一種基于等式約束的mmc自均壓拓?fù)涞闹谱鞣椒?br>【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于等式約束的MMC自均壓拓?fù)?。MMC自均壓拓?fù)?，由MMC拓?fù)浜妥跃鶋狠o助電路聯(lián)合構(gòu)建。MMC拓?fù)淇梢杂砂霕蜃幽K、全橋子模塊、半全橋子模塊混合等形式，自均壓輔助電路由二極管、導(dǎo)線組成，通過相應(yīng)的聯(lián)結(jié)方式與MMC拓?fù)錁?gòu)成基于等式約束的MMC自均壓拓?fù)?。該MMC自均壓拓?fù)?，不依賴于排序均壓控制，?duì)于各橋臂的第i個(gè)子模塊，i的取值為1～N，根據(jù)橋臂電流方向，按照i的序號(hào)越大，越優(yōu)先充電，i的序號(hào)越小，越優(yōu)先放電的原則進(jìn)行子模塊投入切除操作，以保證每一橋臂下方的子模塊電容電壓不低于上方子模塊，再通過自均壓輔助電路的作用便能夠在完成交直流能量轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)子模塊電容電壓的均衡。
【專利說明】
一種基于等式約束的圖C自均壓拓?fù)?br>技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及柔性直流輸電領(lǐng)域，具體涉及一種基于等式約束的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MMC由半橋子模塊組合而成，半橋子模塊由2個(gè)IGBT模塊，I個(gè)子模塊電容，I個(gè)晶閘管及I個(gè)機(jī)械開關(guān)構(gòu)成，成本低，運(yùn)行損耗小。
[0004]與兩電平、三電平VSC不同，半橋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(shí)踐中都能得到驗(yàn)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(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)半橋子模塊數(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)際過程中，可能因?yàn)榫鶋盒Ч南拗疲坏貌惶岣咦幽K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 D1de-ClampedModular 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。但該方案從一定程度破壞了子模塊的模塊化特性，引入的變壓器使得造價(jià)較高、損耗較大，可靠性降低，從一定程度上加大了系統(tǒng)的改造難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種經(jīng)濟(jì)的、不依賴排序均壓的MMC自均壓拓?fù)洹?br>[0008]本發(fā)明具體的構(gòu)成方式如下。
[0009]一種基于等式約束的麗C自均壓拓?fù)洌ㄓ葾、B、C三相構(gòu)成的麗C拓?fù)浜妥跃鶋狠o助電路，麗C的A、B、C三相分別由2#個(gè)子模塊，2個(gè)橋臂電抗器串聯(lián)而成;A、B、C三相的自均壓輔助電路分別包含2Λ^1個(gè)鉗位二極管。
[0010]上述基于等式約束的MMC自均壓拓?fù)?，MMC拓?fù)淇梢杂砂霕蜃幽K、全橋子模塊或半全橋子模塊混合組成；當(dāng)采用半橋子模塊時(shí):Α相上橋臂的第I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)子模塊的兩個(gè)IGBT連接中點(diǎn)相連接，其子模塊的兩個(gè)IGBT連接中點(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?