模块化多功能MMC类拓扑通用实验平台

模块化多功能mmc类拓扑通用实验平台
技术领域
1.本实用新型属于电力电子技术领域，具体涉及一种模块化多功能mmc类拓扑通用实验平台。


背景技术：

2.高压直流输电(hvdc)具有输电效率高、容量大、潮流流向可变、分布式电源易纳入、大型储能设备较少等优势，逐渐成为远距离、跨区域、大容量电力输送的优选方案。模块化多电平换流器(modular multilevel converter,mmc)凭借模块化程度高、输出波形质量好、器件开关频率低等特点，逐渐成为hvdc系统中最具发展前景的换流器之一。由于全桥型mmc 成本高，而半桥型mmc无直流故障穿越能力，因此，一方面，为了具备一定的直流故障穿越能力，提出了hmmc拓扑；另一方面，为了节约成本，结合传统两电平换流器和mmc 的结构特点，提出了hcmc和aamc两种混合式换流器。但由于hmmc、hcmc和aamc 存在直流侧谐波含量大、电容电压平衡困难等诸多亟待解决的问题，目前只有mmc在hvdc 工程中少量投入使用。随着对高压直流输电系统的深入研究，新型高压直流配电系统逐渐得到重视，由于mmc具有电压等级高、模块化设计、多电平输出等优势，有学者提出了模块化多电平dc-dc换流器的拓扑，该领域近些年逐渐成为高压直流配电系统的一大研究热点。
3.为了进一步深入研究mmc类拓扑的特性、优缺点及适用条件，促进其在实际工程中的应用，希望搭建原理验证样机，验证仿真结果，并对比相同条件下不同mmc类拓扑的实验结果。但原理验证样机的搭建存在诸多难点：换流器结构庞大、模块数量众多以及电路设计困难，导致硬件设计难度大；控制结构复杂、信号类型多样、数据总量巨大，导致软件设计难度大。上述难点使得原理验证样机搭建难度大、周期长。目前，一些现有的原理验证样机结构功能单一，可拓展性差，灵活性不够，一种实验平台只能开展一种拓扑实验。因此，如何搭建一种多功能mmc类拓扑通用实验平台，实现多种mmc类拓扑可在一个通用实验平台上开展相关验证实验，加速科研成果转化，成为hvdc工程领域尚未解决的问题。


技术实现要素：

4.鉴于上述，本实用新型结合mmc类拓扑的共同特点，利用模块化设计的思路，提出了一种模块化多功能mmc类拓扑通用实验平台，该通用实验平台可进行与mmc、hmmc、aamc、hcmc和模块化多电平dc-dc换流器相关的实验，多个通用实验平台还可实现多端口协同控制实验，拓扑间切换便捷，可拓展性强。
5.为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
6.一种模块化多功能mmc类拓扑通用实验平台，由机柜和安装在机柜内的模块化硬件构成，所述模块化硬件包括桥臂模块、采样模块、电源模块、电感模块、隔离变压器和保护模块；
7.所述桥臂模块包括上桥臂模块和下桥臂模块，每一相上桥臂模块的输入端经采样模块的换流器级电流采样和保护模块的直流侧保护后，再与电源模块的直流侧电源端口正
极相连；下桥臂模块的输入端与电源模块的直流侧电源端口负极相连；上桥臂模块和下桥臂模块的输出端经采样模块的换流器级采样后，再与电感模块的输入端相连；所述电感模块中每一相的两个输出端相连，经采样模块的换流器级采样和保护模块的交流侧保护后，再与隔离变压器的输入端相连；所述隔离变压器的输出端与电源模块的交流侧电源端口相连；
8.所述采样模块设有多路电压检测端口和电流检测端口，所述电压检测端口并联设置在上桥臂模块和下桥臂模块、隔离变压器输入端和输出端、以及电源模块的直流侧电源端口处，所述电流检测端口设置在换流器的桥臂侧、交流侧和直流侧。
9.优选的，所述机柜内设置有桥臂模块状态显示屏和电压电流显示屏，所述桥臂模块状态显示屏通过网线与主控制器相连，可显示的桥臂模块状态包括正常状态、运行状态、过压状态、过流状态、过温状态和通信错误；所述电压电流显示屏与电源模块和采样模块相连。
10.优选的，所述采样模块分为换流器级采样和全桥子模块采样，所述换流器级采样和全桥子模块采样由采样板和从控制器构成，均包括电压采样和电流采样。
11.优选的，所述保护模块包括直流侧保护、交流侧保护和全桥子模块保护，直流侧保护和交流侧保护包括串联连接的空气开关和可控断路器。
