一种应用于柔性直流输电的mmc模块拓扑结构的制作方法
【专利说明】-种应用于柔性直流输电的MMC模块拓扑结构 【技术领域】
[0001] 本发明设及柔性输配电技术领域，具体设及一种应用于柔性直流输电的MMC模块 拓扑结构。 【【背景技术】】 W02] 与传统电压源换流器相比，模块化多电平换流器（Mo化IarMultilever Converter,MMC)具有扩展性好、谐波小、开关频率低、对器件一致触发要求少等优点，尤其 适用于直流输电应用场合。
[0003] 对于单相桥臂，直流电流、基波电流和基波电压产生一个基频W及二倍频的功率 波动，该功率波动体现在模块的直流电容上会导致直流电容的电压有基频W及少量二倍频 波动，因此在选取电容的时候需要较大的容值W应对该基频电压波动，造成电容容值较大， 故体积较大，成本较高。因此，亟需一种新型拓扑结构W解决上述技术问题。 【
【发明内容】
】
[0004] 本发明的目的在于提供一种应用于柔性直流输电的MMC模块拓扑结构，通过辅助 电路的引入减小直流电容的容值，从而减小模块体积，提高功率密度。
[0005] 为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0006] 一种应用于柔性直流输电的MMC模块拓扑结构，包括4个IGBTVT1、VT2、VT3和 VT4,4个IGBT分别反并联有二极管VD1、VD2、VD3和VD4,其中IGBTVTUVT2构成第一H半 桥结构，IGBTVT3、VT4构成第二H半桥结构，且第二H半桥结构并联直流电容C，LC回路连 接在第二H半桥中两个IGBTVT3、VT4的发射极之间；通过控制第一H半桥结构中两个IGBT VT1、VT2的开通和关断来投入和切除直流电容C，从而产生所需要的交流电压；通过第二H 半桥结构中两个IGBTVT3、VT4控制附加LC回路来吸收直流电容上的基频W及二倍频的功 率波动。
[0007] 进一步，所述IGBTVTl的集电极与二极管VDl的负极相连，IGBTVTl的发射极和 IGBTVDl的正极相连，IGBTVTl的发射极与IGBTVT2的集电极相连，二极管VD2的正极与 IGBTVT2的发射极相连，二极管VD2的负极与IGBTVT2的集电极相连构成第一H半桥结 构；所述IGBTVT3的集电极和二极管VD3的负极相连，IGBTVT3的发射极和二极管VD3的 正极相连，IGBTVT3的发射极和IGBTVT4的集电极相连，IGBTVT4的集电极和二极管VD4 的负极相连，IGBTVT4的发射极和二极管VD4的正极相连构成第二H半桥结构；LC回路连 接在IGBTVT3的发射极和IGBTVT4的发射极之间，直流电容C连接在IGBTVT3的集电极 和IGBTVT4的发射极之间，IGBTVT1、VT2、VT3、VT4的栅极连接驱动信号。 W08] 进一步，所述LC回路由电感La和电容化组成。
[0009] 本发明提出的新拓扑结构包含4个IGBTW及IGBT反并联二极管，其中IGBTVT1、 VT2构成第一H半桥结构，IGBTVT3、VT4构成第二H半桥结构，且第二H半桥结构并联直 流电容C，LC回路连接在第二H半桥中两个IGBTVT3、VT4的发射极之间；通过控制VTl和 VT2的开通和关断来投入和切除电容，从而产生所需要的交流电压，VT3和VT4用来控制附 加LC回路来吸收直流电容上的基频W及二倍频的功率波动，从而减小功率波动，降低直流 电容的容值和体积，通过辅助电路的引入减小直流电容的容值，从而减小模块体积，提高功 率密度。 【【附图说明】】
[0010] 图1为本发明所提的拓扑图； W11] 图2为新拓扑在MMC型柔性直流输电系统中的应用示意图；
[0012] 图3辅助电路的控制策略1的示意图；
[0013] 图4为辅助电容的电压波形示意图；
[0014] 图5为辅助电路的控制策略2的示意图； 阳015] 图6为采用新拓扑后电容电压波动减小的示意图； 【【具体实施方式】】
