基於不等式約束的輔助電容集中式單箝位MMC自均壓拓撲的製作方法

2023-08-02 06:22:46

本實用新型涉及柔性輸電領域，具體涉及一種基於不等式約束的輔助電容集中式單箝位MMC自均壓拓撲。

背景技術：

模塊化多電平換流器MMC是未來直流輸電技術的發展方向，MMC採用子模塊級聯的方式構造換流閥，避免了大量器件的直接串聯，降低了對器件一致性的要求，同時便於擴容及冗餘配置。隨著電平數的升高，輸出波形接近正弦，能有效避開低電平VSC-HVDC的缺陷。

單箝位MMC由單箝位子模塊組合而成，每個單箝位子模塊由3個IGBT模塊，1個子模塊電容，1個二極體及1個機械開關構成，成本低，運行損耗小。

與兩電平、三電平VSC不同，MMC的直流側電壓並非由一個大電容支撐，而是由一系列相互獨立的懸浮子模塊電容串聯支撐。為了保證交流側電壓輸出的波形質量和保證模塊中各功率半導體器件承受相同的應力，也為了更好的支撐直流電壓，減小相間環流，必須保證子模塊電容電壓在橋臂功率的周期性流動中處在動態穩定的狀態。

基於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。首先，排序功能的實現必須依賴電容電壓的毫秒級採樣，需要大量的傳感器以及光纖通道加以配合；其次，當子模塊數目增加時，電容電壓排序的運算量迅速增大，為控制器的硬體設計帶來巨大挑戰；此外，排序均壓算法的實現對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，在實踐過程中，可能因為均壓效果的限制，不得不提高子模塊的觸發頻率，進而帶來換流器損耗的增加。

文獻「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體和變壓器來實現MMC子模塊電容電壓均衡的思路。但該方案在設計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，沒能充分利用MMC的既有結構，三個變壓器的引入在使控制策略複雜化的同時也會帶來較大的改造成本。

技術實現要素：

針對上述問題，本實用新型的目的在於提出一種經濟的，模塊化的，不依賴均壓算法，同時能相應降低子模塊觸發頻率和電容容值且具有直流故障箝位能力的單箝位MMC自均壓拓撲。

本實用新型具體的構成方式如下。

基於不等式約束的輔助電容集中式單箝位MMC自均壓拓撲，包括由A、B、C三相構成的單箝位MMC模型，A、B、C三相分別由2N個單箝位子模塊，2個橋臂電抗器串聯而成；包括由6N個IGBT模塊，6N+7個鉗位二極體，4個輔助電容及2個輔助IGBT模塊構成的自均壓輔助迴路。

上述基於不等式約束的輔助電容集中式單箝位MMC自均壓拓撲，A相上下橋臂，單箝位子模塊中，二極體連接子模塊電容正極，IGBT模塊連接子模塊電容負極。A相上橋臂的第1個子模塊，其子模塊二極體與IGBT模塊聯結點向下與A相上橋臂的第2個子模塊IGBT模塊中點相連，其子模塊IGBT模塊中點向上與直流母線正極相連；A相上橋臂的第i個子模塊，其中i的取值為2～N-1，其子模塊二極體與IGBT模塊聯結點向下與A相上橋臂的第i+1個子模塊IGBT模塊中點相連，其子模塊IGBT模塊中點向上與A相上橋臂的第i-1個子模塊二極體與IGBT模塊聯結點相連；A相上橋臂的第N個子模塊，其子模塊二極體與IGBT模塊聯結點向下經兩個橋臂電抗器L0與A相下橋臂的第1個子模塊IGBT模塊中點相連，其子模塊IGBT模塊中點向上與A相上橋臂的第N-1個子模塊二極體與IGBT模塊聯結點相連；A相下橋臂的第i個子模塊，其中i的取值為2～N-1，其子模塊二極體與IGBT模塊聯結點向下與A相下橋臂的第i+1個子模塊IGBT模塊中點相連，其IGBT模塊中點向上與A相下橋臂的第i-1個子模塊二極體與IGBT模塊聯結點相連；A相下橋臂的第N個子模塊，其子模塊二極體與IGBT模塊聯結點向下與直流母線負極相連，其子模塊IGBT模塊中點向上與A相下橋臂的第N-1個子模塊二極體與IGBT模塊聯結點相連。B相上下橋臂，單箝位子模塊中，IGBT模塊連接子模塊電容正極，二極體連接子模塊電容負極。B相上橋臂的第1個子模塊，其子模塊二極體與IGBT模塊聯結點向上與直流母線正極相連，其子模塊IGBT模塊中點向下與B相上橋臂的第2個子模塊二極體與IGBT模塊聯結點相連；B相上橋臂的第i個子模塊，其中i的取值為2～N-1，其子模塊二極體與IGBT模塊聯結點向上與B相上橋臂的第i-1個子模塊IGBT模塊中點相連，其子模塊IGBT模塊中點向下與B相上橋臂的第i+1個子模塊二極體與IGBT模塊聯結點相連；B相上橋臂的第N個子模塊，其子模塊二極體與IGBT模塊聯結點向上與B相上橋臂的第N-1個子模塊IGBT模塊中點相連，其子模塊IGBT模塊中點向下經兩個橋臂電抗器L0與B相下橋臂的第1個子模塊二極體與IGBT模塊聯結點相連；B相下橋臂的第i個子模塊，其中i的取值為2～N-1，其子模塊二極體與IGBT模塊聯結點向上與B相下橋臂的第i-1個子模塊IGBT模塊中點相連，其子模塊IGBT模塊中點向下與B相下橋臂的第i+1個子模塊二極體與IGBT模塊聯結點相連；B相下橋臂的第N個子模塊，其子模塊二極體與IGBT模塊聯結點向上與B相下橋臂第N-1個子模塊IGBT模塊中點相連，其子模塊IGBT模塊中點向下與直流母線負極相連。C相上下橋臂子模塊的連接方式可以與A相一致，也可以與B相一致。

