一种基于混合型MMC的阀组级联运行结构的制作方法

本实用新型属于电力系统输配电技术领域，更具体地，涉及一种基于混合型MMC的阀组级联运行结构。

背景技术：

模块化多电平换流器(Modular multilevel converter，MMC)具有模块化结构、易于拓展等优点，在柔性直流输电领域得到了广泛的应用。在各类MMC拓扑中，基于全桥型子模块(Full bridge sub-module，FBSM)和半桥型子模块(Half bridge sub-module，HBSM)的混合型MMC具有良好的控制特性，通过采用交、直流解耦控制方法，能够在直流故障时不闭锁开关器件IGBT、穿越直流故障，是一种具备应用前景的方案。

图1所示为现有的混合型MMC及其子模块的拓扑结构示意图。混合型MMC的拓扑结构，如图1(a)所示，包括三相共六条桥臂，每条桥臂由子模块串联而成，其中一半子模块为全桥型子模块，另一半为半桥型子模块；全桥型子模块，如图1(b)所示，包括四个开关器件；半桥型子模块，如图1(c)所示，包括两个开关器件；混合型MMC的每条桥臂均包含了能输出负电压的子模块，可以在桥臂子模块电容电压维持额定的同时调节直流电压。

但是现有的混合型MMC，存在以下技术问题：(1)在高压大容量的应用场合下，每条桥臂所串联的子模块数会显著增加；(2)开关器件的耐压耐流能力有限，因此难以有效地提升电压等级和功率容量，使得混合型MMC只能适用于有限的应用场景；(3)增加子模块数时，需要增加控制信号的维数和复杂度，进而需要相应地提高控制系统的运算速度；(4)运行方式单一，当某一条桥臂发生故障时，整个换流站必须退出运行。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷和改进需求，本实用新型提供了一种基于混合型MMC的阀组级联运行结构。

按照本实用新型的一个方面，提供了一种基于混合型MMC的阀组级联运行结构，包括：级联的高压阀组和低压阀组；高压阀组包括：混合型模块化多电平换流器MMC1；低压阀组包括：混合型模块化多电平换流器MMC2；高压阀组与低压阀组的交流侧并联，直流侧串联；在直流侧，高压阀组的对地电压等级高于低压阀组的对地电压等级。

更进一步地，在交流侧，高压阀组的三相交流出口包括：a1相、b1相和c1相，低压阀组的三相交流出口包括：a2相、b2相和c2相；a1相与交流公共母线的a相相连接，b1相与交流公共母线的b相相连接，c1相与交流公共母线的c相相连接；a2相与交流公共母线的a相相连接，b2相与交流公共母线的b相相连接，c2相与交流公共母线的c相相连接；

更进一步地，在直流侧，高压阀组的直流正极与正极母线相连接，高压阀组的直流负极与低压阀组的直流正极相连接；低压阀组的直流正极与高压阀组的直流负极相连接，低压阀组的直流负极与负极母线相连接。

更进一步的，高压阀组与低压阀组内部采用完全一样的电路拓扑和控制策略。

更进一步地，高压阀组和低压阀组采用完全相同的一套控制器系统，接收完全相同的控制指令，从而降低了控制系统的复杂度。

更进一步地，高压阀组和低压阀组均采用交直流解耦控制，分别控制交流电流和直流电流，使得两个阀组之间控制的独立性更大，降低阀组间的耦合度。

更进一步地，高压阀组和低压阀组之间还设置有阀组均压控制装置，使得高压阀组和低压阀组的直流电压相同，并且功率传输在两个阀组之间均衡分担，从而保证每个阀组的安全和稳定。

更进一步地，阀组均压控制装置包括：加减法运算单元、乘法运算单元以及MMC功率控制单元；

加减法运算单元的第一输入端用于接收高压阀组的直流电压Udcpu1，加减法运算单元的第二输入端用于接收低压阀组的直流电压Udcpu2，加减法运算单元用于将高压阀组的直流电压Udcpu1与低压阀组的直流电压Udcpu2相减后获得第一运算结果；

乘法运算单元的第一输入端连接至加减法运算单元的输出端，乘法运算单元的第二输入端用于接收外部给定的比例系数KP，乘法运算单元用于将第一运算结果与比例系数KP相乘后获得功率补偿值；

MMC功率控制单元的输入端连接至乘法运算单元的输出端，MMC功率控制单元用于根据功率补偿值获得子模块开关器件的触发信号。

更进一步地，根据经验，比例系数KP的取值范围在-2～+2之间；比例系数KP的具体取值根据仿真得到。

更进一步地，基于混合型MMC的阀组级联运行结构，可以级联两个以上的混合型MMC，级联结构中每个混合型MMC构成一个阀组；在固定的直流母线电压下，可以通过级联更多的阀组降低每个阀组的直流电压；

更进一步地，基于混合型MMC的阀组级联运行结构，可以通过级联多个电压等级相同的阀组提升电压等级和功率容量。

更进一步地，根据实际运行情况，在阀组故障、例行检修等特殊情况下，高压阀组或者低压阀组可以通过投入或退出操作，使得基于混合型MMC的阀组级联运行结构可以灵活地在单阀组模式和双阀组模式间切换运行；在单阀组模式下，基于混合型MMC的阀组级联运行结构中只有高压阀组或者低压阀组投入运行；在双阀组模式下，基于混合型MMC的阀组级联运行结构中高压阀组和低压阀组均投入运行。

