一种三相对称的MMC模块电容电压自均衡的拓扑

摘要

本发明公开了一种三相对称的MMC模块电容电压自均衡的拓扑。半桥型MMC拓扑由相内模块电容自电路和相间辅助回路构成。相间自均压电路由6(N‑1)个箝位二极管构成，模块投切工作时，模块电容不平衡电压自动从第i个模块向i‑1个模块流动其中i的取值为2～N‑1。相间辅助回路由6个辅助电容，6个辅助IGBT和9个辅助二极管构成，每相上桥臂第一个模块和每相下桥臂最后一个模块分别经相间辅助回路构成两个三角形，实现相间能量自由流通。该拓扑，实现了相内、相间的能量自均衡；所有模块均采用相同的子模块，保持了模块的一致性；两端的相间辅助回路构成三角形，保持三相拓扑的对称性。

说明书

技术领域：

本发明属于柔性直流输电技术领域，具体涉及一种三相对称的MMC模块电容电压自均衡拓扑。

背景技术：

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)是柔性直流输电技术换流阀的基本拓扑，其解决了在高压大电流应用时，传统两电平换流器中开关器件直接串并联的问题。在损耗方面，采用阶梯波逼近的正弦波调制方式，大大降低了其开关频率，和传统两电平换流器的高频调制相比，损耗大幅降低。多个子模块级联后输出的阶梯波非常逼近正弦波，波形质量高，降低了滤波器的要求。此外，采用冗余设计后，故障子模块可由冗余子模块代替，增强了可靠性。

子模块电容电压均衡是保证MMC换流器输出高质量波形，换流阀可靠运行的关键，传统的MMC拓扑中，采用基于电容电压排序子模块投切策略解决子模块电容电压的均衡问题，其基本的思想是：采集系统所有子模块的电压，根据换流器桥臂电流的方向，模块充电时，桥臂上的所有模块按升压排序，优先投入电压较低的模块；模块放电时，模块按降压排序，电压较高的模块优先放电，应用这种投切策略，排序频率较高时，能够很好的保证子模块电容电压的一致性。但是随着输电容量及电压等级的提升，模块数大幅增加，每个桥臂上的模块数多达几百个，是无法很快将所有模块电压采集到一个处理器中的，从而不利于排序的进行，而且排序所需的排序次数也很多，这时就要用多个处理器进行分组排序，分组投切，采用这种方法，模块电容电压的一致性就会降低。

文献“A DC-Link Voltage Self-Balance Method for a Diode-Clamped Modular Multilevel Converter With Minimum Number of Voltage Sensors”中提出了一种利用辅助箝位二极管及变压器来实现MMC模块电容自压的方法，子模块能量均衡局限于相内，且变压器的引入使系统结构和控制策略较为复杂。

专利“基于等式约束的辅助电容集中式半桥MMC自均压拓扑”中基于前一段所提文献中的辅助二极管均压法，提出了一种基于辅助电容的相间能量均衡拓扑及调制策略。其基本思想是了利用子模块电容所连接的辅助二极管，A、C两相相内不平衡自动向上流动，在桥臂最上端A、C两相并联后利用辅助电容相B相最上面的模块放电；B相则相反，不平衡经能量辅助二极管向下流动，流至辅助电容，向A、C两相放电。其拓扑能基本实现相内，相间的模块能量均衡，但是拓扑本身不对称，破坏了三相系统的对称性，最终A、C相能实现完全对称，与B相相差较大。此外，其拓扑中B相和A、C两相使用的子模块不一样，不利于模块化生产。

发明内容：

本发明的目的是为了克服“基于等式约束的辅助电容集中式半桥MMC自均压拓扑”中三相不对称的问题，提供了一种三相对称的MMC模块电容电压自均衡的拓扑，这种拓扑能实现相内模块电容电压自均压，相间不平衡能量循环流通，且拓扑结构完全对称。

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种三相对称的MMC模块电容电压自均衡的拓扑，包括三相半桥型MMC模型、相内箝位二极管自均压电路和相间不平衡能量流通回路；三相半桥型MMC模型用于实现交直流转换，与三相半桥型MMC模型中子模块连接的相内箝位二极管自均压电路迫使子模块电压自动均衡，同时三相半桥型MMC模型中相间的不平衡能量通过相间不平衡能量流通回路流通。

