基于不等式约束的无辅助电容式半桥/全桥混联mmc自均压拓扑的制作方法
专利名称:基于不等式约束的无辅助电容式半桥/全桥混联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无辅助电容式半桥/全桥混联MMC自均压拓扑。半桥/全桥混联MMC自均压拓扑中，半桥/全桥混联MMC模型与自均压辅助回路通过辅助回路中的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无辅助电容式半桥/全桥混联MMC自均压拓扑，辅助开关打开，拓扑等效为半桥/全桥混联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/全桥混联MMC自均压拓扑，具有直流故障箝位能力，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，同时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】
基于不等式约束的无辅助电容式半桥/全桥混联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无辅助电容式半 桥/全桥混联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/全桥混联MMC由半桥和全桥子模块组合而成，半桥子模块结构简单，成本低， 运行损耗小，全桥子模块具有直流故障箝位能力。
[0004] 与两电平、三电平VSC不同，丽C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MMC中子模块电容电压均衡问题的 主流思路。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，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/全桥混联MMC自均 压拓扑。
[0008] 本实用新型具体的构成方式如下。
[0009] 基于不等式约束的无辅助电容式半桥/全桥混联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J个半桥子模块、# -ΛΓ个全桥子模块及1 个桥臂电抗器串联而成;包括由6#个辅助开关(6J个机械开关，6# -6J个IGBT模块），6# +1个钳位二极管组成的自均压辅助回路。
[0010]上述基于不等式约束的无辅助电容式半桥/全桥混联MMC自均压拓扑，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~J -1，其子模块电容负极向下与A相上桥臂的第i +1个子模块IGBT模块中点相 连接，其子模块IGBT模块中点向上与A相上桥臂的第i -1个子模块电容负极相连接;A相上 桥臂的第I个半桥子模块，其子模块电容负极向下与A相上桥臂的第I +1个子模块一个 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J -1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J +2~# -1，其子模块一个IGBT模 块中点向下与A相上桥臂第J +1个子模块一个IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模块中点 向上与第A相上桥臂第J -1个子模块一个IGBT模块中点相连接;A相上桥臂第#个子模块， 其子模块一个IGBT模块中点向下经两个桥臂电抗器Z 〇与A相下桥臂的第1个子模块IGBT模 块中点相连接，另一个IGBT模块中点向上与A相上桥臂的第# -1个子模块一个IGBT模块中 点相连接;A相下桥臂的第i个子模块，其中i的取值为2~J-1，其子模块电容负极向下与 A相下桥臂第i +1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 -1 个子模块电容负极相连接;A相下桥臂的第个子模块，其子模块电容负极向下与第A相下 桥臂第+1个子模块一个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 -1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J +2~# -1， 其子模块一个IGBT模块中点向下与A相下桥臂第J +1个子模块一个IGBT模块中点相连接， 另一个IGBT模块中点向上与A相下桥臂第J -1个子模块一个IGBT模块中点相连接;A相下桥 臂第#个子模块一个IGBT模块中点向下与直流母线负极相连接，另一个IGBT模块中点向上 与A相下桥臂的第jV -1个子模块一个IGBT模块中点相连接。B相上桥臂的第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2~1-1，其子模块 电容正极向上与B相上桥臂的第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相上桥臂的第i +1个子模块电容正极相连接;B相上桥臂的第个子模块，其子 模块电容正极向上与B相上桥臂的第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相上桥臂第J +1个子模块一个IGBT模块中点相连接;B相上桥臂的第J个子 模块，其中J的取值为+2~# -1，其子模块一个IGBT模块中点向上与B相上桥臂第J -1个 子模块一个IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模块中点向下与B相上桥臂第J +1个子模块 一个IGBT模块中点相连接;B相上桥臂第#个子模块，其子模块一个IGBT模块中点向上与B 相上桥臂第jV -1个子模块一个IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模块中点向下经两个桥臂 电抗器Z 〇与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~J -1，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I个子模块，其子模块电容正极向上与B相下桥臂第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相下桥臂第J +1个子模块一个IGBT模块中点相连 接;B相下桥臂第个子模块，其中的取值为J+2~#-1，其子模块一个IGBT模块中点向 上与B相下桥臂第J -1个子模块一个IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模块中点向下与B相 下桥臂第J +1个子模块一个IGBT模块中点相连接;B相下桥臂第jV个子模块，其子模块一个 IGBT模块中点向上与B相下桥臂第# -1个子模块一个IGBT模块中点相连接，另一个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无辅助电容式半桥/全桥混联MMC自均压拓扑，其自均压辅 助回路中，钳位二极管，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 +1个子模 块电容正极，其中i的取值为1~# -1;通过辅助开关连接A相上桥臂中第#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 +1个子模块电容正极，其中i的取值为1~#-1。钳位二极管，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~# -1;通过辅助开关连接B相上桥臂中第#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~# -1。同时钳位二极管，通过辅助开关连接A相上桥臂第一个子模 块电容与B相上桥臂第一个子模块电容负极;通过辅助开关连接A相下桥臂第jV个子模块电 容与B相下桥臂第#个子模块电容正极。C相钳位二极管的连接关系与其子模块的连接关系 相对应。
