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

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
【专利摘要】本实用新型提供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。半桥/单箝位混联MMC自均压拓扑中，半桥/单箝位混联MMC模型与自均压辅助回路通过辅助回路中的6N个辅助开关发生电气联系，辅助开关闭合，两者构成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，辅助开关打开，拓扑等效为半桥/单箝位混联MMC拓扑。在不强调两种拓扑差异的情况下，辅助开关中的6K个机械开关可以省略。该半桥/单箝位混联MMC自均压拓扑，可以箝位直流侧故障，同时不依赖于专门的均压控制，能够在完成直交流能量转换的基础上，自发地实现子模块电容电压的均衡，此外可以相应降低子模块触发频率和电容容值，实现MMC的基频调制。
【专利说明】
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
技术领域
[0001] 本实用新型涉及柔性输电领域，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。 【实用新型内容】
[0007] 针对上述问题，本实用新型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] 本实用新型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，第八个辅助电容正极经辅助开关、钳位二极管连接C相下 桥臂第N个子模块电容正极，第七个辅助电容负极经辅助开关、钳位二极管连接B相下桥臂 第N个子模块电容负极;C相子模块的连接关系与B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B相一致，同时第五个辅助电容负极经辅助开关、钳位二极管连接C相 上桥臂第一个子模块电容负极，第六个辅助电容正极经辅助开关、钳位二极管连接A相上桥 臂第一个子模块电容正极，第七个辅助电容负极经辅助开关、钳位二极管连接C相下桥臂第 N个子模块电容负极，第八个辅助电容正极经辅助开关、钳位二极管连接A相下桥臂第N个子 模块电容正极。
【附图说明】
[0012] 图1是半桥子模块的结构示意图；
[0013] 图2是单箝位子模块的结构示意图；
[0014] 图3是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。
【具体实施方式】
[0015] 为进一步阐述本实用新型的性能与工作原理，以下结合附图对对实用新型的构成 方式与工作原理进行具体说明。但基于该原理的半桥/单箝位混联MMC自均压拓扑不限于图 3〇
[0016] 参考图3,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/单箝位混联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。
[0017] 半桥/单箝位混联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O au-J 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 C-au-_i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CitH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C- au-j(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Cm 1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-1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C- ai-_i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C_ai-_i-i负极相连接;A相下桥臂的第K个子模块，其子模块电容C- ai