本发明进一步的改进在于，三相半桥型MMC模型由A、B、C三相组成，每相有上、下两个桥臂构成，每个桥臂上有N个半桥型子模块，每个桥臂上子模块编号从上到下依次为1-N；其中A相上桥臂的第1个子模块，其子模块电容C_{Au_1}的负极向下与A相上桥臂的第2个子模块IGBT模块中点相连接，其子模块IGBT模块中点向上与直流母线正极相连接，A相上桥臂的第i个子模块，其中i的取值为2～N-1，其子模块电容C_{Au_i}的负极向下与A相上桥臂的第i+1个子模块IGBT模块中点相连接，其子模块IGBT模块中点向上与A相上桥臂的第i-1个子模块电容C_{Au_i-1}负极相连接，A相上桥臂的第N个子模块，其子模块电容C_{Au_n}的负极向下经两个桥臂电抗器L_Au和L_Ad与A相下桥臂的第1个子模块IGBT模块中点相连接，其子模块IGBT模块中点向上与A相上桥臂的第N-1个子模块电容C_{Au_n-1}的负极相连接，A相下桥臂的第i个子模块，其子模块电容C_{Ad_i}的负极向下与A相下桥臂的第i+1个子模块IGBT模块中点相连接，其IGBT模块中点向上与A相下桥臂的第i-1个子模块电容C_{Ad_i-1}的负极相连接，A相下桥臂第N个子模块电容C_{Ad_n}的负极直接接至直流负母线，其IGBT模块中点向上与A相下桥臂第N-1个子模块电容C_{Ad_n-1}的负极相连；B相上桥臂的第1个子模块，其子模块电容C_{Bu_1}的负极向下与B相上桥臂的第2个子模块IGBT模块中点相连接，其子模块IGBT模块中点向上与直流母线正极相连接，B相上桥臂的第i个子模块，其中i的取值为2～N-1，其子模块电容C_{Bu_i}的负极向下与B相上桥臂的第i+1个子模块IGBT模块中点相连接，其子模块IGBT模块中点向上与B相上桥臂的第i-1个子模块电容C_{Bu_i-1}负极相连接，B相上桥臂的第N个子模块，其子模块电容C_{Bu_n}的负极向下经两个桥臂电抗器L_Bu和L_Bd与B相下桥臂的第1个子模块IGBT模块中点相连接，其子模块IGBT模块中点向上与B相上桥臂的第N-1个子模块电容C_{Bu_n-1}的负极相连接，B相下桥臂的第i个子模块，其子模块电容C_{Bd_i}的负极向下与B相下桥臂的第i+1个子模块IGBT模块中点相连接，其IGBT模块中点向上与B相下桥臂的第i-1个子模块电容C_{Bd_i-1}的负极相连接，B相下桥臂第N个子模块电容C_{Bd_n}的负极直接接至直流负母线，其IGBT模块中点向上与B相下桥臂第N-1个子模块电容C_{Bd_n-1}的负极相连；C相上桥臂的第1个子模块，其子模块电容C_{Cu_1}的负极向下与C相上桥臂的第2个子模块IGBT模块中点相连接，其子模块IGBT模块中点向上与直流母线正极相连接，C相上桥臂的第i个子模块，其中i的取值为2～N-1，其子模块电容C_{Cu_i}的负极向下与C相上桥臂的第i+1个子模块IGBT模块中点相连接，其子模块IGBT模块中点向上与C相上桥臂的第i-1个子模块电容C_{Cu_i-1}负极相连接，C相上桥臂的第N个子模块，其子模块电容C_{Cu_n}的负极向下经两个桥臂电抗器L_Cu和L_Cd与C相下桥臂的第1个子模块IGBT模块中点相连接，其子模块IGBT模块中点向上与C相上桥臂的第N-1个子模块电容C_{Cu_n-1}的负极相连接，C相下桥臂的第i个子模块，其子模块电容C_{Cd_i}的负极向下与C相下桥臂的第i+1个子模块IGBT模块中点相连接，其IGBT模块中点向上与C相下桥臂的第i-1个子模块电容C_{Cd_i-1}的负极相连接，C相下桥臂第N个子模块电容C_{Cd_n}的负极直接接至直流负母线，其IGBT模块中点向上与C相下桥臂第N-1个子模块电容C_{Cd_n-1}的负极相连；构成上述约束关系的A、B、C三相拓扑完全一致。