【附图说明】
[0012] 下面结合附图对本实用新型进一步说明。
[0013] 图1是半桥子模块的结构示意图；
[0014] 图2是全桥子模块的结构示意图；
[0015] 图3是基于等式约束的辅助电容集中式半桥/全桥混联MMC自均压拓扑。
【具体实施方式】
[0016] 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/全桥混联MMC自均压拓扑不限于图3。
[0017] 参考图3,基于不等式约束的无辅助电容式半桥/全桥混联MMC自均压拓扑，包括由 A、B、C三相构成的半桥/全桥混联MMC模型，A、B、C三相每个桥臂分别由J个半桥子模块、# -尤个全桥子模块及1个桥臂电抗器串联而成;包括6jV个辅助开关(6J个机械开关，6jV-6J 个IGBT模块）以及6#+1个箝位二极管构成的自均压辅助回路。
[0018] 半桥/全桥混联MMC模型中，A相上桥臂的第1个子模块，其子模块电容C-m-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~J-1，其子模块电容C- au-j 负极向下与A相上桥臂的第i +1个子模块IGBT模块中点相连接，其子模块IGBT模块中点向 上与A相上桥臂的第i -1个子模块电容C-au-_H负极相连接;A相上桥臂的第个半桥子模 块，其子模块电容C-au-_A^l极向下与A相上桥臂的第J +1个子模块一个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-1个子模块电容C-au-_H负极相连接;A 相上桥臂的第J个子模块，其中J的取值为+2~# -1，其子模块一个IGBT模块中点向下 与A相上桥臂第J +1个子模块一个IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模块中点向上与第A相 上桥臂第J -1个子模块一个IGBT模块中点相连接;A相上桥臂第#个子模块，其子模块一个 IGBT模块中点向下经两个桥臂电抗器Ζ ο与A相下桥臂的第1个子模块IGBT模块中点相连接， 另一个IGBT模块中点向上与A相上桥臂的第# -1个子模块一个IGBT模块中点相连接;A相下 桥臂的第i个子模块，其中i的取值为2~J-1，其子模块电容C-ai-_i负极向下与A相下桥臂 第i +1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 -1个子模块 电容C_ai-_i-i负极相连接;A相下桥臂的第J个子模块，其子模块电容极向下与第A相 下桥臂第尤+1个子模块一个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 第尤-1个子模块电容负极相连接;A相下桥臂第个子模块，其中的取值为尤+2~ jV -1，其子模块一个IGBT模块中点向下与A相下桥臂第J +1个子模块一个IGBT模块中点相 连接，另一个IGBT模块中点向上与A相下桥臂第J -1个子模块一个IGBT模块中点相连接;A 相下桥臂第#个子模块一个IGBT模块中点向下与直流母线负极相连接，另一个IGBT模块中 点向上与A相下桥臂的第jV -1个子模块一个IGBT模块中点相连接。B相上桥臂的第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Cbu-_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~J -1，其子模块电容C-bu-_,正极向上与B相上桥臂的第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相上桥臂的第i +1个子模块电容C_bu-_i+i正极相连 接;B相上桥臂的第J个子模块，其子模块电容C-bu-_AiH极向上与B相上桥臂的第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相上桥臂第J +1个子模块一个 IGBT模块中点相连接;B相上桥臂的第J个子模块，其中J的取值为J +2~# -1，其子模块 一个IGBT模块中点向上与B相上桥臂第J -1个子模块一个IGBT模块中点相连接，另一个 IGBT模块中点向下与B相上桥臂第J +1个子模块一个IGBT模块中点相连接;B相上桥臂第# 个子模块，其一个IGBT模块中点向上与B相上桥臂第# -1个子模块一个IGBT模块中点相连 接，另一个IGBT模块中点向下经两个桥臂电抗器Z 〇与B相下桥臂的第1个子模块电容Cbi-j 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~J-1，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C~bi-_i+i正极相连接;B相下桥臂的第J个子模块，其子模 块电容Cbij正极向上与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 +1个子模块一个IGBT模块中点相连接;B相下桥臂第J个子模 块，其中J的取值为+2~# -1，其一个IGBT模块中点向上与B相下桥臂第J -1个子模块一 个IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模块中点向下与B相下桥臂第J +1个子模块IGBT-个 IGBT模块中点相连接;B相下桥臂第#个子模块，其子模块一个IGBT模块中点向上与B相下 桥臂第# -1个子模块一个IGBT模块中点相连接，另一个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。
[0019]自均压辅助回路中，钳位二极管，通过辅助开关 臂中第i个子模块电容与第i +1个子模块电容(^au-_i+i的正极，其中i的取值为1~J -1;通过辅助开关J^au_i2、rau_i+l连接A相上桥臂中第J个子模块电容Cau-_A·与第J+1个子 模块电容[- ￡11^+1正极；通过辅助开关71￡111」/7/11_>1连接八相上桥臂中第7'个子模块电容 与第J +1个子模块电容fau__J+1的正极，其中J的取值为J +1~# -1;通过辅助开关 ra u _Λ?、Ja 1_12连接A相上桥臂中第#个子模块电容C-auJ与A相下桥臂第1个子模块电容 正极;通过辅助开关Ja 1 _i 2、Ja l_(i+l)2连接A相下桥臂中第i个子模块电容与第 i +1个子模块电容(^al-_i+1的正极，其中i的取值为1~J -1;通过辅助开关Jalj2、ral_i+1 连接A相下桥臂中第J个子模块电容C_al-_A与第J +1个子模块电容C-al-_i+l正极;通过辅助 开关rai _7·、Γ31_7·+1连接A相下桥臂中第J个子模块电容C- aij·与第J +1个子模块电容 Cal-_J+1的正极，其中的取值为J +1~# -1。钳位二极管，通过辅助开关Xb U」2、Jb U_G+1)2 连接B相上桥臂中第i个子模块电容C-bu-j与第i +1个子模块电容C-bu-j+1负极，其中i的 取值为1~尤-1 ;通过辅助开关Ibu+ffi、fbu+i+l连接B相上桥臂中第J个子模块电容C_bu-_A与 第J +1个子模块电容C-bu-_i+i负极;通过辅助开关Γ?)?ι」·、Γ0ι连接B相上桥臂中第个子 模块电容C-bu-^·与第+1个子模块电容C- bu-_J+1负极，其中的取值为J +1~# -1;通过辅 助开关连接B相上桥臂中第jV个子模块电容6Ηιι-_λ4Β相下桥臂中第1个子模块 电容C-bi_i负极;通过辅助开关Jbi_i2、j^bi_(i+O2连接Β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+i负极，其中i的取值为1~j-l;通过辅助开关Jbi_i2、 rbi_i+i连接B相下桥臂中第J个子模块电容C_bi_i与第J +1个子模块电容Cm+i负极;通过 辅助开关7^1」、711)1_>1连接13相下桥臂中第^/个子模块电容(^-1 )1-_7与第^/+1个子模块电容 C-bi_J+1负极，其中j·的取值为J +1~# -1。同时钳位二极管，通过辅助开关Jbu_12连接A相上 桥臂第一个子模块电容C- au-_i与B相上桥臂第一个子模块电容C_bu-_i负极;通过辅助开关 7/ι_λ连接A相下桥臂第#个子模块电容C- ai_#B相下桥臂第#个子模块电容6Ηι-_λ正极。C 相钳位二极管的连接关系与Α相一致。