j(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C- ai-_K-i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C-bu-j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C-bu-_2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C_bu-_i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 +1个子模块电容 C-bu-_1+1正极相连接;B相上桥臂的第K个子模块，其子模块电容C-bu-j(正极向上与B相上桥臂 的第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C-bi-_i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C-bi_i正极向上与B相下桥臂的第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相下桥臂的第i+Ι个子模块电容C- bl-_1+1正极相连接;B相下桥臂 的第K个子模块，其子模块电容C-bij(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相一致。
[0018]自均压辅助回路中，辅助电容C1与辅助电容C2通过钳位二极管并联，辅助电容C 2正 极连接辅助IGBT模块T1，辅助电容C1负极连接钳位二极管并入直流母线正极;辅助电容C 3与 辅助电容C4通过钳位二极管并联，辅助电容C3负极连接辅助IGBT模块T 2,辅助电容C4正极连 接钳位二极管并入直流母线负极;辅助电容(：5与辅助电容C 6通过钳位二极管并联，辅助电容 C5正极连接辅助IGBT模块T3，辅助电容C6负极连接钳位二极管并入直流母线正极;辅助电容 C7与辅助电容C8通过钳位二极管并联，辅助电容C8负极连接辅助IGBT模块Τ4,辅助电容C 7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Kau_12连接A相上桥臂中第 1个子模块电容C-au-_i与辅助电容Cl正极;通过辅助开关K au_i2、Kau_(i+1) 2连接A相上桥臂中第i 个子模块电容C-au-_i与第i+Ι个子模块电容C-au-_i+1的正极，其中i的取值为1~K-1;通过辅助 开关K au_K2、TauJ(+l连接A相上桥臂中第K个子模块电容C-au-J(与第K+1个子模块电容C- au_K+l正 极;通过辅助开关1'311」、1'￡111」+ 1连接4相上桥臂中第」个子模块电容(]-￡111-」与第」+ 1个子模块电 容C-au-」+1的正极，其中j的取值为K+1~N-I;通过辅助开关T au_N、Kai_12连接A相上桥臂中第N 个子模块电容C_aU_N与A相下桥臂第1个子模块电容C-al-_l正极;通过辅助开关Kal_ _i2、Kal-(i+l)2 连接A相下桥臂中第i个子模块电容C-al-_i与第i+Ι个子模块电容C-al-_i+l的正极，其中i的取 值为1~K-I ;通过辅助开关Kal_K2、Tal_K+l连接A相下桥臂中第K个子模块电容Oal-J(与第K+1 个子模块电容C-al-_K+l正极;通过辅助开关1' 31」、1'￡11」+ 1连接八相下桥臂中第」个子模块电容 C-ai」与第j+Ι个子模块电容C-ai-」+1的正极，其中j的取值为K+1~N-1;通过辅助开关T ai_^ 接A相下桥臂中第N个子模块电容C-al_N与辅助电容C 3正极。钳位二极管，通过辅助开关Kbu_12 连接B相上桥臂中第1个子模块电容C-bu-」与辅助电容C2、辅助电容(：5负极;通过辅助开关 Kbu_i2、Kbu_(i+1)2连接B相上桥臂中第i个子模块电容C- bu-_i与第i+1个子模块电容c-bu-_i+1. 极，其中i的取值为1~K-I;通过辅助开关KbuJi2、Tbu_ K+1连接B相上桥臂中第K个子模块电容 C-bu-_K与第K+1个子模块电容C-bu-_K+1负极;通过辅助开关T bu」、Tbu」+1连接B相上桥臂中第j 个子模块电容C_bu-」与第j+1个子模块电容C-bu-」+1负极，其中j的取值为K+1~N-1;通过辅 助开关Tbu_N、Kbl_12连接B相上桥臂中第N个子模块电容C-bu-_N与B相下桥臂中第1个子模块电 容Obij负极;通过辅助开关&1」2、1(1 )1_(1+1)2连接13相下桥臂中第;[个子模块电容01)1-_：1与第1+ 1个子模块电容C_bi-_i+i负极，其中i的取值为1~K-I;通过辅助开关Kbi_K2、Tbi_K+i连接B相下 桥臂中第K个子模块电容CiiJ(与第K+1个子模块电容C_bi-_K+i负极；通过辅助开关Tbi」、 Tbi」+i连接B相下桥臂中第j个子模块电容C-bi-j与第j+1个子模块电容C_bi」+i负极，其中j的 取值为K+1~N-1;通过辅助开关T bi_N连接B相下桥臂中第N个子模块电容C-bi-_N与辅助电容 C4、辅助电容C7负极。辅助电容C6正极经辅助开关Κ?_12、钳位二极管连接C相上桥臂第一个子 模块电容C c0正极;辅助电容C8正极经辅助开关Tcl_N、钳位二极管连接C相下桥臂第N个子模 块电容Ccl_N正极。