上述基於不等式約束的輔助電容集中式單箝位MMC自均壓拓撲，其自均壓輔助迴路中，第一個輔助電容與第二個輔助電容通過鉗位二極體並聯，第二個輔助電容正極連接輔助IGBT模塊，第一個輔助電容負極連接鉗位二極體併入直流母線正極；第三個輔助電容與第四個輔助電容通過鉗位二極體並聯，第三個輔助電容負極連接輔助IGBT模塊，第四個輔助電容正極連接鉗位二極體併入直流母線負極。鉗位二極體，通過IGBT模塊連接A相上橋臂中第1個子模塊電容與第一個輔助電容正極；通過IGBT模塊連接A相上橋臂中第i個子模塊電容與第i+1個子模塊電容正極，其中i的取值為1～N-1；通過IGBT模塊連接A相上橋臂中第N個子模塊電容與A相下橋臂第1個子模塊電容正極；通過IGBT模塊連接A相下橋臂中第i個子模塊電容與A相下橋臂第i+1個子模塊電容正極，其中i的取值為1～N-1；通過IGBT模塊連接A相下橋臂中第N個子模塊電容與第三個輔助電容正極。鉗位二極體，通過IGBT模塊連接B相上橋臂中第1個子模塊電容與第二個輔助電容負極；通過IGBT模塊連接B相上橋臂中第i個子模塊電容與第i+1個子模塊電容負極，其中i的取值為1～N-1；通過IGBT模塊連接B相上橋臂中第N個子模塊電容與B相下橋臂第1個子模塊電容負極；通過IGBT模塊連接B相下橋臂中第i個子模塊電容與B相下橋臂第i+1個子模塊電容負極，其中i的取值為1～N-1；通過IGBT模塊連接B相下橋臂中第N個子模塊電容與第四個輔助電容負極。C相鉗位二極體的連接關係與其子模塊的連接關係相對應。

附圖說明

下面結合附圖對本實用新型進一步說明。

圖1是單箝位子模塊的結構示意圖；

圖2是基於不等式約束的輔助電容集中式單箝位MMC自均壓拓撲。

具體實施方式

為進一步闡述本實用新型的性能與工作原理，以下結合附圖對對實用新型的構成方式與工作原理進行具體說明。但基於該原理的單箝位MMC自均壓拓撲不限於圖2。

參考圖2，基於不等式約束的輔助電容集中式單箝位MMC自均壓拓撲，包括由A、B、C三相構成的單箝位MMC模型，A、B、C三相分別由2N個單箝位子模塊，2個橋臂電抗器串聯而成；包括由6N個IGBT模塊，6N+7個鉗位二極體，4個輔助電容C1、C2、C3、C4，2個輔助IGBT模塊T1、T2構成的自均壓輔助迴路。