[0020] ，自均压辅助回路中 67V 个辅助开关 J^Tau_i 2、J^Tal_i2、J^Tbu_i2、J^Tbl_i2、J^Tcu_i2、 尤。1」2、7311」、7 31」、几11」、几1」、心11」、7。1」常闭，其中'的取值为1~尤，7'的取值 为J+l~#，A相上桥臂第i个子模块电容C- au-j旁路时，其中i的取值为2~#，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_ ai_i旁 路时，子模块电容C-ai-j通过钳位二极管、两个桥臂电抗器Z 〇与子模块电容C-u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~jV，子模块电容C- ai-_i与子模块 电容C-m通过钳位二极管并联。
[0021] 正常情况下，自均压辅助回路中6#个辅助开关2、Xai」 2、Xbu」2、 J^Tb 1-i 2、J^Tcu -i2、尤。1 -i2、fau j、fal j、fbu j、几1 j、feu j、fcl-j常闭，其中 i 的取值为 1 ~尤 ，7前取值为ΛΓ+1~#，B相上桥臂第i个子模块电容c-bu-」旁路时，其中i的取值为1~#-1，子模块电容C- bu-^与子模块电容^^^^通过钳位二极管并联;B相上桥臂第#个子模块 电容C_bu_邊路时，子模块电容C- bu-_通过钳位二极管、两个桥臂电抗器Z 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~#-1，子模块电 容Cbi-_i与子模块电容C_bi_i+i通过钳位二极管并联。
[0022]在直交流能量转换的过程中，各个子模块交替投入、旁路，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： ftaa：：1 ^ 〇Caa_2- - -
[0023] _ U&m.J .V'-V ^????_Α'
[0024] 依靠跨在A、B相间的两个钳位二极管，基于不等式约束的无辅助电容式半桥/全桥 混联MMC自均压拓扑中，子模块电容C-au-_i与子模块电容C_bu-_i的电压之间，子模块电容 Cal-j与子模块电容C_bl_A^电压之间存在下列不等式约束；
[0025] Ub〇i^
[0026] 由此可知，半桥/全桥混联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：
[0027] J · -.2?J, ? ? ^
[0028] C、B相间的约束条件与A、B相间的约束条件一致。
[0029] 由上述具体说明可知，该半桥/全桥混联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. 基于不等式约束的无辅助电容式半桥/全桥混联MMC自均压拓扑，其特征在于:包括 由A、B、C三相构成的半桥/全桥混联MMC模型，A、B、C三相每个桥臂分别由J个半桥子模块、# 个全桥子模块及1个桥臂电抗器串联而成;包括由6J个机械开关，6jV_6J个IGBT模块组 成的辅助开关，以及6#+1个箝位二极管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无辅助电容式半桥/全桥混联MMC自均压拓扑， 其特征在于: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~J-1，其子模块电容C- au-_i负极向下与A相上桥 臂的第i +1个子模块IGBT模块中点相连接，其子模块IGBT模块中点向上与A相上桥臂的第 1个子模块电容负极相连接;A相上桥臂的第J个半桥子模块，其子模块电容 负极向下与A相上桥臂的第J +1个子模块一个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J -1个子模块电容C-au-_A^负极相连接;A相上桥臂的第J个子模 块，其中J的取值为+2~# -1，其子模块一个IGBT模块中点向下与A相上桥臂第J +1个子 模块一个IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模块中点向上与第A相上桥臂第J -1个子模块 一个IGBT模块中点相连接;A相上桥臂第jV个子模块，其子模块一个IGBT模块中点向下经两 个桥臂电抗器Z 〇与A相下桥臂的第1个子模块IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模块中点向 上与A相上桥臂的第jV -1个子模块一个IGBT模块中点相连接;A相下桥臂的第i个子模块， 其中i的取值为2~J-1，其子模块电容C-ai-_i负极向下与A相下桥臂第i +1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J个子模块，其子模块电容二1_说极向下与第A相下桥臂第J +1个子模块一 个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 -1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J+2~#-1，其子模块一个 IGBT模块中点向下与A相下桥臂第J +1个子模块一个IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模 块中点向上与A相下桥臂第J -1个子模块一个IGBT模块中点相连接;A相下桥臂第jV个子模 块一个IGBT模块中点向下与直流母线负极相连接，另一个IGBT模块中点向上与A相下桥臂 的第#-1个子模块一个IGBT模块中点相连接;B相上桥臂的第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Cbu-_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~J-1，其子 模块电容C- bu-_,正极向上与B相上桥臂的第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相上桥臂的第i +1个子模块电容C-bu-_i+i正极相连接;B相上桥臂的 第个子模块，其子模块电容C-bu-_AlH极向上与B相上桥臂的第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相上桥臂第J +1个子模块一个IGBT模块中点相连 接;B相上桥臂的第J个子模块，其中J的取值为J +2~# -1，其子模块一个IGBT模块中点 向上与B相上桥臂第J -1个子模块一个IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模块中点向下与B 相上桥臂第J +1个子模块一个IGBT模块中点相连接;B相上桥臂第#个子模块，其一个IGBT 模块中点向上与B相上桥臂第#-1个子模块一个IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模块中 点向下经两个桥臂电抗器h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~J-1，其子模块电容Cbi_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 +1个子 模块电容C-b