#-1，其子模塊電容負(fù)極向下與A相上橋臂的第i+Ι個(gè)子模塊的兩個(gè)IGBT連接中點(diǎn)相連接，其子模塊的兩個(gè)IGBT連接中點(diǎn)向上與A相上橋臂的第1-Ι個(gè)子模塊電容負(fù)極相連接;A相上橋臂的第#個(gè)子模塊，其子模塊電容負(fù)極向下經(jīng)兩個(gè)橋臂電抗器與A相下橋臂的第I個(gè)子模塊的兩個(gè)IGBT連接中點(diǎn)相連接，其子模塊的兩個(gè)IGBT連接中點(diǎn)向上與A相上橋臂的第個(gè)子模塊電容負(fù)極相連接;A相下橋臂的第i個(gè)子模塊，其中i的取值為2?11，其子模塊電容負(fù)極向下與A相下橋臂的第i+1個(gè)子模塊的兩個(gè)IGBT連接中點(diǎn)相連接，其子模塊的兩個(gè)IGBT連接中點(diǎn)向上與A相下橋臂的第i_l個(gè)子模塊電容負(fù)極相連接;A相下橋臂的第Λ個(gè)子模塊，其子模塊電容負(fù)極向下與直流母線負(fù)極相連接，其子模塊的兩個(gè)IGBT連接中點(diǎn)向上與A相下橋臂的第H個(gè)子模塊電容負(fù)極相連接;B相、C相的連接方式與A相類似；當(dāng)采用全橋子模塊時(shí):Α相上橋臂的第I個(gè)子模塊，其外側(cè)的兩個(gè)IGBT模塊連接點(diǎn)與直流母線正極連接，內(nèi)側(cè)的兩個(gè)IGBT模塊的連接點(diǎn)向下與A相上橋臂的第2個(gè)子模塊的外側(cè)的兩個(gè)IGBT模塊的連接點(diǎn)相連接;A相上橋臂的第i個(gè)子模塊，其中i的取值為2?AlI，其外側(cè)的兩個(gè)IGBT模塊的連接點(diǎn)向上與A相上橋臂的第?_ I個(gè)子模塊的內(nèi)側(cè)的兩個(gè)IGBT模塊的連接點(diǎn)相連接，內(nèi)側(cè)的兩個(gè)IGBT模塊的連接點(diǎn)向下與A相上橋臂的第i+1個(gè)子模塊的外側(cè)的兩個(gè)IGBT模塊的連接點(diǎn)相連接;A相上橋臂的第Λ個(gè)子模塊，其外側(cè)的兩個(gè)IGBT模塊的連接點(diǎn)向上與A相上橋臂的第#-1個(gè)子模塊的內(nèi)側(cè)的兩個(gè)IGBT模塊的連接點(diǎn)相連接，內(nèi)側(cè)的兩個(gè)IGBT模塊的連接點(diǎn)向下經(jīng)兩個(gè)橋臂電抗器與A相下橋臂的第I個(gè)子模塊的外側(cè)的兩個(gè)IGBT模塊的連接點(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?AlI，與A相上橋臂對(duì)應(yīng)的子模塊連接方式一樣;A相下橋臂的第Λ個(gè)子模塊，其外側(cè)的兩個(gè)IGBT模塊的連接點(diǎn)向上與A相上橋臂的第#-1個(gè)子模塊的內(nèi)側(cè)的兩個(gè)IGBT模塊的連接點(diǎn)相連接，內(nèi)側(cè)的兩個(gè)IGBT模塊的連接點(diǎn)向下直流母線負(fù)極相連接;半全橋混合MMC的連接方式為這兩種拓?fù)浯?lián)起來。
[0011]上述基于等式約束的MMC自均壓拓?fù)?，自均壓輔助電路將相內(nèi)上下橋臂的相鄰子模塊電容正極通過二極管連接起來，二極管正向?qū)ǖ姆较蚺c子模塊電容電壓從正極到負(fù)極的方向相反。二極管與電容之間可以加一個(gè)機(jī)械開關(guān)，在該模塊故障時(shí)將機(jī)械開關(guān)打開，以隔離故障子模塊。
【附圖說明】
[0012]圖1是半橋MMC自均壓拓?fù)洌?br> 圖2是全橋MMC自均壓拓?fù)洌?br> 圖3是半全橋混合MMC自均壓拓?fù)洹?br>【具體實(shí)施方式】
[0013]下面將結(jié)合本申請(qǐng)實(shí)施例中的附圖，對(duì)本申請(qǐng)實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。
[0014]參考圖1，一種基于等式約束的麗C自均壓拓?fù)?，包括由A、B、C三相構(gòu)成的麗C拓?fù)浜妥跃鶋狠o助電路，MMC的A、B、C三相分別由2#個(gè)子模塊，2個(gè)橋臂電抗器串聯(lián)而成;A、B、C三相的自均壓輔助電路分別包含2^1個(gè)鉗位二極管。圖中的其他開關(guān)的作用是子模塊發(fā)生故障時(shí)切除該模塊。
[0015]對(duì)該自均壓拓?fù)涞挠|發(fā)方式分為兩種，第一種是:對(duì)于各橋臂的第i個(gè)子模塊，i的取值為I?見按照i的序號(hào)越大，越優(yōu)先充電的原則進(jìn)行子模塊投入切除操作:定義直流母線正極方向?yàn)樯戏?，?fù)極方向?yàn)橄路?對(duì)于半橋MMC拓?fù)?