12.优选的，所述桥臂模块由若干个全桥子模块串联构成，每个全桥子模块均为由采样模块的全桥子模块采样、从控制器、功率板和保护模块的全桥子模块保护组成的独立单元。
13.优选的，所述桥臂模块中的全桥子模块能够转变为导通开关电路、以及由全桥结构或半桥结构构成的整形电路。
14.优选的，所述电源模块包括辅电模块、交流侧电源端口和直流侧电源端口。
15.优选的，所述电感模块由6组电感值可调的电感子模块构成。
16.基于上述技术方案，与现有技术相比，本实用新型具有以下优势：
17.(1)本实用新型所提出的多功能mmc类拓扑通用实验平台采用串联的全桥子模块组成 6个桥臂，桥臂结构转变为由全桥结构或半桥结构构成的整形电路，或者转变为导通开关电路，配合模块化设计的电感模块，能够根据不同的拓扑类型满足mmc、hmmc、aamc、 hcmc和模块化多电平dc-dc换流器等mmc类拓扑的相关实验，实现了一个通用实验平台多种功能的模块化通用设计的目的，具有不同mmc类拓扑切换便捷、安全可靠性高、灵活性和拓展性强等优点，有助于加速科研成果的转化。
18.(2)本实用新型所提出的通用实验平台在交直流侧分别预留了端口，既可连接交、直流源，也可互联多种实验平台，便于开展多端协同控制的相关实验。
19.(3)该通用实验平台采用了多级保护，包括直流侧保护、交流侧保护和全桥子模块保护，保证了实验过程的安全可靠。
20.(4)本实用新型采用的采样模块包括换流器级采样和全桥子模块采样，获得的实验数据更加全面，可以根据实验需求选择所需的数据。
附图说明
21.图1为本实用新型一种模块化多功能mmc类拓扑通用实验平台示意图；
22.图2为本实用新型一种模块化多功能mmc类拓扑通用实验平台结构图；
23.图3为全桥结构图；
24.图4为全桥子模块结构图；
25.图5为换流器级采样结构图；
26.图6为主控制器结构图；
27.图7为电感模块结构图；
28.图8为mmc原理结构图；
29.图9为hmmc原理结构图；
30.图10为aamc原理结构图；
31.图11为hcmc原理结构图；
32.图12为模块化多电平dc-dc换流器原理结构图；
33.图13为通用实验平台进行mmc、hmmc、aamc实验时的各模块连接示意图；
34.图14为通用实验平台进行hcmc实验时的各模块连接示意图；
35.图15为通用实验平台进行模块化多电平dc-dc实验时的各模块连接示意图。
具体实施方式
36.为了更为具体地描述本实用新型，下面结合附图及具体实施方式对本实用新型的技术方案进行详细说明。
37.如图1-2所示，一种模块化多功能mmc类拓扑通用实验平台，由机柜和安装在机柜内的模块化硬件构成。直流侧电压800v可调，交流侧相电压有效值220v可调，总功率达10kva。
38.所述模块化硬件包括桥臂模块、采样模块、电源模块、电感模块、隔离变压器和保护模块，均可根据需求拓展。
39.所述桥臂模块共有三组，分别代表a、b、c三相，每组桥臂模块包括上桥臂模块和下桥臂模块，共计6个桥臂模块。每一相上桥臂模块的输入端，经采样模块的换流器级电流采样和保护模块的直流侧保护后，与电源模块的直流侧电源端口正极相连接，下桥臂模块的输入端与电源模块的直流侧电源端口负极相连接，上桥臂模块和下桥臂模块的输出端，经采样模块的换流器级电流采样后，与电感模块的输入端相连，电感模块每一相的两个输出端相互连接，经采样模块的换流器级电流采样和保护模块的交流侧保护后，与隔离变压器的输入端相连，隔离变压器的输出端与电源模块的交流侧电源端口相连。
40.所述采样模块有多路电压和电流检测端口，电压检测端口并联在上、下桥臂模块、隔离变压器输入端和输出端，以及电源模块的直流侧电源端口。
41.所述机柜内置多种显示屏。一部分通过网线与主控制器相连，可显示桥臂模块状态，包括正常状态、运行状态、过压状态、过流状态、过温状态和通信错误；另一部分与电源模块和采样模块相连，可显示换流器各节点的电压和电流。所述显示屏可帮助实验人员快速准确地了解各种数据和状态信息，方便发生故障时准确定位故障点，并快速确定故障原因。
42.所述桥臂模块均由若干个全桥子模块串联构成，每个全桥子模块均为功能完整的独立个体，在本实用新型的一个具体实施中，如图2所示，每个桥臂设置有6个全桥子模块，