i-_i+i正极相连接;B相下桥臂的第J个子模块，其子模块电容Cb 1_A正极向上与B 相下桥臂第尤-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 +1个子模块一个IGBT模块中点相连接;B相下桥臂第J个子模块，其中J的取值为J +2~ # -1，其一个IGBT模块中点向上与B相下桥臂第J -1个子模块一个IGBT模块中点相连接，另 一个IGBT模块中点向下与B相下桥臂第J +1个子模块IGBT-个IGBT模块中点相连接;B相下 桥臂第#个子模块，其子模块一个IGBT模块中点向上与B相下桥臂第jV -1个子模块一个 IGBT模块中点相连接，另一个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；由于全桥子模块的存在，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 XTau_il/K al_il/K hu_il/K cu il^K cl il^K au__j/K al__j/K bu__j^K bl__j、K cu__j/K cl__/，中 J 的取值为1~，J的取值为ΛΓ+1~#;上述连接关系构成的A、B、C三相地位一致。3. 根据权利1所述的基于不等式约束的无辅助电容式半桥/全桥混联MMC自均压拓扑， 其特征在于：自均压辅助回路中，钳位二极管，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 +1个子模块电容<^au-_i+i的正极，其中i的取值为1~J -1;通过辅助开关J^au_ffi、raU_i+l连接A相上桥臂中第J个子模块电容(^au-_A·与第J+1个子模 块电容C- au_i+1正极;通过辅助开关Γ au」、Γ au」+1连接A相上桥臂中第个子模块电容Cau-」 与第J +1个子模块电容的正极，其中J的取值为+1~# -1;通过辅助开关rau_w、 Jal_12连接A相上桥臂中第jV个子模块电容C-au_#A相下桥臂第1个子模块电容正极； 通过辅助开关J^al_i2、Jal_(i+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eal__i+1的正极，其中i的取值为1~j -1;通过辅助开关X al A2、r al i+1连接A相下桥 臂中第J个子模块电容C_al-_A与第J+1个子模块电容C_al-_i+l正极;通过辅助开关falj、 Γ〇1连接A相下桥臂中第个子模块电容Cal」与第+1个子模块电容的正极，其 中J的取值为+1~# -1;钳位二极管，通过辅助开关尤bU」2Jbu_G+m连接B相上桥臂中第 i个子模块电容C-bu-」与第i +1个子模块电容C-bu-」+1负极，其中i的取值为1~J-1;通过 辅助开关尤b u_ffi、rbu_i+l连接B相上桥臂中第J个子模块电容C_bu-_A与第J+1个子模块电容 C-bu-_An负极;通过辅助开关Γ bu」、Γ bu」+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-_J+1负极，其中J的取值为J +1~# -1;通过辅助开关rbuj、Jbi_12连接 B相上桥臂中第jV个子模块电容C-bu-j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j^bi_i2、Jbi_(i+i)2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~J -1;通过辅助开关J bi_A2、Γ bi_i+i连接B相下桥臂中第J 个子模块电容C-bl_A与第J+1个子模块电容C_bl-_AH负极;通过辅助开关fbl j、fbl j+Ι连接B相 下桥臂中第个子模块电容C-bi-j与第+1个子模块电容C-bi_>i负极，其中的取值为尤+ 1~jV -1;同时钳位二极管，通过辅助开关尤bu_i2连接A相上桥臂第一个子模块电容c-au-_i与B 相上桥臂第一个子模块电容C_bu-_1负极;通过辅助开关Τ/ι_Λ连接A相下桥臂第jV个子模块 电容C-ai_^B相下桥臂第jV个子模块电容6Ηι-_λ正极;C相钳位二极管的连接关系与其子模 块的连接关系相对应;上述A、Β、C三相中6#个辅助开关 au_i2、J al_i2、J bu_i2、J bl_i2、J cu_i2、 尤。1」2、7如」、^1」、~11」、以1」、7沈」、7。1」，其中'的取值为1~尤，7，的取值为尤+1~#， 6娘1个钳位二极管，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无辅助电容式半桥/全桥混联MMC自均压拓扑， 其特征在于：正常情况时，自均压辅助回路中6#个辅助开关u」2、i」2、Jb u」2、 Al-i2、leu -i2、lei -i2、fau j、fal j、fbu j、fbl j、feu j、fcl j，常闭，其中 i 的取值为 1 ~U的取值为ΛΓ+1~#;故障情况时，6# -6尤个辅助开关rau j、rai j、rbu j、fbi j、 fcu」、Teaj断开，其中j·的取值为J+l~#;正常情况下，A相上桥臂第i个子模块电容 C-u旁路时，其中i的取值为2~#，子模块电容C-u与子模块电容C-am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Z 〇与子模块电容C-au-_A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~jV，子模块电容C- ai-_i与子模块电容C-ai_i-i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~#-1，子模块电容C_bu-_i与子模块 电容^~^-_, +1通过钳位二极管并联;B相上桥臂第#个子模块电容C-bu_#路时，子模块电容 (^bu-jiE过钳位二极管、两个桥臂电抗器Z 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~# -1，子模块电容Cbi-_i与子模块电容C_bi_i+i通 过钳位二极管并联;同时A相上桥臂第1个子模块电容C_au-_i投入时，子模块电容C_ au-_i与子 模块电容C_bu-_i通过钳位二极管并联;B相下桥臂第jV个子模块电容6Ηι_λ投入时，子模块电 容C- al-^与子模块电容Cbl_A通过钳位二极管并联;在直交流能量转换的过程中，各个子模 块交替投入、旁路，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， i/c-au+l^： i/c-au_2…多"C-au+A^ "C-al_2…多"<^1_~;13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，"C-bu_l^ii/c-bu_2… i/c-bij;依靠跨在A、B相间的两个钳位二极管，基于不等式约束的无辅助电容式半桥/全桥 混联MMC自均压拓扑中，子模块电容C-au-_i与子模块电容C_bu-_i的电压之间，子模块电容 C-al-J与子模块电容C_bl_Ai^]电压之间存在下列不等式约束，i/c-au+l^ii/c-bu+hi/c-al+A^ i/ c-bi基于该不等式约束，A、B相上下桥臂中4#个子模块电容，Ca u」、C a 1 ^、Cb u _i、 Cbl_,，其中i取值为1~#，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 容电压约束条件一致;若拓扑中C相的构成形式与B相一致，则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一致，拓扑具备子模块电容电压自均衡能力。
【文档编号】H02M7/49GK205725505SQ201620068880
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年1月25日
