一种混合型MMC拓扑及其控制方法技术

本发明专利技术涉及电力电子技术技术领域，尤其涉及换流技术领域，具体为一种混合型MMC拓扑及其控制方法，对于送端换流器，在现有半桥子模块的基础上，将输入端的第二开关管去除，形成一个新的子模块拓扑结构；对于受端换流器，在现有半桥子模块的基础上，将输入端的并联在开关管的二极管去除，形成一个新的子模块拓扑结构；并相应改进其控制方法。本发明专利技术可以节省MMC拓扑结构的开关器件进而降低成本；通过改进子模块拓扑中电容充放电的路径，在流过相同的桥臂电流下增加流过电容的电荷，有利于改善器件损耗的分布，提高设备的可靠性；通过改变桥臂中全桥子模块及改进半桥子模块的投切规律，可以减小开关动作的次数，进而降低总损耗。进而降低总损耗。进而降低总损耗。

【技术实现步骤摘要】
一种混合型MMC拓扑及其控制方法


[0001]本专利技术涉及电力电子技术
，尤其涉及换流
，具体为一种混合型MMC拓扑及其控制方法。

技术介绍

[0002]模块化多电平换流器MMC具有开关损耗小、无器件动/静态均压问题等优势。目前，国内外高压直流输电工程中换流器均采用MMC拓扑。在应用于架空线输电场合时，由于输电线路裸露在外，易发生直流短路故障。综合考虑换流器成本、器件均压问题、直流短路故障穿越能力，全桥
‑
半桥1:1混合型MMC具备良好的综合性能，受到产业界及学者的关注。兼顾直流短路故障穿越能力、构建成本及运行效率，全桥
‑
半桥1:1混合型MMC(如图1所示)已成为高压直流输电换流器的优选拓扑，混合型MMC已成功应用于我国的乌东德直流工程。
[0003]在子模块拓扑方面，与本技术相近的有半桥子模块、全桥子模块及自阻型子模块等。在换流器拓扑方面，与本技术相近的有基于全桥
‑
半桥1:1的混合型MMC拓扑(图1所示)以及图2所示的自阻型MMC拓扑。在控制技术方面，以全桥
‑
半桥1:1混合型MMC为例，现有技术中正常运行状态下，全桥子模块工作于半桥子模块模式，为实现全桥及半桥子模块电容电压的均衡，多采用CPS
‑
PWM或最近电平逼近调制算法。
[0004]虽然应用较为广泛，但是仍存在一些问题。(1)对于送端换流器，如图3阴影部分所示，在桥臂电流为正时，桥臂中所有的半桥子模块(半桥模组)输出电压较高，半桥子模块投入数量较多，旁路的子模块较少。此时旁路的子模块电流流通路径如图5所示，流经开关器件为T2，因此，T2的利用率较低。(2)对于受端换流器，如图4阴影部分所示，在桥臂电流为负时，桥臂中半桥模组输出电压较高，半桥子模块投入数量较多，旁路的子模块较少。此时旁路的子模块电流流通路径如图6所示，流经开关器件为D2，因此，D2的利用率较低。因此，现有的全桥
‑
半桥1:1混合型MMC中半桥子模块中下部的开关器件T2或者D2的利用率较低。因此设计一种结构简单、成本低、功耗低的一种MMC系统成为一种迫切的要求。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题是：提供一种结构简单、成本低、功耗低的一种具备直流短路故障穿越能力的混合型MMC。
[0006]本专利技术要解决的技术问题的技术方案是：
[0007]一种适用于整流状态的混合型MMC拓扑结构，包括上桥臂、两个电感、下桥臂，所述上桥臂、电感、下桥臂串联之后并接在直流电源的两端，所述两个电感的连接点为输出端；所述上桥臂、下桥臂设置有若干串联连接的子模块，所述子模块包括全桥子模块和半桥子模块两种，所述半桥子模块包括：
[0008]并联在输入端的第二二极管，所述第二二极管的正极与输入端的负极连接；
[0009]并连接在输入端的串联连接的第一开关管和电容，所述第一开关管并联一个第一二极管；所述第一开关管的发射极与输入端的正极连接，所述第一二极管的正极与第一开
关管的发射极连接。
[0010]一种混合型MMC拓扑及其控制方法，包括以下步骤：
[0011]步骤1、通过功率外环、电流内环及环流抑制器得到桥臂输出电压指令；
[0012]步骤2、将一个工频周期分为不同区间，根据需求结合锁相环的输出角度θ将桥臂电压指令值在不同的区间进行分配，得到所有半桥子模块和所有全桥子模块的输出电压指令值；
[0013]步骤3、结合桥臂电流及桥臂内部各子模块电容电压排序结果，分别对全桥及半桥子模块电容电压进行投切控制，以实现同类子模块的不同子模块间电容电压的均衡。
[0014]更好的，上桥臂输出电压指令分配至半/全桥模组控制方法的分配方式为：
[0015][0016]u
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＝u
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‑
u
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[0017]其中u
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中x为三相中的a、b、c相，u
