基于不等式约束的辅助电容分布式半桥/单箝位混联MMC自均压拓扑制造技术

本发明专利技术提供基于不等式约束的辅助电容分布式半桥/单箝位混联MMC自均压拓扑。半桥/单箝位混联MMC自均压拓扑中，半桥/单箝位混联MMC模型与自均压辅助回路通过辅助回路中的6N个辅助开关发生电气联系，辅助开关闭合，两者构成基于不等式约束的辅助电容分布式半桥/单箝位混联MMC自均压拓扑，辅助开关打开，拓扑等效为半桥/单箝位混联MMC拓扑。在不强调两种拓扑差异的情况下，辅助开关中的6K个机械开关可以省略。该半桥/单箝位混联MMC自均压拓扑，可以箝位直流侧故障，同时不依赖于专门的均压控制，能够在完成直交流能量转换的基础上，自发地实现子模块电容电压的均衡，此外可以相应降低子模块触发频率和电容容值，实现MMC的基频调制。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及柔性输电领域，具体涉及一种基于不等式约束的辅助电容分布式半桥/单箝位混联MMC自均压拓扑。
技术介绍
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/单箝位混联MMC由半桥子模块及单箝位子模块组合而成。半桥子模块由2个IGBT模块，1个子模块电容，1个晶闸管及1个机械开关构成；单箝位子模块由3个IGBT模块、1个子模块电容，一个二极管及1个机械开关构成。该混联MMC，成本低，运行损耗小，同时能箝位直流侧故障。与两电平、三电平VSC不同，半桥/单箝位混联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半桥/单箝位混联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。文献“ADC-LinkVoltageSelf-BalanceMethodforaDiode-ClampedModularMultilevelConverterWithMinimumNumberofVoltageSensors”，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。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术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/单箝位混联MMC自均压拓扑。本专利技术具体的构成方式如下。基于不等式约束的辅助电容分布式半桥/单箝位混联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个单箝位子模块及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+11个钳位二极管，8个辅助电容，4个辅助IGBT模块组成的自均压辅助回路。上述基于不等式约束的辅助电容分布式半桥/单箝位混联MMC自均压拓扑，混联MMC模型中，A相上下桥臂，单箝位子模块中，二极管连接子模块电容正极，IGBT模块连接子模块电容负极。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，其子模块二极管与IGBT模块联结点向下与A相上桥臂第j+1个子模块IGBT模块中点相连接，其子模块IGBT模块中点向上与第A相上桥臂第j-1个子模块二极管与IGBT模块联结点相连接；A相上桥臂第N个子模块，其子模块二极管与IGBT模块联结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，其子模块IGBT模块中点向上与A相上桥臂的第N-1个子模块二极管与IGBT模块联结点相连接；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，其子模块二极管与IGBT模块联结点向下与A相下桥臂第j+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相下桥臂第j-1个子模块二极管与IGBT模块联结点相连接；A相下桥臂第N个子模块二极管与IGBT模块联结点向下与直流母线负极相连接，其子模块IGBT模块中点向上与A相下桥臂的第N-1个子模块二极管与IGBT模块联结点相连接。B相上下桥臂，单箝位子模块中，IGBT模块连接子模块电容正极，二极管连接子模块电容负极，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IGBT模块与二极管联结点相连接；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IGBT模块与二极管联结点向上与B相上桥臂第j-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j+1个子模块IGBT模块与二极管联结点相连接；B相上桥臂第N个子模块，其子模块IGBT模块与二极管联结点向上与B相上桥臂第N-1个子模块IGBT模块中点相连接，其子模块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IGBT模块与二极管联结点相连接；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IGBT模块与二极管联本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于不等式约束的辅助电容分布式半桥/单箝位混联MMC自均压拓扑，其特征在于：包括由A、B、C三相构成的半桥/单箝位混联MMC模型，A、B、C三相每个桥臂分别由K个半桥子模块、N‑K个单箝位子模块及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+11个钳位二极管，8个辅助电容C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8，4个辅助IGBT模块T1、T2、T3、T4构成的自均压辅助回路。

