降低電容體積的mmc子模塊的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電力領(lǐng)域，尤其涉及一種降低電容體積的MMC子模塊。
【背景技術(shù)】
[0002] 模塊化多電平變換器（Modular Multilevel Converter,簡(jiǎn)稱MMC)是新一代不需 要變壓器而實(shí)現(xiàn)高、中壓電力轉(zhuǎn)換的多級(jí)轉(zhuǎn)換器中的一種，自2002年德國(guó)慕尼黑聯(lián)邦國(guó)防 軍大學(xué)的R. Marquart和A. Lesnicar共同提出MMC以來(lái)，MMC以其模塊化程度高、階躍電壓 低、輸出波形質(zhì)量高、故障處理能力強(qiáng)、器件開(kāi)關(guān)頻率低等特點(diǎn)成為了當(dāng)今柔性直流輸電領(lǐng) 域最為主流的電壓源換流器結(jié)構(gòu)。近年投運(yùn)了大量基于MMC的柔性直流輸電工程，但是由 于MMC子模塊的電容值較大，子模塊體積較大，嚴(yán)重影響了 MMC直流輸電工程的占地面積和 成本。
[0003] 根據(jù)現(xiàn)有的工程實(shí)際情況，MMC子模塊電容在子模塊中所占體積超過(guò)子模塊體 積的50%，重量更是達(dá)到了子模塊重量90%以上。如果能夠采取有效的方案來(lái)降低子模 塊電容的體積，將帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益。目前很少有降低MMC子模塊電容體積方面的研 究，K. lives 等在標(biāo)題為 Capacitor voltage ripple shaping in modular multilevel converters allowing for operating region extension(Proc. 37th Annu.Conf. IEEE Ind. Electron. Soc.，Nov. 2011，pp. 4403-4408)的文章中通過(guò)插入環(huán)流來(lái)調(diào)整電容電壓波 形的形狀，使電容電壓波動(dòng)峰值出現(xiàn)的時(shí)刻盡量與橋臂需要輸出最高電壓的時(shí)刻接近，從 而降低電容電壓水平、放寬電容電壓波動(dòng)率的限制。但是這種方案會(huì)增加橋臂電流值，增大 所采用的功率器件的額定值以及增加功率損耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，本發(fā)明提供一種降低電容體積的MMC子模塊，以解決上述問(wèn)題。
[0005] 本發(fā)明提供的降低電容體積的MMC子模塊，至少包括電容單元和與所述電容單元 連接的開(kāi)關(guān)單元，所述電容單元包括主電容和從電容，所述開(kāi)關(guān)單元包括分別與主電容和 從電容串聯(lián)連接并用于控制改變主電容和從電容的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的開(kāi)關(guān)，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)使主 電容產(chǎn)生電壓波動(dòng)，并通過(guò)從電容對(duì)主電容的電壓波動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。
[0006] 進(jìn)一步，所述開(kāi)關(guān)為設(shè)置有反并聯(lián)二極管的開(kāi)關(guān)管。
[0007] 進(jìn)一步，所述開(kāi)關(guān)管包括Sn Sn、S12、S13、S21、S22，所述主電容為C n，所述從電容包 括C21、C22，所述開(kāi)關(guān)管S1的集電極為MMC子模塊的輸入端，發(fā)射極為MMC子模塊的輸出端； 所述開(kāi)關(guān)管S 11的發(fā)射極與輸入端連接，集電極與從電容C21的正極連接；所述開(kāi)關(guān)管S 12與 開(kāi)關(guān)管S21反向串聯(lián)，其中開(kāi)關(guān)管S 12的發(fā)射極與輸入端連接，開(kāi)關(guān)管S 21的發(fā)射極與從電容 C22的正極連接；所述開(kāi)關(guān)管S 13與開(kāi)關(guān)管S22反向串聯(lián)，其中開(kāi)關(guān)管S 13的發(fā)射極與輸入端連 接，開(kāi)關(guān)管S22的發(fā)射極與從電容C 22的負(fù)極連接；所述主電容C η的正極分別與從電容C 21 的負(fù)極和從電容C22負(fù)極連接，主電容C η的負(fù)極與輸出端連接。
[0008] 進(jìn)一步，所述電容單元包括三種工作模式，工作模式一為主電容C11和從電容C 21串 聯(lián)接入電網(wǎng)，工作模式二為主電容C11和從電容C 22串聯(lián)接入電網(wǎng)，工作模式三為主電容C n 單獨(dú)接入電網(wǎng)。
[0009] 進(jìn)一步，當(dāng)輸電系統(tǒng)的運(yùn)行功率在滿功率狀態(tài)下時(shí)，所述電容單元在三種工作模 式均可使用。
[0010] 進(jìn)一步，當(dāng)輸電系統(tǒng)的運(yùn)行功率在高于系統(tǒng)額定功率的50%且低于額定功率的 75 %時(shí)，控制電容單元處于工作模式二或工作模式三之下。
[0011] 進(jìn)一步，當(dāng)輸電系統(tǒng)的運(yùn)行功率在低于系統(tǒng)額定功率的50%時(shí)，控制電容單元只 處于工作模式三之下。
