基于等式約束的輔助電容集中式半橋/單箝位混聯(lián)mmc自均壓拓?fù)涞闹谱鞣椒?br>【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及柔性輸電領(lǐng)域，具體涉及一種基于等式約束的輔助電容集中式半橋/ 單箝位混聯(lián)MMC自均壓拓?fù)洹?br>【背景技術(shù)】
[0002] 模塊化多電平換流器MMC是未來(lái)直流輸電技術(shù)的發(fā)展方向，MMC采用子模塊(Sub-module，SM)級(jí)聯(lián)的方式構(gòu)造換流閥，避免了大量器件的直接串聯(lián)，降低了對(duì)器件一致性的 要求，同時(shí)便于擴(kuò)容及冗余配置。隨著電平數(shù)的升高，輸出波形接近正弦，能有效避開(kāi)低電 平VSC-HVDC的缺陷。
[0003] 半橋/單箝位混聯(lián)MMC由半橋子模塊及單箝位子模塊組合而成。半橋子模塊由2個(gè) IGBT模塊，1個(gè)子模塊電容，1個(gè)晶閘管及1個(gè)機(jī)械開(kāi)關(guān)構(gòu)成;單箝位子模塊由3個(gè)IGBT模塊、1 個(gè)子模塊電容，一個(gè)二極管及1個(gè)機(jī)械開(kāi)關(guān)構(gòu)成。該混聯(lián)MMC，成本低，運(yùn)行損耗小，同時(shí)能箝 位直流側(cè)故障。
[0004] 與兩電平、三電平VSC不同，半橋/單箝位混聯(lián)MMC的直流側(cè)電壓并非由一個(gè)大電容 支撐，而是由一系列相互獨(dú)立的懸浮子模塊電容串聯(lián)支撐。為了保證交流側(cè)電壓輸出的波 形質(zhì)量和保證模塊中各功率半導(dǎo)體器件承受相同的應(yīng)力，也為了更好的支撐直流電壓，減 小相間環(huán)流，必須保證子模塊電容電壓在橋臂功率的周期性流動(dòng)中處在動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的狀態(tài)。
[0005] 基于電容電壓排序的排序均壓算法是目前解決半橋/單箝位混聯(lián)MMC中子模塊電 容電壓均衡問(wèn)題的主流思路。但是，排序功能的實(shí)現(xiàn)必須依賴(lài)電容電壓的毫秒級(jí)采樣，需要 大量的傳感器以及光纖通道加以配合;其次，當(dāng)子模塊數(shù)目增加時(shí)，電容電壓排序的運(yùn)算量 迅速增大，為控制器的硬件設(shè)計(jì)帶來(lái)巨大挑戰(zhàn);此外，排序均壓算法的實(shí)現(xiàn)對(duì)子模塊的開(kāi)斷 頻率有很高的要求，開(kāi)斷頻率與均壓效果緊密相關(guān)，在實(shí)踐過(guò)程中，可能因?yàn)榫鶋盒Ч南?制，不得不提高子模塊的觸發(fā)頻率，進(jìn)而帶來(lái)?yè)Q流器損耗的增加。
[0006] 文獻(xiàn)"A DC-Link Voltage Self-Balance Method for a Diode-Clamped Modular Multilevel Converter With Minimum Number of Voltage Sensors"，提出了一 種依靠鉗位二極管和變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)MMC子模塊電容電壓均衡的思路。但該方案在設(shè)計(jì)上一 定程度破壞了子模塊的模塊化特性，子模塊電容能量交換通道也局限在相內(nèi)，沒(méi)能充分利 用MMC的既有結(jié)構(gòu)，三個(gè)變壓器的引入在使控制策略復(fù)雜化的同時(shí)也會(huì)帶來(lái)較大的改造成 本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提出一種經(jīng)濟(jì)的，模塊化的，不依賴(lài)均壓算法， 同時(shí)能相應(yīng)降低子模塊觸發(fā)頻率和電容容值且具有直流故障箝位能力的半橋/單箝位混聯(lián) MMC自均壓拓?fù)洹?br>[0008] 本發(fā)明具體的構(gòu)成方式如下。
