基于全桥与半桥模块的混合型多电平换流器及其控制方法
【专利摘要】本发明公开了基于全桥与半桥模块的混合型多电平换流器，包括连接于正负极直流母线之间的三相单元，每个相单元由上桥臂和下桥臂组成，每个桥臂包括N个半桥模块和一个带直流电源的全桥模块，所述N个半桥模块和一个带直流电源的全桥模块串联连接，N为正整数。本发明还公开了上述混合型多电平换流器的控制方法。本发明利用尽可能少的半桥模块数目实现换流器较高的输出电平数，在对半桥模块的电压进行排序算法时，计算耗时更少效率更高，模块投入速度加快，能降低电容电压波动。
【专利说明】基于全桥与半桥模块的混合型多电平换流器及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及模块化多电平换流器领域，特别涉及一种基于全桥与半桥模块的混合型多电平换流器及其控制方法。
【背景技术】
[0002]在基于电压源换流器的直流输电领域，最早使用的是两电平拓扑结构，其开关器件耐压与传输功率都受到限制，并且需要加入输出滤波装置。为解决这些问题，多电平电压源换流器开始出现并且受到越来越多的关注。这些多电平换流器从原理上可以分为三大类:第一类是箝位式多电平结构；第二类是利用单相全桥换流器(即H桥)直接串联叠加的级联式结构形式；第三类是由电容与半桥开关器件组成子模块单元，通过在换流器正、负直流母线之间串联子模块单元来构成多电平输出的结构形式。其中第一类拓扑结构随着输出电平数的增多，所需的箝位二极管或者悬浮电容将急剧增加，给系统控制及生产、装配带来极大的困难。第二类拓扑结构虽然实现了模块化，易于拓展，但是需要的独立直流电源的个数较多。第三类拓扑结构即MMC有诸多优点:制造难度降低、损耗成倍下降、阶跃电压降低、波形质量高、故障处理能力强等，因此也获得了广泛应用。于2010年投运的美国“TransBay Cable Pro ject”换流器采用的就是这种MMC结构。国内已经建成的上海南汇柔性直流输电工程，以及即将启动建设的浙江舟山多端柔性直流工程、大连柔性直流工程、南澳风电场柔性直流输电工程都采用的这种由半桥子模块组成的MMC拓扑结构。
[0003]为了进一步提高性能，一些学者通过提出基于全桥与半桥模块的混合型多电平换流器拓扑结构，能够在保持MMC的优点的前提下使得换流器的性能更加完善。如论文“一种新型四象限混合型模块组合多电平变换器”中通过引入两个三桥臂功率单元，使得相同输入输出电平条件下，减少了功率单元的直流电容器数量和电容值。论文“基于混合型多电平换流器的柔性直流输电系统”研究的混合型多电平换流器除了具有多电平换流器的基本特点外，还具有更高的直流电压利用率，更强的直流故障耐受能力。但是需要的模块数目和开关器件的数目仍然很多，在提高输出电平数方面鲜有进展。
【发明内容】
[0004]为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种基于全桥与半桥模块的混合型多电平换流器，利用尽可能少的半桥模块数目实现换流器较高的输出电平数。
[0005]本发明的另一目的在于提供上述基于全桥与半桥模块的混合型多电平换流器的控制方法。
[0006]本发明的目的通过以下技术方案实现:
[0007]基于全桥与半桥模块的混合型多电平换流器，包括连接于正负极直流母线之间的三相单元，每个相单元由上桥臂和下桥臂组成，每个桥臂包括N个半桥模块和I个带直流电源的全桥模块，所述N个半桥模块和I个带直流电源的全桥模块串联连接，N为正整数。[0008]所述带直流电源的全桥模块由四个带有反并联二极管的绝缘栅双极晶体管和一个直流电源组成，每两个绝缘栅双极晶体管顺序串联形成串联结构，每个串联结构的两端分别与直流电源的两端连接；每个串联结构中，两个绝缘栅双极晶体管的连接点为全桥模块的其中一个输出端。
[0009]所述半桥模块由两个带有反并联二极管的绝缘栅双极晶体管和一个电容组成，所述两个带有反并联二极管的绝缘栅双极晶体管顺序串联后与电容并联，所述两个带有反并联二极管的绝缘栅双极晶体管的串联点为所述半桥模块的一个输出端，所述电容的任意一端为所述半桥模块的另一个输出端。
[0010]上述基于全桥与半桥模块的混合型多电平换流器的控制方法，包括以下步骤:
[0011]SI通过最近电平逼近方法控制半桥模块投入数，各桥臂的半桥模块都通过排序算法导通，使所有半桥模块的电容电压维持平衡；
[0012]所述半桥模块投入数的计算方法如下:
[0013]在每个时刻，每相下桥臂需投入的半桥模块数的实时表达式为:
【权利要求】
1.基于全桥与半桥模块的混合型多电平换流器，其特征在于，包括连接于正负极直流母线之间的三相单元，每个相单元由上桥臂和下桥臂组成，每个桥臂包括N个半桥模块和I个带直流电源的全桥模块，所述N个半桥模块和I个带直流电源的全桥模块串联连接，N为正整数。
2.根据权利要求1所述的基于全桥与半桥模块的混合型多电平换流器，其特征在于，所述带直流电源的全桥模块由四个带有反并联二极管的绝缘栅双极晶体管和一个直流电源组成，每两个绝缘栅双极晶体管顺序串联形成串联结构，每个串联结构的两端分别与直流电源的两端连接；每个串联结构中，两个绝缘栅双极晶体管的连接点为全桥模块的其中一个输出端。
3.根据权利要求1所述的基于全桥与半桥模块的混合型多电平换流器，其特征在于，所述半桥模块由两个带有反并联二极管的绝缘栅双极晶体管和一个电容组成，所述两个带有反并联二极管的绝缘栅双极晶体管顺序串联后与电容并联，所述两个带有反并联二极管的绝缘栅双极晶体管的串联点为所述半桥模块的一个输出端，所述电容的任意一端为所述半桥模块的另一个输出端。
4.权利要求1~3任一项所述基于全桥与半桥模块的混合型多电平换流器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤: SI通过最近电平逼近方法控制半桥模块投入数， 各桥臂的半桥模块都通过排序算法导通，使所有半桥模块的电容电压维持平衡； 所述半桥模块投入数的计算方法如下: 在每个时刻，每相下桥臂需投入的半桥模块数的实时表达式为:
【文档编号】H02M7/5387GK103633871SQ201310590622
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年11月20日 优先权日:2013年11月20日
【发明者】夏成军, 李勇, 梁国开 申请人:华南理工大学