一种基于钳位二极管的MMC模块电容电压自均衡拓扑

摘要

本发明公开了一种基于钳位二极管的MMC模块电容电压自均衡拓扑，由A、B、C三相构成的MMC模型，每相中每个桥臂分别有N个MMC子模块及1个桥臂电抗器串联而成。由辅助IGBT、钳位二极管和辅助电感构成的辅助均压回路，每相辅助均压回路包括N个辅助IGBT、N‑1个钳位二极管和N‑1个辅助电感。本发明提供的基于钳位二极管的MMC模块电容电压自均衡拓扑，不需要排序均压策略，仅需要控制每相顶端首个子模块的电容电压即可实现每相所有子模块电容电压的自动均衡，大量减少了子模块电容电压传感器的数量，减轻了处理器的运算压力，同时该拓扑可以实现自均压拓扑与传统MMC拓扑的自由转换，具有直流短路故障穿越能力。

说明书

技术领域

本发明属于柔性直流输电技术领域，具体涉及一种基于钳位二极管的MMC模块电容电压自均衡拓扑。

背景技术

在柔性直流输电技术领域中，目前广泛使用的是模块化多电平换流器(ModularMultilevel Converter，MMC)。模块化多电平换流器和传统两电平换流器相比，具有开关频率低、损耗小、输出波形正弦度高、滤波器要求低和模块化设计可靠性高等优点。

模块化多电平换流器子模块电容电压均衡是保证MMC可靠运行的关键，传统的MMC拓扑中，目前主流的MMC子模块电容电压均衡思路是采用基于电容电压排序的子模块投切策略。但是，排序功能的实现必须依赖电容电压的高速采样，需要大量的传感器，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，一方面需要数量庞大的传感器，另一方面电容电压的排序运算量也大量增加，增加了控制器的数据处理负担。

文献“A DC-Link Voltage Self-Balance Method for a Diode-ClampedModular 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，但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。其拓扑A、B、C三相结构不完全一致，流通通道结构不对称；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

本发明的目的在于提出一种模块化的，对称的，不依赖均压算法，能够大幅度减少传感器数量，同时具有直流故障穿越能力的基于钳位二极管的MMC模块电容电压自均衡拓扑。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种基于钳位二极管的MMC模块电容电压自均衡拓扑，包括由A、B、C三相构成的MMC模型，每相中每个桥臂分别有N个MMC子模块及1个桥臂电抗器串联而成；包括由辅助IGBT、钳位二极管和辅助电感构成的辅助均压回路，每相辅助均压回路包括N个辅助IGBT、N-1个钳位二极管和N-1个辅助电感。

本发明进一步的改进在于，MMC模型中，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1个子模块电容C_{Ad_1}的负极与第2个子模块IGBT模块中点相连接；A相下桥臂的第k个子模块，其子模块电容C_{Ad_j}的负极向下与A相下桥臂的第k+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k-1个子模块电容C_{Ad_k-1}的负极相连接，其中k的取值为2～N-1；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相和C相上下桥臂子模块的连接方式与A相一致。

本发明进一步的改进在于，辅助均压回路中，A相上桥臂第1个子模块的电容正极依次连接第1个辅助IGBT、第1个钳位二极管和第1个辅助电感；A相上桥臂第i个子模块的电容正极依次连接第i个辅助IGBT、第i个钳位二极管和第i个辅助电感，其中i的取值为2～N-1；A相上桥臂第i个子模块的钳位二极管负极与第i-1个辅助电感相连接；A相上桥臂第N个子模块的电容正极依次连接第N个辅助IGBT、第N个钳位二极管和第N个辅助电感，其中第N个钳位二极管负极与第N-1个辅助电感相连接；A相下桥臂第1个子模块的电容正极依次连接下桥臂第1个辅助IGBT、第1个钳位二极管和第1个辅助电感，其中第1个辅助二极管负极与上桥臂第N个辅助电感相连接；A相下桥臂第k个子模块的电容正极依次连接下桥臂第k个辅助IGBT、第k个钳位二极管和第k个辅助电感，其中k的取值为2～N-1；A相下桥臂第k个子模块的钳位二极管负极与第k-1个辅助电感相连接；A相下桥臂第N个子模块的电容正极连接第N个辅助IGBT，下桥臂第N个IGBT与下桥臂第N-1个辅助电感了相连接，B相和C相上下桥臂辅助均压回路的连接方式与A相一致。