总数为36个，可拓展；全桥子模块所用全控型功率器件为igbt。所述全桥子模块结构如图4所示，由采样模块的全桥子模块采样、从控制器、功率板和保护模块的全桥子模块保护组成，并通过冷却风扇对igbt模块进行冷却。其正面有状态指示灯，可显示故障类型和运行状态信息，反面包括功率接口和光纤接口。在本实用新型的一个具体实施中，全桥子模块的安装采用抽屉式机箱结构，一个抽屉式机箱包括3个子模块，分别为a、b、c三相，方便拓展。
43.所述全桥子模块可通过控制转变为由全桥子模块或半桥子模块构成的整形电路，也可通过控制转变为导通开关电路。如图3所示，当t1和t4、t2和t3互补交替导通时，子模块转变为由全桥子模块构成的整形电路；当t3断开，t4闭合，t1和t2互补导通时，子模块转变为由半桥子模块构成的整形电路；当t2和t4断开，t1和t3同时开通关断时，或者t1 和t3关断，t2和t4同时开通关断时，子模块转变为导通开关电路。
44.所述采样模块分为换流器级采样和全桥子模块采样，换流器级采样的结构如图5所示，包括换流器级电压和电流采样。所述换流器级采样为功能完整的独立个体，由采样板和从控制器构成，可提供14路电压信号和7路电流信号采样，反面包括功率接口和光纤接口。在本实用新型的一个具体实施中，采样模块采用抽屉式机箱进行安装，一个抽屉式机箱包括2个采样模块，方便拓展。
45.所述电源模块包括辅电模块、交流侧电源端口和直流侧电源端口。所述交流侧电源端口和直流侧电源端口既可以与独立交直流源相连，也可以与多个通用实验平台或其它类型换流器相连，便于进行多端协同控制实验。
46.在本实用新型的一项具体实施中，所述实验平台可以通过控制模块进行控制，所述控制模块包括主控制器和从控制器。主控制器的结构如图6所示，为myway公司的pe-expert4，集成dsp、fpga和众多光纤通讯接口，通过光纤与各从控制器通讯，便于拓展。从控制器集成高性能dsp和光纤通讯接口，小型且便捷。所述控制模块内部可以预先集成模块化软件，包括适合于mmc、hmmc、aamc、hcmh和模块化多电平dc-dc换流器的基本控制及调试算法，可根据科研需要，在模块化软件对应算法的对应位置插入新的控制及调制算法。在一次上电实验过程中，可直接通过软件命令，使得该通用实验平台直接在多种实验模式之间切换。
47.所述电感模块结构如图7所示，由6组电感子模块构成，分别为ap、an、bp、bn、 cp、cn，每组由4个感值相同的电感组成，通过不同的串联方式实现4种不同的电感值，分别为3.2mh、6.4mh、9.6mh和12.8mh，需要更多种感值或更大感值时，可更换电感线圈或直接串联电感模块。在本实用新型的一个具体实施中，所述的电感模块为抽屉式设计，方便拓展。
48.所述保护模块包括直流侧保护、交流侧保护和全桥子模块保护。直流侧保护和交流侧保护的硬件部分均包括串联连接的空气开关和可控断路器，其中，如图1所示一个可控断路器与一个缓冲电阻相连，主要在全桥子模块电容充电时使用，另一个可控断路器与缓冲电阻和可控断路器并联，负责充电完成时将缓冲电阻切除。本实用新型的保护模块实现了实验过程中的多级保护。
49.所述的模块化多功能mmc类拓扑通用实验平台的工作过程为：
50.步骤1：根据实验需求确定拓扑类型、整形电路和导通开关电路的数量。整形电路和导通开关电路实现方式如下：
51.对于整形电路，可运行在全桥和半桥结构状态，全桥结构如图3所示。当整形电路
运行在全桥结构时，控制t1、t4导通，t2、t3关断，则输出正电平，表现为投入状态；控制t1、 t4关断，t2、t3导通，则输出负电平，表现为投入状态；控制t1和t3导通，t2和t4关断，或t1和t3关断，t2和t4导通，则输出零电平，表现为切除状态。当整形电路运行在半桥结构时，控制t3常断t4常闭，t1和t2交替导通实现电容投切。
52.对于导通开关电路，控制t1和t3导通，t2和t4关断，或t1和t3关断，t2和t4导通，可实现全桥子模块的开关功能。
53.根据整形电路和导通开关电路的数量需求，对载入运行的全桥子模块数量做调整。若运行所需全桥子模块数量小于通用实验平台所提供的数量，则可以通过模块化软件，控制多余的全桥子模块处于切除状态；若运行所需全桥子模块数量等于通用实验平台所提供的数量，则模块化软件无需调整；若运行所需全桥子模块数量大于通用实验平台所提供的数量，则串联加入多个额外的全桥子模块即可。
54.步骤2：根据拓扑类型选择相应的连接方式和控制及调制算法。具体包括以下方案：
