兼具直流故障清除和局部自均压能力的新型混合mmc拓扑的制作方法
【专利摘要】本发明提供兼具直流故障清除和局部自均压能力的新型混合MMC拓扑。在输配电技术领域，新型混合MMC的每个桥臂由两种新型MMC子模块和桥臂电感等串联而成。两种新型MMC子模块拓扑包括双半桥子模块（Double Half?bridge Sub?module，D?HBSM）和并联全桥子模块（Paralleled Full?bridge Sub?module，P?FBSM）。D?HBSM由两个半桥子模块的反串联拓扑翻转获得，具备局部自均压能力；P?FBSM由全桥子模块翻转获得，具备整体自均压能力。两种新型子模块拓扑在不增加电力电子器件数量和保持MMC系统直流故障清除能力的前提下，通过拓扑重构的方式使桥臂中子模块具备了局部或整体自均压能力，从而可以在相同的电容电压纹波幅值下降低对电容容值的需求。
【专利说明】
兼具直流故障清除和局部自均压能力的新型混合MMC拓扑
技术领域
[0001]本发明属于输配电技术领域，具体涉及兼具直流故障清除和局部自均压能力的新型混合MMC拓扑。
【背景技术】
[0002]采用全控型器件的电压源换流器高压直流输电(Voltage Source Converterbased HVDC，VSC-HVDC)具有四象限独立控制有功和无功功率、便于潮流反转、可作为黑启动电源等独特技术优势。模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)是一种新型的VSC拓扑，在具有上述优点的基础上，采用子模块级联的方式，避免了两、三电平VSC中功率器件压接式串联所导致的触发一致性和短路失效等问题，已成为VSC-HVDC的发展趋势。
[0003]目前，MMC-HVDC面临直流故障电流快速可靠清除的问题。已投运的MMC-HVDC工程大多采用半桥型子模块(Half-bridge Sub-module，HBSM)，即使直流故障发生后MMC可靠闭锁，由于子模块中与绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)反并联二极管的续流作用，交流系统依然通过MMC向直流故障点持续馈入短路电流，从而使其不具备直流侧短路电流清除能力。由于MMC-HVDC的直流故障电流传播速度极快，考虑到交流断路器无法满足快速性要求、直流断路器技术不成熟以及半桥MMC无法阻断直流故障电流等因素，在现有技术水平下，采用具备直流故障电流清除能力的新型MMC拓扑成为解决MMC-HVDC直流故障问题的可行方案。
[0004]与两电平、三电平VSC直流侧电压由一个大电容支撑不同，MMC的直流侧电压由一系列相互独立的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模块中各功率半导体器件承受相同的应力，也为了更好地支撑直流电压，必须保证子模块电容电压的一致性和稳定性。基于子模块电容电压排序的排序均压算法是目前解决MMC中子模块电容电压均衡问题的主流思路，在仿真和实践中都验证了其良好的均压效果，但是也存在一些固有缺陷。首先，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相配合;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，在实践中可能为保证均压效果而提高子模块的触发频率，进而带来换流器损耗的增加。
[0005]文南犬“A submodule implementat1n for parallel connect1n of capacitorsin modular multilevel converters”“Modular multi level converter with seriesand parallel module connectivity:topology and control”分别提出了双半桥子模块(Double Half-bridge Sub-module，D_HBSM)和并联全桥子模块(Paralleled Full-bridgeSub-module，P-FBSM)，这两种新型子模块拓扑具有不同程度的自均压能力。但原文献仅针对单一类型的子模块特性进行分析，并未涉及将二者混合的混合MMC特性的研究，且原文献均采用适用于低电压小容量的载波移相正弦脉宽调制(C a r r i e r PhaseShiftedSinusoidal Pulse Width Modulat1n，CPS_SPWM)，并未扩展至高压大容量MMC-HVDC工程中通常采用的最近电平逼近调制(Nearest Level Modulat1n，NLM)，因此所面临的诸多理论和技术问题需要深入研究。