[0012] 進(jìn)一步，還包括系統(tǒng)控制模塊，所述系統(tǒng)控制模塊包括外環(huán)功率控制器和內(nèi)環(huán)電 流控制器，所述外環(huán)功率控制器根據(jù)有功和無(wú)功的參考值得到內(nèi)環(huán)電流控制器的電流參考 值，所述內(nèi)環(huán)電流控制器通過(guò)調(diào)節(jié)換流器輸出電壓，使電流快速跟蹤其參考值。
[0013] 本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明利用金屬薄膜電容能流過(guò)較大的紋波電流的特性，通 過(guò)控制算法使得在電容上產(chǎn)生較大的電壓波動(dòng)，在保證MMC子模塊電壓紋波的情況下，提 高了電容的能量利用效率，，實(shí)現(xiàn)了比傳統(tǒng)的MMC子模塊更高的能量密度，減小了 MMC子模 塊中電容的體積及質(zhì)量，從而減小了 MMC子模塊乃至換流器的體積。
【附圖說(shuō)明】
[0014] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述：
[0015] 圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016] 圖2是本發(fā)明的電容單元的三種工作模式示意圖。
[0017] 圖3是本發(fā)明的電容單元的工作原理示意圖。
[0018] 圖4是三相輸出相電壓波形及其總諧波失真值示意圖。
[0019] 圖5為三相輸出相電流波形及其總諧波失真值示意圖。
[0020] 圖6為a相上橋臂子模塊中Cn、C21和C 22上的電壓值。
[0021] 圖7為子模塊輸出的電壓等效值。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述：圖1是本發(fā)明的原理示意圖，圖 2是本發(fā)明的電容單元的三種工作模式示意圖，圖3是本發(fā)明的電容單元的工作原理示意 圖，圖4是三相輸出相電壓波形及其總諧波失真值示意圖。圖5為三相輸出相電流波形及 其總諧波失真值示意圖，圖6為a相上橋臂子模塊中C 11X21和C22上的電壓值，圖7為子模 塊輸出的電壓等效值。
[0023] 本實(shí)施例中的降低電容體積的MMC子模塊，至少包括電容單元和與所述電容單元 連接的開(kāi)關(guān)單元，所述電容單元包括主電容和從電容，所述開(kāi)關(guān)單元包括分別與主電容和 從電容串聯(lián)連接并用于控制改變主電容和從電容的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的開(kāi)關(guān)，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)使主 電容產(chǎn)生電壓波動(dòng)，并通過(guò)從電容對(duì)主電容的電壓波動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，在本實(shí)施例中，通過(guò)控制 開(kāi)關(guān)改變主、從電容改變串并聯(lián)關(guān)系，使主電容產(chǎn)生較大的電壓波動(dòng)，然后通過(guò)從電容的電 壓波動(dòng)對(duì)主電容的電壓波動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，采用這種方式使得端口電壓的紋波達(dá)到系統(tǒng)要求。
[0024] 如圖1所示，在本實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)采用設(shè)置有反并聯(lián)二極管的開(kāi)關(guān)管，本實(shí)施例中 采用6個(gè)帶有反并聯(lián)二極管的IGBT作為開(kāi)關(guān)管，其中開(kāi)關(guān)管包括Sn Sn、S12、S13、S21、S22，所 述主電容為C11，所述從電容包括C21、C22，所述開(kāi)關(guān)管S 1的集電極為MMC子模塊的輸入端，發(fā) 射極為MMC子模塊的輸出端；所述開(kāi)關(guān)管S11的發(fā)射極與輸入端連接，集電極與從電容C 21的 正極連接；所述開(kāi)關(guān)管S12與開(kāi)關(guān)管S 21反向串聯(lián)，其中開(kāi)關(guān)管S12的發(fā)射極與輸入端連接，開(kāi) 關(guān)管S21的發(fā)射極與從電容C 22的正極連接；所述開(kāi)關(guān)管S 13與開(kāi)關(guān)管S 22反向串聯(lián)，其中開(kāi) 關(guān)管S13的發(fā)射極與輸入端連接，開(kāi)關(guān)管S 22的發(fā)射極與從電容C 22的負(fù)極連接；所述主電容 C11的正極分別與從電容C21的負(fù)極和從電容C22負(fù)極連接，主電容C η的負(fù)極與輸出端連接。 MMC子模塊的端口電壓為USM，MMC子模塊的輸入電流為iSM;允許的輸出電壓紋波為V 其中電容C11的電壓為V &，電容C21的電壓為V。21，電容C22的電壓為V。 22。其工作原理如圖 4所示，利用金屬薄膜電容能通過(guò)較大的紋波電流的特性，通過(guò)對(duì)與三個(gè)電容相串聯(lián)的開(kāi)關(guān) 的控制來(lái)改變?nèi)齻€(gè)電容的串并聯(lián)關(guān)系，使得在電容C 11上產(chǎn)生較大的電壓波動(dòng)，然后利用電 容C21和電容C 22上的電壓波動(dòng)