优选地，为了提高工程实施的可操作性，根据实际运行情况，在阀组故障、例行检修等特殊情况下，高压阀组通过投入和退出操作，使得基于混合型MMC的阀组级联运行结构可以灵活地在单阀组模式和双阀组模式间切换运行。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)通过将两个混合型MMC级联，在高压大容量的应用场合下，可以有效降低单个混合型MMC中每条桥臂所串联的子模块的数量；

(2)在固定的直流母线电压下，基于混合型MMC的阀组级联运行结构中，单个阀组的正负极之间承受的直流电压较低，因此不会对开关器件造成过大的电流、电压应力；单个阀组电压等级不变时，高低压阀组级联的结构可以有效提升电压等级和功率容量，进而拓展混合型MMC的运行范围；

(3)高压阀组和低压阀组采用完全相同的一套控制系统，接收相同的信号指令，可以有效避免增加控制系统的复杂度；

(4)可以根据实际情况灵活地在单阀组模式和双阀组模式之间切换，在特殊情况下，单个阀组退出运行时，整个换流站仍能维持一定的功率传输，从而提高供电的可靠性。

附图说明

图1是现有的混合型MMC及其子模块的拓扑结构示意图；(a)为混合型MMC的拓扑结构示意图，(b)为全桥型子模块的拓扑结构示意图，(c)为半桥型子模块的拓扑结构示意图；

图2是本实用新型的基于混合型MMC的阀组级联运行结构示意图；

图3是现有的混合型MMC交直流解耦控制方法框图；

图4是本实用新型的阀组均压控制装置示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

101为高压阀组，103为低压阀组，105为交流公共母线，201为加减法运算单元，203为乘法运算单元，205为MMC功率控制单元。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本实用新型提供的基于混合型MMC的阀组级联运行结构，如图2所示，包括：级联的高压阀组101和低压阀组103；高压阀组101包括：混合型模块化多电平换流器MMC1；低压阀组103包括：混合型模块化多电平换流器MMC2；高压阀组101与低压阀组103的交流侧并联，直流侧串联；在直流侧，高压阀组101的对地电压等级高于低压阀组103的对地电压等级。

在交流侧，高压阀组101的三相交流出口包括：a1相、b1相和c1相，低压阀组103的三相交流出口包括：a2相、b2相和c2相；a1相与交流公共母线105的a相相连接，b1相与交流公共母线105的b相相连接，c1相与交流公共母线105的c相相连接；a2相与交流公共母线105的a相相连接，b2相与交流公共母线105的b相相连接，c2相与交流公共母线105的c相相连接；

在直流侧，高压阀组101的直流正极与正极母线相连接，高压阀组101的直流负极与低压阀组103的直流正极相连接；低压阀组103的直流正极与高压阀组101的直流负极相连接，低压阀组103的直流负极与负极母线相连接。

高压阀组101与低压阀组103内部采用完全一样的电路拓扑和控制策略。

高压阀组101和低压阀组103采用完全相同的一套控制器系统，接收完全相同的控制指令，从而降低了控制系统的复杂度。

高压阀组101和低压阀组103均采用交直流解耦控制，分别控制交流电流和直流电流，使得高压阀组101与低压阀组103之间控制的独立性更大，降低两个阀组间的耦合度。

在本实施例中，交直流解耦控制方法，如图3所示，包括：交流控制环、直流控制环和环流抑制环；交流控制环的dq分量控制环节分别接收子模块电容电压指令值和无功功率指令，与测量反馈值比较后，输出到MMC交流侧的控制信号，以调节交流侧电压和电流，从而改变桥臂子模块电容电压和MMC输出的无功功率；直流控制环接收有功功率指令，与测量的有功功率反馈值比较后，输出到MMC直流侧的控制信号，以调节直流侧电压和电流，从而改变MMC传输的有功功率；环流抑制环的指令值为0，与测量的桥臂环流反馈值比较后，输出到MMC内部的控制信号，以实现对MMC内部环流的抑制；三个控制环的控制信号叠加构成MMC桥臂的触发控制信号，同时满足交流侧、直流侧和MMC内部的控制指令。

高压阀组101和低压阀组103之间还设置有阀组均压控制装置，使得高压阀组101和低压阀组103的直流电压相同，并且功率传输在两个阀组之间均衡分担，从而保证每个阀组的安全和稳定。

阀组均压控制装置包括：加减法运算单元201、乘法运算单元203以及MMC功率控制单元205；

加减法运算单元201的第一输入端用于接收高压阀组101的直流电压Udcpu1，加减法运算单元201的第二输入端用于接收低压阀组103的直流电压Udcpu2，加减法运算单元201用于将高压阀组101的直流电压Udcpu1与低压阀组103的直流电压Udcpu2相减后获得第一运算结果；

乘法运算单元203的第一输入端连接至加减法运算单元201的输出端，乘法运算单元203的第二输入端用于接收外部给定的比例系数KP，乘法运算单元203用于将第一运算结果与所述比例系数KP相乘后获得功率补偿值Pdc_det；

MMC功率控制单元205的输入端连接至乘法运算单元203的输出端，MMC功率控制单元205用于根据功率补偿值Pdc_det获得子模块开关器件的触发信号。

更进一步地，根据经验，比例系数KP的取值范围在-2～+2之间；比例系数KP的具体取值根据仿真得到。

在本实施例中，根据实际运行情况，在阀组故障、例行检修等特殊情况下，高压阀组101可以通过投入或退出操作，使得混合型MMC高低压阀组级联运行的结构可以灵活地在单阀组模式和双阀组模式间切换运行；在单阀组模式下，基于混合型MMC的阀组级联运行结构中只有低压阀组103投入运行；在双阀组模式下，基于混合型MMC的阀组级联运行结构中高压阀组101和低压阀组103均投入运行。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。