基于等式约束的辅助电容分布式半桥/全桥混联MMC自均压拓扑的制作方法

本实用新型涉及柔性输电领域，具体涉及一种基于等式约束的辅助电容分布式半桥/全桥混联MMC自均压拓扑。

背景技术：

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。

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。

与两电平、三电平VSC不同，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。

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，但是也在不断地暴露着它的一些固有缺陷。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。

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。

技术实现要素：

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/全桥混联MMC自均压拓扑。

本实用新型具体的构成方式如下。

基于等式约束的辅助电容分布式半桥/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K个半桥子模块、N-K个全桥子模块及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+7个钳位二极管，4个辅助电容，4个辅助IGBT模块组成的自均压辅助回路。

上述基于等式约束的辅助电容分布式半桥/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～K-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K-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K+2～N-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N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L₀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N-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～K-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K-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K+2～N-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N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N-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～K-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K+2～N-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N个子模块，其子模块一个IGBT模块中点向上与B相上桥臂第N-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L₀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-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K个子模块，其子模块电容正极向上与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K+2～N-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N个子模块，其子模块一个IGBT模块中点向上与B相下桥臂第N-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。

自均压辅助回路中，第一个辅助电容正极连接辅助IGBT模块负极连接钳位二极管并入直流母线正极；第二个辅助电容负极连接辅助IGBT模块正极连接钳位二极管并入直流母线负极；第三个辅助电容正极连接辅助IGBT模块负极连接钳位二极管并入直流母线正极，第四个辅助电容负极连接辅助IGBT模块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+1个子模块电容正极，其中i的取值为1～N-1；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+1个子模块电容正极，其中i的取值为1～N-1；通过辅助开关连接A相下桥臂中第N个子模块电容与第二个辅助电容正极。钳位二极管，通过辅助开关连接B相上桥臂中第1个子模块电容与第一个辅助电容的负极；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-1；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-1；通过辅助开关连接B相下桥臂中第N个子模块电容与第二个辅助电容的负极。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，同时第三个辅助电容正极经机械开关、钳位二极管连接C相上桥臂第一个子模块电容正极，第三个辅助电容负极经机械开关、钳位二极管连接B相上桥臂第一个子模块电容负极，第四个辅助电容正极经机械开关、钳位二极管连接C相下桥臂第N个子模块电容正极，第四个辅助电容负极经机械开关、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，同时第三个辅助电容负极经机械开关、钳位二极管连接C相上桥臂第一个子模块电容负极，第三个辅助电容正极经机械开关、钳位二极管连接A相上桥臂第一个子模块电容正极，第四个辅助电容负极经机械开关、钳位二极管连接C相下桥臂第N个子模块电容负极，第四个辅助电容正极经机械开关、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

下面结合附图对本实用新型进一步说明。

图1是半桥子模块的结构示意图；

图2是全桥子模块的结构示意图；

图3是基于等式约束的辅助电容分布式半桥/全桥混联MMC自均压拓扑。

具体实施方式

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。

参考图3，基于等式约束的辅助电容分布式半桥/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K个半桥子模块、N-K个全桥子模块及1个桥臂电抗器串联而成；包括6N个辅助开关（6K个机械开关，6N-6K个IGBT模块）以及6N+7个箝位二极管、4 个辅助电容，2个辅助IGBT模块构成的自均压辅助回路。

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_{au­_1}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+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_i-1}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_K}负极向下与A相上桥臂的第K+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K-1个子模块电容C­_{au­_K-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-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N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L₀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N-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～K-1，其子模块电容C­_{al­_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_{al­_i-1}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K-1个子模块电容C­_{al­_K-1}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N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N-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_1}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-1，其子模块电容C­_{bu­_i}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+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_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K+2～N-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N个子模块，其一个IGBT模块中点向上与B相上桥臂第N-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L₀与B相下桥臂的第1个子模块电容C_{­bl­_1}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_{­bl_i}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_{bl­_i+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_{­bl_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K+2～N-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一个IGBT模块中点相连接；B相下桥臂第N个子模块，其子模块一个IGBT模块中点向上与B相下桥臂第N-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。

