一种组合型模块化多电平换流拓扑及其调制方法技术

本发明专利技术公开了一种组合型模块化多电平换流拓扑及其调制方法。该拓扑包括一个或多个相单元，相单元包括由整形电路和开关电路组成的直流上、下桥臂和由子模块串联组成的交流桥臂，以及交流电抗器。在相单元中，直流桥臂连续导通半个工频周期，通过控制开关电路的导通或关断；移相角为直流上桥臂导通滞后于交流电压的相位角，由功率因数角和交流电压调制度决定；交流桥臂由可控输出正负电平的子模块串联组成，正常工况下与直流桥臂共同实现能量转换，直流故障后生成反向电动势，主动穿越直流故障。本发明专利技术公开的组合型模块化多电平换流器功率器件数和电容数量及容值均小于现有常用拓扑，兼顾了故障穿越能力和系统经济性能，提高了系统的可靠性。

A combined modular multilevel converter topology and its modulation method

【技术实现步骤摘要】
一种组合型模块化多电平换流拓扑及其调制方法
本专利技术属于电力电子
，具体涉及一种组合型模块化多电平换流拓扑及其调制方法。
技术介绍
高压直流输电(HVDC)较高压交流输电(HVAC)具有输电效率高、易接纳分布式电源、大型储能设备较少等优势，有望成为解决远距离、大容量和跨区域电力输送的优选方案。模块化多电平换流器(ModularMultilevelConverter,MMC)自2002年问世以来，以模块化程度高、输出波形质量好、器件动作次数少等特点，日益成为HVDC输电系统中最具发展前景的换流器拓扑结构之一。现已投入运行的MMC-HVDC项目中，输电载体绝大多数采用直流侧短路故障发生率低的地下电缆或海底电缆，但地下电缆或海底电缆造价高昂，难以适用于大容量远距离输电；且一旦挖掘和抛锚破坏电缆绝缘层即发生永久性故障，检修困难。因此，采用价格低、容量大的架空线输送是我国柔性直流输电的发展趋势。然而，架空线的线路裸露且空气绝缘，易发生直流侧短路故障。由于全控型器件的过流能力不足，造成了以架空线为传输载体的柔性直流输电工程的直流故障处理能力欠缺。如何高性能地解决柔性直流输电系统的直流侧故障问题是国内外学者的研究热点。目前，直流断路器技术尚不成熟，造价高、损耗大、灭弧难，难以应用在高电压、大容量的工程中处理直流侧短路故障。传统电流源型直流输电中，直流侧发生短路故障后，短路电流通过晶闸管转移到交流侧，通过交流侧设备如交流断路器、交流熔断器等切断故障。然而，通过交流侧设备阻断直流侧故障的方法响应时间长、系统恢复复杂，且柔性直流输电中全控型器件的过流能力较晶闸管弱，采用该方法仍需晶闸管保护过流。近年来，国内外学者提出多种拓扑结构，试图通过换流器自身动作来实现对直流故障的隔离和穿越，以克服直流断路设备和交流断路设备的诸多不足。其中，最具代表性的是箝位双子模块(ClampDoubleSub-Module,CDSM)和全桥子模块(FullBridgeSub-Module,FBSM)结构。在发生直流侧短路故障时，CDSM和FBSM可通过闭锁所有全控型器件，通过二极管续流效应和电容储能效应箝位短路电流至零，从而隔离直流侧短路故障。CDSM子模块结构由于两个箝位二极管的作用，不能主动输出负电平，冗余状态少，故障处理能力有限。FBSM结构对称，可以输出负电平，在直流侧发生短路故障时换流器可作为静止无功补偿器(STATCOM)对交流侧进行无功补偿，但全桥子模块的功率器件多，造价高、损耗大，导致换流器的建造成本和运行成本低，不利于大规模应用。因此，如何兼顾换流器建造成本和故障穿越能力是柔性直流输电领域换流拓扑研究的热点问题。本专利技术结合子模块特性和功率开关特性公开了一种新型组合型模块化多电平换流拓扑，该拓扑的功率器件数和子模块电容数量均小于全桥型模块化多电平换流器，且与全桥型模块化多电平换流器具有相同的直流故障穿越能力，实现了换流器建造成本和故障穿越能力的兼顾。
技术实现思路