[0019] 正常情况下，自均压辅助回路中6N个辅助开关Kau_i2、Kal_i2、Kbu_i2、Kbl_i2、Kcu_i2、 Kci_i2、Tau」、Tai」、Tbu」、Tbi」、T cu」、Tel」常闭，其中i的取值为1~K，j的取值为K+1~N，A相上 桥臂第一个子模块电容C-au-j旁路时，此时辅助IGBT模块T1断开，子模块电容Cu与辅助 电容CMI过钳位二极管并联;A相上桥臂第i个子模块电容C- au-_i旁路时，其中i的取值为2~ N，子模块电容C-au-_i与子模块电容C-au-_i-i通过钳位二极管并联;A相下桥臂第一个子模块 电容C- aij旁路时，子模块电容C_ai-_^过钳位二极管、两个桥臂电抗器Lo与子模块电容 C-au-_N并联;A相下桥臂第i个子模块电容C-ai_i旁路时，其中i的取值为2~N，子模块电容 C-ai-_i与子模块电容(:-^^通过钳位二极管并联;辅助IGBT模块T2闭合时，辅助电容C 3通过 钳位二极管与子模块电容C-al_N并联。
[0020] 正常情况下，自均压辅助回路中6N个辅助开关Kau_i2、Kal_i2、Kbu_i2、Kbl_i2、Kcu_i2、 Kcdj2、Tau」、Tai」、Tbu」、Tbi」、T?」、Ted」常闭，其中i的取值为1~K，j的取值为K+1~N，辅助 IGBT模块T1闭合时，辅助电容C2与子模块电容C-bu-j通过钳位二极管并联;B相上桥臂第i个 子模块电容C-bu-_i旁路时，其中i的取值为1~N-I，子模块电容C-bu-_i与子模块电容C-bu-_i+i 通过钳位二极管并联;B相上桥臂第N个子模块电容C-bu_N旁路时，子模块电容C-bu-_ N通过钳 位二极管、两个桥臂电抗器Lo与子模块电容C_bi-_i并联;B相下桥臂第i个子模块电容C_bi_i 旁路时，其中i的取值为1~N-I，子模块电容C-bi-_i与子模块电容C_bi_i+i通过钳位二极管并 联;B相下桥臂第N个子模块电容C_bl_N旁路时，子模块电容C_bl-_N与辅助电容C_4通过钳位二 极管并联。上述辅助IGBT模块T 1的触发信号与A相上桥臂第一个子模块的触发信号一致;辅 助IGBT模块T2的触发信号与B相下桥臂第N个子模块的触发信号一致。
[0021] 在直交流能量转换的过程中，各个子模块交替投入、旁路，辅助IGBT模块ThT2交替 闭合、关断，A、B相上下桥臂间电容电压在钳位二极管的作用下，满足下列约束：
[00^?
[0023]辅助电容&、(：2电压之间，辅助电容C3、C4电压之间存在不等式约束条件：
[0024]
[0025] 由此可知，在半桥/单箝位混联MMC在完成直交流能量转换的动态过程中，满足下 面的约束条件：
[0026]
[0027]
[0028]
[0029]由上述具体说明可知，该半桥/单箝位混联MMC拓扑具备子模块电容电压自均衡能 力。
[0030]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. 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，其特征在于： 包括由A、B、C三相构成的半桥/单箝位混联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&、C 2、C3、C4、C5、C6、C7、C8，4个辅助 IGBT模块Τ!、T2、T3、T4构成的自均压辅助回路。2. 根据权利1所述的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，其特征在于:Α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C-u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-1，其子模块电容C-au-_i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-1个子模块电容C- au-_i-i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C-au-j(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