[0009] 基于等式約束的輔助電容集中式半橋/單箝位混聯(lián)MMC自均壓拓?fù)?，包括由A、B、C 三相構(gòu)成的半橋MMC模型，A、B、C三相每個(gè)橋臂分別由K個(gè)半橋子模塊、N-K個(gè)單箝位子模塊 及1個(gè)橋臂電抗器串聯(lián)而成;包括由6N個(gè)輔助開(kāi)關(guān)(6K個(gè)機(jī)械開(kāi)關(guān)，6N-6K個(gè)IGBT模塊），6N+5 個(gè)鉗位二極管，2個(gè)輔助電容，2個(gè)輔助IGBT模塊組成的自均壓輔助回路。
[0010] 上述基于等式約束的輔助電容集中式半橋/單箝位混聯(lián)MMC自均壓拓?fù)洌炻?lián)MMC 模型中，A相上下橋臂，單箝位子模塊中，二極管連接子模塊電容的正極，IGBT模塊連接子模 塊電容的負(fù)極。A相上橋臂的第1個(gè)子模塊，其子模塊電容負(fù)極向下與A相上橋臂的第2個(gè)子 模塊IGBT模塊中點(diǎn)相連接，其子模塊IGBT模塊中點(diǎn)向上與直流母線正極相連接；A相上橋 臂的第i個(gè)子模塊，其中i的取值為2~K-I，其子模塊電容負(fù)極向下與A相上橋臂的第i + Ι個(gè) 子模塊IGBT模塊中點(diǎn)相連接，其子模塊IGBT模塊中點(diǎn)向上與A相上橋臂的第i-Ι個(gè)子模塊電 容負(fù)極相連接;A相上橋臂的第K個(gè)半橋子模塊，其子模塊電容負(fù)極向下與A相上橋臂的第K+ 1個(gè)子模塊IGBT模塊中點(diǎn)相連接，其子模塊IGBT模塊中點(diǎn)向上與A相上橋臂的第K-I個(gè)子模 塊電容負(fù)極相連接;A相上橋臂的第j個(gè)子模塊，其中j的取值為K+2~N-I，其子模塊二極管 與IGBT模塊聯(lián)結(jié)點(diǎn)向下與A相上橋臂第j+Ι個(gè)子模塊IGBT模塊中點(diǎn)相連接，其子模塊IGBT模 塊中點(diǎn)向上與第A相上橋臂第j-Ι個(gè)子模塊二極管與IGBT模塊聯(lián)結(jié)點(diǎn)相連接;A相上橋臂第N 個(gè)子模塊，其子模塊二極管與IGBT模塊聯(lián)結(jié)點(diǎn)向下經(jīng)兩個(gè)橋臂電抗器Lo與A相下橋臂的第1 個(gè)子模塊IGBT模塊中點(diǎn)相連接，其子模塊IGBT模塊中點(diǎn)向上與A相上橋臂的第N-I個(gè)子模塊 二極管與IGBT模塊聯(lián)結(jié)點(diǎn)相連接;A相下橋臂的第i個(gè)子模塊，其中i的取值為2~K-I，其子 模塊電容負(fù)極向下與A相下橋臂第i+Ι個(gè)子模塊IGBT模塊中點(diǎn)相連接，其IGBT模塊中點(diǎn)向上 與A相下橋臂第i-Ι個(gè)子模塊電容負(fù)極相連接;A相下橋臂的第K個(gè)子模塊，其子模塊電容負(fù) 極向下與第A相下橋臂第K+1個(gè)子模塊IGBT模塊中點(diǎn)相連接，其子模塊IGBT模塊中點(diǎn)向上與 A相下橋臂第K-I個(gè)子模塊電容負(fù)極相連接;A相下橋臂第j個(gè)子模塊，其中j的取值為K+2~ N-I，其子模塊二極管與IGBT模塊聯(lián)結(jié)點(diǎn)向下與A相下橋臂第j+Ι個(gè)子模塊IGBT模塊中點(diǎn)相 連接，其子模塊IGBT模塊中點(diǎn)向上與A相下橋臂第j-Ι個(gè)子模塊二極管與IGBT模塊聯(lián)結(jié)點(diǎn)相 連接;A相下橋臂第N個(gè)子模塊二極管與IGBT模塊聯(lián)結(jié)點(diǎn)向下與直流母線負(fù)極相連接，其子 模塊IGBT模塊中點(diǎn)向上與A相下橋臂的第N-I個(gè)子模塊二極管與IGBT模塊聯(lián)結(jié)點(diǎn)相連接。B 相上下橋臂，單箝位子模塊中，IGBT模塊連接子模塊電容正極，二極管連接子模塊電容負(fù) 極，上橋臂的第1個(gè)子模塊，其子模塊電容正極向上與直流母線正極相連接，其子模塊IGBT 模塊中點(diǎn)向下與B相上橋臂的第2個(gè)子模塊電容正極相連接;B相上橋臂的第i個(gè)子模塊，其 中i的取值為2~K-I，其子模塊電容正極向上與B相上橋臂的第i-Ι個(gè)子模塊IGBT模塊中點(diǎn) 相連接，其子模塊IGBT模塊中點(diǎn)向下與B相上橋臂的第i+Ι個(gè)子模塊電容正極相連接;B相上 橋臂的第K個(gè)子模塊，其子模塊電容正極向上與B相上橋臂的第K-1個(gè)子模塊IGBT模塊中點(diǎn) 