基于不等式約束的輔助電容集中式全橋mmc自均壓拓撲的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及柔性輸電領域，具體涉及一種基于不等式約束的輔助電容集中式全橋 MMC自均壓拓撲。
【背景技術】
[0002] 模塊化多電平換流器MMC是未來直流輸電技術的發(fā)展方向，MMC采用子模塊(Sub-module，SM)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，同時便于擴容及冗余配置。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。
[0003]全橋MMC由全橋子模塊組合而成，全橋子模塊由四個IGBT模塊，一個子模塊電容及 1個機械開關構成，運行靈活，具有直流故障箝位能力。
[0004] 與兩電平、三電平VSC不同，全橋MMC的直流側電壓并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(huán)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(tài)穩(wěn)定的狀態(tài)。
[0005] 基于電容電壓排序的排序均壓算法是目前解決全橋MMC中子模塊電容電壓均衡問 題的主流思路。但是，排序功能的實現必須依賴電容電壓的毫秒級采樣，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 控制器的硬件設計帶來巨大挑戰(zhàn);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(fā)頻率，進而帶來換流器損耗的增加。
[0006] 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 種依靠鉗位二極管和變壓器來實現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復雜化的同時也會帶來較大的改造成 本。

【發(fā)明內容】

[0007] 針對上述問題，本發(fā)明的目的在于提出一種經濟的，模塊化的，不依賴均壓算法， 同時能相應降低子模塊觸發(fā)頻率和電容容值且具有直流故障箝位能力的全橋MMC自均壓拓 撲。
[0008] 本發(fā)明具體的構成方式如下。
[0009] 基于不等式約束的輔助電容集中式全橋MMC自均壓拓撲，包括由A、B、C三相構成的 全橋MMC模型，A、B、C三相每個橋臂分別由N個全橋子模塊及1個橋臂電抗器串聯而成;包括 由6N個IGBT模塊，6N+7個箝位二極管，4個輔助電容，2個輔助IGBT模塊組成的自均壓輔助回 路。
[0010] 上述基于不等式約束的輔助電容集中式全橋MMC自均壓拓撲，全橋MMC模型中，A相 上橋臂的第1個子模塊，其一個IGBT模塊中點向上與直流母線正極相連接，另一個IGBT模塊 中點向下與A相上橋臂的第2個子模塊一個IGBT模塊中點相連接;A相上橋臂的第i個子模 塊，其中i的取值為2~N-1，其一個IGBT模塊中點向上與A相上橋臂的第i-Ι個子模塊一個 IGBT模塊中點相連，另一個IGBT模塊中點向下與A相上橋臂的第i+Ι個子模塊一個IGBT模塊 中點相連;A相上橋臂的第N個子模塊，其一個IGBT模塊中點向下經兩個橋臂電抗器與A相下 橋臂的第1個子模塊一個IGBT模塊中點相連接，另一個IGBT模塊中點向上與A相上橋臂的第 N-1個子模塊一個IGBT模塊中點相連接;A相下橋臂的第i個子模塊，其中i的取值為2~N-1， 其一個IGBT模塊中點向上與A相下橋臂的第i-Ι個子模塊一個IGBT模塊中點相連，另一個 IGBT模塊中點向下與A相下橋臂的第i+Ι個子模塊一個IGBT模塊中點相連;A相下橋臂的第N 個子模塊，其一個IGBT模塊中點向下與直流母線負極相連接，另一個IGBT模塊中點向上與A 相下橋臂的第N-1個子模塊兩個IGBT模塊中點相連接。B相和C相上下橋臂子模塊的連接方 式與A相一致。
[0011] 上述基于不等式約束的輔助電容集中式全橋MMC自均壓拓撲，自均壓輔助回路中， 第一個輔助電容與第二個輔助電容通過箝位二極管并聯，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箝位二極管并入直流母線正極;第三個輔助電容與第 四個輔助電容通過箝位二極管并聯，第三個輔助電容負極連接輔助IGBT模塊，第四個輔助 電容正極連接箝位二極管并入直流母線負極。箝位二極管，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+Ι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。箝位二極管，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+Ι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+Ι個子模塊電容負極，其中i的取值為2~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相箝位二極管的連接關 系與A相或B相一致。
【附圖說明】
[0012] 圖1是全橋子模塊的結構示意圖； 圖2是基于不等式約束的輔助電容集中式全橋MMC自均壓拓撲。