-1个子模块电容C-m-jw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-1，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-1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-1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-1，其子模块电容C- ai-_i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C-u-i负极 相连接;A相下桥臂的第K个子模块，其子模块电容C- al_K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-1个子模块电容 C-ai-_K-i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-1，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-1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C- bu-j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C-bu-_ 2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~Κ-?， 其子模块电容 C_bu-_i 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C-bu-_i+i正极相连接;B相上桥臂 的第K个子模块，其子模块电容C- bu-_K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-1，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-1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C-bi-_i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-1，其子模块电容C-bi_i正极向上与B 相下桥臂的第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相下桥臂 的第i+Ι个子模块电容C_bi-_i+i正极相连接;B相下桥臂的第K个子模块，其子模块电容C-bi_K 正极向上与B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-1，其子模块IGBT模块与二极管联结点向上与B相下桥臂第j-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-1个子模块IGBT模块中点相连接，其子模块IGBT模块中点向下与直流母线负 极相连接;C相上下桥臂子模块的连接方式可以与A相一致，也可以与B相一致；由于单箝位 子模块的存在，半桥子模块上下输出线之间不必要配置晶闸管;故A、B、C相上下桥臂子模块 的上下输出线之间并联有机械开关Kau_il、Kal_il、Kbu_il、Kbl_il、Kc;u_il、Kc;l_il、Kau」、Kal」、Kbu」、 Kbi」、Kcu」、Kci」，其中i的取值为1~K，j的取值为K+1~N;上述连接关系构成的A、B、C三相地 位一致，三相轮换对称之后的其他拓扑在权利范围内。3.根据权利1所述的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，其特征在于：自均压辅助回路中，辅助电容&与辅助电容C2通过钳位二极管并联，辅助电 容&正极连接辅助IGBT模块T!，辅助电容&负极连接钳位二极管并入直流母线正极;辅助电 容C 3与辅助电容C4通过钳位二极管并联，辅助电容C3负极连接辅助IGBT模块T2,辅助电容C4 正极连接钳位二极管并入直流母线负极;辅助电容(： 5与辅助电容C6通过钳位二极管并联，辅 助电容C5正极连接辅助IGBT模块Τ 3,辅助电容C6负极连接钳位二极管并入直流母线正极;辅 助电容C7与辅助电容C 8通过钳位二极管并联，辅助电容C8负极连接辅助IGBT模块T4,辅助电 容C7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K au_12连接A相上桥 臂中第1个子模块电容C-au-_i与辅助电容Ci正极;通过辅助开关K