基于等式约束的辅助电容集中式全桥mmc自均压拓扑的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及柔性输电领域，具体涉及一种基于等式约束的辅助电容集中式全桥 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(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。
[0003]全桥MMC由全桥子模块组合而成，全桥子模块由四个IGBT模块，一个子模块电容及 1个机械开关构成，运行灵活，具有直流故障箝位能力。
[0004] 与两电平、三电平VSC不同，全桥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。
[0005] 基于电容电压排序的排序均压算法是目前解决全桥MMC中子模块电容电压均衡问 题的主流思路。但是，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"ADC-LinkVoltageSelf-BalanceMethodforaDiode-Clamped ModularMultilevelConverterWithMinimumNumberofVoltageSensors"，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。
【发明内容】
[0007] 针对上述问题，本发明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全桥MMC自均压拓 扑。
[0008] 本发明具体的构成方式如下。
[0009] 基于等式约束的辅助电容集中式全桥MMC自均压拓扑，包括由A、B、C三相构成的全 桥MMC模型，A、B、C三相每个桥臂分别由N个全桥子模块及1个桥臂电抗器串联而成;包括由 6N个IGBT模块，6N+5个钳位二极管，2个辅助电容，2个辅助IGBT模块组成的自均压辅助回 路。
[0010] 上述基于等式约束的辅助电容集中式全桥MMC自均压拓扑，全桥MMC模型中，A相上 桥臂的第1个子模块，其一个IGBT模块中点向上与直流母线正极相连接，另一个IGBT模块中 点向下与A相上桥臂的第2个子模块一个IGBT模块中点相连接;A相上桥臂的第i个子模块， 其中i的取值为2~N-1，其一个IGBT模块中点向上与A相上桥臂的第i-Ι个子模块一个IGBT 模块中点相连，另一个IGBT模块中点向下与A相上桥臂的第i+1个子模块一个IGBT模块中点 相连;A相上桥臂的第N个子模块，其一个IGBT模块中点向下经两个桥臂电抗器与A相下桥臂 的第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~N-1，其 一个IGBT模块中点向上与A相下桥臂的第i-Ι个子模块一个IGBT模块中点相连，另一个IGBT 模块中点向下与A相下桥臂的第i+1个子模块一个IGBT模块中点相连;A相下桥臂的第N个子 模块，其一个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个子模块两个IGBT模块中点相连接。B相和C相上下桥臂子模块的连接方式与A 相一致。
[0011] 上述基于等式约束的辅助电容集中式全桥MMC自均压拓扑，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。钳位二极管，通过 IGBT模块连接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IGBT模块连接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IGBT 模块连接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IGBT模块 连接A相下桥臂中第i个子模块电容与A相下桥臂第i+Ι个子模块电容正极，其中i的取值为1 ~N-1;通过IGBT模块连接A相下桥臂中第N个子模块电容和第二个辅助电容正极。钳位二极 管，通过IGBT模块连接B相上桥臂中第1个子模块电容与第一个辅助电容负极;通过IGBT模 块连接B相上桥臂中第i个子模块电容与第i+1个子模块电容负极，其中i的取值为1~N-1; 通过IGBT模块连接B相上桥臂中第N个子模块电容与B相下桥臂第1个子模块电容负极;通过 IGBT模块连接B相下桥臂中第i个子模块电容与B相下桥臂第i+Ι个子模块电容负极，其中i 的取值为1~N-1;通过IGBT模块连接B相下桥臂中第N个子模块电容与第二个辅助电容负 极。C相中钳位二极管的连接关系与A相或B相相似。
[0012]
【附图说明】
[0013] 图1是全桥子模块的结构示意图； 图2是基于等式约束的辅助电容集中式全桥MMC自均压拓扑。
【具体实施方式】
[0014] 为进一步阐述本发明的性能与工作原理，以下结合附图对对发明的构成方式与工 作原理进行具体说明。但基于该原理的全桥MMC自均压拓扑不限于图2。