【具體實施方式】
[0013] 為進一步闡述本發(fā)明的性能與工作原理，以下結合附圖對對發(fā)明的構成方式與工 作原理進行具體說明。但基于該原理的全橋MMC自均壓拓撲不限于圖2。
[0014] 參考圖2,基于不等式約束的輔助電容集中式全橋MMC自均壓拓撲，包括由A、B、C三 相構成的全橋MMC模型，A、B、C三相每個橋臂分別由N個全橋子模塊及1個橋臂電抗器串聯而 成，包括由6N個IGBT模塊，6N+7個箝位二極管，4個輔助電容，2個輔助IGBT模塊組成的自均 壓輔助回路。
[0015] 全橋MMC模型中，A相上橋臂的第1個子模塊，其一個IGBT模塊中點向上與直流母線 正極相連接，另一個IGBT模塊中點向下與A相上橋臂的第2個子模塊一個IGBT模塊中點相連 接;A相上橋臂的第i個子模塊，其中i的取值為2~N-1，其一個IGBT模塊中點向上與A相上橋 臂的第i-Ι個子模塊一個IGBT模塊中點相連接，另一個IGBT模塊中點向下與A相上橋臂的第 i+Ι個子模塊一個IGBT模塊中點相連接;A相上橋臂的第N個子模塊，其一個IGBT模塊中點向 上與A相上橋臂的第N-1個子模塊一個IGBT模塊中點相連接，另一個IGBT模塊中點向下經兩 個橋臂電抗器Lo與A相下橋臂的第1個全橋子模塊一個IGBT模塊中點相連接;A相下橋臂的 第i個子模塊，其中i的取值為2~N-1，其一個IGBT模塊中點向上與A相下橋臂的第i-Ι個子模 塊一個IGBT模塊中點相連接，另一個IGBT模塊中點向下與A相下橋臂的第i+Ι個子模塊一個 IGBT模塊中點相連接;A相下橋臂的第N個子模塊，其一個IGBT模塊中點向下與直流母線負 極相連接，另一個IGBT模塊中點向上與A相下橋臂的第N-1個子模塊一個IGBT模塊中點相連 接。B相和C相上下橋臂子模塊的連接方式與A相一致。
[0016] 自均壓輔助回路中，輔助電容α與輔助電容C2通過箝位二極管并聯，輔助電容C2正 極連接輔助IGBT模塊Ti，輔助電容α負極連接箝位二極管并入直流母線正極;輔助電容C 3與 輔助電容C4通過箝位二極管并聯，輔助電容C3負極連接輔助IGBT模塊T 2,輔助電容C4正極連 接箝位二極管并入直流母線負極。箝位二極管，通過IGBT模塊TalU連接Α相上橋臂中第1個 子模塊電容C- au-j與輔助電容&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C-au-_i與第i + Ι個子模塊電容C-au-_i+1正極，其中i的取值為1~N-1;通過IGBT模塊 Tau_N、Tal_l連接A相上橋臂中第N個子模塊電容C-au-_N與A相下橋臂第1個子模塊電容C_al-_1正 極;通過IGBT模塊T ai_i、Tai_i+1連接A相下橋臂中第i個子模塊電容C-ai-_i與A相下橋臂第i+1 個子模塊電容C_ai-_i+1正極，其中i的取值為1~N-1;通過IGBT模塊Tai_ N連接A相下橋臂中第N 個子模塊電容C-ai_N與輔助電容C3正極。箝位二極管，通過IGBT模塊T buJ連接B相上橋臂中第 1個子模塊電容C-bu-j與輔助電容C2負極;通過IGBT模塊Tbu_i、T bu_i+1連接B相上橋臂中第i個 子模塊電容C_bu-_i與第i+Ι個子模塊電容C- bu-_i+1負極，其中i的取值為1~N-1;通過IGBT模 塊Tbu_N、Tbi_i連接B相上橋臂中第N個子模塊電容C-bu_N與B相下橋臂第1個子模塊電容C_bi-_1 負極;通過IGBT模塊Tbi_i、Tbi_i+1連接B相下橋臂中第i個子模塊電容C- bi-_AB相下橋臂第i+ 1個子模塊電容C-bi-_i+1負極，其中i的取值為1~N-1;通過IGBT模塊T bi_N連接B相下橋臂中第 N個子模塊電容C_bi-_N與輔助電容C4負極。C相中箝位二極管的連接關系與A相一致。
[0017] 正常情況下，自均壓輔助回路中6N個IGBT模塊Tau_i、Tai_i、Tb u_i、Tbi_i、Tcu_i、Tci_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C auJ旁路時，此時輔助IGBT模塊1^斷 開，子模塊電容Cau_i與輔助電容Ci通過箝位二極管并聯;A相上橋臂第i個子模塊電容C au_iS 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-^過箝位二極管并聯;A相 下橋臂第一個子模塊電容Cal_l旁路時，子模塊電容Cal_l通過箝位二極管、兩個橋臂電抗器L〇 與子模塊電容Cau_N并聯;A相下橋臂第i個子模塊電容Cai_i旁路時，其中i的取值為2~N，子模 塊電容C ai_i與子模塊電容Cai_i-:通過箝位二極管并聯;輔助IGBT模塊T2閉合時，輔助電容C 2 通過箝位二極管與子模塊電容Cal_N并聯。
[0018] 正常情況下，自均壓輔助回路中6N個IGBT模塊Tau_i、Tai_i、Tbu_i、Tbi_i、T cu_i、Tci_i常 閉，其中i的取值為1~N，輔助IGBT模塊Ti閉合時，輔助電容C2與子模塊電容C buJ通過箝位二 極管并聯;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C bu_i 與子模塊電容Cbu_i+i通過箝位二極管并聯;B相上橋臂第N個子模塊電容Cbu_N旁路時，子