【发明人】赵成勇, 刘航, 许建中
【申请人】华北电力大学
【专利摘要】本实用新型提供基于不等式约束的无辅助电容式半桥/全桥混联MMC自均压拓扑。半桥/全桥混联MMC自均压拓扑中，半桥/全桥混联MMC模型与自均压辅助回路通过辅助回路中的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无辅助电容式半桥/全桥混联MMC自均压拓扑，辅助开关打开，拓扑等效为半桥/全桥混联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/全桥混联MMC自均压拓扑，具有直流故障箝位能力，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，同时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】
基于不等式约束的无辅助电容式半桥/全桥混联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无辅助电容式半 桥/全桥混联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/全桥混联MMC由半桥和全桥子模块组合而成，半桥子模块结构简单，成本低， 运行损耗小，全桥子模块具有直流故障箝位能力。
[0004] 与两电平、三电平VSC不同，丽C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MMC中子模块电容电压均衡问题的 主流思路。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，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/全桥混联MMC自均 压拓扑。
[0008] 本实用新型具体的构成方式如下。
[0009] 基于不等式约束的无辅助电容式半桥/全桥混联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J个半桥子模块、# -ΛΓ个全桥子模块及1 个桥臂电抗器串联而成;包括由6#个辅助开关(6J个机械开关，6# -6J个IGBT模块），6# +1个钳位二极管组成的自均压辅助回路。
[0010]上述基于不等式约束的无辅助电容式半桥/全桥混联MMC自均压拓扑，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~J -1，其子模块电容负极向下与A相上桥臂的第i +1个子模块IGBT模块中点相 连接，其子模块IGBT模块中点向上与A相上桥臂的第i -1个子模块电容负极相连接;A相上 桥臂的第I个半桥子模块，其子模块电容负极向下与A相上桥臂的第I +1个子模块一个 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J -1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J +2~# -1，其子模块一个IGBT模 块中点向下与A相上桥臂第J +1个子模块一个IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模块中点 向上与第A相上桥臂第J -1个子模块一个IGBT模块中点相连接;A相上桥臂第#个子模块， 其子模块一个IGBT模块中点向下经两个桥臂电抗器Z 〇与A相下桥臂的第1个子模块IGBT模 块中点相连接，另一个IGBT模块中点向上与A相上桥臂的第# -1个子模块一个IGBT模块中 点相连接;A相下桥臂的第i个子模块，其中i的取值为2~J-1，其子模块电容负极向下与 A相下桥臂第i +1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 -1 个子模块电容负极相连接;A相下桥臂的第个子模块，其子模块电容负极向下与第A相下 桥臂第+1个子模块一个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 -1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J +2~# -1， 其子模块一个IGBT模块中点向下与A相下桥臂第J +1个子模块一个IGBT模块中点相连接， 另一个IGBT模块中点向上与A相下桥臂第J -1个子模块一个IGBT模块中点相连接;A相下桥 臂第#个子模块一个IGBT模块中点向下与直流母线负极相连接，另一个IGBT模块中点向上 与A相下桥臂的第jV -1个子模块一个IGBT模块中点相连接。B相上桥臂的第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2~1-1，其子模块 电容正极向上与B相上桥臂的第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相上桥臂的第i +1个子模块电容正极相连接;B相上桥臂的第个子模块，其子 模块电容正极向上与B相上桥臂的第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相上桥臂第J +1个子模块一个IGBT模块中点相连接;B相上桥臂的第J个子 模块，其中J的取值为+2~# -1，其子模块一个IGBT模块中点向上与B相上桥臂第J -1个 子模块一个IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模块中点向下与B相上桥臂第J +1个子模块 一个IGBT模块中点相连接;B相上桥臂第#个子模块，其子模块一个IGBT模块中点向上与B 相上桥臂第jV -1个子模块一个IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模块中点向下经两个桥臂 电抗器Z 〇与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~J -1，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I个子模块，其子模块电容正极向上与B相下桥臂第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相下桥臂第J +1个子模块一个IGBT模块中点相连 接;B相下桥臂第个子模块，其中的取值为J+2~#-1，其子模块一个IGBT模块中点向 上与B相下桥臂第J -1个子模块一个IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模块中点向下与B相 下桥臂第J +1个子模块一个IGBT模块中点相连接;B相下桥臂第jV个子模块，其子模块一个 IGBT模块中点向上与B相下桥臂第# -1个子模块一个IGBT模块中点相连接，另一个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无辅助电容式半桥/全桥混联MMC自均压拓扑，其自均压辅 助回路中，钳位二极管，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 +1个子模 块电容正极，其中i的取值为1~# -1;通过辅助开关连接A相上桥臂中第#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 +1个子模块电容正极，其中i的取值为1~#-1。钳位二极管，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~# -1;通过辅助开关连接B相上桥臂中第#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~# -1。同时钳位二极管，通过辅助开关连接A相上桥臂第一个子模 块电容与B相上桥臂第一个子模块电容负极;通过辅助开关连接A相下桥臂第jV个子模块电 容与B相下桥臂第#个子模块电容正极。C相钳位二极管的连接关系与其子模块的连接关系 相对应。
