一种模块化多电平变流器混合桥臂拓扑结构的制作方法

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种具有直流侧短路电流阻断能力的模块化多电平变流器(即MMC，本申请下称MMC)混合桥臂拓扑。

背景技术：

模块化多电平变流器(MMC)具有模块化设计、可拓展性好、单个器件开关频率低、谐波性能好等诸多优点，已成为电压源型换流站拓扑的首选技术方案。模块化多电平变流器每一相桥臂的基本拓扑如图1所示，可分为上桥臂和下桥臂两部分，通常需要在上、下桥臂中分别串联一个缓冲电感，以限制桥臂直通时的短路电流。上、下桥臂分别由N个子模块串联组成，设直流母线电压为V_DC，则每个子模块在正常工作时承受的电压为子模块分为单极性子模块和双极性子模块，半桥子模块为典型的单极性子模块，如图2所示，可输出正电平和零电平；全桥子模块为典型的双极型子模块，如图3所示，可输出正电平、零电平和负电平。在高压直流输电(HVDC)领域中，换流站具有直流侧短路电流阻断能力是保障系统安全运行的重要要求，采用单极性子模块组成桥臂的模块化多电平变流器开关器件个数少，系统运行效率较高，但由于不能输出负电平，在直流侧发生短路故障时无法限制故障电流，不具有阻断能力；采用双极性子模块组成桥臂的模块化多电平变流器可以输出负电平，在直流侧发生短路故障时可以提供反向电压，从而对故障电流进行限制，但在相同的电压等级下，其需要的开关器件个数较多，系统损耗较大，成本较高。已有学者提出采用单极性子模块与双极性子模块共同组成桥臂，并采用多电平子模块拓扑以达到保证短路电流阻断能力的同时降低系统损耗与成本的目的，但并非最优的拓扑方案。

技术实现要素：

为解决现有技术中具有直流短路电流阻断能力的变流器桥臂损耗大、成本高的问题，本申请公布了一种模块化多电平变流器混合桥臂拓扑结构。

本发明具体采用以下技术方案：

一种模块化多电平变流器混合桥臂拓扑结构，所述模块化多电平变流器混合桥臂分为上桥臂和下桥臂两部分；其特征在于：

上、下桥臂分别由X个三电平双半桥子模块与Y个四电平串联双子模块以及1个缓冲电感构成；其中，三电平双半桥子模块与四电平串联双子模块数量比满足：

本发明进一步包括以下优选方案：

所述的三电平双半桥子模块由第一至第四4个全控开关器件(S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂)和第一、第二两个电容(C₁、C₂)构成；其中，4个全控开关器件(S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂)依次串联，第一电容C₁与第一全控开关器件S₁₁和第二全控开关器件S₁₂的串联支路并联，第二电容C₂与第三全控开关器件S₂₁和第四全控开关器件S₂₂的串联支路并联；第一、第二全控开关器件S₁₁、S₁₂互补导通，第三、第四全控开关器件S₂₁、S₂₂互补导通；当第一全控开关器件S₁₂和第三全控开关器件S₂₁导通时，该三电平双半桥子模块处于旁路状态。

所述的四电平串联双子模块由第五至第九5个全控开关器件(S₃₁、S₃₂、S₄₁、S₄₂、S_c)、一个功率二极管(D)和第三、第四电容(C₃、C₄)构成；其中，第五全控开关器件S₃₁和第六全控开关器件S₃₂串联，第七全控开关器件S₄₁和第八全控开关器件S₄₂串联，第三电容C₃与第五全控开关器件S₃₁和第六全控开关器件S₃₂的串联支路并联，第四电容C₂与第七全控开关器件S₄₁和第八全控开关器件S₄₂的串联支路并联，第三电容C₃和第四电容C₄之间由第九全控开关器件S_c与功率二极管D交叉相连，且电流正向流通时通过第九全控开关器件S_c，电流反向流通时通过功率二极管D；第五全控开关器件S₃₁和第六全控开关器件S₃₂互补导通，第七全控开关器件S₄₁和第八全控开关器件S₄₂互补导通。

正常工作时，第九全控开关器件Sc保持导通；当第五全控开关器件S₃₂、第七全控开关器件S₄₁和第九全控开关器件S_c导通时，该子模块处于旁路状态；当出现直流短路故障时，第五至第九5个全控开关器件(S₃₁、S₃₂、S₄₁、S₄₂、S_c)均闭锁。

所述的四电平串联双子模块中，第五至第八全控开关器件S₃₁、S₃₂、S₄₁、S₄₂具有相同的电压等级，第九全控开关器件S_c与功率二极管D是第五至第八全控开关器件S₃₁、S₃₂、S₄₁、S₄₂电压等级的两倍。