本发明进一步的改进在于，相内箝位二极管自均压电路由连接在三相半桥型MMC模型中子模块电容正极的箝位二极管组成，A相上桥臂第N个子模块电容C_{Au_n}的正极经箝位二极管接到第N-1个模块电容C_{Au_n-1}的正极，以此类推，A相上桥臂第2个子模块电容C_{Au_2}正极接到第1个子模块电容C_{Au_1}的正极，第1个子模块电容C_{Au_1}的正极经二极管接至相间辅助电容C₁的正极；A相下桥臂第N个子模块电容C_{Ad_n}正极经箝位二极管接至第N-1个子模块电容C_{Ad_n-1}的正极，以此类推，下桥臂第2个子模块电容C_{Ad_2}的正极经箝位二极管接至第一个子模块电容C_{Ad_1}的正极，下桥臂第一个子模块电容C_{Ad_1}的正极经箝位二极管接至A相上桥臂最后一个子模块C_{Au_n}的正极；B相上桥臂第N个子模块电容C_{Bu_n}的正极经箝位二极管接到第N-1个模块电容C_{Bu_n-1}的正极，以此类推，B相上桥臂第2个子模块电容C_{Bu_2}正极接到第1个子模块电容C_{Bu_1}的正极，第1个子模块电容C_{Bu_1}的正极经二极管接至相间辅助电容C₂的正极；B相下桥臂第N个子模块电容C_{Bd_n}正极经箝位二极管接至第N-1个子模块电容C_{Bd_n-1}的正极，以此类推，下桥臂第2个子模块电容C_{Bd_2}的正极经箝位二极管接至第一个子模块电容C_{Bd_1}的正极，下桥臂第一个子模块电容C_{Bd_1}的正极经箝位二极管接至B相上桥臂最后一个子模块C_{Bu_n}的正极；C相上桥臂第N个子模块电容C_{Cu_n}的正极经箝位二极管接到第N-1个模块电容C_{Cu_n-1}的正极，以此类推，C相上桥臂第2个子模块电容C_{Cu_2}正极接到第1个子模块电容C_{Cu_1}的正极，第1个子模块电容C_{Cu_1}的正极经二极管接至相间辅助电容C₃的正极；C相下桥臂第N个子模块电容C_{Cd_n}正极经箝位二极管接至第N-1个子模块电容C_{Cd_n-1}的正极，以此类推，下桥臂第2个子模块电容C_{Cd_2}的正极经箝位二极管接至第一个子模块电容C_{Cd_1}的正极，下桥臂第一个子模块电容C_{Cd_1}的正极经箝位二极管接至C相上桥臂最后一个子模块C_{Cu_n}的正极；该三相完全一致的相内箝位二极管自均压电路在权利范围之内。

本发明进一步的改进在于，相间不平衡能量流通回路分别布置在每相上桥臂第一个子模块之间和每相下桥臂第N个子模块之间，相邻两个模块之间的回路由两个二极管，一个辅助充电电容和一个IGBT组成；A相上桥臂第一个子模块电容C_{Au_1}的正极经二极管连接辅助电容C₁正极，电容C₁的负极经二极管连接到直流正母线上，此外，辅助电容C₁的正极经辅助IGBT>1连接到B相上桥臂第1个模块电容C_{Bu_1}的正极，电容C_{Bu_1}的负极经二极管连接到A相上桥臂辅助电容C₁的负极，构成相间回路，以此类推，B相上桥臂辅助电容C₂的正极经辅助IGBT>2连接到C相上桥臂第1个模块电容C_{Cu_1}的正极，C_{Cu_1}的负极连接到B相上桥臂辅助电容C₂的负极，同样的，C相上桥臂辅助电容C₃连接到A相上桥臂第一个子模块电容C_{Au_1}上，三相上桥臂第一个模块构成三角形回路；与上桥臂类似，对于下桥臂的相间辅助回路，A相下桥臂第N个模块电容C_{Ad_n}的正极经辅助二极管接到下桥臂辅助电容C₄的正极，辅助电容C₄的负极直接连接到直流负母线上，C₄的正极经辅助IGBT>4连接到B相下桥臂最后一个子模块电容C_{Bd_n}的正极，辅助电容C₄和B相最后一个子模块电容C_{Bd_n}的负极通过直流负母线相连接，同样的，B相下桥臂最后一个子模块电容C_{Bd_n}的正极经二极管连接辅助电容C₅正极，辅助电容C₅的负极接直流负母线，辅助电容C₅的正极经辅助IGBT>5接至C相下桥臂最后一个子模块电容C_{Cd_n}的正极，C_{Cd_n}的负极经直流负母线构成回路，C相下桥臂最后一个子模块电容C_{Cd_n}的正极经二极管连接辅助电容C₆正极，辅助电容C₆的负极接直流负母线，辅助电容C₆的正极经辅助IGBT>6接至A相下桥臂最后一个子模块电容C_{Ad_n}的正极，C_{Ad_n}的负极经直流负母线构成回路；这样，三相下桥臂的最后一个子模块也经过相间辅助电路构成三角形回路，实现三相完全对称。

