一種模塊化多電平變流器混合橋臂拓撲結構的製作方法

2024-03-25 17:10:05

本發明屬於電力電子技術領域，具體涉及一種具有直流側短路電流阻斷能力的模塊化多電平變流器(即MMC，本申請下稱MMC)混合橋臂拓撲。

背景技術：

模塊化多電平變流器(MMC)具有模塊化設計、可拓展性好、單個器件開關頻率低、諧波性能好等諸多優點，已成為電壓源型換流站拓撲的首選技術方案。模塊化多電平變流器每一相橋臂的基本拓撲如圖1所示，可分為上橋臂和下橋臂兩部分，通常需要在上、下橋臂中分別串聯一個緩衝電感，以限制橋臂直通時的短路電流。上、下橋臂分別由N個子模塊串聯組成，設直流母線電壓為VDC，則每個子模塊在正常工作時承受的電壓為子模塊分為單極性子模塊和雙極性子模塊，半橋子模塊為典型的單極性子模塊，如圖2所示，可輸出正電平和零電平；全橋子模塊為典型的雙極型子模塊，如圖3所示，可輸出正電平、零電平和負電平。在高壓直流輸電(HVDC)領域中，換流站具有直流側短路電流阻斷能力是保障系統安全運行的重要要求，採用單極性子模塊組成橋臂的模塊化多電平變流器開關器件個數少，系統運行效率較高，但由於不能輸出負電平，在直流側發生短路故障時無法限制故障電流，不具有阻斷能力；採用雙極性子模塊組成橋臂的模塊化多電平變流器可以輸出負電平，在直流側發生短路故障時可以提供反向電壓，從而對故障電流進行限制，但在相同的電壓等級下，其需要的開關器件個數較多，系統損耗較大，成本較高。已有學者提出採用單極性子模塊與雙極性子模塊共同組成橋臂，並採用多電平子模塊拓撲以達到保證短路電流阻斷能力的同時降低系統損耗與成本的目的，但並非最優的拓撲方案。

技術實現要素：

為解決現有技術中具有直流短路電流阻斷能力的變流器橋臂損耗大、成本高的問題，本申請公布了一種模塊化多電平變流器混合橋臂拓撲結構。

本發明具體採用以下技術方案：

一種模塊化多電平變流器混合橋臂拓撲結構，所述模塊化多電平變流器混合橋臂分為上橋臂和下橋臂兩部分；其特徵在於：

上、下橋臂分別由X個三電平雙半橋子模塊與Y個四電平串聯雙子模塊以及1個緩衝電感構成；其中，三電平雙半橋子模塊與四電平串聯雙子模塊數量比滿足：

本發明進一步包括以下優選方案：

所述的三電平雙半橋子模塊由第一至第四4個全控開關器件(S11、S12、S21、S22)和第一、第二兩個電容(C1、C2)構成；其中，4個全控開關器件(S11、S12、S21、S22)依次串聯，第一電容C1與第一全控開關器件S11和第二全控開關器件S12的串聯支路並聯，第二電容C2與第三全控開關器件S21和第四全控開關器件S22的串聯支路並聯；第一、第二全控開關器件S11、S12互補導通，第三、第四全控開關器件S21、S22互補導通；當第一全控開關器件S12和第三全控開關器件S21導通時，該三電平雙半橋子模塊處於旁路狀態。

所述的四電平串聯雙子模塊由第五至第九5個全控開關器件(S31、S32、S41、S42、Sc)、一個功率二極體(D)和第三、第四電容(C3、C4)構成；其中，第五全控開關器件S31和第六全控開關器件S32串聯，第七全控開關器件S41和第八全控開關器件S42串聯，第三電容C3與第五全控開關器件S31和第六全控開關器件S32的串聯支路並聯，第四電容C2與第七全控開關器件S41和第八全控開關器件S42的串聯支路並聯，第三電容C3和第四電容C4之間由第九全控開關器件Sc與功率二極體D交叉相連，且電流正向流通時通過第九全控開關器件Sc，電流反向流通時通過功率二極體D；第五全控開關器件S31和第六全控開關器件S32互補導通，第七全控開關器件S41和第八全控開關器件S42互補導通。

正常工作時，第九全控開關器件Sc保持導通；當第五全控開關器件S32、第七全控開關器件S41和第九全控開關器件Sc導通時，該子模塊處於旁路狀態；當出現直流短路故障時，第五至第九5個全控開關器件(S31、S32、S41、S42、Sc)均閉鎖。

所述的四電平串聯雙子模塊中，第五至第八全控開關器件S31、S32、S41、S42具有相同的電壓等級，第九全控開關器件Sc與功率二極體D是第五至第八全控開關器件S31、S32、S41、S42電壓等級的兩倍。

