一种基于h桥的mmc子模块拓扑结构的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及柔性输配电技术领域，具体涉及一种基于Η桥的MMC子模块拓扑结构。【背景技术】
[0002] 与传统电压源换流器相比，模块化多电平换流器（ModularMultilever Converter，MMC)具有扩展性好、谐波小、开关频率低、对器件一致触发要求少等优点，尤其 适用于直流输电应用场合。
[0003] 为降低损耗，器件数量以及控制复杂度，早期的MMC采用半桥子模块级联形式，但 是基于半桥子模块的MMC无法有效闭锁直流故障，因而在实际工程应用中受限；传统MMC拓 扑的另一个问题在于，每个桥臂输出功率存在巨大的波动，同时为了稳定输出电压，需要容 值巨大的电容器以吸收功率波动，该电容器限制了MMC的功率密度，同时影响了系统的成 本以及结构设计。具备直流故障闭锁能力以及更小的子模块电容已经成为MMC未来发展的 方向。
[0004] 基于Η桥子模块的MMC系统，当直流故障发生之后，短路电流流过MMC桥臂，桥臂 上会产生巨大的电压，这样短路电流将迅速降低，从而具有直流短路保护的功能；Η桥的另 外一大优势就是其更丰富的开关状态，可以保证子模块的四象限运行以及相同输出的不同 开关状态组合。但是现有的基于Η桥子模块的MMC系统，并未针对电容值巨大提出相应的 降低电容电压波动的策略，同时开关状态利用率低，这大大限制了基于Η桥的MMC子模块的 工程应用。因此，亟需一种基于Η桥的，具有直流短路处理能力，同时能够吸收模块功率波 动的新型MMC子模块拓扑来解决上述问题。
【发明内容】
[0005] 为了解决现有技术中的问题，本发明提出一种继承了Η桥的直流故障保护能力， 同时能够降低直流电容的容值，减小模块体积，提高功率密度的一种基于Η桥的MMC子模块 拓扑结构。
[0006] 为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案为：包括四个依次连接的IGBT管， 四个IGBT管上均反并联有二极管，所述四个IGBT管构成Η桥，Η桥的母线连接有直流电容 (Cdc)，Η桥包括两个半桥结构，两个半桥结构的中点为MMC子模块的输出，所述两个半桥结 构中的任意一个半桥结构连接有LC网络，LC网络的回路连接至Η桥的高电平或者低电平。
[0007] 所述四个IGBT管包括第一IGBT管、第二IGBT管、第三IGBT管和第四IGBT管，第 一IGBT管）的发射级与第二IGBT管的集电极相连，第三IGBT管的发射极和第四IGBT管 的集电极相连，所述第一IGBT管的集电极与第三IGBT管的集电极之间，第二IGBT管的发 射极与第四IGBT管的发射极之间均通过Η桥母线相连，所述第一IGBT管和第二IGBT管构 成第一半桥结构，所述第三IGBT管和第四IGBT管构成第二半桥结构。
[0008] 所述直流电容设置在两根Η桥母线之间，并与第一IGBT管的集电极和第三IGBT管的集电极，以及第二IGBT管的发射极和第四IGBT管的发射极相连。
[0009] 所述第一IGBT管上反并联有第一二极管，第一二极管的负极与第一IGBT管的集 电极相连，第一二极管的正极与第一IGBT的发射极相连；所述第二IGBT管上反并联有第 二二极管，第二二极管的正极与第二IGBT管的发射级相连，第二二极管的负极与第二IGBT 管的集电极相连；所述第三IGBT管上反并联有第三二极管，第三二极管的正极与第三IGBT 管的发射级相连，第三二极管的负极与第三IGBT管的集电极相连；所述第四IGBT管上反并 联有第四二极管，第四二极管的正极与第四IGBT管的发射级相连，第四二极管的负极与第 四IGBT管的集电极相连。
[0010] 所述LC网络的L端连接至第一IGBT管的发射极和第二IGBT管的集电极之间，LC 网络的C端连接至直流电容的正极或负极。
[0011] 所述LC网络的L端连接至第三IGBT管的发射极和第四IGBT管的集电极之间，LC 网络的C端连接至直流电容的正极或负极。
[0012] 所述LC网络包括依次连接的电感和电容。