本发明具有如下有益的技术效果：

本发明提供的基于钳位二极管的MMC模块电容电压自均衡拓扑，仅需要采集每相上桥臂第1个子模块的电容电压，即可完成对该相的所有子模块的电压控制，维持该相子模块电容电压平衡；故该基于钳位二极管的MMC模块电容电压自均衡拓扑仅仅需要采集每相上桥臂第1个子模块的电容电压，大大减少了MMC所需要的电压传感器数量，同时不需要排序均压算法，减轻了处理器的运算压力。

进一步，辅助均压回路中，辅助均压回路中的辅助IGBT，能够起到隔断MMC模型和辅助均压回路的作用；当MMC模型中的子模块使用具有直流短路故障清除能力的子模块时，比如全桥子模块和增强自阻型子模块(SBSM)等，当直流侧发生短路故障时，辅助均压回路中的所有辅助IGBT都要进入闭锁状态隔断MMC模型和辅助均压回路，从而避免短路电流通过辅助均压回路流入MMC模型中，故本拓扑具有直流短路故障穿越能力；本发明中MMC模型的子模块包含但不限于全桥子模块和增强自阻型子模块，所有具有直流短路故障清除能力的子模块均包含于该基于钳位二极管的MMC模块电容电压自均衡拓扑中；子模块的不同不影响本发明的主体拓扑结构的保护权利，利用其他子模块的基于钳位二极管的MMC模块电容电压自均衡拓扑也在权利范围之内。

综上所述，本发明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为增强自阻型子模块SBSM的结构示意图；

图2为基于钳位二极管的MMC模块电容电压自均衡拓扑的示意图；

图3为MMC桥臂的结构示意图；

图4为桥臂子模块电容电压稳态波形；

图5为当直流短路故障前后交流侧电流波形。

具体实施方式

下面结合附图和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，此处使用的子模块为增强自阻型子模块(SBSM)，但基于该原理的基于钳位二极管的MMC模块电容电压自均衡拓扑不限于SBSM。

1)参考图1，增强型自阻模块SBSM由3个IGBT、1个二极管和1个模块电容组成；参考图2，基于钳位二极管的MMC模块电容电压自均衡拓扑，包括由A、B、C三相构成的MMC模型，每相中每个桥臂分别有N个MMC子模块及1个桥臂电抗器串联而成；包括由辅助IGBT、钳位二极管和辅助电感构成的辅助均压回路，每相辅助均压回路包括N个辅助IGBT、N-1个钳位二极管和N-1个辅助电感。

2)参考图2，MMC模型中，以MMC模型中子模块使用增强自阻型子模块(SBSM)时为例，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1个子模块电容C_{Ad_1}的负极与第2个子模块IGBT模块中点相连接；A相下桥臂的第k个子模块，其子模块电容C_{Ad_k}的负极向下与A相下桥臂的第k+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k-1个子模块电容C_{Ad_k-1}的负极相连接，其中k的取值为2～N-1；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相和C相上下桥臂子模块的连接方式与A相一致。

3)参考图2，辅助均压回路中，A相上桥臂第1个子模块的电容正极依次连接第1个辅助IGBT、第1个钳位二极管和第1个辅助电感；A相上桥臂第i个子模块的电容正极依次连接第i个辅助IGBT、第i个钳位二极管和第i个辅助电感，其中i的取值为2～N-1；A相上桥臂第i个子模块的钳位二极管负极与第i-1个辅助电感相连接，其中i的取值为2～N-1；A相上桥臂第N个子模块的电容正极依次连接第N个辅助IGBT、第N个钳位二极管和第N个辅助电感，其中第N个钳位二极管负极与第N-1个辅助电感相连接；A相下桥臂第1个子模块的电容正极依次连接下桥臂第1个辅助IGBT、第1个钳位二极管和第1个辅助电感，其中第1个辅助二极管负极与上桥臂第N个辅助电感相连接；A相下桥臂第k个子模块的电容正极依次连接下桥臂第k个辅助IGBT、第k个钳位二极管和第k个辅助电感；A相下桥臂第k个子模块的钳位二极管负极与第k-1个辅助电感相连接；A相下桥臂第N个子模块的电容正极连接第N个辅助IGBT，下桥臂第N个IGBT与下桥臂第N-1个辅助电感了相连接，B相和C相上下桥臂辅助均压回路的连接方式与A相一致。