鉴于上述，本专利技术提供了一种组合型模块化多电平换流拓扑及其调制方法，具有兼顾直流故障穿越能力和建造成本低的优点。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种组合型模块化多电平换流拓扑，其特征在于：包括一个或多个并联的相单元，每个相单元包括交流电抗器、交流桥臂、以及串联连接的直流上桥臂和直流下桥臂；直流上桥臂的正端与直流母线正极相连，直流下桥臂的负端与直流母线负极相连，直流上桥臂的负端和直流下桥臂的正端通过交流电抗器与交流桥臂的正端相连，交流桥臂的负端与交流侧相连；所述交流桥臂包括串联的全桥子模块；所述直流上桥臂和直流下桥臂均包括串联的整形电路和开关电路，开关电路用于控制直流上桥臂或直流下桥臂的通断状态，整形电路根据调制信号用于生成电平。优选的，所述整形电路包含串联的多个直流子模块，所述直流子模块包含全控型功率器件和子模块电容器，通过控制全控型功率器件的导通和关断实现子模块电容器的投入或切除。优选的，所述直流子模块为全桥子模块或半桥子模块。优选的，所述开关电路包含串联的多个全控型功率器件模块。优选的，所述全控型功率器件模块为绝缘门极双极型晶体管IGBT、集成门极换流晶闸管IGCT或门极可关断晶闸管GTO。优选的，交流电抗器设置在直流上、下桥臂的连接点与交流桥臂之间，交流电抗器的正端与直流上桥臂和直流下桥臂的连接点相连，交流电抗器的负端与交流桥臂的正端相连。本专利技术还公开了一种上述的组合型模块化多电平换流拓扑的调制方法，在每个相单元中，通过控制直流上桥臂和直流下桥臂中的开关电路的导通或关断，实现直流上桥臂和直流下桥臂交替工作；当直流上桥臂和/或直流下桥臂中的开关电路导通时，直流上桥臂和/或直流下桥臂与交流桥臂共同将电路中的直流侧和交流侧连通，直流上桥臂和/或直流下桥臂中的整形电路及交流桥臂通过调制信号生成电平；当直流上桥臂和/或直流下桥臂的开关电路关断时，直流上桥臂和/或直流下桥臂不接入工作电路中或通过全控型功率器件模块(3)中的反并联二极管接入电路，交流桥臂在换流器正常工作时始终接在电路中；直流上桥臂中整形电路的参考电压信号为直流母线正极电压与交流桥臂正端电压之差，直流下桥臂中整形电路的参考电压信号为交流桥臂正端电压与直流母线负极电压之差，交流桥臂的参考电压信号与能量平衡相关。优选的，在每个相单元中，交流桥臂上的能量在一个工频周期内守恒，流经交流桥臂的电流为换流器交流侧电流，交流桥臂的参考电压信号为分段函数，如下：其中，ujFB表示第j个相单元的交流桥臂电压，udc表示直流侧电压值，mFBdc和mFB分别表示交流桥臂电压中直流分量和交流分量的调制度，表示交流桥臂电压中交流分量的初相位，表示交流侧电压初相位，ω表示工频角频率。以a相为例，交流桥臂在一个工频周期内的能量积累可表示为其中，I1表示交流电流的基频幅值，表示功率因数角，T表示工频周期，与工频角频率ω的关系为ωT＝2π；uaFB表示a相交流桥臂电压，ia表示a相交流侧电流，EaFB表示a相交流桥臂累积的能量。为保证交流桥臂中全桥子模块电容的能量平衡，交流桥臂能量在一个工频周期内能量积累为零，即EaFB＝0，得到交流桥臂中交直流调制度mFBdc和mFB之间的关系为直流上下桥臂的电压表达式为其中，ujp表示j相直流上桥臂的电压，ujn表示j相直流下桥臂的电压，m表示交流电压调制度，U1表示交流电压的基频幅值。优选的，在每个相单元中，直流上桥臂和直流下桥臂互补导通，且直流上、下桥臂分别连续导通半个工频周期，直流上桥臂导通的相角滞后于交流电压的相位角称为移相角θ，直流上桥臂和直流下桥臂的开关信号如下：其中sjp表示第j个相单元的直流上桥臂中开关电路的开关信号，当sjp＝1时，直流上桥臂导通，当sjp＝0时，直流上桥臂关断；sjn表示第j个相单元的直流下桥臂中开关电路的开关信号，当sjn＝1时，直流下桥臂导通，当sjn＝0时，直流下桥臂关断；ω表本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种组合型模块化多电平换流拓扑，其特征在于：包括一个或多个并联的相单元(10)，每个相单元(10)包括交流电抗器(7)、交流桥臂(9)、以及串联连接的直流上桥臂(5)和直流下桥臂(6)；直流上桥臂(5)的正端与直流母线正极(11)相连，直流下桥臂(6)的负端与直流母线负极(12)相连，直流上桥臂的负端和直流下桥臂的正端通过交流电抗器(7)与交流桥臂的正端相连，交流桥臂的负端与交流侧相连；所述交流桥臂包括串联的全桥子模块；所述直流上桥臂和直流下桥臂均包括串联的整形电路(2)和开关电路(4)，开关电路用于控制直流上桥臂或直流下桥臂的通断状态，整形电路根据调制信号用于生成电平。/n