与现有技术相比，本发明具有如下的优点：

本发明整个拓扑所用子模块完全相同，保证了MMC拓扑原有的对称性，相内箝位二极管自均压电路能够实现MMC中每相中子模块电压自动均衡，三相之间的不平衡能量通过相间不平衡能量流通回路实现平衡，通过MMC，相内箝位二极管自均压电路、相间不平衡能量流通回路三部分协调工作，使整个系统能量自动均衡。

进一步，相内实现MMC相内子模块电容电压自均衡，省去了电容电压采样的传感器，假设每个桥臂上有N个模块，则可以节省6N个电压测量传感器，以及相应的通信光线；此外，MMC模块电压自动均衡，控制器不在需要排序运算，降低了对控制器的要求，尤其是高压大容量换流站中，子模块数越多，该优势越显著。

此外，相间不平衡能量流通回路布置在靠近直流正负母线的两端，相间的不平衡能量通过两端的回路流通，实现平衡，最终三相中对应子模块的电压也会相等，提高了模块电容均压性能。

综上所述，三相完全对称的相内子模块电容自均衡、相间能量自平衡拓扑，不仅能应用于柔性直流输电领域，也可以构成静止同步补偿器(STATCOM)、统一电能质量调节器(UPQC)，统一潮流控制器(UPFC)等其他高压大容量的FACTS装置。间接利用该发明拓扑及思想的其他应用场合也在权利范围之内。

附图说明：

图1为三相对称的MMC模块电容电压自均衡拓扑；

图2为半桥型子模块的示意图；

图3为相内模块电容电压自均衡能量流通示意图；

图4为相间不平衡能量流通示意图；

图5为A相上桥臂子模块电容电压稳态波形；

图6为A相下桥臂子模块电容电压稳态波形；

图7为每相上桥臂第一个子模块电压稳态波形；

图8为每相下桥臂最后一个子模块电压稳态波形；

图9为每相上桥臂第四个子模块电压稳态波形。

具体实施方式：

下面结合具体的实施例对本发明的拓扑及工作原理做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

1)参考图1，半桥子模块由两个IGBT和一个模块电容组成；参考图2，三相对称的MMC模块电容电压自均衡拓扑，包括由A、B、C三相构成的半桥MMC模型，A、B、C三相分别由2N个半桥子模块，2个桥臂电抗器串联而成；包括6(N-1)个箝位二极管，9个相间辅助二极管，6个辅助电容，6个辅助IGBT模块组成的相内自均压相间不平衡能量流通回路。

2)半桥型MMC拓扑中，A相上桥臂的第1个子模块，其子模块电容负极向下与A相上桥臂的第2个子模块IGBT模块中点相连接，其子模块IGBT模块中点向上与直流母线正极相连接；A相上桥臂的第i个子模块，其中i的取值为2～N-1，其子模块电容负极向下与A相上桥臂的第i+1个子模块IGBT模块中点相连接，其子模块IGBT模块中点向上与A相上桥臂的第i-1个子模块电容负极相连接；A相上桥臂的第N个子模块，其子模块电容C_AuN的负极向下经两个桥臂电抗器与A相下桥臂的第1个子模块IGBT模块中点相连接，其子模块IGBT模块中点向上与A相上桥臂的第N-1个子模块电容负极相连接；A相下桥臂的第i个子模块，其中i的取值为2～N-1，其子模块电容负极向下与A相下桥臂的第i+1个子模块IGBT模块中点相连接，其IGBT模块中点向上与A相下桥臂的第i-1个子模块电容负极相连接。B、C两相的连接方式和A相完全一致。

3)在相内自均压辅助电路中，A相上桥臂最后一个子模块(第N个)电容C_AuN的正极经辅助二极管接到第N-1个模块电容的负极，以此类推，A相上桥臂第2个子模块电容C_Au2的正极接到第1个子模块电容C_Au1的负极，第1个子模块电容C_Au1的正极接二极管接至相间辅助电容C₁的正极；类似的，A相下桥臂第N个子模块电容C_AdN的正极经箝位二极管接至第N-1个子模块电容C_Ad(N-1)的负极，以此类推，下桥臂第2个子模块电容C_Ad2的正极经箝位二极管接至第一个子模块电容C_Ad1的负极，下桥臂第一个子模块电容正极不加箝位二极管。B、C两相的连接方式和A相连接方式完全一致。

