一种复用桥臂选择型MMC拓扑结构

一种复用桥臂选择型mmc拓扑结构
技术领域
1.本发明涉及一种复用桥臂选择型mmc拓扑结构，属于电力系统的技术领域，具体是一种少子模块的mmc拓扑。


背景技术：

2.近年来，由于模块化多电平换流器(mmc)具有波形质量高，运行损耗小，集成化程度高等优势，在柔性直流输配电领域得到广泛应用。但在实际应用中，mmc需要大量的半导体器件与电容，导致mmc的换流成本高，占地面积大，功率密度低等问题。针对目前其他几种不同基本形式的mmc拓扑，一种为混合级联型mmc结构，这种结构包括整形电路和桥式开关电路，整形电路级联了大量的全桥型子模块，增加了功率半导体器件数量，同时桥式开关承压较大，需要大量的功率开关器件。一种是桥臂选择型mmc结构，这种拓扑结构工作在特定的交流侧电压和直流端口电压的电压比，电压输入输出范围灵活性差。另外现有研究的三相串联式mmc，这种mmc拓扑交流侧需要联结变压器，增大了mmc的体积。因此，如何改进现有mmc的运行问题，调整控制方式，保证同等水平的功率转换下所需子模块的数量减少，提高mmc的功率密度，降低运行成本，减小占地面积，成为亟待解决的技术难题。