【技术特征摘要】
1.基于不等式约束的辅助电容分布式半桥/单箝位混联MMC自均压拓扑，其特征在于：包括由A、B、C三相构成的半桥/单箝位混联MMC模型，A、B、C三相每个桥臂分别由K个半桥子模块、N-K个单箝位子模块及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+11个钳位二极管，8个辅助电容C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8，4个辅助IGBT模块T1、T2、T3、T4构成的自均压辅助回路。
2.根据权利1所述的基于不等式约束的辅助电容分布式半桥/单箝位混联MMC自均压拓扑，其特征在于：A相上下桥臂，单箝位子模块中，二极管连接子模块电容正极，IGBT模块连接子模块电容负极；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，其子模块二极管与IGBT模块联结点向下与A相上桥臂第j+1个子模块IGBT模块中点相连接，其子模块IGBT模块中点向上与第A相上桥臂第j-1个子模块二极管与IGBT模块联结点相连接；A相上桥臂第N个子模块，其子模块二极管与IGBT模块联结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，其子模块IGBT模块中点向上与A相上桥臂的第N-1个子模块二极管与IGBT模块联结点相连接；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，其子模块二极管与IGBT模块联结点向下与A相下桥臂第j+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相下桥臂第j-1个子模块二极管与IGBT模块联结点相连接；A相下桥臂第N个子模块二极管与IGBT模块联结点向下与直流母线负极相连接，其子模块IGBT模块中点向上与A相下桥臂的第N-1个子模块二极管与IGBT模块联结点相连接；B相上下桥臂，单箝位子模块中，IGBT模块连接子模块电容正极，二极管连接子模块电容负极，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IGBT模块与二极管联结点相连接；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IGBT模块与二极管联结点向上与B相上桥臂第j-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j+1个子模块IGBT模块与二极管联结点相连接；B相上桥臂第N个子模块，其子模块IGBT模块与二极管联结点向上与B相上桥臂第N-1个子模块IGBT模块中点相连接，其子模块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IGBT模块与二极管联结点相连接；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IGBT模块与二极管联结点向上与B相下桥臂第j-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j+1个子模块IGBT模块与二极管联结点相连接；B相下桥臂第N个子模块，其子模块IGBT模块与二极管联结点向上与B相下桥臂第N-1个子模块IGBT模块中点相连接，其子模块IGBT模块中点向下与直流母线负极相连接；C相上下桥臂子模块的连接方式可以与A相一致，也可以与B相一致；由于单箝位子模块的存在，半桥子模块上下输出线之间不必要配置晶闸管；故A、B、C相上下桥臂子模块的上下输出线之间并联有机械开关Kau_i1、Kal_i1、Kbu_i1、Kbl_i1、Kcu_i1、Kcl_i1、Kau_j、Kal_j、Kbu_j、Kbl_j、Kcu_j、Kcl_j，其中i的取值为1～K，j的取值为K+1～N；上述连接关系构成的A、B、C三相地位一致，三相轮换对称之后的其他拓扑在权利范围内。
3.根据权利1所述的基于不等式约束的辅助电容分布式半桥/单箝位混联MMC自均压拓扑，其特征在于：自均压辅助回路中，辅助电容C1与辅助电容C2通过钳位二极管并联，辅助电容C2正极连接辅助IGBT模块T1，辅助电容C1负极连接钳位二极管并入直流母线正极；辅助电容C3与辅助电容C4通过钳位二极管并联，辅助电容C3负极连接辅助IGBT模块T2，辅助电容C4正极连接钳位二极管并入直流母线负极；辅助电容C5与辅助电容C6通过钳位二极管并联，辅助电容C5正极连接辅助IGBT模块T3，辅助电容C6负极连接钳位二极管并入直流母线正极；辅助电容C7与辅助电容C8通过钳位二极管并联，辅助电容C8负极连接辅助IGBT模块T4，辅助电容C7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Kau_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Kau_i2、Kau_（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Kau_K2、Tau_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Tau_j、Tau_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Tau_N、Kal_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Kal_i2、Kal_（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Kal_K2、T...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵成勇，许建中，刘航，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：北京;11