本發明具有以下有益的技術效果：

採用的四電平串聯雙子模塊使用了較少的全控開關器件(5個)，可以輸出+2VC、+VC、0、-2VC四個電平，既滿足了正常工作時輸出電平的需求，又將短路電流阻斷能力最大化，並將器件成本降至最低；為配合雙極性的四電平串聯雙子模塊，單極性子模塊採用了三電平雙半橋子模塊，在正常工作時，四電平串聯雙子模塊中連接電容的全控開關器件Sc保持導通，兩種子模塊具有相似的拓撲，使得整體控制算法的設計比較簡單，同時多電平子模塊在相同電壓等級下節省了外圍元器件的數量，降低了系統成本；兩種子模塊採用設計比例構成混合橋臂，為綜合考慮直流側短路電流阻斷能力、系統效率與成本的最優拓撲方案。

附圖說明

圖1模塊化多電平變流器MMC單相橋臂基本拓撲示意圖；

圖2現有的單極性半橋子模塊拓撲示意圖；

圖3現有的雙極性全橋子模塊拓撲示意圖；

圖4本發明採用的三電平雙半橋子模塊拓撲示意圖；

圖5本發明採用的四電平串聯雙子模塊拓撲示意圖；

圖6本發明的混合橋臂拓撲示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明進行詳細說明。

本發明提出了一種具有直流側短路電流阻斷能力的MMC混合橋臂拓撲，單相橋臂分為上橋臂與下橋臂，分別由X個三電平雙半橋子模塊與Y個四電平串聯雙子模塊以及一個緩衝電感組成。

本發明採用的三電平雙半橋子模塊拓撲如圖4所示，由第一至第四4個全控開關器件(S11、S12、S21、S22)和第一、第二兩個電容(C1、C2)構成；其中，4個全控開關器件(S11、S12、S21、S22)依次串聯，第一電容C1與第一全控開關器件S11和第二全控開關器件S12的串聯支路並聯，第二電容C2與第三全控開關器件S21和第四全控開關器件S22的串聯支路並聯；第一、第二全控開關器件S11、S12互補導通，第三、第四全控開關器件S21、S22互補導通；當第一全控開關器件S12和第三全控開關器件S21導通時，該三電平雙半橋子模塊處於旁路狀態。設電容電壓為VC，則該子模塊可以輸出+2VC、+VC、0三個電平。

本發明採用的四電平串聯雙子模塊拓撲如圖5所示，第五至第九5個全控開關器件(S31、S32、S41、S42、Sc)、一個功率二極體(D)和第三、第四電容(C3、C4)構成；其中，第五全控開關器件S31和第六全控開關器件S32串聯，第七全控開關器件S41和第八全控開關器件S42串聯，第三電容C3與第五全控開關器件S31和第六全控開關器件S32的串聯支路並聯，第四電容C2與第七全控開關器件S41和第八全控開關器件S42的串聯支路並聯，第三電容C3和第四電容C4之間由第九全控開關器件Sc與功率二極體D交叉相連，且電流正向流通時通過第九全控開關器件Sc，電流反向流通時通過功率二極體D；第五全控開關器件S31和第六全控開關器件S32互補導通，第七全控開關器件S41和第八全控開關器件S42互補導通。正常工作時，全控開關器件Sc保持導通。正常工作時，第九全控開關器件Sc保持導通；當第五全控開關器件S32、第七全控開關器件S41和第九全控開關器件Sc導通時，該子模塊處於旁路狀態；當出現直流短路故障時，第五至第九5個全控開關器件(S31、S32、S41、S42、Sc)均閉鎖，無論電流正向或反向流動，該子模塊第三電容C3、第四電容C4均為串聯充電狀態，輸出負電平。設電容電壓為VC，則該子模塊可以輸出+2VC、+VC、0、-2VC四個電平。

本發明提出的具有直流側短路電流阻斷能力的MMC混合橋臂拓撲分別由X個三電平雙半橋子模塊與Y個四電平串聯雙子模塊以及一個緩衝電感組成上、下橋臂，兩種子模塊的數量比例滿足如圖6所示。

在正常工作時，四電平串聯雙子模塊中連接電容的全控開關器件Sc保持導通，兩種子模塊具有相似的拓撲，使得整體控制算法的設計比較簡單，同時多電平子模塊在相同電壓等級下節省了外圍元器件的數量，降低了系統成本；在直流側發生短路故障時，所有全控開關器件閉鎖，橋臂輸出的負電壓最大值大於交流線電壓最大值，從而對短路電流起到限制作用。兩種子模塊採用設計比例構成混合橋臂，既保證了直流側短路電流阻斷能力，同時提高了系統效率，降低了系統的整體成本。

本發明申請人結合說明書附圖對本發明做了詳細的說明與描述，但是本領域技術人員應該理解，以上實施例僅為本發明的優選實施方案，詳盡的說明只是為了幫助讀者更好地理解本發明精神，而並非對本發明保護範圍的限制，任何基於本發明的發明精神所作的改進或修飾都應當處於本發明的保護範圍之內。