[0013] 与现有技术相比，本发明通过四个IGBT管，以及四个IGBT管上分别反并联的二极 管构成Η桥，Η桥的母线连接直流电容，将两个半桥的中点引出，作为MMC子模块的输出，该 模块具备柔性直流输电直流短路保护的功能，同时将任一半桥的中点接出，连接一个LC网 络，LC网络的回路连接至Η桥的高电平或者低电平，LC网络的作用在于吸收直流电容上的 功率波动，本发明旨在保证MMC系统拥有直流短路保护的能力，同时通过调制的方式降低 子模块电容，利用Η桥丰富的开关状态以及额外的LC回路，在不增加额外IGBT的情况下， 继承了Η桥具有直流故障保护的能力，同时能够降低直流电容的容值，减小了模块体积，提 高了功率密度。
[0014] 进一步，本发明将LC网络植入Η桥拓扑中，LC网络由电感和电容组成，电感端连 接在第一IGBT管的发射极与第二IGBT管的集电极之间，或者连接在第三IGBT管的发射极 与第四IGBT管的集电极之间，电容端连接直流电容的正极或者负极，该LC网络能够通过控 制吸收功率波动，从而降低直流电容上的电压波动，通过该拓扑结构，系统的整体电容量将 得到降低，从而减小了子模块体积，提高了功率密度。
【附图说明】
[0015] 图la、lb、lc和Id分别为本发明LC网络的四种接线结构示意图；
[0016] 图2为本发明在MMC型柔性直流输电系统中的应用示意图；
[0017] 图3a为本发明在状态a下的状态示意图，图3b为本发明在状态b下的状态示意 图，图3c为本发明在状态c下的状态示意图；
[0018] 图4为本发明调制信号图；
[0019] 图5a为现有技术的直流电容电压波动示意图，图5b为本发明的直流电容电压波 动示意图。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合具体的实施例和说明书附图对本发明作进一步的解释说明。
[0021] 参见图la~图ld，本发明包括四个依次连接的IGBT管，四个IGBT管包括第一 IGBT管VT1、第二IGBT管VT2、第三IGBT管VT3和第四IGBT管VT4,第一IGBT管VT1的发 射级与第二IGBT管VT2的集电极相连，第三IGBT管VT3的发射极和第四IGBT管VT4的集 电极相连，第一IGBT管VT1的集电极与第三IGBT管VT3的集电极之间，第二IGBT管VT2 的发射极与第四IGBT管VT4的发射极之间均通过Η桥母线相连，第一IGBT管VT1和第二 IGBT管VT2构成第一半桥结构，第三IGBT管VT3和第四IGBT管VT4构成第二半桥结构。
[0022] 第一IGBT管VT1上反并联有第一二极管VD1，第一二极管VD1的负极与第一IGBT 管VT1的集电极相连，第一二极管VD1的正极与第一IGBTVT1的发射极相连；第二IGBT管 VT2上反并联有第二二极管VD2,第二二极管VD2的正极与第二IGBT管VT2的发射级相连， 第二二极管VD2的负极与第二IGBT管VT2的集电极相连；第三IGBT管VT3上反并联有第 三二极管VD3,第三二极管VD3的正极与第三IGBT管VT3的发射级相连，第三二极管VD3 的负极与第三IGBT管VT3的集电极相连；第四IGBT管VT4上反并联有第四二极管VD4,第 四二极管VD4的正极与第四IGBT管VT4的发射级相连，第四二极管VD4的负极与第四IGBT 管VT4的集电极相连。
[0023] 四个IGBT管和四个二极管构成Η桥，Η桥的母线连接有直流电容Cdc，直流电容 Cdc设置在两根Η桥母线之间，并与第一IGBT管VT1的集电极和第三IGBT管VT3的集电 极，以及第二IGBT管VT2的发射极和第四IGBT管VT4的发射极相连。Η桥包括两个半桥 结构，两个半桥结构的中点为MMC子模块的输出，两个半桥结构中的任意一个半桥结构连 接有LC网络，LC网络的回路连接至Η桥的高电平或者低电平。LC网络包括依次连接的电 感La和电容Ca，参见图lc和图ld，LC网络的L端连接至第一IGBT管VT1的发射极和第 二IGBT管VT2的集电极之间，LC网络的C端连接至直流电容Cdc的正极或负极；或者参见 图la和图lb，LC网络的L端连接至第三IGBT管VT3的发射极和第四IGBT管VT4的集电 极之间，LC网络的C端连接至直流电容Cdc的正极或负极。
[0024] 参见图2,下面以电感La连接第三IGBT管VT3的发射极，电容Ca连接直流电容 Cdc的负极为具体实施例对本发明进行说明，图2为本发明拓扑结构在MMC型柔性直流输电 系统中的应用示意图，第一IGBT管VT1和第二IGBT管