技术实现要素：

3.本发明为了解决上述技术问题，采用以下技术方案：
4.一种复用桥臂选择型mmc拓扑结构由三相桥臂电路与三相滤波电感组成；任一相桥臂电路均包括上下桥臂电路、复用桥臂电路和第一到第四桥臂选择开关串；
5.进一步地，任一相上桥臂电路下端连接第一桥臂选择开关串一端，第一桥臂选择开关串另一端和第三桥臂选择开关串共同连接并连接复用桥臂电路上端；第三桥臂选择开关串另一端和第二桥臂选择开关串一端共同连接并连接交流侧滤波电感；第二桥臂选择开关另一端和第四桥臂选择开关串一端共同连接并连接复用桥臂下端；任一相下桥臂电路上端连接第四桥臂选择开关串另一端，下桥臂电路下端连接直流端口负极；任一相上桥臂电路上端连接直流端口正极；
6.所述任一相上下桥臂电路子模块数量采用相等配置；
7.进一步地，所述任一相上桥臂子模块、下桥臂子模块和复用桥臂子模块可为半桥、全桥或混合型子模块；
8.所述任一相第一桥臂选择开关串和第二桥臂选择开关串同时开通与关断，第三桥臂选择开关和第四桥臂选择开关串同时开通与关断；
9.进一步地，第一桥臂选择开关串、第二桥臂选择开关串和第三桥臂选择开关串、第四桥臂选择开关串互补导通工作；
10.进一步地，第一桥臂选择开关串、第二桥臂选择开关串、第三桥臂选择开关串和第四桥臂选择开关串可为串联的半导体器件、机械式高压开关或组合形式的开关；
11.所述任一相第一桥臂选择开关串和第四桥臂选择开关串导通时，上桥臂电路和复
用桥臂电路投入使用，上桥臂电路和复用桥臂电路产生总电压叠加交流侧电压等于直流侧电压的一半，为该相正半周期工作；任一相第二桥臂选择开关串和第三桥臂选择开关串导通时，下桥臂电路和复用桥臂电路投入使用，下桥臂电路和复用桥臂电路产生总电压叠加交流侧电压等于直流侧电压的一半，为该相负半周期工作；
12.进一步地，复用桥臂选择型mmc拓扑通过设定功率平衡角，实现在正、负半周期功率平衡；
13.本发明的一种复用桥臂选择型mmc拓扑容许较宽的电压输入输出范围；本发明mmc拓扑工作时，桥臂选择开关串工频切换，没有桥臂间的环流，取消了桥臂滤波电感。同时，通过增加复用桥臂，降低了mmc拓扑子模块使用数量，从而降低mmc成本和体量，提升了mmc功率密度。
附图说明
14.图1为实施例1的一种复用桥臂选择型mmc拓扑图；
15.图2为实施例1的一种复用桥臂选择型mmc功率平衡说明图；
16.图3为实施例1的一种复用桥臂选择型mmc基本控制方式；
17.图4为实施例1的一种复用桥臂选择型mmc子模块电压仿真波形；
18.图5为实施例2的一种最少用子模块复用桥臂选择型mmc拓扑图；
具体实施方式
19.下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。
20.实施例1：
21.如图1所示，为本发明提出的一种复用桥臂选择型mmc拓扑结构，一种复用桥臂选择型mmc拓扑结构由三相桥臂电路、三相滤波电感与直流侧电容组成；任一相桥臂电路均包括上桥臂电路arm
iu
、下桥臂电路arm
il
、复用桥臂电路arm
im
、第一桥臂选择开关串t
i1
、第二桥臂选择开关串t
i2
、第三桥臂选择开关串t
i3
、第四桥臂选择开关串t
i4
；其中，i代指a,b,c相。
22.以a相为例，上桥臂电路arm
au
、下桥臂电路arm
al
和复用桥臂电路arm
am
的子模块采用半桥型子模块，第一桥臂选择开关串t
i1
、第二桥臂选择开关串t
i2
、第三桥臂选择开关串t
i3
、第四桥臂选择开关串t
i4
采用同开同关的igbt对管连接的串。arm
au
下端连接t
a1
一端，t
a1
另一端和t
a3
一端共同连接并连接arm
am
上端；t
a3
另一端和t
a2
一端共同连接并连接交流侧滤波电感la；t
a2
另一端和t
a4
一端共同连接并连接arm
am
下端；arm
al
上端连接t
a4
另一端，arm
al
下端连接直流端口负极；arm
au
上端连接直流端口正极。
23.在实施例1中，假设arm
au
子模块为n个，arm
al
子模块个数n个，arm
am
子模块个数m个，传统mmc单桥臂子模块个数为n个，则m+n＝n；与上述相对应，本发明mmc拓扑稳定运行的前提是子模块电压均衡，一种适用于本发明所述的mmc拓扑子模块功率平衡说明如图2所示。在上、下桥臂子模块和复用桥臂子模块在半周期充放电过程中，设计功率因数角α，使得在t
1-t2时间内上桥臂子模块和复用桥臂子模块被充电，充电能量w
a_c
为调制电压u
armau_c
+u
armam_c
(如浅灰色部分)和同时间内电流i
au_c
(如浅灰色部分)乘积的积分；在t
2-t4,上桥臂子模块和复用桥臂子模块被放电，放电能量w
a_r
为调制电压u
armau_c
+u
armam_r
(如深灰色部分)和同时间内电流i
au_r
(如深灰色部分)乘积的积分,w
a_c
叠加w
a_r
为零，说明上桥臂子模块和
复用桥臂子模块半周期实现电压均衡。
24.一种复用桥臂选择型mmc拓扑基本控制原理及曲线各名称含义结合图3来说明。在t
1-t4，t
a1
和t
a2
导通，上桥臂arm
au
和复用桥臂arm
am
叠出为正半周期工作；在t
4-t6，t
a3
和t
a4
导通，上桥臂arm
al
和复用桥臂arm
am
叠出为负半周期工作,其中，ω为工频角频率，为a相初相位。假设子模块电容电压为vc，有(m+n)
×
vc＝u
dc
，则在正半周期时，使下桥臂arm
al
子模块叠出电压n
×
vc，则t
a4
切换时最大承压为t
a3
切换时最大承压u
armam
＝k
×
vc(k为切换时arm
am
投入子模块个数)；同理，在负半周期，t
a1
切换时最大承压和t
a4
相同，t
a2
切换时最大承压和t
a3
相同。在上述控制方式下，令m＝n，仿真得到三相子模块平均电压v
a_sm
、v
b_sm
、v
c_sm
，如图4所示。在m＝n这种情况下，相比较传统mmc单桥臂n个子模块，6个桥臂共6n个，而本拓扑最多使用4.5n个，则比传统mmc子模块数量节省1/4。
25.实施例2：
26.图5给出了一种最少用子模块复用桥臂选择型mmc拓扑图，本拓扑取消上、下桥臂，即是令m＝n＝0,采用实施例1中的功率平衡原理与控制方式，复用桥臂arm
am
在正负半周期中被分时复用，子模块电压平衡。在这种情况下，复用桥臂arm
am
子模块个数为m＝n，三个复用桥臂共3n个子模块，相比较传统mmc的6n个子模块，本拓扑可节省1/2，大大节省了子模块数量，降低了成本，减小了mmc装置体积，提升了功率密度。
27.上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。