相連接，其子模塊IGBT模塊中點(diǎn)向下與B相上橋臂第K+1個(gè)子模塊IGBT模塊與二極管聯(lián)結(jié)點(diǎn) 相連接;B相上橋臂的第j個(gè)子模塊，其中j的取值為K+2~N-I，其子模塊IGBT模塊與二極管 聯(lián)結(jié)點(diǎn)向上與B相上橋臂第j-Ι個(gè)子模塊IGBT模塊中點(diǎn)相連接，其子模塊IGBT模塊中點(diǎn)向下 與B相上橋臂第j+Ι個(gè)子模塊IGBT模塊與二極管聯(lián)結(jié)點(diǎn)相連接;B相上橋臂第N個(gè)子模塊，其 子模塊IGBT模塊與二極管聯(lián)結(jié)點(diǎn)向上與B相上橋臂第N-I個(gè)子模塊IGBT模塊中點(diǎn)相連接，其 子模塊IGBT模塊中點(diǎn)向下經(jīng)兩個(gè)橋臂電抗器Lo與B相下橋臂的第1個(gè)子模塊電容正極相連 接;B相下橋臂的第i個(gè)子模塊，其中i的取值為2~K-I，其子模塊電容正極向上與B相下橋臂 的第i-1個(gè)子模塊IGBT模塊中點(diǎn)相連接，其子模塊IGBT模塊中點(diǎn)向下與B相下橋臂的第i+1 個(gè)子模塊電容正極相連接;B相下橋臂的第K個(gè)子模塊，其子模塊電容正極向上與B相下橋臂 第K-I個(gè)子模塊IGBT模塊中點(diǎn)相連接，其子模塊IGBT模塊中點(diǎn)向下與B相下橋臂第K+1個(gè)子 模塊IGBT模塊與二極管聯(lián)結(jié)點(diǎn)相連接;B相下橋臂第j個(gè)子模塊，其中j的取值為K+2~N-I， 其子模塊IGBT模塊與二極管聯(lián)結(jié)點(diǎn)向上與B相下橋臂第j-Ι個(gè)子模塊IGBT模塊中點(diǎn)相連接， 其子模塊IGBT模塊中點(diǎn)向下與B相下橋臂第j+Ι個(gè)子模塊IGBT模塊與二極管聯(lián)結(jié)點(diǎn)相連接； B相下橋臂第N個(gè)子模塊，其子模塊IGBT模塊與二極管聯(lián)結(jié)點(diǎn)向上與B相下橋臂第N-I個(gè)子模 塊IGBT模塊中點(diǎn)相連接，其子模塊IGBT模塊中點(diǎn)向下與直流母線負(fù)極相連接。C相上下橋臂 子模塊的連接方式與A相或B相一致。
[0011] 上述基于等式約束的輔助電容集中式半橋/單箝位混聯(lián)MMC自均壓拓?fù)?，自均壓輔 助回路中，第一個(gè)輔助電容正極連接輔助IGBT模塊負(fù)極連接鉗位二極管并入直流母線正 極;第二個(gè)輔助電容負(fù)極連接輔助IGBT模塊正極連接鉗位二極管并入直流母線負(fù)極。鉗位 二極管，通過(guò)輔助開(kāi)關(guān)連接A相上橋臂中第1個(gè)子模塊電容與第一個(gè)輔助電容正極;通過(guò)輔 助開(kāi)關(guān)連接A相上橋臂中第i個(gè)子模塊電容與第i+Ι個(gè)子模塊電容正極，其中i的取值為1~ N-I;通過(guò)輔助開(kāi)關(guān)連接A相上橋臂中第N個(gè)子模塊電容與A相下橋臂第1個(gè)子模塊電容正極； 通過(guò)輔助開(kāi)關(guān)連接A相下橋臂中第i個(gè)子模塊電容與A相下橋臂第i+Ι個(gè)子模塊電容正極，其 中i的取值為1~N-I;通過(guò)輔助開(kāi)關(guān)連接A相下橋臂中第N個(gè)子模塊電容與第二個(gè)輔助電容 正極。鉗位二極管，通過(guò)輔助開(kāi)關(guān)連接B相上橋臂中第1個(gè)子模塊電容與第一個(gè)輔助電容的 負(fù)極;通過(guò)輔助開(kāi)關(guān)連接B相上橋臂中第i個(gè)子模塊電容與第i+1個(gè)子模塊電容的負(fù)極，其中 i的取值為1~N-I;通過(guò)輔助開(kāi)關(guān)連接B相上橋臂中第N個(gè)子模塊電容與B相下橋臂第1個(gè)子 模塊電容的負(fù)極;通過(guò)輔助開(kāi)關(guān)連接B相下橋臂中第i個(gè)子模塊電容與B相下橋臂第i+Ι個(gè)子 模塊電容的負(fù)極，其中i的取值為1~N-1;通過(guò)輔助開(kāi)關(guān)連接B相下橋臂中第N個(gè)子模塊電容 與第二個(gè)輔助電容的負(fù)極。C相鉗位二極管的連接關(guān)系與其