au_i2、Kau_a+m连接A相上桥 臂中第i个子模块电容C-au-_i与第i+1个子模块电容C- au-_i+1的正极，其中i的取值为1~K-1; 通过辅助开关Kau_ K2、Tau_K+1连接A相上桥臂中第K个子模块电容C-au-_ K与第K+1个子模块电容 C-au_K+l正极;通过辅助开关1'311」、1311」+ 1连接4相上桥臂中第」个子模块电容(]-￡111-」与第」+ 1个 子模块电容C-au-」+1的正极，其中j的取值为K+1~N-1;通过辅助开关T au_N、Kai_12连接A相上桥 臂中第N个子模块电容C_ au_N与A相下桥臂第1个子模块电容C-ai-_i正极;通过辅助开关Kai_i2、 Kal_a + 1)2连接A相下桥臂中第i个子模块电容C-al-_i与第i + 1个子模块电容C-al-_i + l的正极，其 中i的取值为1~K-1;通过辅助开关Kal_K2、Tal_K+l连接A相下桥臂中第K个子模块电容C_al-_K 与第K+1个子模块电容C-al-_K+l正极;通过辅助开关1'31」、1'￡11」+ 1连接厶相下桥臂中第]_个子模 块电容C-al_j与第j+Ι个子模块电容C-ai-」 +1的正极，其中j的取值为K+1~N-ι;通过辅助开关 Tal_N连接A相下桥臂中第N个子模块电容C-al_N与辅助电容C 3正极;钳位二极管，通过辅助开 关Kbu_12连接B相上桥臂中第1个子模块电容C-bu-_l与辅助电容C2负极;通过辅助开关Kbu_i2、 Kbu_(i+1)2连接B相上桥臂中第i个子模块电容C-bu-_i与第i+1个子模块电容c- bu-_i+1负极，其中 i的取值为1~K-ι;通过辅助开关Kbu_K2、Tbu_K+1连接B相上桥臂中第K个子模块电容C- bu-_K与 第K+1个子模块电容C-bu-_K+i负极;通过辅助开关Tbu_j、Tbu」+i连接B相上桥臂中第j个子模块 电容C- bu-」与第j + Ι个子模块电容C-bu-」+1负极，其中j的取值为K+1~N-1;通过辅助开关 Tbu_N、Kbi_i2连接B相上桥臂中第N个子模块电容C-bu-_N与B相下桥臂中第1个子模块电容C-bi_i 负极;通过辅助开关Kbi_i2、Kbi_a+m连接B相下桥臂中第i个子模块电容C_bi-_i与第i+1个子 模块电容C- bi-_i+1负极，其中i的取值为1~K-1;通过辅助开关Kbi_K2、Tbi_ K+1连接B相下桥臂中 第K个子模块电容C-bij(与第K+1个子模块电容C_bi-_K+i负极;通过辅助开关1'1 )1」、1'1)1」+1连接13 相下桥臂中第j个子模块电容C_bi-」与第j+Ι个子模块电容C_bi」+i负极，其中j的取值为K+1 ~N-1;通过辅助开关Tbi_N连接B相下桥臂中第N个子模块电容C-bi-_N与辅助电容C4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，同时辅助电容C 6正极经辅助开关Κ?_12、钳位二极管连接C相上桥臂第一个子模块电容 Cc〇正极，辅助电容(：5负极经辅助开关Kbu_12、钳位二极管连接Β相上桥臂第一个子模块电容 Cb〇负极，辅助电容C8正极经辅助开关Tcl_N、钳位二极管连接C相下桥臂第N个子模块电容 Ccl_N的正极，辅助电容C7负极经辅助开关Tbl_ N、钳位二极管连接B相下桥臂第N个子模块电容 Cbi_N负极;C相子模块的连接关系与B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B相一致，同时辅助电容(： 5负极经辅助开关Κ?_12、钳位二极管连接C相上桥臂第一个 子模块电容Cc〇负极，辅助电容C 6正极经辅助开关1〇2、钳位二极管连接Α相上桥臂第一个 子模块电容Ca〇正极，辅助电容C 7负极经辅助开关Tca_N、钳位二极管连接C相下桥臂第N个子 模块电容Cca_N负极，辅助电容C 8正极经辅助开关Tal_N、钳位二极管连接A相下桥臂第N个子模 块电容Cal_N正极;上述A、B、C三相中 6N个辅助开关Kau_i2、Kal_i2、Kbu_i2、Kbl_i2、Kcu_i2、Kcl_i2、 Tau」、Tai」、Tbu」、Tbi」、Tcu」、Ted」，其中i的取值为1~K，j的取值为K+1~N，6N+11个钳位二极 管，8个辅助电容&、C 2、C3、C4、C5、C6、C7、C8及4个辅助IGBT模块Τ!、T 2、T3、T4，共同构成自均压 辅助回路。4.