55.方案1：mmc实验
56.mmc的原理结构图如图8所示，根据实验需要，在模块化软件的对应位置写入mmc 控制及调试算法，由于mmc拓扑的桥臂模块均由全桥子模块构成的整形电路串联而成，无导通开关电路，对应到所提出的通用实验平台体现为，如图13所示。以其中一相为例，上、下桥臂各6个全桥子模块相互串联，其直流侧连接到直流母线，上、下桥臂靠近交流侧的一端通过总线，经换流器级采样和电感模块后汇合成交流母线，进入隔离变压器。此时全桥子模块均控制为整形电路，可全部运行在全桥或半桥结构状态，即可进行实验。
57.方案2：hmmc实验
58.hmmc的原理结构图如图9所示，根据实验需要，在模块化软件的对应位置写入hmmc 控制及调试算法，由于hmmc拓扑的桥臂模块均由整形电路串联而成，全桥和半桥结构同时存在，无导通开关电路，对应到所提出的通用实验平台体现为，如图13所示。以其中一相为例，在硬件的连接上，hmmc与mmc相同；不同之处在于，需要根据所需全桥和半桥结构的数量，控制全桥子模块处于全桥或半桥结构状态，即可进行实验。
59.方案3：aamc实验
60.aamc的原理结构图如图10所示，根据实验需要，在模块化软件的对应位置写入aamc 控制及调试算法，由于aamc拓扑的桥臂模块由整形电路和导通开关电路串联而成，且整形电路可以均为全桥或半桥结构，对应到所提出的通用实验平台体现为，如图13所示。以其中一相为例，在硬件的连接上，aamc与mmc、hmmc相同；不同之处在于，需要根据所需导通开关电路、全桥和半桥结构的数量，控制全桥子模块处于导通开关电路、全桥或半桥结构状态，即可进行实验。
61.方案4：hcmc实验
62.hcmc的原理结构图如图11所示，根据实验需要，在模块化软件的对应位置写入hcmc 控制及调试算法，由于hcmc拓扑的桥臂模块由整形电路和导通开关电路组成，但整形电路位于交流输出侧，相互串联，而导通开关电路位于上、下桥臂，相互串联，对应到所提出的通用实验平台体现为，如图14所示。以其中一相为例，在硬件的连接上，需要微调全桥子模块的连接方式，即：用作导通开关电路的全桥子模块之间保持串联，用作整形电路的全桥
子模块之间同样保持串联，上桥臂和下桥臂的导通开关电路之间需相互连接汇合，并与整形电路的输入端口相连，整形电路的另一端作为输出端与电感模块的输入端相连，其他连接方式均不变。此时，还需根据所需导通开关电路和全桥结构的数量，控制全桥子模块处于导通开关电路或全桥结构状态，即可进行实验。
63.方案5：模块化多电平dc-dc换流器实验
64.模块化多电平dc-dc换流器的原理结构图如图12所示，根据实验需要，在模块化软件的对应位置写入模块化多电平dc-dc换流器的控制及调试算法，对于单端输出的模块化多电平dc-dc换流器，主电路仅需一个上桥臂模块和一个下桥臂模块即可，而输出谐振电路可由电感模块和另一个桥臂模块组成。对应到所提出的通用实验平台体现为，如图15所示。在硬件的连接上，主电路所在桥臂的输出端口经电感模块与另一桥臂模块的输出端口相连即可。在控制上，主电路的上、下桥臂模块根据所需全桥或半桥结构的数量，控制全桥子模块处于全桥或半桥结构状态，而输出谐振电路的桥臂模块当作可调电容使用，通过控制全桥子模块的投切数量来调节桥臂模块整体电容值的大小，在运行时无需充电。其余桥臂模块的全桥子模块igbt不施加任何信号，均处于断开状态，即可进行实验。
65.步骤3：开启电源模块，向主控制器写入对应模块化软件后运行，并检测相应数据。
66.综上所述，本实用新型提出的模块化多功能mmc类拓扑通用实验平台利用模块化硬件，搭配相应模块化软件，不仅可满足多种mmc类拓扑实验，还可以通过交直流侧预留的端口，将多种实验平台互联，达到多端协同控制的目的。该通用实验平台具有占地面积小、拓扑间切换便捷、安全可靠性高、灵活性和扩展性强等优点，有助于加速科研成果的转化。
67.上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于上述实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，对于本实用新型做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。