【技术特征摘要】
1.一种组合型模块化多电平换流拓扑，其特征在于：包括一个或多个并联的相单元(10)，每个相单元(10)包括交流电抗器(7)、交流桥臂(9)、以及串联连接的直流上桥臂(5)和直流下桥臂(6)；直流上桥臂(5)的正端与直流母线正极(11)相连，直流下桥臂(6)的负端与直流母线负极(12)相连，直流上桥臂的负端和直流下桥臂的正端通过交流电抗器(7)与交流桥臂的正端相连，交流桥臂的负端与交流侧相连；所述交流桥臂包括串联的全桥子模块；所述直流上桥臂和直流下桥臂均包括串联的整形电路(2)和开关电路(4)，开关电路用于控制直流上桥臂或直流下桥臂的通断状态，整形电路根据调制信号用于生成电平。


2.如权利要求1所述的组合型模块化多电平换流拓扑，其特征在于：所述整形电路(2)包含串联的多个直流子模块(1)，所述直流子模块(1)包含全控型功率器件和子模块电容器，通过控制全控型功率器件的导通和关断实现子模块电容器的投入或切除。


3.如权利要求2所述的组合型模块化多电平换流拓扑，其特征在于：所述直流子模块(1)为全桥子模块或半桥子模块。


4.如权利要求1所述的组合型模块化多电平换流拓扑，其特征在于：所述开关电路(4)包含串联的多个全控型功率器件模块(3)。


5.如权利要求4所述的组合型模块化多电平换流拓扑，其特征在于：所述全控型功率器件模块(3)为绝缘门极双极型晶体管IGBT、集成门极换流晶闸管IGCT或门极可关断晶闸管GTO。


6.如权利要求1所述的组合型模块化多电平换流拓扑，其特征在于：交流电抗器设置在直流上、下桥臂的连接点与交流桥臂之间，交流电抗器的正端与直流上桥臂和直流下桥臂的连接点相连，交流电抗器的负端与交流桥臂的正端相连。


7.一种如权利要求1所述的组合型模块化多电平换流拓扑的调制方法，其特征在于：在每个相单元中，通过控制直流上桥臂和直流下桥臂中的开关电路(4)的导通或关断，实现直流上桥臂和直流下桥臂交替工作；当直流上桥臂和/或直流下桥臂中的开关电路导通时，直流上桥臂和/或直流下桥臂与交流桥臂共同将电路中的直流侧和交流侧连通，直流上桥臂和/或直流下桥臂中的整形电路及交流桥臂通过调制信号生成电平；当直流上桥臂和/或直流下桥臂的开关电路关断时，直流上桥臂和/或直流下桥臂不接入工作电路中或通过全控型功率器件模块(3)中的反并联二极管接入电路，交流桥臂在换流器正常工作时始终接在电路中；
直流上桥臂中整形电路的参考电压信号为直流母线正极电压与交流桥臂正端电压之差，直流下桥臂中整形电路的参考电压信号为交流桥臂正端电压与直流母线负极电压之差，交流桥臂的参考电压信...

【专利技术属性】
技术研发人员：李武华，杨贺雅，范世源，董玉斐，李楚杉，杨欢，顾小卫，何湘宁，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33