【附图说明】
[0012] 下面结合附图对本实用新型进一步说明。
[0013] 图1是半桥子模块的结构示意图；
[0014] 图2是全桥子模块的结构示意图；
[0015] 图3是基于等式约束的辅助电容集中式半桥/全桥混联MMC自均压拓扑。
【具体实施方式】
[0016] 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/全桥混联MMC自均压拓扑不限于图3。
[0017] 参考图3,基于不等式约束的无辅助电容式半桥/全桥混联MMC自均压拓扑，包括由 A、B、C三相构成的半桥/全桥混联MMC模型，A、B、C三相每个桥臂分别由J个半桥子模块、# -尤个全桥子模块及1个桥臂电抗器串联而成;包括6jV个辅助开关(6J个机械开关，6jV-6J 个IGBT模块）以及6#+1个箝位二极管构成的自均压辅助回路。
[0018] 半桥/全桥混联MMC模型中，A相上桥臂的第1个子模块，其子模块电容C-m-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~J-1，其子模块电容C- au-j 负极向下与A相上桥臂的第i +1个子模块IGBT模块中点相连接，其子模块IGBT模块中点向 上与A相上桥臂的第i -1个子模块电容C-au-_H负极相连接;A相上桥臂的第个半桥子模 块，其子模块电容C-au-_A^l极向下与A相上桥臂的第J +1个子模块一个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-1个子模块电容C-au-_H负极相连接;A 相上桥臂的第J个子模块，其中J的取值为+2~# -1，其子模块一个IGBT模块中点向下 与A相上桥臂第J +1个子模块一个IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模块中点向上与第A相 上桥臂第J -1个子模块一个IGBT模块中点相连接;A相上桥臂第#个子模块，其子模块一个 IGBT模块中点向下经两个桥臂电抗器Ζ ο与A相下桥臂的第1个子模块IGBT模块中点相连接， 另一个IGBT模块中点向上与A相上桥臂的第# -1个子模块一个IGBT模块中点相连接;A相下 桥臂的第i个子模块，其中i的取值为2~J-1，其子模块电容C-ai-_i负极向下与A相下桥臂 第i +1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 -1个子模块 电容C_ai-_i-i负极相连接;A相下桥臂的第J个子模块，其子模块电容极向下与第A相 下桥臂第尤+1个子模块一个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 第尤-1个子模块电容负极相连接;A相下桥臂第个子模块，其中的取值为尤+2~ jV -1，其子模块一个IGBT模块中点向下与A相下桥臂第J +1个子模块一个IGBT模块中点相 连接，另一个IGBT模块中点向上与A相下桥臂第J -1个子模块一个IGBT模块中点相连接;A 相下桥臂第#个子模块一个IGBT模块中点向下与直流母线负极相连接，另一个IGBT模块中 点向上与A相下桥臂的第jV -1个子模块一个IGBT模块中点相连接。B相上桥臂的第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Cbu-_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~J -1，其子模块电容C-bu-_,正极向上与B相上桥臂的第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相上桥臂的第i +1个子模块电容C_bu-_i+i正极相连 接;B相上桥臂的第J个子模块，其子模块电容C-bu-_AiH极向上与B相上桥臂的第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相上桥臂第J +1个子模块一个 IGBT模块中点相连接;B相上桥臂的第J个子模块，其中J的取值为J +2~# -1，其子模块 一个IGBT模块中点向上与B相上桥臂第J -1个子模块一个IGBT模块中点相连接，另一个 IGBT模块中点向下与B相上桥臂第J +1个子模块一个IGBT模块中点相连接;B相上桥臂第# 个子模块，其一个IGBT模块中点向上与B相上桥臂第# -1个子模块一个IGBT模块中点相连 接，另一个IGBT模块中点向下经两个桥臂电抗器Z 〇与B相下桥臂的第1个子模块电容Cbi-j 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~J-1，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C~bi-_i+i正极相连接;B相下桥臂的第J个子模块，其子模 块电容Cbij正极向上与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 +1个子模块一个IGBT模块中点相连接;B相下桥臂第J个子模 块，其中J的取值为+2~# -1，其一个IGBT模块中点向上与B相下桥臂第J -1个子模块一 个IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模块中点向下与B相下桥臂第J +1个子模块IGBT-个 IGBT模块中点相连接;B相下桥臂第#个子模块，其子模块一个IGBT模块中点向上与B相下 桥臂第# -1个子模块一个IGBT模块中点相连接，另一个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。
[0019]自均压辅助回路中，钳位二极管，通过辅助开关 臂中第i个子模块电容与第i +1个子模块电容(^au-_i+i的正极，其中i的取值为1~J -1;通过辅助开关J^au_i2、rau_i+l连接A相上桥臂中第J个子模块电容Cau-_A·与第J+1个子 模块电容[- ￡11^+1正极；通过辅助开关71￡111」/7/11_>1连接八相上桥臂中第7'个子模块电容 与第J +1个子模块电容fau__J+1的正极，其中J的取值为J +1~# -1;通过辅助开关 ra u _Λ?、Ja 1_12连接A相上桥臂中第#个子模块电容C-auJ与A相下桥臂第1个子模块电容 正极;通过辅助开关Ja 1 _i 2、Ja l_(i+l)2连接A相下桥臂中第i个子模块电容与第 i +1个子模块电容(^al-_i+1的正极，其中i的取值为1~J -1;通过辅助开关Jalj2、ral_i+1 连接A相下桥臂中第J个子模块电容C_al-_A与第J +1个子模块电容C-al-_i+l正极;通过辅助 开关rai _7·、Γ31_7·+1连接A相下桥臂中第J个子模块电容C- aij·与第J +1个子模块电容 Cal-_J+1的正极，其中的取值为J +1~# -1。钳位二极管，通过辅助开关Xb U」2、Jb U_G+1)2 连接B相上桥臂中第i个子模块电容C-bu-j与第i +1个子模块电容C-bu-j+1负极，其中i的 取值为1~尤-1 ;通过辅助开关Ibu+ffi、fbu+i+l连接B相上桥臂中第J个子模块电容C_bu-_A与 第J +1个子模块电容C-bu-_i+i负极;通过辅助开关Γ?)?ι」·、Γ0ι连接B相上桥臂中第个子 模块电容C-bu-^·与第+1个子模块电容C- bu-_J+1负极，其中的取值为J +1~# -1;通过辅 助开关连接B相上桥臂中第jV个子模块电容6Ηιι-_λ4Β相下桥臂中第1个子模块 电容C-bi_i负极;通过辅助开关Jbi_i2、j^bi_(i+O2连接Β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+i负极，其中i的取值为1~j-l;通过辅助开关Jbi_i2、 rbi_i+i连接B相下桥臂中第J个子模块电容C_bi_i与第J +1个子模块电容Cm+i负极;通过 辅助开关7^1」、711)1_>1连接13相下桥臂中第^/个子模块电容(^-1 )1-_7与第^/+1个子模块电容 C-bi_J+1负极，其中j·的取值为J +1~# -1。同时钳位二极管，通过辅助开关Jbu_12连接A相上 桥臂第一个子模块电容C- au-_i与B相上桥臂第一个子模块电容C_bu-_i负极;通过辅助开关 7/ι_λ连接A相下桥臂第#个子模块电容C- ai_#B相下桥臂第#个子模块电容6Ηι-_λ正极。C 相钳位二极管的连接关系与Α相一致。
