，A相上橋臂第2個子模塊電容C_Au2的正極接到第1個子模塊電容C_Au1的負極，第1個子模塊電容C_Au1的正極接二極管接至相間輔助電容C₁的正極；類似的，A相下橋臂第N個子模塊電容C_AdN的正極經箝位二極管接至第N-1個子模塊電容C_Ad(N-1)的負極，以此類推，下橋臂第2個子模塊電容C_Ad2的正極經箝位二極管接至第一個子模塊電容C_Ad1的負極，下橋臂第一個子模塊電容正極不加箝位二極管。B、C兩相的連接方式和A相連接方式完全一致。

4)在相間不平衡能量流通回路中，A相上橋臂第一個子模塊電容C_Au1的正極經二極管連接輔助電容C₁的正極，電容負極經二極管連接到直流正母線上，此外，輔助電容C₁的正極經輔助IGBT T₁連接到B相上橋臂第1個模塊電容C_Bu1的正極，其負極經回流二極管D₁連接到A相上端輔助電容C₁的負極，構成相間回路。以此類推，B相輔助電容C₂的正極經輔助IGBT T₂連接到C相上橋臂第1個模塊電容C_Cu1的正極，其負極經二極管D₂連接到B相上端輔助電容C₂的負極，同樣的，C相輔助電容連接到A相，三相上橋臂第一個模塊電容經相間輔助電路構成三角形回路。與上橋臂類似，對于下橋臂的相間輔助回路，A相下橋臂最后一個模塊電容C_AdN的正極經輔助二極管D₄接到下橋臂輔助電容C₄的正極，輔助電容C₄負極直接連接到直流負母線上，輔助電容的正極經輔助IGBT T₄連接到B相下橋臂最后一個子模塊電容C_BdN的正極，輔助電容C₄和B相最后一個子模塊電容C_BdN的負極通過直流負母線相連接。同樣的，B相下橋臂最后一個子模塊電容C_BdN的正極經二極管連接輔助電容C₅的正極，輔助電容負極接直流負母線，輔助電容C₅的正極經輔助IGBT T₅接至C相下橋臂最后一個子模塊電容C_CdN的正極，負極經直流負母線構成回路。C相用同樣的方法接至A相。這樣，三相下橋臂的最后一個子模塊也經過相間輔助電路構成三角形回路，實現(xiàn)三相完全對稱。

參考圖3，相內自均壓電路在工作過程中，當某一橋臂上第N個模塊的下管導通時，如果第N個模塊電容電壓高于第N-1個模塊的電容電壓，參考圖3，第N個模塊電容的正極經箝位二極管連接到第N-1個模塊電容的正極，此時第N個模塊的下管是導通的，即第N和N-1個模塊電容的負極相連接，第N個模塊自動給第N-1個模塊充電，這樣每個橋臂上的模塊電容電壓就能實現(xiàn)自均衡。

參考圖4，相間均衡回路中輔助IGBT的驅動信號均與其所連接的半橋模塊的上管的驅動信號保持一致；相間輔助電容的充電方式與相內模塊充電方式一致，以A相上橋臂為例，當上橋臂上第一個子模塊下管導通時，其模塊電容正極經二極管與輔助電容正極相連，輔助電容負極經直流正母線和第一個模塊的下管與第一個模塊電容的負極相連，構成充電回路；當A相第一個模塊下管關斷，上管開通時，相間輔助IGBT T₁導通，如果輔助電容電壓高于B相第一個模塊的電容電壓，輔助電容自動向B相上橋臂第一個模塊充電，其余相間輔助回路的工作方式都與A，B上橋臂相間回路一致。實現(xiàn)相間不平衡能量的相互傳輸，最終達到相間能量平衡。

由上述具體說明知，所提拓撲能實現(xiàn)相內模塊電容電壓自均衡，相間不平衡能量自由流通，最終使相內、相間能量都實現(xiàn)均衡，且拓撲保持三相完全對稱。

實施例：

根據本發(fā)明的描述，仿真例子中應用三相對稱的電容電壓自均衡拓撲如圖1所示，其交流側接380V交流電網額定電壓，直流側額定電壓為700V，接96Ω電阻負載；采用5電平結構，即每相上下橋臂各有4個子半橋模塊構成，子模塊電容為3300μF，子模塊電容額定電壓為175V；橋臂電抗器為15mH；系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，相內箝位二極管自均壓電路的工作時，子模塊電容之間相互箝位，電壓維持均衡，參考圖5和圖6，以A相為例，A相上橋臂四個子模塊電容電壓U_cAui，i＝1-4和A相下橋臂四個模塊電容電壓_UcAdi，都能均衡，且偏差在±5V之內，波動在2.85％之內；參考圖7，A、B、C三相上橋臂第一個子模塊電壓U_cAu1，U_cBu1和U_cCu1幅值及變換規(guī)律幾乎完全一致，相位互差120°，同樣的，參考圖8，三相下橋臂最后一個子模塊電壓U_cAd4，U_cBd4和U_cCd4幅值及變換規(guī)律也幾乎完全一致，相位互差120°，由此可得三相對稱的電容電壓自均衡拓撲中每相第一個子模塊之間能電壓能相互均衡，最后一個子模塊之間電壓也能相互均衡，達到相間不平衡能量自由流通的目的。每相兩端的子模塊電壓平衡后，受相內鉗位二極管自均壓電路迫使每相對應位置上的子模塊電壓也均衡，參考圖9，如A、B、C三相中上橋臂第4個子模塊電壓U_cAu4，U_cBu4和U_cCu4都能實現(xiàn)均衡，因此相內鉗位二極管自均壓電路和相間不平衡能量流通回路的共同作用，使MMC拓撲中的子模塊電壓均衡，每相相互之間也能實現(xiàn)能量均衡。