單箝位MMC模型中，A相上下橋臂，單箝位子模塊中，二極體連接子模塊電容正極，IGBT模塊連接子模塊電容負極。A相上橋臂的第1個子模塊，其子模塊二極體與IGBT模塊聯結點向下與A相上橋臂的第2個子模塊IGBT模塊中點相連，其子模塊IGBT模塊中點向上與直流母線正極相連；A相上橋臂的第i個子模塊，其中i的取值為2～N-1，其子模塊二極體與IGBT模塊聯結點向下與A相上橋臂的第i+1個子模塊IGBT模塊中點相連，其子模塊IGBT模塊中點向上與A相上橋臂的第i-1個子模塊二極體與IGBT模塊聯結點相連；A相上橋臂的第N個子模塊，其子模塊二極體與IGBT模塊聯結點向下經兩個橋臂電抗器L0與A相下橋臂的第1個子模塊IGBT模塊中點相連，其子模塊IGBT模塊中點向上與A相上橋臂的第N-1個子模塊二極體與IGBT模塊聯結點相連；A相下橋臂的第i個子模塊，其中i的取值為2～N-1，其子模塊二極體與IGBT模塊聯結點向下與A相下橋臂的第i+1個子模塊IGBT模塊中點相連，其IGBT模塊中點向上與A相下橋臂的第i-1個子模塊二極體與IGBT模塊聯結點相連；A相下橋臂的第N個子模塊，其子模塊二極體與IGBT模塊聯結點向下與直流母線負極相連，其子模塊IGBT模塊中點向上與A相下橋臂的第N-1個子模塊二極體與IGBT模塊聯結點相連。B相上下橋臂，單箝位子模塊中，IGBT模塊連接子模塊電容正極，二極體連接子模塊電容負極。B相上橋臂的第1個子模塊，其子模塊二極體與IGBT模塊聯結點向上與直流母線正極相連，其子模塊IGBT模塊中點向下與B相上橋臂的第2個子模塊二極體與IGBT模塊聯結點相連；B相上橋臂的第i個子模塊，其中i的取值為2～N-1，其子模塊二極體與IGBT模塊聯結點向上與B相上橋臂的第i-1個子模塊IGBT模塊中點相連，其子模塊IGBT模塊中點向下與B相上橋臂的第i+1個子模塊二極體與IGBT模塊聯結點相連；B相上橋臂的第N個子模塊，其子模塊二極體與IGBT模塊聯結點向上與B相上橋臂的第N-1個子模塊IGBT模塊中點相連，其子模塊IGBT模塊中點向下經兩個橋臂電抗器L0與B相下橋臂的第1個子模塊二極體與IGBT模塊聯結點相連；B相下橋臂的第i個子模塊，其中i的取值為2～N-1，其子模塊二極體與IGBT模塊聯結點向上與B相下橋臂的第i-1個子模塊IGBT模塊中點相連，其子模塊IGBT模塊中點向下與B相下橋臂的第i+1個子模塊二極體與IGBT模塊聯結點相連；B相下橋臂的第N個子模塊，其子模塊二極體與IGBT模塊聯結點向上與B相下橋臂第N-1個子模塊IGBT模塊中點相連，其子模塊IGBT模塊中點向下與直流母線負極相連。C相上下橋臂子模塊的連接方式與A相一致。