[0015] 参考图2,基于等式约束的辅助电容集中式全桥MMC自均压拓扑，包括由A、B、C三相 构成的全桥MMC模型，A、B、C三相每个桥臂分别由N个全桥子模块及1个桥臂电抗器串联而 成，包括由6N个IGBT模块，6N+5个钳位二极管，2个辅助电容，2个辅助IGBT模块组成的自均 压辅助回路。
[0016]全桥MMC模型中，A相上桥臂的第1个子模块，其一个IGBT模块中点向上与直流母线 正极相连接，另一个IGBT模块中点向下与A相上桥臂的第2个子模块一个IGBT模块中点相连 接;A相上桥臂的第i个子模块，其中i的取值为2~N-1，其一个IGBT模块中点向上与A相上桥 臂的第i-Ι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A相上桥臂的第 i+Ι个子模块一个IGBT模块中点相连接;A相上桥臂的第N个子模块，其一个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，另一个IGBT模块中点向下经两 个桥臂电抗器Lo与A相下桥臂的第1个全桥子模块一个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~N-1，其一个IGBT模块中点向上与A相下桥臂的第i-Ι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A相下桥臂的第i+Ι个子模块一个 IGBT模块中点相连接;A相下桥臂的第N个子模块，其一个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相和C相上下桥臂子模块的连接方式与A相一致。
[0017]自均压辅助回路中，辅助电容&正极连接辅助IGBT模块T!，负极连接钳位二极管并 入直流母线正极;辅助电容&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。钳位二极管，通过IGBT模块TauJ连接Α相上桥臂中第1个子模块电容C-au-j与辅助电容 C!正极;通过IGBT模块Tau_i、Tau_i+1连接A相上桥臂中第i个子模块电容C-au-_i与第i+Ι个子模 块电容C_au-_i+1正极，其中i的取值为1~N-1;通过IGBT模块Tau_N、Taij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IGBT模块Tal_i、Tal_i+l连 接A相下桥臂中第i个子模块电容C-al-_^A相下桥臂第i+Ι个子模块电容c-al-_1+1正极，其中 i的取值为1~N-ι;通过IGBT模块Tai_N连接A相下桥臂中第N个子模块电容C-ai_N与辅助电容 C2正极。钳位二极管，通过IGBT模块TbuJ连接B相上桥臂中第1个子模块电容C-bu-j与辅助电 容&负极;通过IGBT模块Tbu_i、Tbu_i+1连接B相上桥臂中第i个子模块电容C-bu-_i与第i+Ι个子 模块电容C-bu-_i+1负极，其中i的取值为1~N-1;通过IGBT模块Tbu_N、Tbij连接B相上桥臂中第 N个子模块电容C_bu_N与B相下桥臂第1个子模块电容C_bi-_i负极;通过IGBT模块Tbi_i、Tbi_i+i 连接B相下桥臂中第i个子模块电容C_bi-_i与B相下桥臂第i+Ι个子模块电容C-bi-_i+i负极，其 中i的取值为1~N-1;通过IGBT模块Tbi_N连接B相下桥臂中第N个子模块电容C-bi-_N与辅助电 容C2负极。C相中钳位二极管的连接关系与A相一致。
[0018]正常情况下，自均压辅助回路中6N个IGBT模块Tau_i、Tai_i、Tbu_i、Tbi_i、Tcu_i、Tci_i常 闭，其中i的取值为1~N，A相上桥臂第一个子模块电容CauJ旁路时，此时辅助IGBT模块1^断 开，子模块电容Cau」与辅助电容&通过钳位二极管并联;A相上桥臂第i个子模块电容CauS 路时，其中i的取值为2~N，子模块电容Cau_i与子模块电容Cau_i-^过钳位二极管并联;A相 下桥臂第一个子模块电容Cal_l旁路时，子模块电容Cal_l通过钳位二极管、两个桥臂电抗器L〇 与子模块电容Cau_N并联;A相下桥臂第i个子模块电容Cai_i旁路时，其中i的取值为2~N，子模 块电容Cai-_i与子模块电容Cai_i-: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Cal_N并联。
[0019]正常情况下，自均压辅助回路中6N个IGBT模块Tau_i、Tai_i、Tbu_i、Tbi_i、Tcu_i、Tci_i常 闭，其中i的取值为1~N，辅助IGBT模块Ti闭合时，辅助电容&与子模块电容CbuJ通过钳位二 极管并联;B相上桥臂第i个子模块电容Cbu_i旁路时，其中i的取值为1~N-l，子模块电容Cbu_i与子模块电容Cbu_i+i通过钳位二极管并联;B相上桥臂第N个子模块电容Cbu_N旁路时，子模块 电容Cbu_N通过钳位二极管、两个桥臂电抗器L〇与子模块电容Cbi_i并联;B相下桥臂第i个子模 块电容Cbi_i旁路时，其中i的取值为1~N-