，在橋臂電流方向?yàn)檎臅r(shí)候，根據(jù)需要投入的子模塊個(gè)數(shù)，優(yōu)先從橋臂的下部的子模塊開始投入，從橋臂上部的子模塊開始切除;在橋臂電流方向?yàn)樨?fù)的時(shí)候，優(yōu)先從橋臂的上部的子模塊開始投入，從橋臂下部的子模塊開始切除;在觸發(fā)時(shí)制定兩種投入、切除規(guī)則，根據(jù)橋臂電流方向做相應(yīng)的切換即可實(shí)現(xiàn)上述投入切除要求;在自均壓輔助電路的作用下，以相鄰的兩個(gè)子模塊為例:當(dāng)下部的子模塊處于切除狀態(tài)時(shí)，如果電容電壓高于上部相鄰的子模塊，那么這兩個(gè)相鄰子模塊的電容正極之間的二極管將會(huì)導(dǎo)通，這兩個(gè)電容此時(shí)等效于并聯(lián)狀態(tài)，直到上部的子模塊電容電壓不低于下部的子模塊電容電壓，這種每相子模塊內(nèi)部的自行均壓的作用可以達(dá)到下部的子模塊電容電壓不大于其上部相鄰的子模塊電容電壓的效果，再結(jié)合下層子模塊優(yōu)先充電的的觸發(fā)邏輯，即可實(shí)現(xiàn)自均壓;此觸發(fā)方式下的A相上下橋臂子模塊電容電壓在自均壓電路的作用下，滿足下列約束:"Cau—I ^ Ucau_2…^ Ucau—N^.Ucall ^ UcalJ.…^ Uca\_N\考慮到按照i的序號(hào)越大，越優(yōu)先充電的原則進(jìn)行子模塊投入切除操作，這樣就能保證:
Ucau—2 …1Ucau—N，Uca\—l《 "Cal—2 …< Ucal_N,從而得到 Ucau_l = Ucau—2 …=Ikau—N, "Cal—1 = "Cal—2 …=
由于上下橋臂同時(shí)投入的子模塊數(shù)目是見等效于這Λ個(gè)子模塊電容直接串聯(lián)在直流母線上，所以這#個(gè)子模塊電容電壓之和與直流母線電壓相等，由于每個(gè)工頻周期內(nèi)都有一次上或下橋臂全部投入的情況，結(jié)合上面所述的約束條件，得到該等式約束:2...= i/Cau」V=ft7al—l=tt:al—2...= &ι1—從而實(shí)現(xiàn)各個(gè)子模塊之間的電容電壓均衡;B、C相的自均壓約束條件與A相的一致。
[0016]第二種是:對(duì)各個(gè)子模塊觸發(fā)的時(shí)候相隔若干個(gè)子模塊進(jìn)行觸發(fā)，當(dāng)橋臂電流為正的時(shí)候，根據(jù)需要投入的子模塊數(shù)量，先投入橋臂最下方的子模塊，然后再投入與其相隔若干個(gè)的子模塊，依此類推直到將該橋臂的第一個(gè)子模塊投入運(yùn)行，相隔子模塊的數(shù)量隨著投入運(yùn)行的子模塊的數(shù)量增大而逐漸減少，然后再按照子模塊序號(hào)從大到小的順序投入其余子模塊，切除的時(shí)候優(yōu)先切除第一個(gè)子模塊，然后再切除與其相隔若干個(gè)的子模塊，直到將最后一個(gè)子模塊切除后再按照子模塊序號(hào)從小到大的順序切除其余的子模塊；當(dāng)橋臂電流為負(fù)的時(shí)候，根據(jù)需要投入的子模塊數(shù)量，先投入橋臂最上方的子模塊，然后再投入與其相隔若干個(gè)的子模塊，依此類推直到將該橋臂的最后一個(gè)子模塊投入運(yùn)行，相隔子模塊的數(shù)量隨著投入運(yùn)行的子模塊的數(shù)量增大而逐漸減少，然后再按照子模塊序號(hào)從小到大的順序投入其余子模塊，切除的時(shí)候優(yōu)先切除最后一個(gè)子模塊，然后再切除與其相隔若干個(gè)的子模塊，直到將第一個(gè)子模塊切除后再按照子模塊序號(hào)從大到小的順序切除其余的子模塊;對(duì)于最后一個(gè)子模塊可采取附加隔離電源的方式對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)壓控制。
[0017]對(duì)于圖2所示的全橋或圖3所示的半全橋混合MMC，在不考慮全橋子模塊負(fù)投入的時(shí)候，投入和切除規(guī)則以及自均壓原理與半橋MMC的一致，由于全橋負(fù)投入的時(shí)候無法進(jìn)行自均壓，所以在全橋負(fù)投入時(shí)將開關(guān)管T斷開，以隔離自均壓輔助電路。
[0018]最后應(yīng)當(dāng)說明的是:所描述的實(shí)施例僅是本申請(qǐng)一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒旧暾?qǐng)中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本申請(qǐng)保護(hù)的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于等式約束的MMC自均壓拓?fù)?，其特征在?由A、B、C三相構(gòu)成的MMC拓?fù)浜妥跃鶋狠o助電路組成，MMC的A、B、C三相分別由2#個(gè)子模塊，2個(gè)橋臂電抗器串聯(lián)而成;A、B、C三相的自均壓輔助電路各包含2Λ^1個(gè)鉗位二極管。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于等式約束的MMC自均壓拓?fù)?，其特征在?