自均壓輔助迴路中，輔助電容C1與輔助電容C2通過鉗位二極體並聯，輔助電容C2正極連接輔助IGBT模塊T1，輔助電容C1負極連接鉗位二極體併入直流母線正極；輔助電容C3與輔助電容C4通過鉗位二極體並聯，輔助電容C3負極連接輔助IGBT模塊T2，輔助電容C4正極連接鉗位二極體併入直流母線負極。鉗位二極體，通過IGBT模塊Tau_1連接A相上橋臂中第1個子模塊電容C­au­_1與輔助電容C1正極；通過IGBT模塊Tau_i、Tau_i+1連接A相上橋臂中第i個子模塊電容C­au­_i與第i+1個子模塊電容C­au­_i+1正極，其中i的取值為1～N-1；通過IGBT模塊Tau_N、Tal_1連接A相上橋臂中第N個子模塊電容C­au­_N與A相下橋臂第1個子模塊電容C­al­_1正極；通過IGBT模塊Tal_i、Tal_i+1連接A相下橋臂中第i個子模塊電容C­al­_i與A相下橋臂第i+1個子模塊電容C­al­_i+1正極，其中i的取值為1～N-1；通過IGBT模塊Tal_N連接A相下橋臂中第N個子模塊電容C­al_N與輔助電容C3正極。鉗位二極體，通過IGBT模塊Tbu_1連接B相上橋臂中第1個子模塊電容C­bu­_1與輔助電容C2負極；通過IGBT模塊Tbu_i、Tbu_i+1連接B相上橋臂中第i個子模塊電容C­bu­_i與第i+1個子模塊電容C­bu­_i+1負極，其中i的取值為1～N-1；通過IGBT模塊Tbu_N、Tbl_1連接B相上橋臂中第N個子模塊電容C­bu_N與B相下橋臂第1個子模塊電容C­bl­_1負極；通過IGBT模塊Tbl_i、Tbl_i+1連接B相下橋臂中第i個子模塊電容C­bl­_i與B相下橋臂第i+1個子模塊電容C­bl­_i+1負極，其中i的取值為1～N-1；通過IGBT模塊Tbl_N連接B相下橋臂中第N個子模塊電容C­bl­_N與輔助電容C4負極。C相中鉗位二極體的連接關係與A相一致。

正常情況下，自均壓輔助迴路中6N個IGBT模塊Tau_i、Tal_i、Tbu_i、Tbl_i、Tcu_i、Tcl_i常閉，其中i的取值為1～N，A相上橋臂第一個子模塊電容C­au­_1旁路時，此時輔助IGBT模塊T1斷開，子模塊電容C­au­_1與輔助電容C1通過鉗位二極體並聯；A相上橋臂第i個子模塊電容C­au­_i旁路時，其中i的取值為2～N，子模塊電容C­au­_i與子模塊電容C­au­_i-1通過鉗位二極體並聯；A相下橋臂第一個子模塊電容C­al_1旁路時，子模塊電容C­al­_1通過鉗位二極體、兩個橋臂電抗器L0與子模塊電容C­au­_N並聯；A相下橋臂第i個子模塊電容C­al_i旁路時，其中i的取值為2～N，子模塊電容C­al­_i與子模塊電容C­al_i-1通過鉗位二極體並聯；輔助IGBT模塊T2閉合時，輔助電容C3通過鉗位二極體與子模塊電容C­al_N並聯。

正常情況下，自均壓輔助迴路中6N個IGBT模塊Tau_i、Tal_i、Tbu_i、Tbl_i、Tcu_i、Tcl_i常閉，其中i的取值為1～N，輔助IGBT模塊T1閉合時，輔助電容C2與子模塊電容C­bu­_1通過鉗位二極體並聯；B相上橋臂第i個子模塊電容C­bu­_i旁路時，其中i的取值為1～N-1，子模塊電容C­bu­_i與子模塊電容C­bu­_i+1通過鉗位二極體並聯；B相上橋臂第N個子模塊電容C­bu_N旁路時，子模塊電容C­bu­_N通過鉗位二極體、兩個橋臂電抗器L0與子模塊電容C­bl­_1並聯；B相下橋臂第i個子模塊電容C­bl_i旁路時，其中i的取值為1～N-1，子模塊電容C­bl­_i與子模塊電容C­bl_i+1通過鉗位二極體並聯；B相下橋臂N個子模塊電容C­bl_N旁路時，子模塊電容C­bl­_N與輔助電容C­4通過鉗位二極體並聯。其中輔助IGBT模塊T1的觸發信號與A、C相上橋臂第一個子模塊觸發信號的「邏輯和」一致；輔助IGBT模塊T2的觸發信號與B相下橋臂第N個子模塊的觸發信號一致。

在直交流能量轉換的過程中，各個子模塊交替投入、旁路，輔助IGBT模塊T1、T2交替閉合、關斷，A、B相上下橋臂子模塊電容電壓在鉗位二極體的作用下，滿足下列約束：

由於輔助電容C1、C2、C3、C4電壓的關係滿足：

由此可知，

C、B相間的約束條件與A、B相間的約束條件一致。

由上述具體說明可知，該單箝位MMC拓撲具備子模塊電容電壓自均衡能力。

最後應當說明的是：所描述的實施例僅是本申請一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本申請中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本申請保護的範圍。