4)参考图3，辅助均压回路中，MMC正常工作时，所有辅助IGBT均处于闭合状态，以A相上桥臂为例，当该新型拓扑的MMC变流器运行在稳态时，上桥臂的辅助IGBT M_uj(j＝1…n)和下桥臂的辅助IGBT M_lg(g＝1…n)始终保持闭合状态，其中u表示上桥臂，l表示下桥臂；当电容Cuj的电压比电容Cu(j-1)(j＝1…n)的电压高时，如果S_uj2(j＝1…n)此时是闭合状态，那么电流将会通过M_uj流向电容Cu(j-1)，电容Cu(j-1)的电压将会上升，电容Cuj的电压将会下降，直到它们电压相等为止；下桥臂的子模块电容电压的关系与上桥的类似，可得到子模块电容电压的约束关系为：

其中，u_Cuj(j＝1…n)表示上桥臂子模块SMj的电压，u_Clg(g＝1…n)表示下桥臂子模块SMj的电压；参考图3，上桥臂的SMN和下桥臂的SM1之间同其他相邻的子模块一样，也有电压平衡辅助电路，忽略两电感电压之和，u_CuN≥u_Cl1的关系也成立；故A相上下桥臂所有子模块的电容电压满足如下约束关系：

u_Cu1≥u_Cu2≥...≥u_CuN≥u_Cl1≥u_Cl2≥...≥u_ClN

同理，B、C相上下桥臂子模块的电容电压也满足相同约束关系；当MMC稳定运行时，直流母线电压U_DC也保持稳定，所以子模块电压之间的关系符合下式：

u_Cu1+u_Cu1+...+u_CuN+u_Cl1+u_Cl2+...+u_ClN＝2U_DC

由此可知，如果上桥臂的首个子模块的电压u_Cu1能够保持为u_Cu1＝U_DC/N，那么所有子模块电容电压的关系为：

u_Cu1＝u_Cu1＝...＝u_CuN＝u_Cl1＝u_Cl2＝...＝u_ClN＝U_DC/N

即该相其他所有的子模块电压也会等于U_DC/N，所有的子模块电压将会保持平衡。

5)参考图2，得益于辅助电路中的IGBT，该MMC拓扑可以在传统MMC拓扑和自均压拓扑之间任意转换；当闭锁所有辅助IGBT后，该MMC拓扑的预充电过程可以和传统拓扑一样简单，不必考虑辅助电路的影响；当该MMC拓扑出现直流短路故障时，相邻子模块之间辅助电路的IGBT可以全部闭锁，从而将该拓扑变换为传统MMC拓扑，与此同时，所有子模块都全部闭锁，由于该拓扑中使用的是SBSM模块，从而保证该MMC拓扑具有直流短路故障穿越能力。

由上述具体说明知，所提拓扑在仅控制每相顶端子模块SM的电容电压的情况下，能实现相内模块电容电压自均衡，该拓扑可以在传统MMC拓扑和自均压拓扑之间任意转换，具有直流短路故障穿越能力。

由上述具体说明可知，所提出的拓扑能够实现子模块电容电压自动均衡，每相仅需要采样顶端首个子模块的电容电压，且拓扑具有直流短路故障穿越能力。

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1400V交流电网额定电压，直流侧额定电压为2.4kV，接96Ω电阻负载；采用11电平结构，即每相上下桥臂各有10个子模块构成，此处使用增强型自阻模块SBSM，子模块电容为3300μF，子模块电容额定电压为240V；桥臂电抗器为15mH；系统稳定运行后，控制每相顶端首个子模块电容电压为240V，每相所有子模块电容电压维持均衡，参考图4；为了验证所提出的MMC新拓扑具有直流短路故障穿越能力，直流双极短路故障发生在0.3s，5ms后所有的子模块都闭锁并且副主电路中所有的IGBT也全部闭锁，参考图5，交流电流在0.3s之前表现正常，在直流短路故障发生后交流电流迅速上升，然后在0.305s后短路电流开始下降，到0.31s时短路电流已经下降为零，实现了直流短路故障穿越。