【发明内容】
[0006]针对上述问题，在学术界对对模块化多电平换流器拓扑结构研究的基础上，本发明将D-HBSM和P-FBSM两种新型子模块在桥臂中混合配置，采用最近电平逼近调制，设计相应的子模块投切逻辑，充分发挥D-HBSM的电压支撑能力和P-FBSM的直流故障清除能力，以及两种子模块不同程度的自均压能力，提出一种兼具直流故障清除和局部自均压能力的新型混合MMC拓扑。
[0007]本发明提出的兼具直流故障清除和局部自均压能力的新型混合MMC拓扑，在考虑开关器件并联的情况下，均由传统子模块拓扑通过翻转重构的方式获得，与传统混合MMC具有相同的功率器件数量和电压输出能力。为了实现各自的自均压功能，结合子模块的开关状态集设计了相应的开关触发逻辑，同时保证了混合MMC的直流故障清除能力。
【附图说明】
[0008]图1是由两种子模块构成的新型混合MMC整体拓扑图；
图2是双半桥子模块(D-HBSM)拓扑的结构示意图；其中，T11、T12、T21、T22、T31、T32、T41、T42代表绝缘栅双极型晶体管，Dn、D12、D21、D22、D31、D32、D41、D42代表二极管，C1、C2代表电容器；
&、代表子模块电容电压；
图3是D-HBSM完全旁路输出O电平示意图；
图4是D-HBSM拓扑电容并联输出￡/c电平情况一示意图；
图5是D-HBSM拓扑电容并联输出￡/c电平情况二示意图；
图6是D-HBSM拓扑串联CI旁路C2输出￡/c电平示意图；
图7是D-HBSM拓扑旁路CI串联C2输出￡/c电平示意图；
图8是D-HBSM拓扑输出2￡/c电平示意图；
图9是并联全桥子模块(P-FBSM)拓扑结构示意图；其中，Tn、T12、T21、T22、T31、T32、T41、T42代表绝缘栅双极型晶体管，D11、D12、D21、D22、D31、D32、D41、D42代表二极管，C代表电容器；代表子模块电容电压；
图10是P-FBSM旁路情况一示意图；
图11是P-FBSM旁路情况二示意图；
图12是P-FBSM相邻子模块电容并联连接示意图；
图13是P-FBSM输出-1/c电平示意图；
图14是P-FBSM输出￡/c电平示意图。
[0009]
【具体实施方式】
[0010]为进一步阐述本发明的性能与工作原理，以下结合附图对发明的构成方式与工作原理进行具体说明。
[0011]图1为由两种新型子模块构成的混合MMC换流站示意图。三相六个桥臂按照相同的比例配置两种新型子模块，使MMC系统兼具子模块电容自均压能力和直流故障清除能力。
[0012]图2为双半桥子模块(D-HBSM)拓扑，由两个HBSM反串联拓扑经翻转得到。一个D-HBSM包含8个IGBT开关组和两个电容，保留了与两个HBSM相同的器件数量和电压输出能力。正常运行情况下，单个D-HBSM可以输出0、￡/c、2￡/c三种电平。以下以“I”表示IGBT开关导通，“O”表示关断。子模块输出O电平即旁路的电流通路如图3所示，T11?T42对应的开关状态依次是11000011;子模块电容并联输出i/c电平情况一的电流通路如图4所示，T11?T42对应的开关状态依次是10011001；子模块电容并联输出Uc电平情况二的电流通路如图5所示，T11?T42对应的开关状态依次是01100110;子模块串联Cl旁路C2输出￡/c电平的电流通路如图6所示，T11?T42对应的开关状态依次是00110011；子模块旁路Cl串联C2输出￡/c电平的电流通路如图7所示，T11?T42对应的开关状态依次是11001100 ；子模块输出2 ￡/c电平的电流通路如图8所示，T11?T42对应的开关状态依次是00111100。其中，为了输出￡/c电平，不应接入单个电容，而应通过开关导通配合使两电容Cl和C2并联输出。在并联瞬间，￡/cl等于￡/C2，实现了子模块的自均压功能。由于这种均压限于一个子模块内部的两个电容之间，故称之为局部自均压。
[0013]图9为并联全桥子模块(P-FBSM)拓扑，由一个FBSM经开关翻转得到。一个P-FBSM包含8个IGBT开关组和I个电容，保留了与I个FBSM相同的器件数量和电压输出能力。正常运行情况下，单个P-FBSM可以输出O、￡/c、-￡/c三种电平。以下以“I”表示IGBT开关导通，“O”表示关断。子模块输出O电平即旁路情况一的电流通路如图10所示，T11?T42对应的开关状态依次是11001100；子模块输出O电平即旁路情况二的电流通路如图11所示，T11?T42对应的开关状态依次是00110011;子模块邻子模块电容并联连接示意图如图12所示，T11?T42对应的开关状态依次是01101001;子模块输出-￡/c电平的电流通路如图13所示，T11?T42对应的开关状态依次是11000011;子模块串联输出i/c电平的电流通路如图14所示，T11?T42对应的开关状态依次是00111100。当子模块并联输出￡/c电平，两相邻子模块电容并联，实现了子模块的自均压功能。若一个桥臂中多个甚至所有子模块电容存在并联状态，从而实现其电压的均衡，称之为整体自均压。