[0016] 下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显 然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施 例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属 于本发明保护的范围。
[0017] W下结合图1、2、3、4对本发明的原理做详细描述。 阳〇1引参见图1，所提新拓扑模块包括：4个IGBTdnsulatedGateBipolarI'ransistor， 引导绝缘栅双极型晶体管）：￥1'1，￥12，￥13，￥14、2个电容：(：和化，^及4个反并联二极管：VDl，VD2,VD3,VD4,其中VTl和VT2W及所包含的反并联二极管VDl和VD2为主开关器件， 主要负责模块电容的投入和切除从而产生所需的电压，在后文中称为主开关器件。VT3和 VT4W及所包含的反并联二极管VD3和VD4为辅助开关器件，主要负责吸收基频和二倍频的 功率，在后文中称为辅助开关器件。
[0019] 具体的连接方式为：VTl的集电极与二极管VDl的负极相连，VTl的发射极和VDl 的正极相连。VTl的发射极与VT2的集电极相连，VD2的正极与VT2的发射极相连，VD2的 负极与VT2的集电极相连。VT3的集电极和VD3的负极相连，VT3的发射极和VD3的正极相 连。VT3的发射极和VT4的集电极相连，VT4的集电极和VD4的负极相连，VT4的发射极和 VD4的正极相连。LC回路连接在VT3的发射极和VT4的发射极之间。所述LC回路由电感 La和电容化组成。直流电容C连接在VT3的集电极和VT4的发射极之间。VT1，VT2,VT3， VT4的栅极连接驱动信号。
[0020] 4个全控型开关器件中，其中2个构成半桥结构，为主开关器件，控制该主开关器 件的开通和关断来控制直流侧电容是否接入主回路，W满足柔性直流输电系统的控制目 标；2个作为辅助开关器件，通过其开通和关断控制LC回路来吸收基频W及二倍频的功率， W降低直流电容上的电压波动。从而减小直流电容的容值，达到提高功率密度的目的。辅助 电路的控制目标是吸收直流电容上的基频W及二倍频功率波动，可W采取多种控制方法， 例如W直流电容电压为控制目标的电压闭环、W辅助电容电压为控制目标的开环控制和W 基频W及二倍频功率为控制目标的功率闭环控制等。
[0021] 图2为所提的新拓扑模块在MMC型柔性直流输电系统中的应用。W柔性直流输电 的单端系统为例，Ag,Bg,Cg接入交流S相系统。柔性直流输电系统每相含有两个桥臂，上 桥臂和下桥臂。每个桥臂含有n个串联MMC模块。正常工作时，主开关器件通过上下开关 管的开通和关断控制主电容器的投入和切除，实现控制目标。VTl闭合时，直流电容连入电 路，VT2断开时，直流电容被短接，不再接入电路。正常工作时，W上系统的桥臂中流过直流 电流和交流电流，对于单相桥臂，直流电流、基波电流和基波电压产生一个基频W及二倍频 的功率波动，该功率波动体现在模块的直流电容上会导致直流电容的电压有基频W及少量 二倍频波动。具体如下式所示，Ppa表示A相上桥臂的瞬时功率，Pna表示A相下桥臂的瞬 时功率，可W看出，W下两个功率中包含常数、基频功率和二倍频功率。同时考虑环流的影 响会使得电容电压中含有基频W及少量的二倍频电压。
[0022]
[0023]
[0024] IGBTVT3和VT4控制LC回路中的电容的充放电来吸收基频W及二倍频的功率波 动，从而减小电容电压的波动。
[0025] 辅助电路的控制方式可W有很多种，图3给出了一种简单的闭环控制的方法，通 过检测直流电容的电压，与指令值进行比较之后，通过PI进行控制，最终与=角载波比较 产生PWM波，给到VT3和VT4的栅极。可能的方法包括但不仅含有，采用功率检测的方法得 到基频W及二倍频功率，通过该基频W及二倍频功率作为指令值，控制辅助电容上的功率。 同时也可W通过需要吸收的功率计算出辅助电容的电压，采用辅助电容电压开环的控制方 式，如图4和图5所示，图4为辅助电容的电压波形，图5为控制框图。按照图4所示的电 压波形，辅助电容上吸收的能量为下式所示，从式中可W看出，辅助电容可W补偿基频的功 率波动和二倍频的功率波动。同时通过对比桥臂功率公式中的基频功率和二倍频功率可W 确定最优的辅助电容取值W及辅助电容的电压取值。