本发明具有以下有益的技术效果：

采用的四电平串联双子模块使用了较少的全控开关器件(5个)，可以输出+2V_C、+V_C、0、-2V_C四个电平，既满足了正常工作时输出电平的需求，又将短路电流阻断能力最大化，并将器件成本降至最低；为配合双极性的四电平串联双子模块，单极性子模块采用了三电平双半桥子模块，在正常工作时，四电平串联双子模块中连接电容的全控开关器件S_c保持导通，两种子模块具有相似的拓扑，使得整体控制算法的设计比较简单，同时多电平子模块在相同电压等级下节省了外围元器件的数量，降低了系统成本；两种子模块采用设计比例构成混合桥臂，为综合考虑直流侧短路电流阻断能力、系统效率与成本的最优拓扑方案。

附图说明

图1模块化多电平变流器MMC单相桥臂基本拓扑示意图；

图2现有的单极性半桥子模块拓扑示意图；

图3现有的双极性全桥子模块拓扑示意图；

图4本发明采用的三电平双半桥子模块拓扑示意图；

图5本发明采用的四电平串联双子模块拓扑示意图；

图6本发明的混合桥臂拓扑示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

本发明提出了一种具有直流侧短路电流阻断能力的MMC混合桥臂拓扑，单相桥臂分为上桥臂与下桥臂，分别由X个三电平双半桥子模块与Y个四电平串联双子模块以及一个缓冲电感组成。

本发明采用的三电平双半桥子模块拓扑如图4所示，由第一至第四4个全控开关器件(S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂)和第一、第二两个电容(C₁、C₂)构成；其中，4个全控开关器件(S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂)依次串联，第一电容C₁与第一全控开关器件S₁₁和第二全控开关器件S₁₂的串联支路并联，第二电容C₂与第三全控开关器件S₂₁和第四全控开关器件S₂₂的串联支路并联；第一、第二全控开关器件S₁₁、S₁₂互补导通，第三、第四全控开关器件S₂₁、S₂₂互补导通；当第一全控开关器件S₁₂和第三全控开关器件S₂₁导通时，该三电平双半桥子模块处于旁路状态。设电容电压为V_C，则该子模块可以输出+2V_C、+V_C、0三个电平。

本发明采用的四电平串联双子模块拓扑如图5所示，第五至第九5个全控开关器件(S₃₁、S₃₂、S₄₁、S₄₂、S_c)、一个功率二极管(D)和第三、第四电容(C₃、C₄)构成；其中，第五全控开关器件S₃₁和第六全控开关器件S₃₂串联，第七全控开关器件S₄₁和第八全控开关器件S₄₂串联，第三电容C₃与第五全控开关器件S₃₁和第六全控开关器件S₃₂的串联支路并联，第四电容C₂与第七全控开关器件S₄₁和第八全控开关器件S₄₂的串联支路并联，第三电容C₃和第四电容C₄之间由第九全控开关器件S_c与功率二极管D交叉相连，且电流正向流通时通过第九全控开关器件S_c，电流反向流通时通过功率二极管D；第五全控开关器件S₃₁和第六全控开关器件S₃₂互补导通，第七全控开关器件S₄₁和第八全控开关器件S₄₂互补导通。正常工作时，全控开关器件S_c保持导通。正常工作时，第九全控开关器件S_c保持导通；当第五全控开关器件S₃₂、第七全控开关器件S₄₁和第九全控开关器件S_c导通时，该子模块处于旁路状态；当出现直流短路故障时，第五至第九5个全控开关器件(S₃₁、S₃₂、S₄₁、S₄₂、S_c)均闭锁，无论电流正向或反向流动，该子模块第三电容C₃、第四电容C₄均为串联充电状态，输出负电平。设电容电压为V_C，则该子模块可以输出+2V_C、+V_C、0、-2V_C四个电平。

本发明提出的具有直流侧短路电流阻断能力的MMC混合桥臂拓扑分别由X个三电平双半桥子模块与Y个四电平串联双子模块以及一个缓冲电感组成上、下桥臂，两种子模块的数量比例满足如图6所示。

在正常工作时，四电平串联双子模块中连接电容的全控开关器件S_c保持导通，两种子模块具有相似的拓扑，使得整体控制算法的设计比较简单，同时多电平子模块在相同电压等级下节省了外围元器件的数量，降低了系统成本；在直流侧发生短路故障时，所有全控开关器件闭锁，桥臂输出的负电压最大值大于交流线电压最大值，从而对短路电流起到限制作用。两种子模块采用设计比例构成混合桥臂，既保证了直流侧短路电流阻断能力，同时提高了系统效率，降低了系统的整体成本。

本发明申请人结合说明书附图对本发明做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，任何基于本发明的发明精神所作的改进或修饰都应当处于本发明的保护范围之内。