基于等式約束的輔助電容集中式半橋mmc自均壓拓撲的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及柔性輸電領域，具體涉及一種基于等式約束的輔助電容集中式半橋 MMC自均壓拓撲。
【背景技術】
[0002] 模塊化多電平換流器MMC是未來直流輸電技術的發(fā)展方向，MMC采用子模塊(Sub-module，SM)級聯(lián)的方式構造換流閥，避免了大量器件的直接串聯(lián)，降低了對器件一致性的 要求，同時便于擴容及冗余配置。隨著電平數(shù)的升高，輸出波形接近正弦，能有效避開低電 平VSC-HVDC的缺陷。
[0003] 半橋MMC由半橋子模塊組合而成，半橋子模塊由2個IGBT模塊，1個子模塊電容，1個 晶閘管及1個機械開關構成，成本低，運行損耗小。
[0004] 與兩電平、三電平VSC不同，半橋MMC的直流側電壓并非由一個大電容支撐，而是由 一系列相互獨立的懸浮子模塊電容串聯(lián)支撐。為了保證交流側電壓輸出的波形質(zhì)量和保證 模塊中各功率半導體器件承受相同的應力，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中處在動態(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MMC中半橋子模塊電容電壓均 衡問題的主流思路，這一方案良好的均壓效果在仿真和實踐中都能得到驗證，但是也在不 斷地暴露著它的一些固有缺陷。首先，排序功能的實現(xiàn)必須依賴電容電壓的毫秒級采樣，需 要大量的傳感器以及光纖通道加以配合;其次，當半橋子模塊數(shù)目增加時，電容電壓排序的 運算量迅速增大，為控制器的硬件設計帶來巨大挑戰(zhàn);此外，排序均壓算法的實現(xiàn)對子模塊 的開斷頻率有很高的要求，開斷頻率與均壓效果緊密相關，在實踐過程中，可能因為均壓效 果的限制，不得不提高子模塊的觸發(fā)頻率，進而帶來換流器損耗的增加。
[0006] 文獻"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實現(xiàn)MMC子模塊電容電壓均衡的思路。但該方案在設計上一 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)，沒能充分利 用MMC的既有結構，三個變壓器的引入在使控制策略復雜化的同時也會帶來較大的改造成 本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對上述問題，本發(fā)明的目的在于提出一種經(jīng)濟的，模塊化的，不依賴均壓算法， 同時能相應降低子模塊觸發(fā)頻率和電容容值的半橋MMC自均壓拓撲。
[0008] 本發(fā)明具體的構成方式如下。
[0009] 基于等式約束的輔助電容集中式半橋MMC自均壓拓撲，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;包括由6N個機械 開關，6N+5個鉗位二極管，2個輔助電容，2個輔助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MMC自均壓拓撲，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-I，其子模塊電容負極向下與A相上橋臂的第i+Ι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-Ι個子模塊電容負極相連接;A相上橋臂的第N個子模 塊，其子模塊電容負極向下經(jīng)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-I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-I，其子模塊電容負極向下與A相下橋臂的第i + Ι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-Ι個子模塊電容負極 相連接;A相下橋臂的第N個子模塊，其子模塊電容負極向下與直流母線負極相連接，其子模 塊IGBT模塊中點向上與A相下橋臂的第N-1個子模塊電容負極相連接;B相上橋臂的第1個子 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模塊中點向下與B相上 橋臂的第2個子模塊電容正極相連接；B相上橋臂的第i個子模塊，其中i的取值為2~N-I， 其子模塊電容正極向上與B相上橋臂的第i-Ι個子模塊IGBT模塊中點相連接，其子模塊IGBT 模塊中點向下與B相上橋臂的第i + Ι個子模塊電容正極相連接;B相上橋臂的第N個子模塊， 其子模塊電容正極向上與B相上橋臂的第N-I個子模塊IGBT模塊中點相連接，其子模塊IGBT 模塊中點向下經(jīng)兩個橋臂電抗器與B相下橋臂的第1個子模塊電容正極相連接;B相下橋臂 的第i個子模塊，其中i的取值為2~N-I，其子模塊電容正極向上與B相下橋臂的第i-Ι個子 模塊IGBT模塊中點相連接，其子模塊IGBT模塊中點向下與B相下橋臂的第i+Ι個子模塊電容 正極相連接;B相下橋臂的第N個子模塊，其子模塊電容正極向上與B相下橋臂第N-I個子模 塊IGBT模塊中點相連接，其子模塊IGBT模塊中點向下與直流母線負極相連接;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MMC自均壓拓撲，自均壓輔助回路中，第 一個輔助電容正極連接輔助IGBT模塊負極連接鉗位二極管并入直流母線正極;第二個輔助 電容負極連接輔助IGBT模塊正極連接鉗位二極管并入直流母線負極。鉗位二極管，通過機 械開關連接A相上橋臂中第1個子模塊電容與第一個輔助電容正極;通過機械開關連接A相 上橋臂中第i個子模塊電容與第i+1個子模塊電容正極，其中i的取值為1~N-1;通過機械開 關連接A相上橋臂中第N個子模塊電容與A相下橋臂第1個子模塊電容正極;通過機械開關連 接A相下橋臂中第i個子模塊電容與A相下橋臂第i+Ι個子模塊電容正極，其中i的取值為1~ N-I;通過機械開關連接A相下橋臂中第N個子模塊電容與第二個輔助電容正極。鉗位二極 管，通過機械開關連接B相上橋臂中第1個子模塊電容與第一個輔助電容負極;通過機械開 關連接B相上橋臂中第i個子模塊電容與第i+1個子模塊電容負極，其中i的取值為1~N-1; 通過機械開關連接B相上橋臂中第N個子模塊電容與B相下橋臂第1個子模塊電容負極;通過 機械開關連接B相下橋臂中第i個子模塊電容與B相下橋臂第i + Ι個子模塊電容負極，其中i 的取值為1~N-I;通過機械開關連接B相下橋臂中第N個子模塊電容與第二個輔助電容負 極。C相鉗位二極管的連接關系與其子模塊的連接關系相對應。
【附圖說明】
[0012] 圖1是半橋子模塊的結構示意圖； 圖2是基于等式約束的輔助電容集中式半橋MMC自均壓拓撲。
【具體實施方式】
[0013] 為進一步闡述本發(fā)明的性能與工作原理，以下結合附圖對對發(fā)明的構成方式與工 作原理進行具體說明。但基于該原理的半橋MMC自均壓拓撲不限于圖2。
[0014] 參考圖2,基于等式約束的輔助電容集中式半橋MMC自均壓拓撲，包括由A、B、C三相 構成的半橋MMC模型，A、B、C三相每個橋臂分別由N個半橋子模塊及1個橋臂電抗器串聯(lián)而 成;包括由6N個機械開關，6N+5個鉗位二極管，2個輔助電容，2個輔助IGBT模塊組成的自均 壓輔助回路。
[0015] 半橋MMC模型中，A相上橋臂的第1個子模塊，其子模塊電容C-au-j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負極向下與A 相上橋臂的第i+Ι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-i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 負極向下經(jīng)兩個橋臂電抗器Lo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-I個子模塊電容Cm1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-I，其子模塊電容C-ai-_i負極向下與A相下橋臂的第i+Ι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-Ι個子模塊電容Cii-^ 1 負極相連接;A相下橋臂的第N個子模塊，其子模塊電容C-al_N負極向下與直流母線負極相連 接，其子模塊IGBT模塊中點向上與A相下橋臂的第N-I個子模塊電容C-H 1負極相連接;B相 上橋臂的第1個子模塊，其子模塊電容C-bu-」正極向上與直流