4)在相间不平衡能量流通回路中，A相上桥臂第一个子模块电容C_Au1的正极经二极管连接辅助电容C₁的正极，电容负极经二极管连接到直流正母线上，此外，辅助电容C₁的正极经辅助IGBT>1连接到B相上桥臂第1个模块电容C_Bu1的正极，其负极经回流二极管D₁连接到A相上端辅助电容C₁的负极，构成相间回路。以此类推，B相辅助电容C₂的正极经辅助IGBT>2连接到C相上桥臂第1个模块电容C_Cu1的正极，其负极经二极管D₂连接到B相上端辅助电容C₂的负极，同样的，C相辅助电容连接到A相，三相上桥臂第一个模块电容经相间辅助电路构成三角形回路。与上桥臂类似，对于下桥臂的相间辅助回路，A相下桥臂最后一个模块电容C_AdN的正极经辅助二极管D₄接到下桥臂辅助电容C₄的正极，辅助电容C₄负极直接连接到直流负母线上，辅助电容的正极经辅助IGBT>4连接到B相下桥臂最后一个子模块电容C_BdN的正极，辅助电容C₄和B相最后一个子模块电容C_BdN的负极通过直流负母线相连接。同样的，B相下桥臂最后一个子模块电容C_BdN的正极经二极管连接辅助电容C₅的正极，辅助电容负极接直流负母线，辅助电容C₅的正极经辅助IGBT>5接至C相下桥臂最后一个子模块电容C_CdN的正极，负极经直流负母线构成回路。C相用同样的方法接至A相。这样，三相下桥臂的最后一个子模块也经过相间辅助电路构成三角形回路，实现三相完全对称。

参考图3，相内自均压电路在工作过程中，当某一桥臂上第N个模块的下管导通时，如果第N个模块电容电压高于第N-1个模块的电容电压，参考图3，第N个模块电容的正极经箝位二极管连接到第N-1个模块电容的正极，此时第N个模块的下管是导通的，即第N和N-1个模块电容的负极相连接，第N个模块自动给第N-1个模块充电，这样每个桥臂上的模块电容电压就能实现自均衡。

参考图4，相间均衡回路中辅助IGBT的驱动信号均与其所连接的半桥模块的上管的驱动信号保持一致；相间辅助电容的充电方式与相内模块充电方式一致，以A相上桥臂为例，当上桥臂上第一个子模块下管导通时，其模块电容正极经二极管与辅助电容正极相连，辅助电容负极经直流正母线和第一个模块的下管与第一个模块电容的负极相连，构成充电回路；当A相第一个模块下管关断，上管开通时，相间辅助IGBT>1导通，如果辅助电容电压高于B相第一个模块的电容电压，辅助电容自动向B相上桥臂第一个模块充电，其余相间辅助回路的工作方式都与A，B上桥臂相间回路一致。实现相间不平衡能量的相互传输，最终达到相间能量平衡。

由上述具体说明知，所提拓扑能实现相内模块电容电压自均衡，相间不平衡能量自由流通，最终使相内、相间能量都实现均衡，且拓扑保持三相完全对称。

实施例：

根据本发明的描述，仿真例子中应用三相对称的电容电压自均衡拓扑如图1所示，其交流侧接380V交流电网额定电压，直流侧额定电压为700V，接96Ω电阻负载；采用5电平结构，即每相上下桥臂各有4个子半桥模块构成，子模块电容为3300μF，子模块电容额定电压为175V；桥臂电抗器为15mH；系统稳定运行后，相内箝位二极管自均压电路的工作时，子模块电容之间相互箝位，电压维持均衡，参考图5和图6，以A相为例，A相上桥臂四个子模块电容电压U_cAui，i＝1-4和A相下桥臂四个模块电容电压_UcAdi，都能均衡，且偏差在±5V之内，波动在2.85％之内；参考图7，A、B、C三相上桥臂第一个子模块电压U_cAu1，U_cBu1和U_cCu1幅值及变换规律几乎完全一致，相位互差120°，同样的，参考图8，三相下桥臂最后一个子模块电压U_cAd4，U_cBd4和U_cCd4幅值及变换规律也几乎完全一致，相位互差120°，由此可得三相对称的电容电压自均衡拓扑中每相第一个子模块之间能电压能相互均衡，最后一个子模块之间电压也能相互均衡，达到相间不平衡能量自由流通的目的。每相两端的子模块电压平衡后，受相内钳位二极管自均压电路迫使每相对应位置上的子模块电压也均衡，参考图9，如A、B、C三相中上桥臂第4个子模块电压U_cAu4，U_cBu4和U_cCu4都能实现均衡，因此相内钳位二极管自均压电路和相间不平衡能量流通回路的共同作用，使MMC拓扑中的子模块电压均衡，每相相互之间也能实现能量均衡。