基于不等式約束的輔助電容分布式半橋/全橋混聯(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，具體涉及一種基于不等式約束的輔助電容分布式半 橋/全橋混聯(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，能有效避開低電 平VSC-HVDC的缺陷。
[0003] 半橋/全橋混聯(lián)MMC由半橋和全橋子模塊組合而成，半橋子模塊結(jié)構(gòu)簡單，成本低， 運(yùn)行損耗小，全橋子模塊具有直流故障箝位能力。
[0004] 與兩電平、三電平VSC不同，麗C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MMC中子模塊電容電壓均衡問題的 主流思路，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(shí)現(xiàn)必須依賴電容 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)子模塊的開斷頻率有很高的要求，開斷頻率與均壓效果緊密相關(guān)，在實(shí)踐過 程中，可能因?yàn)榫鶋盒Ч南拗?，不得不提高子模塊的觸發(fā)頻率，進(jìn)而帶來換流器損耗的增 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)帶來較大的改造成 本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對(duì)上述問題，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/全橋混聯(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] 基于不等式約束的輔助電容分布式半橋/全橋混聯(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)全橋子模塊及1 個(gè)橋臂電抗器串聯(lián)而成;包括由6N個(gè)輔助開關(guān)(6K個(gè)機(jī)械開關(guān)，6N-6K個(gè)IGBT模塊），6N+11個(gè) 鉗位二極管，8個(gè)輔助電容，4個(gè)輔助IGBT模塊組成的自均壓輔助回路。
[0010]上述基于不等式約束的輔助電容分布式半橋/全橋混聯(lián)MMC自均壓拓?fù)洌珹相上橋 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-1，其子模塊電容負(fù)極向下與A相上橋臂的第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)子模塊一個(gè)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-1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-1，其子模塊一個(gè)IGBT模塊中點(diǎn)向下與A相 上橋臂第j+Ι個(gè)子模塊一個(gè)IGBT模塊中點(diǎn)相連接，另一個(gè)IGBT模塊中點(diǎn)向上與第A相上橋臂 第j-Ι個(gè)子模塊一個(gè)IGBT模塊中點(diǎn)相連接;A相上橋臂第N個(gè)子模塊，其子模塊一個(gè)IGBT模塊 中點(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，另一個(gè) IGBT模塊中點(diǎn)向上與A相上橋臂的第N-1個(gè)子模塊一個(gè)IGBT模塊中點(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-1，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)子模塊一個(gè)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-1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-1，其子模塊一個(gè)IGBT模塊中點(diǎn)向下與A 相下橋臂第j+1個(gè)子模塊一個(gè)IGBT模塊中點(diǎn)相連接，另一個(gè)IGBT模塊中點(diǎn)向上與A相下橋臂 第j_l個(gè)子模塊一個(gè)IGBT模塊中點(diǎn)相連接;A相下橋臂第N個(gè)子模塊一個(gè)IGBT模塊中點(diǎn)向下 與直流母線負(fù)極相連接，另一個(gè)IGBT模塊中點(diǎn)向上與A相下橋臂的第N-1個(gè)子模塊一個(gè)IGBT 模塊中點(diǎn)相連接。B相上橋臂的第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-1，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)子模塊一個(gè)IGBT 模塊中點(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-1，其子模塊一個(gè)IGBT 模塊中點(diǎn)向上與B相上橋臂第j-1個(gè)子模塊一個(gè)IGBT模塊中點(diǎn)相連接，另一個(gè)IGBT模塊中點(diǎn) 向下與B相上橋臂第j+Ι個(gè)子模塊一個(gè)IGBT模塊中點(diǎn)相連接;B相上橋臂第N個(gè)子模塊，其子 模塊一個(gè)IGBT模塊中點(diǎn)向上與B相上橋臂第N-1個(gè)子模塊一個(gè)IGBT模塊中點(diǎn)相連接，另一個(gè) IGBT模塊中點(diǎn)向下經(jīng)兩個(gè)橋臂電抗器L〇與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-1，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-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相下橋臂第K+1個(gè)子模塊一 個(gè)IGBT模塊中點(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-1，其子模塊一個(gè) IGBT模塊中點(diǎn)向上與B相下橋臂第j-1個(gè)子模塊一個(gè)IGBT模塊中點(diǎn)相連接，另一個(gè)IGBT模塊 中點(diǎn)向下與B相下橋臂第j+Ι個(gè)子模塊一個(gè)IGBT模塊中點(diǎn)相連接;B相下橋臂第N個(gè)子模塊， 其子模塊一個(gè)IGBT模塊中點(diǎn)向上與B相下橋臂第N-1個(gè)子模塊一個(gè)IGBT模塊中點(diǎn)相連接，另 一個(gè)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]自均壓輔助回路中，第一個(gè)輔助電容與第二個(gè)輔助電容通過鉗位二極管并聯(lián)，第 二個(gè)輔助電容正極連接輔助IGBT模塊第一個(gè)輔助電容負(fù)極連接鉗位二極管并入直流母線 正極;第三個(gè)輔助電容與第四個(gè)輔助電容通過鉗位二極管并聯(lián)，第三個(gè)輔助電容負(fù)極連接 輔助IGBT模塊第四個(gè)輔助電容正極連接鉗位二極管并入直流母線負(fù)極;第五個(gè)輔助電容與 第六個(gè)輔助電容通過鉗位二極管并聯(lián)，第五個(gè)輔助電容正極連接輔助IGBT模塊第六個(gè)輔助 電容負(fù)極連接鉗位二極管并入直流母線正極;第七個(gè)輔助電容與第八個(gè)輔助電容通過鉗位 二極管并聯(lián)，第八個(gè)輔助電容負(fù)極連接輔助IGBT模塊第七個(gè)輔助電容正極連接鉗位二極管 并入直流母線負(fù)極。鉗位二極管，通過輔助開關(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;通過輔助開關(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-1;通過輔助開關(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;通過輔助開關(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-1;通過輔助開關(guān)連接A相下橋臂中第N個(gè)子模 塊電容與第三個(gè)輔助電容正極。鉗位二極管，通過輔助開關(guān)連接B相上橋臂中第1個(gè)子模塊 電容與第二個(gè)輔助電容的負(fù)極;通過輔助開關(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-1;通過輔助開關(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;通過輔助開關(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;通過輔助開關(guān)連接B相 下橋臂中第N個(gè)子模塊電容與第四個(gè)輔助電容的負(fù)極。C相子模塊的連接關(guān)系與A相一致時(shí)， C相上下橋臂中子模塊間鉗位二極管的連接方式與A相一致，同時(shí)第六個(gè)輔助電容正極經(jīng)輔 助開關(guān)、鉗位二極管連接C相上橋臂第一個(gè)子模塊電容正極，第五個(gè)輔助電容負(fù)極經(jīng)輔助開 關(guān)、鉗位二極管連接B相上橋臂第一個(gè)子模塊電容負(fù)極，第八個(gè)輔助電容正極經(jīng)輔助開關(guān)、 鉗位二極管連接C相下橋臂第N個(gè)子模塊電容正極，第七個(gè)輔助電容負(fù)極經(jīng)輔助開關(guān)、鉗位 二極管連接B相下橋臂第N個(gè)子模塊電容負(fù)極;C相子模塊的連接關(guān)系與B相一致時(shí)，C相上下 橋臂中子模塊間鉗位二極管的連接方式與B相一致，同時(shí)第五個(gè)輔助電容負(fù)極