混合型MMC子模块电容电压双向均衡拓扑

摘要

本发明将提出了一种基于二极管钳位电路的双向均衡的混合型MMC拓扑结构，由n/2个半桥子模块和n/2个全桥子模块以及n‑1附加系列装置组成。本发明以五电平混合MMC拓扑为例进行说明。它由两个半桥式模块、两个全桥式模块和三个附加单元组成。其中，HBSM之间连接的附加单元和HBSM与FBSM之间连接的附加单元相同。每个单元包括两个平行的分支。支路1只包含一个二极管，支路2为二极管与开关反向串联(IGBT和反向并联二极管)，电感接至支路1和支路2的公共支路上。在FBSM之间连接的附加单元，支路1与支路2的结构相同，均由串联二极管、电感和开关(IGBT和反向并联二极管)构成。与传统的软件电压平衡方法相比，该拓扑主要具有两点优势，首先，简化了控制框架，省略了电压平衡控制环节，节省控制资源；其次，减少了电压传感器的数量，降低控制系统的复杂程度，使通讯压力下降。此外，与其他一些硬件电压平衡电路相比，此拓扑不但能够实现双向均衡还减少了电路中电感的数量有效降低了硬件成本。

说明书

技术领域

本发明属电力电子柔性直流输电技术领域，涉及一种基于混合型MMC子模块电容电压双向均衡拓扑结构，仅用简单的硬件电路来实现电容电压的双向均衡控制。

背景技术

随着中高压变频器的发展，对大功率变频器提出了一系列苛刻的要求。模块化多电平变换器(MMC)具有模块化、可扩展性、高容错能力等优点。因此MMC被认为是HVDC、VSC、APF、STATCOM、储能系统中最具有吸引力的拓扑结构。

然而电容电压不平衡严重威胁着基于MMC的HVDC的可靠运行。电容电压不平衡由于在系统控制的预充电和正常运行阶段，子模块(SMs)的非理想驱动脉冲所导致的。在系统不可控的预充电阶段，电力电子器件寄生参数的差异与电容器静态电压不平衡密切相关。特别地，系统从SM的电容器获得能量损耗的差异是造成电容器静态电压不平衡的主要因素。故电容电压平衡已经成为MMC主要技术挑战之一。

当前电容电压的均衡控制包括相间直流电容电压和均衡、桥臂间电容电压均衡和桥臂内模块间电容电压均衡。平衡方法的主流可以分为三类，通过对每个子模块的调制波的注入额外控制分量，电压排序和脉冲交换，以及通过硬件进行平衡。对于第一类，与传统的平衡控制方法相比，对于每个子模块电压的控制效果更好。然而，这些方法在调制中引入了电容电压的前馈，降低了调制波的电压利用率；对于第二类，尽管软件平衡方法具有灵活性和广泛的应用，但由于电压传感器的数量、额外的计算负担以及采样和传输造成的信号延迟仍然是软件平衡方法的缺点；为了减少电压传感器的数量并减少控制延迟的影响，硬件平衡方法越来越流行。因此，通过外部的平衡控制电路来实现均衡控制的拓扑为最可行的方案，但是目前存在的外部均衡拓扑只能实现单向的电压均衡。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的技术问题，提出了基于混合型MMC子模块电容电压双向均衡拓扑结构，所提出的拓扑通过二级管钳位电路保证同相每个子模块电容两端的电压被钳位至彼此相等，通过二级管钳位电路的平衡过程是双向的，并且仅通过二级管钳位电路来实现。与传统的软件电压平衡方法相比，该拓扑主要具有两点优势，首先，简化了控制框架，省略了电压平衡控制环节，节省控制资源；其次，减少了电压传感器的数量，降低控制系统的复杂程度，使通讯压力下降。此外，与其他一些硬件电压平衡电路相比，此拓扑不但能够实现双向均衡还减少了电路中电感的数量有效降低了硬件成本。

为达到上述目的，本发明按照以下技术方案实施：

基于混合型MMC子模块电容电压双向均衡拓扑结构组成：所述的电容电压双向均衡拓扑采用五电平的均衡拓扑，它由两个半桥式模块、两个全桥式模块和三个附加单元组成。其中，HBSM之间连接的附加单元和HBSM与FBSM之间连接的附加单元相同。每个单元包括两个平行的分支。支路1只包含一个二极管，支路2为二极管与开关反向串联(IGBT和反向并联二极管)，电感接至支路1和支路2的公共支路上。在FBSM之间连接的附加单元，支路1是串联二极管和电感，支路2是反向串联二极管、电感和开关(IGBT和反向并联二极管)。对于这些机组的开关，开关S

