桥臂分频切换型模块化多电平变换器拓扑制造技术

本实用新型专利技术公开了一种桥臂分频切换型模块化多电平变换器拓扑。每相单元由上桥臂、下桥臂以及桥臂切换开关构成，两个桥臂各包含N个级联子模块，桥臂切换开关包含6组级联IGBT簇，每两个IGBT簇构成一个相切换单元。一个IGBT簇由两组IGBT反向串联构成，每组IGBT又由多个同向IGBT级联组成。交流侧a、b、c三相由每个相切换单元中间引出联接至匹配变压器或者直接联接交流主网。与标准MMC相比，一方面本实用新型专利技术的拓扑不需要桥臂电感，另一方面在MMC正常和故障穿越过程中通过相切换单元之间的快速切换，可以改变MMC子模块串在一个工频周期内的充放电次数，以达到正常工况和故障穿越过程中大大减小子模块电容电压纹波的效果。过程中大大减小子模块电容电压纹波的效果。过程中大大减小子模块电容电压纹波的效果。

【技术实现步骤摘要】
桥臂分频切换型模块化多电平变换器拓扑


[0001]本技术属于柔性直流输电领域，具体涉及一种桥臂分频切换型模块化多电平变换器拓扑。

技术介绍

[0002]模块化多电平变换器(MMC)由于具有模块化级联和可任意扩展的拓扑结构，能够在很低的开关频率下得到很好的波形质量，设计和维护简单，可靠性高，目前成为柔性直流输电领域理想的解决方案。
[0003]MMC的子模块电容是子模块中体积最大的设备，在整个换流站的建造成本和占地面积中占比很大。虽然提高子模块电容值可以降低电容电压波动，但该方法会增加电容的体积和成本，经济性较差。故研究降低MMC子模块电容电压纹波的方法，从而降低对子模块电容容值的要求，实现换流器轻型化设计，减小换流站占地面积和建设成本具有重要的工程意义。
[0004]另外，在MMC交流主网故障情况下，由于MMC内部的不对称性，使得其子模块电容电压的纹波大幅增大。这一方面会影响MMC的故障穿越性能，降低了MMC的故障穿越能力；另一方面，较大的电压纹波会增大IGBT的集射极间电压，导致IGBT击穿，严重影响IGBT的安全。
[0005]针对这类问题，目前常用的是二倍频环流注入方法。然而该方法不仅会增加 MMC的损耗，降低系统效率；而且在某些条件下会使得MMC会发生过调制现象，影响MMC的正常运行。

