基于不等式约束的辅助电容分布式半桥/单箝位混联mmc自均压拓扑的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及柔性输电领域，具体涉及一种基于不等式约束的辅助电容分布式半 桥/单箝位混联MMC自均压拓扑。
【背景技术】
[0002] 模块化多电平换流器MMC是未来直流输电技术的发展方向，MMC采用子模块(Sub-module，SM)级联的方式构造换流阀，避免了大量器件的直接串联，降低了对器件一致性的 要求，同时便于扩容及冗余配置。随着电平数的升高，输出波形接近正弦，能有效避开低电 平VSC-HVDC的缺陷。
[0003] 半桥/单箝位混联MMC由半桥子模块及单箝位子模块组合而成。半桥子模块由2个 IGBT模块，1个子模块电容，1个晶闸管及1个机械开关构成;单箝位子模块由3个IGBT模块、1 个子模块电容，一个二极管及1个机械开关构成。该混联MMC，成本低，运行损耗小，同时能箝 位直流侧故障。
[0004] 与两电平、三电平VSC不同，半桥/单箝位混联MMC的直流侧电压并非由一个大电容 支撑，而是由一系列相互独立的悬浮子模块电容串联支撑。为了保证交流侧电压输出的波 形质量和保证模块中各功率半导体器件承受相同的应力，也为了更好的支撑直流电压，减 小相间环流，必须保证子模块电容电压在桥臂功率的周期性流动中处在动态稳定的状态。
[0005] 基于电容电压排序的排序均压算法是目前解决半桥/单箝位混联MMC中子模块电 容电压均衡问题的主流思路。但是，排序功能的实现必须依赖电容电压的毫秒级采样，需要 大量的传感器以及光纤通道加以配合;其次，当子模块数目增加时，电容电压排序的运算量 迅速增大，为控制器的硬件设计带来巨大挑战;此外，排序均压算法的实现对子模块的开断 频率有很高的要求，开断频率与均压效果紧密相关，在实践过程中，可能因为均压效果的限 制，不得不提高子模块的触发频率，进而带来换流器损耗的增加。
[0006] 文献"A DC-Link Voltage Self-Balance Method for a Diode-Clamped Modular Multilevel Converter With Minimum Number of Voltage Sensors"，提出了一 种依靠钳位二极管和变压器来实现MMC子模块电容电压均衡的思路。但该方案在设计上一 定程度破坏了子模块的模块化特性，子模块电容能量交换通道也局限在相内，没能充分利 用MMC的既有结构，三个变压器的引入在使控制策略复杂化的同时也会带来较大的改造成 本。
【发明内容】
[0007] 针对上述问题，本发明的目的在于提出一种经济的，模块化的，不依赖均压算法， 同时能相应降低子模块触发频率和电容容值且具有直流故障箝位能力的半桥/单箝位混联 MMC自均压拓扑。
[0008] 本发明具体的构成方式如下。
[0009] 基于不等式约束的辅助电容分布式半桥/单箝位混联MMC自均压拓扑，包括由A、B、 C三相构成的半桥MMC模型，A、B、C三相每个桥臂分别由K个半桥子模块、N-K个单箝位子模块 及1个桥臂电抗器串联而成;包括由6N个辅助开关(6K个机械开关，6N-6K个IGBT模块），6N+ 11个钳位二极管，8个辅助电容，4个辅助IGBT模块组成的自均压辅助回路。
[0010] 上述基于不等式约束的辅助电容分布式半桥/单箝位混联MMC自均压拓扑，混联 MMC模型中，A相上下桥臂，单箝位子模块中，二极管连接子模块电容正极，IGBT模块连接子 模块电容负极。A相上桥臂的第1个子模块，其子模块电容负极向下与A相上桥臂的第2个子 模块IGBT模块中点相连接，其子模块IGBT模块中点向上与直流母线正极相连接；A相上桥 臂的第i个子模块，其中i的取值为2~K-I，其子模块电容负极向下与A相上桥臂的第i + Ι个 子模块IGBT模块中点相连接，其子模块IGBT模块中点向上与A相上桥臂的第i-Ι个子模块电 容负极相连接;A相上桥臂的第K个半桥子模块，其子模块电容负极向下与A相上桥臂的第K+ 1个子模块IGBT模块中点相连接，其子模块IGBT模块中点向上与A相上桥臂的第K-I个子模 块电容负极相连接;A相上桥臂的第j个子模块，其中j的取值为K+2~N-I，其子模块二极管 与IGBT模块联结点向下与A相上桥臂第j+Ι个子模块IGBT模块中点相连接，其子模块IGBT模 块中点向上与第A相上桥臂第j-Ι个子模块二极管与IGBT模块联结点相连接;A相上桥臂第N 个子模块，其子模块二极管与IGBT模块联结点向下经两个桥臂电抗器Lo与A相下桥臂的第1 个子模块IGBT模块中点相连接，其子模块IGBT模块中点向上与A相上桥臂的第N-I个子模块 二极管与IGBT模块联结点相连接;A相下桥臂的第i个子模块，其中i的取值为2~K-I，其子 模块电容负极向下与A相下桥臂第i+Ι个子模块IGBT模块中点相连接，其IGBT模块中点向上 与A相下桥臂第i-Ι个子模块电容负极相连接;A相下桥臂的第K个子模块，其子模块电容负 极向下与第A相下桥臂第K+1个子模块IGBT模块中点相连接，其子模块IGBT模块中点向上与 A相下桥臂第K-I个子模块电容负极相连接;A相下桥臂第j个子模块，其中j的取值为K+2~ N-I，其子模块二极管与IGBT模块联结点向下与A相下桥臂第j+Ι个子模块IGBT模块中点相 连接，其子模块IGBT模块中点向上与A相下桥臂第j-Ι个子模块二极管与IGBT模块联结点相 连接;A相下桥臂第N个子模块二极管与IGBT模块联结点向下与直流母线负极相连接，其子 模块IGBT模块中点向上与A相下桥臂的第N-I个子模块二极管与IGBT模块联结点相连接。