根据权利1所述的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，其特征在于：正常情况时，自均压辅助回路中6Ν个辅助开关Kau_i2、Kai_ i2、Kbu_i2、Kbi_i2、 Kcu_i2、Kci_i2、Tau」、T ai」、Tbu」、Tbi」、Tcu」、Tci」常闭，其中i的取值为1~K，j的取值为K+1~N; 故障情况时，6N-6K个辅助开关T au」、Tai」、Tbu」、Tbi」、Tcu」、Tea」断开，其中j的取值为K+1~ N;正常情况下，A相上桥臂第一个子模块电容C-au-j旁路时，此时辅助IGBT模块Ti断开，子模 块电容C- au-_i与辅助电容(^通过钳位二极管并联;A相上桥臂第i个子模块电容C-au-_i旁路 时，其中i的取值为2~N，子模块电容C- au-_i与子模块电容C-au-_i-通过钳位二极管并联;A相 下桥臂第一个子模块电容C_al_l旁路时，子模块电容C_al-_1通过钳位二极管、两个桥臂电抗 器Lo与子模块电容C- au-_N并联;A相下桥臂第i个子模块电容C-ai_i旁路时，其中i的取值为2 ~N，子模块电容C_al-_i与子模块电容C_al_i-1通过钳位二极管并联;辅助IGBT模块T2闭合时， 辅助电容c 3通过钳位二极管与子模块电容C-ai_N并联;辅助IGBT模块Ti闭合时，辅助电容C2 与子模块电容C-bu-j通过钳位二极管并联;B相上桥臂第i个子模块电容C-bu-j旁路时，其中 i的取值为1~N-1，子模块电容C_bu-_i与子模块电容C_bu-_i+i通过钳位二极管并联;B相上桥 臂第N个子模块电容C_bu_N旁路时，子模块电容C-bu-_N通过钳位二极管、两个桥臂电抗器L〇与 子模块电容C_bi-_i并联;B相下桥臂第i个子模块电容C_bi_i旁路时，其中i的取值为1~N-1， 子模块电容C-bi-_i与子模块电容C_bi_i+i通过钳位二极管并联;B相下桥臂第N个子模块电容 C-bi_N旁路时，子模块电容C-bi-_N与辅助电容C-4通过钳位二极管并联;其中辅助IGBT模块h 的触发信号与A相上桥臂第一个子模块的触发信号一致;辅助IGBT模块T2的触发信号与B相 下桥臂第Ν个子模块的触发信号一致;在直交流能量转换的过程中，各个子模块交替投入、 旁路，辅助IGBT模块。、^交替闭合、关断，A相上下桥臂子模块电容电压在钳位二极管的作 用下，满足下列约束，Uci 2 Uc-au_l 2 Uc-au_2 …2 Uc-au_N 2 Uc-al_l 2 Uc-al_2··· 2 Uc-al_N 2 Uc3;B 相上 下桥臂子模块电容电压在钳位二极管的作用下，满足下列约束，UC2 < Uc-bu_l < Uc-bu_2··· < Uc-bu_N < Uc-bl_l < Uc-bl_2··· < Uc-bl_N < UC4;依靠着辅助电容Cl、C2电压之间，辅助电容C3、C4电压 之间的两个不等式约束，说1<1^ 2，1^32说4 4』相上下桥臂中4~个子模块电容，(^」、(^1」、 Cbu_i、Cbi_i，其中i取值为1~N，以及辅助电容Ci、C2、C3、C4，的电压处于自平衡状态，拓扑A、B 相间具备子模块电容电压自均衡能力;若拓扑中C相的构成形式与A相一致，则通过辅助电 容C5、C6、C7、C 8的作用，C、B相间电容电压的约束条件与A、B之间电容电压约束条件类似;若 拓扑中C相的构成形式与B相一致，则通过辅助电容C 5、C6、C7、Cs的作用，A、C相间电容电压的 约束条件与A、B之间电容电压约束条件类似，拓扑具备子模块电容电压自均衡能力;在利用 钳位二极管实现相内相邻子模块间电容能量单相流动的基础上，依靠辅助电容间的不等式 约束，实现电容能量的相间流动构成电容能量的循环通路，进而保持相间子模块电容电压 稳定，是该权利的保护内容。5.根据权利1所述的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，其特征在于: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，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，也能通过构成静止同步补偿器 (STATCOM)，统一电能质量调节器(UPQC)，统一潮流控制器(UPFC)等装置应用于柔性交流输 电领域;间接利用该实用新型拓扑及思想的其他应用场合在权利范围内。
【文档编号】H02M7/49GK205657607SQ201620068899
【公开日】2016年10月19日
【申请日】2016年1月25日 公开号201620068899.5, CN 201620068899, CN 205657607 U, CN 205657607U, CN-U-205657607, CN201620068899, CN201620068899.5, CN205657607 U, CN205657607U
【发明人】赵成勇, 许建中, 刘航
【申请人】华北电力大学