技术实现思路

[0006]本技术的目的是针对MMC换流站轻量化和增强其故障穿越能力的需求，提供一种桥臂分频切换型模块化多电平变换器拓扑，可以大幅降低子模块电容容值需求，增强MMC的故障穿越能力。
[0007]一种桥臂分频切换型模块化多电平变换器拓扑，其特征在于，包括由A、B、 C三个相单元构成的MMC模型；每个相单元由上桥臂、下桥臂以及桥臂切换开关构成，两个桥臂各包含N个级联子模块，桥臂切换开关由6组级联IGBT簇构成；每两个IGBT簇构成一个相切换单元；一个IGBT簇由两组IGBT反向串联组成，每组IGBT又由多个相同的IGBT同向级联组成；
[0008]本技术进一步的改进在于，A相单元上桥臂的子模块串编号从上到下依次为1～N，此N个子模块互相串联；同样，其下桥臂的子模块串编号从上到下依次为N+1～2N，此N个子模块互相串联；上桥臂的第1个子模块的IGBT模块中点与直流母线正极相连接；上桥臂的第N个子模块的电容负极同时连接三个IGBT的集电极，这三个IGBT又各自同向串联M
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1个同样的IGBT，组成三组正上IGBT串；此三组正上IGBT串的IGBT编号从上到下依次均为1～M；此三组正上IGBT串的第M个IGBT的发射极又各自连接另外三个IGBT的发射极，这三个IGBT又各自同向串联M
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1个同样的IGBT，组成三组负上IGBT串；此三组负上IGBT串的IGBT编号从上到下依次均为M+1～2M；这三组负上IGBT 串的第2M个IGBT的集电极分别联接匹配变压器
或者交流主网的a相、b相和 c相；这三组负上IGBT串的第2M个IGBT的集电极又各自连接另外三个IGBT 的发射极，这三个IGBT又各自同向串联M
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1个同样的IGBT，组成三组正下IGBT 串；此三组正下IGBT串的IGBT编号从上到下依次为2M+1～3M；这三组正下 IGBT串的第3M个IGBT的发射极又各自连接另外三个IGBT的发射极，这三个IGBT又各自同向串联M
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1个同样的IGBT，组成三组负下IGBT串；此三组负下IGBT串的IGBT编号从上到下依次为3M+1～4M；此三组负下IGBT串的第4M个IGBT的集电极互连在一起，同时连接下桥臂第N+1个子模块串的IGBT 模块中点；下桥臂的第2N个子模块的IGBT模块中点与直流母线负极相连接。 B相单元和C相单元的连接方式与A相一致。
[0009]与现有技术相比，本技术具有如下的优点：
[0010]在一个工频周期内通过桥臂切换单元的高频切换，快速改变每个相单元中子模块流过的电流，增加了子模块在一个工频周期内的充放电次数，减小了子模块电容电压纹波的大小，使得正常情况下可以大幅降低子模块电容容值需求，交流主网故障情况下可以减小子模块电容电压的波动，增强了MMC的故障穿越能力。
[0011]本技术不向桥臂中注入多倍频谐波，不会导致MMC发生过调制现象。另外，本技术只增加部分桥臂切换开关的损耗，没有增大MMC子模块串的通态损耗。因此，在损耗方面，本技术增加量较小。
附图说明
[0012]通过阅读参照以下附图的描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0013]图1为本技术桥臂分频切换型模块化多电平变换器拓扑结果示意图。
[0014]图2为本技术相切换单元导通顺序示意图。
[0015]图3为正常情况下传统MMC的子模块电容电压稳态波形。
[0016]图4为正常情况下本技术拓扑的子模块电容电压稳态波形。
[0017]图5为故障情况下传统MMC的子模块电容电压波形。
[0018]图6为故障情况下本技术拓扑的子模块电容电压波形。
具体实施方式
[0019]下面结合具体实施例对本技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本技术，但不以任何形式限制本技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本技术的保护范围。
[0020]参考图1，本技术的桥臂分频切换型模块化多电平变换器拓扑包括由A、 B、C三个相单元构成的MMC模型；每个相单元由上桥臂、下桥臂以及桥臂切换开关构成，两个桥臂各包含N个级联子模块，桥臂切换开关由6组级联IGBT 簇构成；每两个IGBT簇构成一个相切换单元；一个IGBT簇由两组IGBT反向串联组成，每组IGBT又由多个相同的IGBT同向级联组成。
[0021]A相单元上桥臂的子模块串编号从上到下依次为1～N，此N个子模块互相串联；同样，其下桥臂的子模块串编号从上到下依次为N+1～2N，此N个子模块互相串联；上桥臂的第
1个子模块的IGBT模块中点与直流母线正极相连接；上桥臂的第N个子模块的电容负极同时连接三个IGBT的集电极，这三个IGBT 又各自同向串联M
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1个同样的IGBT，组成三组正上IGBT串；此三组正上IGBT 串的IGBT编号从上到下依次均为1～M；此三组正上IGBT串的第M个IGBT 的发射极又各自连接另外三个IGBT的发射极，这三个IGBT又各自同向串联 M
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1个同样的IGBT，组成三组负上IGBT串；此三组负上IGBT串的IGBT编号从上到下依次均为M+1～2M；这三组负上IGBT串的第2M个IGBT的集电极分别联接匹配变压器或者交流主网的a相、b相和c相；这三组负上IGBT串的第2M个IGBT的集电极又各自连接另外三个IGBT的发射极，这三个IGBT又本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种桥臂分频切换型模块化多电平变换器拓扑，其特征在于，包括由A、B、C三个相单元构成的MMC模型；每个相单元由上桥臂、下桥臂以及桥臂切换开关构成，两个桥臂各包含N个级联子模块，桥臂切换开关由6组级联IGBT簇构成；每两个IGBT簇构成一个相切换单元；一个IGBT簇由两组IGBT反向串联组成，每组IGBT又由多个相同的IGBT同向级联组成；每个相单元，其上桥臂的第1个子模块的IGBT模块中点与直流母线正极相连接；上桥臂的第N个子模块的电容负极同时连接三个IGBT的集电极，这三个IGBT又各自同向串联M
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1个同样的IGBT，组成三组正上IGBT串；此三组正上IGBT串的第M个IGBT的发射极又各自连接另外三个IGBT的发射极，这三个IGBT又各自同向串联M
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【专利技术属性】
技术研发人员：蔡旭，王霄鹤，夏冰清，史先强，陈晴，杨林刚，
申请(专利权)人：中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，
类型：新型
国别省市：