[0014]由于新型子模块拓扑具备局部或整体自均压功能，通过特定的导通状态使电容并联达到均压效果，这样可以简化甚至取消排序均压算法。此时决定哪些子模块投入的因素将是子模块充放电均衡控制机制。针对D-HBSM，一个D-HBSM所包含的两个电容在相同的并联支路，同时进行充放电过程，其电压应时刻保持相等或非常接近。为充分发挥D-HBSM的自均压功能，应尽量使子模块内两电容并联以输出i/c电平。P-FBSM相比传统MMC子模块多了一个端口，控制更加灵活，具有整体自均压功能。为充分利用并联均压特性，应使子模块间电容尽可能多地并联。P-FBSM依靠并联过程均压，无需子模块电容电压信息，当充分利用所有子模块并联时，认为各子模块电容电压相差很小;为使所有子模块电容电压变化趋于一致，应将电容充放电过程均匀分布于各个子模块之间，即采取开关组轮换导通策略。
[0015]P-FBSM由FBSM翻转重构而来，其清除直流故障电流原理与FBSM相同。在包含P-FBSM的MMC-HVDC系统中，直流侧发生单极接地或者双击短路故障时，伴随着投入模块电容的充电效应，能够保证投入模块电容电压之和迅速大于交流电压的幅值，从而实现二级管的反向偏置，达到抑制故障电流的效果。
[0016]由上述具体说明可知，结合适当的控制方法，所提出的新型混合MMC拓扑具备直流故障清除和子模块电容电压自均衡能力。
[0017]最后应当说明的是:所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
【主权项】
1.兼具直流故障清除和局部自均压能力的新型混合MMC拓扑，其特征在于:包括由A、B、C三相构成的丽C模型，A、B、C三相分别由2Λ个子模块和2个桥臂电抗器串联而成；在每相半桥臂的Λ个子模块中，有#个双半桥子模块(Double Half-bridge Sub-module，D_HBSM)和(HO个并联全桥子模块(Paralleled Full-bridge Sub-module ,P-FBSM)，其中均为正整数，且狀见2.根据权利I所述的兼具直流故障清除和局部自均压能力的新型混合MMC拓扑，其特征在于:考虑IGBT开关组并联时，新型混合MMC拓扑所包含的新型子模块拓扑一一双半桥子模块(D-HBSM)由两个半桥子模块(Half-bridge Sub-module，HBSM)反串联拓扑经翻转重构得到； 一个D-HBSM保留了与两个HBSM相同的器件数量和电压输出能力，可以输出O、￡/c、2 ￡/c三种电平； 当D-HBSM输出￡/c时，合理选取IGBT的开关状态，可以实现子模块内两个电容的并联，从而实现每个D-HBSM内部两个电容的局部自电压。3.根据权利I所述的兼具直流故障清除和局部自均压能力的新型混合MMC拓扑，其特征在于:考虑IGBT开关组并联时，新型混合MMC拓扑所包含的新型子模块拓扑一一并联全桥子模块(P-FBSM)由全桥子模块(Full-bridge Sub-module，FBSM)拓扑经翻转重构得到； 一个P-FBSM保留了与一个FBSM相同的器件数量和电压输出能力，可以输出O、￡/c、-￡/c三种电平； 通过对IGBT的控制可以使任意相邻P-FBSM电容并联，因此采用P-FBSM的MMC具备整体自均压能力。4.根据权利I所述的兼具直流故障清除和局部自均压能力的新型混合MMC拓扑，其特征在于:P-FBSM由FBSM翻转而来，具备直流故障电流箝位能力； 将该拓扑应用于直流输电中，直流侧发生单极接地或者双极短路故障时，伴随着投入模块电容的充电效应，能够保证投入模块电容电压之和迅速大于交流电压的幅值，从而实现二级管的反向偏置，达到抑制故障电流的效果； 将P-FBSM与D-HBSM组成混合MMC，可以用于清除直流故障。5.根据权利I所述的兼具直流故障清除和局部自均压能力的新型混合MMC拓扑，其特征在于:兼具直流故障清除和局部自均压能力的新型混合MMC拓扑，不仅能作为多电平电压源换流器直接应用于柔性直流输电领域，也能通过构成原理类似MMC的装置应用于柔性交流输电领域;间接利用该发明拓扑及思想的其他应用场合在权利范围内。
【文档编号】H02M7/797GK105958856SQ201610451209
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月22日
【发明人】许建中, 石璐, 赵成勇, 张帆
【申请人】华北电力大学