基于不等式约束的无辅助电容式半桥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无辅助电容式半桥MMC自均压拓扑。半桥MMC自均压拓扑，由半桥MMC模型和自均压辅助回路联合构建。半桥MMC模型与自均压辅助回路通过辅助回路中的6N个机械开关发生电气联系，机械开关闭合，两者构成基于不等式约束的无辅助电容式半桥MMC自均压拓扑，机械开关打开，拓扑等效为半桥MMC拓扑。在不强调两种拓扑差异的情况下，自均压辅助回路中的6N个机械开关可以省略，用导线替代，直接构成基于不等式约束的无辅助电容式半桥MMC自均压拓扑。该半桥MMC自均压拓扑，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，同时能相应降低子模块触发频率和电容容值，实现半桥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无辅助电容式半桥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MMC由半桥子模块组合而成，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，成本低，运行损耗小。与两电平、三电平VSC不同，半桥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。基于电容电压排序的排序均压算法是目前解决半桥MMC中半桥子模块电容电压均衡问题的主流思路，这一方案良好的均压效果在仿真和实践中都能得到验证，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，当半桥子模块数目增加时，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，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的半桥MMC自均压拓扑。本专利技术具体的构成方式如下。基于不等式约束的无辅助电容式半桥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三相分别由2N个半桥子模块，2个桥臂电抗器串联而成；包括由6N个机械开关，6N+1个钳位二极管组成的自均压辅助回路。上述基于不等式约束的无辅助电容式半桥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～N-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N个子模块，其子模块电容负极向下经两个桥臂电抗器与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个子模块电容负极相连接；A相下桥臂的第i个子模块，其中i的取值为2～N-1，其子模块电容负极向下与A相下桥臂的第i+1个子模块IGBT模块中点相连接，其IGBT模块中点向上与A相下桥臂的第i-1个子模块电容负极相连接；A相下桥臂的第N个子模块，其子模块电容负极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个子模块电容负极相连接；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～N-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N个子模块，其子模块电容正极向上与B相上桥臂的第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～N-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N个子模块，其子模块电容正极向上与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与A相或B相一致。上述基于不等式约束的无辅助电容式半桥MMC自均压拓扑，自均压辅助回路中，钳位二极管，通过机械开关连接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；通过机械开关连接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；通过机械开关连接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。钳位二极管，通过机械开关连接B相上桥臂中第i个子模块电容与第i+1个子模块电容负极，其中i的取值为1～N-1；通过机械开关连接B相上桥臂中第N个子模块电容与B相下桥臂第1个子模块电容负极；通过机械开关连接B相下桥臂中第i个子模块电容与B相下桥臂第i+1个子模块电容负极，其中i的取值为1～N-1。同时钳位二极管，通过机械开关连接A相上桥臂第一个子模块电容与B相上桥臂第一个子模块电容负极；通过机械开关连接A相下桥臂第N个子模块电容与B相下桥臂第N个子模块电容正极。C相钳位二极管的连接关系与其子模块的连接关系相对应。附图说明图1是半桥子模块的结构示意图；图2是基于不等式约束的无辅助电容式半桥MMC自均压拓扑。具体实施方式为进一步阐述本专利技术的性能与工作原理，以下结合附图对对专利技术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MMC自均压拓扑不限于图2。参考图2，基于不等式约束的无辅助电容式半桥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N个半桥子模块及1个桥臂电抗器串联而成；包括由6N个机械开关，6N+1个钳位二极管。半桥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～N-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N个子模块，其子模块电容C-au-_N负极本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于不等式约束的无辅助电容式半桥MMC自均压拓扑，其特征在于：包括由A、B、C三相构成的半桥MMC模型，A、B、C三相分别由2N个半桥子模块，2个桥臂电抗器串联而成；包括由6N个机械开关，6N+1个钳位二极管构成的自均压辅助回路。

【技术特征摘要】
1.基于不等式约束的无辅助电容式半桥MMC自均压拓扑，其特征在于：包括由A、B、C三相构成的半桥MMC模型，A、B、C三相分别由2N个半桥子模块，2个桥臂电抗器串联而成；包括由6N个机械开关，6N+1个钳位二极管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无辅助电容式半桥MMC自均压拓扑，其特征在于：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～N-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N个子模块，其子模块电容C-au-_N负极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个子模块电容C-au-_N-1负极相连接；A相下桥臂的第i个子模块，其中i的取值为2～N-1，其子模块电容C-al-_i负极向下与A相下桥臂的第i+1个子模块IGBT模块中点相连接，其IGBT模块中点向上与A相下桥臂的第i-1个子模块电容C-al-_i-1负极相连接；A相下桥臂的第N个子模块，其子模块电容C-al_N负极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个子模块电容C-al-_N-1负极相连接；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～N-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N个子模块，其子模块电容C-bu-_N正极向上与B相上桥臂的第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～N-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N个子模块，其子模块电容C-bl_N正极向上与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；在A、B、C相上下桥臂第i个子模块的上下输出线之间分别并联有机械开关Kau_i1、Kal_i1、Kbu_i1、Kbl_i1、Kcu_i1、Kcl_i1，以及晶闸管Kau_i2、Kal_i2、Kbu_i2、Kbl_i2、Kcu_i2、Kcl_i2，其中i的取值为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无辅助电容式半桥MMC自均压拓扑，其特征在于：自均压辅助回路中，钳位二极管，通过机械开关Kau_i3、Kau_（i+1）3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正极，其中i的取值为1～N-1；通过机械开关Kau_N3、Kal_13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；通过机械开关Kal_i3、Kal_（i+1）3连接A相下桥臂中第i个子模块电容C-al-_i与A相下桥臂第i+1个子模块电容C-al-_i+1正极，其中i的取值为1～N-1；钳位二极管，通过机械开关Kbu_i3、Kbu_（i+1）3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～N-1；通过机械开关Kbu_N3、Kbl_13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-bl-_1负极；通过机械开关Kbl_i3、Kbl_（i+1）3连接...

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