[0026]
[0027] 图6为采用辅助电路之后，直流电容上电压的波动的变化对比。从图中可W看出， 通过辅助电路控制LC回路吸收基频W及二倍频的功率波动，直流电容上的电压波动明显 的减少了。电压波动的减少可W减小对电容容量的要求。电容容量的减少对于成本和电容 体积的减少都有很大的改善。
[0028] 可W理解的是，W上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施 方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精 神和实质的情况下，可W做出各种变型和改进，运些变型和改进也视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种应用于柔性直流输电的MMC模块拓扑结构，其特征在于：包括4个IGBT VT1、 VT2、VT3 和 VT4,4 个 IGBT 分别反并联有二极管 VD1、VD2、VD3 和 VD4,其中 IGBT VT1、VT2 构成第一 H半桥结构，IGBT VT3、VT4构成第二H半桥结构，且第二H半桥结构并联直流电 容C，LC回路连接在第二H半桥中两个IGBT VT3、VT4的发射极之间；通过控制第一 H半桥 结构中两个IGBT VT1、VT2的开通和关断来投入和切除直流电容C，从而产生所需要的交流 电压；通过第二H半桥结构中两个IGBT VT3、VT4控制附加LC回路来吸收直流电容上的基 频以及二倍频的功率波动。2. 根据权利要求1所述的应用于柔性直流输电的MMC模块拓扑结构，其特征在于：所 述IGBT VTl的集电极与二极管VDl的负极相连，IGBT VTl的发射极和IGBT VDl的正极相 连，IGBT VTl的发射极与IGBT VT2的集电极相连，二极管VD2的正极与IGBT VT2的发射 极相连，二极管VD2的负极与IGBT VT2的集电极相连构成第一 H半桥结构； 所述IGBT VT3的集电极和二极管VD3的负极相连，IGBT VT3的发射极和二极管VD3的 正极相连，IGBT VT3的发射极和IGBT VT4的集电极相连，IGBT VT4的集电极和二极管VD4 的负极相连，IGBT VT4的发射极和二极管VD4的正极相连构成第二H半桥结构； LC回路连接在IGBT VT3的发射极和IGBT VT4的发射极之间，直流电容C连接在IGBT VT3的集电极和IGBT VT4的发射极之间，IGBT VT1、VT2、VT3、VT4的栅极连接驱动信号。3. 根据权利要求1或2所述的应用于柔性直流输电的MMC模块拓扑结构，其特征在于： 所述LC回路由电感La和电容Ca组成。
【专利摘要】本发明提供一种应用于MMC型柔性直流输电系统具有提升功率密度的模块拓扑，包括4个IGBT？VT1、VT2、VT3和VT4，4个IGBT分别反并联有二极管VD1、VD2、VD3和VD4，通过控制第一H半桥结构中两个IGBT？VT1、VT2的开通和关断来投入和切除直流电容C，从而产生所需要的交流电压；通过第二H半桥结构中两个IGBT？VT3、VT4控制附加LC回路来吸收直流电容上的基频以及二倍频的功率波动，从而减小功率波动，降低直流电容的容值和体积，可通过辅助电路的引入减小直流电容的容值，从而减小模块体积，提高功率密度。
【IPC分类】H02J1/02
【公开号】CN105140906
【申请号】CN201510461139
【发明人】李战龙, 侯丹, 陈名, 刘伟增, 黎小林, 郝翔, 秦健
【申请人】特变电工新疆新能源股份有限公司, 特变电工西安柔性输配电有限公司, 南方电网科学研究院有限责任公司
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年7月30日