B 相上下桥臂，单箝位子模块中，IGBT模块连接子模块电容正极，二极管连接子模块电容负 极，上桥臂的第1个子模块，其子模块电容正极向上与直流母线正极相连接，其子模块IGBT 模块中点向下与B相上桥臂的第2个子模块电容正极相连接;B相上桥臂的第i个子模块，其 中i的取值为2~K-I，其子模块电容正极向上与B相上桥臂的第i-Ι个子模块IGBT模块中点 相连接，其子模块IGBT模块中点向下与B相上桥臂的第i+Ι个子模块电容正极相连接;B相上 桥臂的第K个子模块，其子模块电容正极向上与B相上桥臂的第K-1个子模块IGBT模块中点 相连接，其子模块IGBT模块中点向下与B相上桥臂第K+1个子模块IGBT模块与二极管联结点 相连接;B相上桥臂的第j个子模块，其中j的取值为K+2~N-I，其子模块IGBT模块与二极管 联结点向上与B相上桥臂第j-Ι个子模块IGBT模块中点相连接，其子模块IGBT模块中点向下 与B相上桥臂第j+Ι个子模块IGBT模块与二极管联结点相连接;B相上桥臂第N个子模块，其 子模块IGBT模块与二极管联结点向上与B相上桥臂第N-I个子模块IGBT模块中点相连接，其 子模块IGBT模块中点向下经两个桥臂电抗器Lo与B相下桥臂的第1个子模块电容正极相连 接;B相下桥臂的第i个子模块，其中i的取值为2~K-I，其子模块电容正极向上与B相下桥臂 的第i-1个子模块IGBT模块中点相连接，其子模块IGBT模块中点向下与B相下桥臂的第i+1 个子模块电容正极相连接;B相下桥臂的第K个子模块，其子模块电容正极向上与B相下桥臂 第K-I个子模块IGBT模块中点相连接，其子模块IGBT模块中点向下与B相下桥臂第K+1个子 模块IGBT模块与二极管联结点相连接;B相下桥臂第j个子模块，其中j的取值为K+2~N-I， 其子模块IGBT模块与二极管联结点向上与B相下桥臂第j-Ι个子模块IGBT模块中点相连接， 其子模块IGBT模块中点向下与B相下桥臂第j+Ι个子模块IGBT模块与二极管联结点相连接； B相下桥臂第N个子模块，其子模块IGBT模块与二极管联结点向上与B相下桥臂第N-I个子模 块IGBT模块中点相连接，其子模块IGBT模块中点向下与直流母线负极相连接。C相上下桥臂 子模块的连接方式与A相或B相一致。
[0011]上述基于不等式约束的辅助电容分布式半桥/单箝位混联MMC自均压拓扑，自均压 辅助回路中，第一个辅助电容与第二个辅助电容通过钳位二极管并联，第二个辅助电容正 极连接辅助IGBT模块第一个辅助电容负极连接钳位二极管并入直流母线正极;第三个辅助 电容与第四个辅助电容通过钳位二极管并联，第三个辅助电容负极连接辅助IGBT模块第四 个辅助电容正极连接钳位二极管并入直流母线负极;第五个辅助电容与第六个辅助电容通 过钳位二极管并联，第五个辅助电容正极连接辅助IGBT模块第六个辅助电容负极连接钳位 二极管并入直流母线正极;第七个辅助电容与第八个辅助电容通过钳位二极管并联，第八 个辅助电容负极连接辅助IGBT模块第七个辅助电容正极连接钳位二极管并入直流母线负 极。钳位二极管，通过辅助开关连接A相上桥臂中第1个子模块电容与第一个辅助电容正极； 通过辅助开关连接A相上桥臂中第i个子模块电容与第i+Ι个子模块电容正极，其中i的取值 为1~N-I;通过辅助开关连接A相上桥臂中第N个子模块电容与A相下桥臂第1个子模块电容 正极;通过辅助开关连接A相下桥臂中第i个子模块电容与A相下桥臂第i+Ι个子模块电容正 极，其中i的取值为1~N-I;通过辅助开关连接A相下桥臂中第N个子模块电容与第三个辅助 电容正极。钳位二极管，通过辅助开关连接B相上桥臂中第1个子模块电容与第二个辅助电 容的负极;通过辅助开关连接B相上桥臂中第i个子模块电容与第i+1个子模块电容的负极， 其中i的取值为1~N-I;通过辅助开关连接B相上桥臂中第N个子模块电容与B相下桥臂第1 个子模块电容的负极;通过辅助开关连接B相下桥臂中第i个子模块电容与B相下桥臂第i+1 个子模块电容的负极，其中i的取值为1~N-I;通过辅助开关连接B相下桥臂中第N个子模块 电容与第四个辅助电容的负极。C相子模块的连接关系与A相一致时，C相上下桥臂中子模块 间钳位二极管的连接方式与A相一致，同时第六个辅助电容正极经辅助开关、钳位二极管连 接C相上桥臂第一个子模块电容正极，第五个辅助电容负极经辅助开关、钳位二极管连接B 相上桥臂第一个子模块电容负极