[0020] ，自均压辅助回路中 67V 个辅助开关 J^Tau_i 2、J^Tal_i2、J^Tbu_i2、J^Tbl_i2、J^Tcu_i2、 尤。1」2、7311」、7 31」、几11」、几1」、心11」、7。1」常闭，其中'的取值为1~尤，7'的取值 为J+l~#，A相上桥臂第i个子模块电容C- au-j旁路时，其中i的取值为2~#，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_ ai_i旁 路时，子模块电容C-ai-j通过钳位二极管、两个桥臂电抗器Z 〇与子模块电容C-u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~jV，子模块电容C- ai-_i与子模块 电容C-m通过钳位二极管并联。
[0021] 正常情况下，自均压辅助回路中6#个辅助开关2、Xai」 2、Xbu」2、 J^Tb 1-i 2、J^Tcu -i2、尤。1 -i2、fau j、fal j、fbu j、几1 j、feu j、fcl-j常闭，其中 i 的取值为 1 ~尤 ，7前取值为ΛΓ+1~#，B相上桥臂第i个子模块电容c-bu-」旁路时，其中i的取值为1~#-1，子模块电容C- bu-^与子模块电容^^^^通过钳位二极管并联;B相上桥臂第#个子模块 电容C_bu_邊路时，子模块电容C- bu-_通过钳位二极管、两个桥臂电抗器Z 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~#-1，子模块电 容Cbi-_i与子模块电容C_bi_i+i通过钳位二极管并联。
[0022]在直交流能量转换的过程中，各个子模块交替投入、旁路，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： ftaa：：1 ^ 〇Caa_2- - -
[0023] _ U&m.J .V'-V ^????_Α'
[0024] 依靠跨在A、B相间的两个钳位二极管，基于不等式约束的无辅助电容式半桥/全桥 混联MMC自均压拓扑中，子模块电容C-au-_i与子模块电容C_bu-_i的电压之间，子模块电容 Cal-j与子模块电容C_bl_A^电压之间存在下列不等式约束；
[0025] Ub〇i^
[0026] 由此可知，半桥/全桥混联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：
[0027] J · -.2?J, ? ? ^
[0028] C、B相间的约束条件与A、B相间的约束条件一致。
[0029] 由上述具体说明可知，该半桥/全桥混联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. 基于不等式约束的无辅助电容式半桥/全桥混联MMC自均压拓扑，其特征在于:包括 由A、B、C三相构成的半桥/全桥混联MMC模型，A、B、C三相每个桥臂分别由J个半桥子模块、# 个全桥子模块及1个桥臂电抗器串联而成;包括由6J个机械开关，6jV_6J个IGBT模块组 成的辅助开关，以及6#+1个箝位二极管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无辅助电容式半桥/全桥混联MMC自均压拓扑， 其特征在于: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~J-1，其子模块电容C- au-_i负极向下与A相上桥 臂的第i +1个子模块IGBT模块中点相连接，其子模块IGBT模块中点向上与A相上桥臂的第 1个子模块电容负极相连接;A相上桥臂的第J个半桥子模块，其子模块电容 负极向下与A相上桥臂的第J +1个子模块一个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J -1个子模块电容C-au-_A^负极相连接;A相上桥臂的第J个子模 块，其中J的取值为+2~# -1，其子模块一个IGBT模块中点向下与A相上桥臂第J +1个子 模块一个IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模块中点向上与第A相上桥臂第J -1个子模块 一个IGBT模块中点相连接;A相上桥臂第jV个子模块，其子模块一个IGBT模块中点向下经两 个桥臂电抗器Z 〇与A相下桥臂的第1个子模块IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模块中点向 上与A相上桥臂的第jV -1个子模块一个IGBT模块中点相连接;A相下桥臂的第i个子模块， 其中i的取值为2~J-1，其子模块电容C-ai-_i负极向下与A相下桥臂第i +1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J个子模块，其子模块电容二1_说极向下与第A相下桥臂第J +1个子模块一 个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 -1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J+2~#-1，其子模块一个 IGBT模块中点向下与A相下桥臂第J +1个子模块一个IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模 块中点向上与A相下桥臂第J -1个子模块一个IGBT模块中点相连接;A相下桥臂第jV个子模 块一个IGBT模块中点向下与直流母线负极相连接，另一个IGBT模块中点向上与A相下桥臂 的第#-1个子模块一个IGBT模块中点相连接;B相上桥臂的第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Cbu-_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~J-1，其子 模块电容C- bu-_,正极向上与B相上桥臂的第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相上桥臂的第i +1个子模块电容C-bu-_i+i正极相连接;B相上桥臂的 第个子模块，其子模块电容C-bu-_AlH极向上与B相上桥臂的第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相上桥臂第J +1个子模块一个IGBT模块中点相连 接;B相上桥臂的第J个子模块，其中J的取值为J +2~# -1，其子模块一个IGBT模块中点 向上与B相上桥臂第J -1个子模块一个IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模块中点向下与B 相上桥臂第J +1个子模块一个IGBT模块中点相连接;B相上桥臂第#个子模块，其一个IGBT 模块中点向上与B相上桥臂第#-1个子模块一个IGBT模块中点相连接，另一个IGBT模块中 点向下经两个桥臂电抗器h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~J-1，其子模块电容Cbi_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 +1个子 模块电容C-b i-_i+i正极相连接;B相下桥臂的第J个子模块，其子模块电容Cb 1_A正极向上与B 相下桥臂第尤-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 +1个子模块一个IGBT模块中点相连接;B相下桥臂第J个子模块，其中J的取值为J +2~ # -1，其一个IGBT模块中点向上与B相下桥臂第J -1个子模块一个IGBT模块中点相连接，另 一个IGBT模块中点向下与B相下桥臂第J +1个子模块IGBT-个IGBT模块中点相连接;B相下 桥臂第#个子模块，其子模块一个IGBT模块中点向上与B相下桥臂第jV -1个子模块一个 IGBT模块中点相连接，另一个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；由于全桥子模块的存在，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 XTau_il/K al_il/K hu_il/K cu il^K cl il^K au__j/K al__j/K bu__j^K bl__j、K cu__j/K cl__/，中 J 的取值为1~，J的取值为ΛΓ+1~#;上述连接关系构成的A、B、C三相地位一致。