为实现上述目标包括以下步骤：

假设拓扑中的所有开关都是理想的设备。实现双向电容电压均衡包括三种情况：

情况1:HBSMs之间的电容电压平衡过程。如果两个连续电容器U

情况2:HBSM和FBSM之间的电容电压平衡过程。如果两个连续电容器U

情况3:FBSM之间的电容电压平衡过程。如果两个连续电容器U

在上述三种情况下，虽然拓扑结构不同，但平衡分析原理相同，因此我们以情形1为例进行详细的数学分析。

如果U

式中U

其中U

线性微分方程的解可进一步表示为：

结果表明，U

根据公式(4)给出了电压U

其中m是调制指数，λ是平均系数(0<λ<1)，Tsw是开关频率的倒数。

因此，根据公式(5)和公式(6)的两个方程，箝位电感Le约束条件可以表示为：

综上，通过根据实际需求设定合适的电力参数，即可求出双向均衡拓扑等效电感的范围。

本发明达到了以下有益效果：

与现有技术相比，本发明基于双向二级管钳位电路的混合型MMC拓扑结构。所提出的拓扑通过二级管钳位电路保证同相每个子模块电容两端的电压被钳位至彼此相等，通过二级管钳位电路的平衡过程是双向的，并且仅通过二级管钳位电路来实现。与传统的软件电压平衡方法相比，该拓扑主要具有两点优势，首先，简化了控制框架，省略了电压平衡控制环节，节省控制资源；其次，减少了电压传感器的数量，降低控制系统的复杂程度，使通讯压力下降。此外，与其他一些硬件电压平衡电路相比，此拓扑不但能够实现双向均衡还减少了电路中电感的数量有效降低了硬件成本。

附图说明

图1是本发明的较佳实施例中，混合型MMC双向均衡拓扑结构图；

图2是本发明的较佳实施例中，情况1的电容电压平衡回路图及等效电路图；

图3是本发明的较佳实施例中，情况2的电容电压平衡回路图及等效电路图；

图4是本发明的较佳实施例中，情况3的电容电压平衡回路图及等效电路图；

图5是本发明的较佳实施例中，负作用开关状态的等效电路；

图6是本发明的较佳实施例中，二极管箝位电路中电压与电流的关系图；

图7是本发明的较佳实施例中，混合型MMC双向均衡拓扑仿真模型；

图8是本发明的较佳实施例中，混合型MMC双向均衡拓扑仿真结果图；

图9是本发明的较佳实施例中，不同的子模块电容电压平衡方式结果图；

图10是本发明的较佳实施例中，混合型MMC双向均衡拓扑钳位电感电流仿真图；

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步描述，以次发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

本发明的技术方案，提出了一种混合型MMC子模块电容电压双向均衡拓扑结构，如图1所示，采用五电平的均衡拓扑，它由两个半桥式模块、两个全桥式模块和三个附加单元组成。其中，HBSM之间连接的附加单元和HBSM与FBSM之间连接的附加单元相同。每个单元包括两个平行的分支。支路1只包含一个二极管，支路2为二极管与开关反向串联(IGBT和反向并联二极管)，电感接至支路1和支路2的公共支路上。在FBSM之间连接的附加单元，支路1是串联二极管和电感，支路2是反向串联二极管、电感和开关(IGBT和反向并联二极管)。对于这些机组的开关，开关S

实现上述电容电压均衡包括以下三种情况：

如图2所示，第一种情况，HBSMs之间的电容电压平衡过程。如果两个连续电容器U

如图3所示，第二种情况，HBSM和FBSM之间的电容电压平衡过程。如果两个连续电容器U

如图4所示，第三种情况，FBSM之间的电容电压平衡过程。如果两个连续电容器U

需要指出的是，情况3中，连续两个FBSMs都处于切换状态，这将对系统的正常运行产生负面影响。如图5所示，如果开关S

图6为电容电压U

图7是在MATLAB/Simulink中搭建的混合型MMC双向均衡拓扑仿真模型。仿真模型具体参数设置如表1所示。

表1仿真参数

图8是本发明混合MMC模型电压电流仿真结果，图9是本发明使用不同的子模块电容电压均衡策略的仿真结果。图10是本发明混合型MMC双向均衡拓扑钳位电感电流仿真的波形图。由图8、图9和图10可知，本发明所提出的拓扑结构能够正常运行，并有更好的子模块电容电压均衡效果。