自均压辅助回路中，辅助电容C₁正极连接辅助IGBT模块T₁，负极连接钳位二极管并入直流母线正极；辅助电容C₂负极连接辅助IGBT模块T₂，正极连接钳位二极管并入直流母线负极；辅助电容C₃正极连接辅助IGBT模块T₃，负极连接钳位二极管并入直流母线正极；辅助电容C₄负极连接辅助IGBT模块T₄，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_1}与辅助电容C₁正极；通过辅助开关K_{au_i2}、K_{au_（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+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K_{au_K2}、T_{au_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+1}正极；通过辅助开关T_{au_j}、T_{au_j+1}连接A相上桥臂中第j个子模块电容C_{­au­_j}与第j+1个子模块电容C_{­au­_j+1}的正极，其中j的取值为K+1～N-1；通过辅助开关T_{au_N}、K_{al_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_1}正极；通过辅助开关K_{al_i2}、K_{al_（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C_{­al­_i+1}的正极，其中i的取值为1～K-1；通过辅助开关K_{al_K2}、T_{al_K+1}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+1}正极；通过辅助开关T_{al_j}、T_{al_j+1}连接A相下桥臂中第j个子模块电容C_{­al_j}与第j+1个子模块电容C_{­al­_j+1}的正极，其中j的取值为K+1～N-1；通过辅助开关T_{al_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C₂正极。钳位二极管，通过辅助开关K_{bu_12}连接B相上桥臂中第1个子模块电容C_{­bu­_1}与辅助电容C₁、辅助电容C₃负极；通过辅助开关K_{bu_i2}、K_{bu_（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-1；通过辅助开关K_{bu_K2}、T_{bu_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_j}、T_{bu_j+1}连接B相上桥臂中第j个子模块电容C­_{bu­_j}与第j+1个子模块电容C­_{bu­_j+1}负极，其中j的取值为K+1～N-1；通过辅助开关T_{bu_N}、K_{bl_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C­_{bl_1}负极；通过辅助开关K_{bl_i2}、K_{bl_（i+1）2}连接B相下桥臂中第i个子模块电容C­_{bl­_i}与第i+1个子模块电容C­_{bl­_i+1}负极，其中i的取值为1～K-1；通过辅助开关K_{bl_K2}、T_{bl_K+1}连接B相下桥臂中第K个子模块电容C­_{bl_K}与第K+1个子模块电容C­_{bl­_K+1}负极；通过辅助开关T_{bl_j}、T_{bl_j+1}连接B相下桥臂中第j个子模块电容C­_{bl­_j}与第j+1个子模块电容C­_{bl_j+1}负极，其中j的取值为K+1～N-1；通过辅助开关T_{bl_N}连接B相下桥臂中第N个子模块电容C_{­bl­_N}与辅助电容C₂、辅助电容C₄负极。C相上下桥臂子模块间钳位二极管的连接关系与A相一致；C相上桥臂第一个子模块电容C_{cu­­­_1}正极经辅助开关K_{cu_12}及钳位二极管连接到辅助电容C₃正极；C相下桥臂第N个子模块电容C_{c­­l_N}正极经辅助开关T_{cl_N}及钳位二极管连接到辅助电容C₄正极。

正常情况下，自均压辅助回路中6N个辅助开关K_{au_i2}、K_{al_i2}、K_{bu_i2}、K_{bl_i2}、K_{cu_i2}、K_{cl_i2}、T_{au_j}、T_{al_j}、T_{bu_j}、T_{bl_j}、T_{cu_j}、T_{cl_j}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_1}旁路时，此时辅助IGBT模块T₁断开，子模块电容C_{­au­_1}与辅助电容C₁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-1}通过钳位二极管并联；A相下桥臂第一个子模块电容C­_{al_1}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L₀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_{al_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C₂通过钳位二极管与子模块电容C­_{al_N}并联。

正常情况下，自均压辅助回路中6N个辅助开关K_{au_i2}、K_{al_i2}、K_{bu_i2}、K_{bl_i2}、K_{cu_i2}、K_{cl_i2}、T_{au_j}、T_{al_j}、T_{bu_j}、T_{bl_j}、T_{cu_j}、T_{cl_j}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C₁与子模块电容C­_{bu­_1}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-1，子模块电容C­_{bu­_i}与子模块电容C­_{bu­_i+1}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L₀与子模块电容C­_{bl­_1}并联；B相下桥臂第i个子模块电容C­_{bl_i}旁路时，其中i的取值为1～N-1，子模块电容C_{­bl­_i}与子模块电容C­_{bl_i+1}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C­₂通过钳位二极管并联。上述辅助IGBT模块T₁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。

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T₁、T₂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：

由此可知，在半桥/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：

同理C、B相上下桥臂间电容电压的约束条件为：

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。

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。