3. 根据权利1所述的基于不等式约束的无辅助电容式半桥/全桥混联MMC自均压拓扑， 其特征在于：自均压辅助回路中，钳位二极管，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 +1个子模块电容<^au-_i+i的正极，其中i的取值为1~J -1;通过辅助开关J^au_ffi、raU_i+l连接A相上桥臂中第J个子模块电容(^au-_A·与第J+1个子模 块电容C- au_i+1正极;通过辅助开关Γ au」、Γ au」+1连接A相上桥臂中第个子模块电容Cau-」 与第J +1个子模块电容的正极，其中J的取值为+1~# -1;通过辅助开关rau_w、 Jal_12连接A相上桥臂中第jV个子模块电容C-au_#A相下桥臂第1个子模块电容正极； 通过辅助开关J^al_i2、Jal_(i+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eal__i+1的正极，其中i的取值为1~j -1;通过辅助开关X al A2、r al i+1连接A相下桥 臂中第J个子模块电容C_al-_A与第J+1个子模块电容C_al-_i+l正极;通过辅助开关falj、 Γ〇1连接A相下桥臂中第个子模块电容Cal」与第+1个子模块电容的正极，其 中J的取值为+1~# -1;钳位二极管，通过辅助开关尤bU」2Jbu_G+m连接B相上桥臂中第 i个子模块电容C-bu-」与第i +1个子模块电容C-bu-」+1负极，其中i的取值为1~J-1;通过 辅助开关尤b u_ffi、rbu_i+l连接B相上桥臂中第J个子模块电容C_bu-_A与第J+1个子模块电容 C-bu-_An负极;通过辅助开关Γ bu」、Γ bu」+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-_J+1负极，其中J的取值为J +1~# -1;通过辅助开关rbuj、Jbi_12连接 B相上桥臂中第jV个子模块电容C-bu-j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j^bi_i2、Jbi_(i+i)2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~J -1;通过辅助开关J bi_A2、Γ bi_i+i连接B相下桥臂中第J 个子模块电容C-bl_A与第J+1个子模块电容C_bl-_AH负极;通过辅助开关fbl j、fbl j+Ι连接B相 下桥臂中第个子模块电容C-bi-j与第+1个子模块电容C-bi_>i负极，其中的取值为尤+ 1~jV -1;同时钳位二极管，通过辅助开关尤bu_i2连接A相上桥臂第一个子模块电容c-au-_i与B 相上桥臂第一个子模块电容C_bu-_1负极;通过辅助开关Τ/ι_Λ连接A相下桥臂第jV个子模块 电容C-ai_^B相下桥臂第jV个子模块电容6Ηι-_λ正极;C相钳位二极管的连接关系与其子模 块的连接关系相对应;上述A、Β、C三相中6#个辅助开关 au_i2、J al_i2、J bu_i2、J bl_i2、J cu_i2、 尤。1」2、7如」、^1」、~11」、以1」、7沈」、7。1」，其中'的取值为1~尤，7，的取值为尤+1~#， 6娘1个钳位二极管，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无辅助电容式半桥/全桥混联MMC自均压拓扑， 其特征在于：正常情况时，自均压辅助回路中6#个辅助开关u」2、i」2、Jb u」2、 Al-i2、leu -i2、lei -i2、fau j、fal j、fbu j、fbl j、feu j、fcl j，常闭，其中 i 的取值为 1 ~U的取值为ΛΓ+1~#;故障情况时，6# -6尤个辅助开关rau j、rai j、rbu j、fbi j、 fcu」、Teaj断开，其中j·的取值为J+l~#;正常情况下，A相上桥臂第i个子模块电容 C-u旁路时，其中i的取值为2~#，子模块电容C-u与子模块电容C-am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Z 〇与子模块电容C-au-_A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~jV，子模块电容C- ai-_i与子模块电容C-ai_i-i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~#-1，子模块电容C_bu-_i与子模块 电容^~^-_, +1通过钳位二极管并联;B相上桥臂第#个子模块电容C-bu_#路时，子模块电容 (^bu-jiE过钳位二极管、两个桥臂电抗器Z 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~# -1，子模块电容Cbi-_i与子模块电容C_bi_i+i通 过钳位二极管并联;同时A相上桥臂第1个子模块电容C_au-_i投入时，子模块电容C_ au-_i与子 模块电容C_bu-_i通过钳位二极管并联;B相下桥臂第jV个子模块电容6Ηι_λ投入时，子模块电 容C- al-^与子模块电容Cbl_A通过钳位二极管并联;在直交流能量转换的过程中，各个子模 块交替投入、旁路，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， i/c-au+l^： i/c-au_2…多"C-au+A^ "C-al_2…多"<^1_~;13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，"C-bu_l^ii/c-bu_2… i/c-bij;依靠跨在A、B相间的两个钳位二极管，基于不等式约束的无辅助电容式半桥/全桥 混联MMC自均压拓扑中，子模块电容C-au-_i与子模块电容C_bu-_i的电压之间，子模块电容 C-al-J与子模块电容C_bl_Ai^]电压之间存在下列不等式约束，i/c-au+l^ii/c-bu+hi/c-al+A^ i/ c-bi基于该不等式约束，A、B相上下桥臂中4#个子模块电容，Ca u」、C a 1 ^、Cb u _i、 Cbl_,，其中i取值为1~#，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 容电压约束条件一致;若拓扑中C相的构成形式与B相一致，则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一致，拓扑具备子模块电容电压自均衡能力。
【文档编号】H02M7/49GK205725505SQ201620068880
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年1月25日
【发明人】赵成勇, 刘航, 许建中
【申请人】华北电力大学
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