由A、B、C三相構(gòu)成的MMC拓?fù)淇捎砂霕?、全橋、半全橋混合等形式組成。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于等式約束的MMC自均壓拓?fù)?，其特征在?自均壓輔助電路將每一相的相鄰子模塊電容正極通過二極管連接起來，二極管正向?qū)ǖ姆较蚺c子模塊電容電壓由正極到負(fù)極的方向相反。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于等式約束的MMC自均壓拓?fù)?，其特征在?對(duì)子模塊的觸發(fā)方式分為兩種，第一種是:對(duì)于各橋臂的第i個(gè)子模塊，i的取值為I?見當(dāng)橋臂電流為正的時(shí)候，制定一種觸發(fā)邏輯，按照i的序號(hào)越大，越優(yōu)先投入，i的序號(hào)越小，越優(yōu)先切除原則進(jìn)行觸發(fā)；當(dāng)橋臂電流為負(fù)的時(shí)候，制定一種觸發(fā)邏輯，按照i的序號(hào)越大，越優(yōu)先切除，i的序號(hào)越小，越優(yōu)先投入原則進(jìn)行觸發(fā);這里對(duì)橋臂電流為正的定義是當(dāng)子模塊投入運(yùn)行時(shí)，子模塊電容處于充電狀態(tài)，橋臂電流為負(fù)的定義是當(dāng)子模塊投入運(yùn)行時(shí)，子模塊電容處于放電狀態(tài);第二種是:對(duì)各個(gè)子模塊觸發(fā)的時(shí)候相隔若干個(gè)子模塊進(jìn)行觸發(fā)，當(dāng)橋臂電流為正的時(shí)候，根據(jù)需要投入的子模塊數(shù)量，先投入橋臂最下方的子模塊，然后再投入與其相隔若干個(gè)的子模塊，依此類推直到將該橋臂的第一個(gè)子模塊投入運(yùn)行，相隔子模塊的數(shù)量隨著投入運(yùn)行的子模塊的數(shù)量增大而逐漸減少，然后再按照子模塊序號(hào)從大到小的順序投入其余子模塊，切除的時(shí)候優(yōu)先切除第一個(gè)子模塊，然后再切除與其相隔若干個(gè)的子模塊，直到將最后一個(gè)子模塊切除后再按照子模塊序號(hào)從小到大的順序切除其余的子模塊；當(dāng)橋臂電流為負(fù)的時(shí)候，根據(jù)需要投入的子模塊數(shù)量，先投入橋臂最上方的子模塊，然后再投入與其相隔若干個(gè)的子模塊，依此類推直到將該橋臂的最后一個(gè)子模塊投入運(yùn)行，相隔子模塊的數(shù)量隨著投入運(yùn)行的子模塊的數(shù)量增大而逐漸減少，然后再按照子模塊序號(hào)從小到大的順序投入其余子模塊，切除的時(shí)候優(yōu)先切除最后一個(gè)子模塊，然后再切除與其相隔若干個(gè)的子模塊，直到將第一個(gè)子模塊切除后再按照子模塊序號(hào)從大到小的順序切除其余的子模塊;對(duì)于最后一個(gè)子模塊可采取附加隔離電源的方式對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)壓控制。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于等式約束的MMC自均壓拓?fù)?，其特征在?采用觸發(fā)方式一的時(shí)候，各個(gè)子模塊投入、旁路過程中，A相上下橋臂子模塊電容電壓在自均壓電路的作用下，滿足下列約束:i/cau—2...^ Uom—N^ Ucal_l^ Ucal_2''.^ Ai;考慮到按照i的序號(hào)越大，越優(yōu)先充電的原則進(jìn)行子模塊投入切除操作:Ucau—1^: UomJl.-.du—N, Ucal_l ^Ucal_2 …< Ucal_N,得到"Cau—1= Ucau_2...= Ucau_N, Ucal_l = Ucal_2...= Uca\_N\ 由于上下橋臂同時(shí)投入的子模塊數(shù)目是見等效于這Λ個(gè)子模塊電容直接串聯(lián)在直流母線上，所以這#個(gè)子模塊電容電壓之和與直流母線電壓相等，由于每個(gè)工頻周期內(nèi)都有一次上或下橋臂全部投入的情況，結(jié)合上面所述的約束條件，得到該等式約束:l=tt:aU—2"_ = tt:aU—fi/ckl—l = tt:al—= 從而實(shí)現(xiàn)各個(gè)子模塊之間的電容電壓均衡;B、C相的自均壓機(jī)理與A相的相同。
【文檔編號(hào)】H02M7/219GK105897019SQ201610354612
【公開日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年5月26日
【發(fā)明人】趙成勇, 李帥, 許建中, 劉航
【申請(qǐng)人】華北電力大學(xué)