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为x相上桥臂所有改进半桥子模块的输出电压指令值，u
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为x相上桥臂所有全桥子模块的输出电压指令值，N为每个桥臂的子模块数量；U
C
为子模块电容额定电压；i
px
为交流侧x相上桥臂电流，u
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为x相上桥臂输出电压指令值；Con为常数值，Mod为求余函数，θ
x
为x相电压的相位，其值满足:
[0018][0019]更好的，下桥臂输出电压指令分配至半桥及全桥模组的控制方法的分配方式为：
[0020][0021]u
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＝u
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‑
u
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[0022]其中u
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中x为三相中的a、b、c相，u
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为x相下桥臂所有改进半桥子模块的输出电压指令值，u
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为x相下桥臂所有全桥子模块的输出电压指令值，N为每个桥臂的子模块数量；Uc为子模块电容额定电压；i
nx
为交流侧x相下桥臂电流；u
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为x相下桥臂输出电压的指令值，Con为常数值，Mod为求余函数，θ
x
为x相电压的相位，其值满足:
[0023][0024]更好的，所述的角度θ1、θ2、θ3及θ4满足下式：
[0025][0026]其中，m等于交流侧相电压幅值与一半额定电压的比值，为功率因数角。
[0027]更好的，所述的常数Con由电容电压平衡计算得出，其满足下式：
[0028][0029]一种适用于逆变状态的混合型MMC拓扑结构，包括上桥臂、两个电感、下桥臂，所述上桥臂、电感、下桥臂串联之后并接在直流电源的两端，所述两个电感的连接点为输出端；所述上桥臂、下桥臂设置有若干串联连接的子模块，所述子模块包括全桥子模块和改进半桥子模块两种，如图11所示，所述半桥子模块包括：
[0030]并联在输入端的第二开关管，所述第二开关管的发射极与输入端的负极连接；
[0031]并连接在输入端的串联连接的第一开关管和电容，所述第一开关管并联一个第一二极管；所述第一开关管的发射极与输入端的正极连接，所述第一二极管的正极与第一开关管的发射极连接。
[0032]更好的，步骤1、通过功率外环、电流内环及环流抑制器得到桥臂输出电压指令；
[0033]步骤2、将一个工频周期分为不同区间，根据需求结合锁相环的输出角度θ将桥臂电压指令值在不同的区间进行分配，得到桥臂中所有半桥子模块和所有全桥子模块的输出电压指令值；
[0034]步骤3、结合桥臂电流及模组内部各子模块电容电压排序结果，分别对全桥及改进半桥子模块电容电压进行投切控制，以实现子模块的不同子模块间电容电压的均衡。
[0035]更好的，上桥臂输出电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于整流状态的混合型MMC拓扑结构，包括上桥臂、两个电感、下桥臂，所述上桥臂、电感、下桥臂串联之后并接在直流电源的两端，所述两个电感的连接点为输出端；所述上桥臂、下桥臂设置有若干串联连接的子模块，所述子模块包括全桥子模块和改进半桥子模块，其特征在于：所述改进半桥子模块包括：并联在输入端的第二二极管(D2)，所述第二二极管(D2)的正极与输入端的负极连接；并连接在输入端的串联连接的第一开关管(T1)和电容(C)，所述第一开关管(T1)并联一个第一二极管(D1)；所述第一开关管(T1)的发射极与输入端的正极连接，所述第一二极管(D1)的正极与第一开关管(T1)的发射极连接。2.根据权利要求1所述的一种适用于整流状态的混合型MMC拓扑结构的控制方法，其特征在于：步骤1、通过功率外环、电流内环及环流抑制器得到桥臂输出电压指令；步骤2、将一个工频周期分为不同区间，根据需求结合锁相环的输出角度θ将桥臂输出电压指令值在不同的区间进行分配，得到所有的改进半桥子模块和所有的全桥子模块的输出电压指令值；步骤3、结合桥臂电流及各子模块电容电压排序结果，分别对全桥及改进半桥子模块电容电压进行投切控制，以实现子模块的不同子模块间电容电压的均衡。3.根据权利要求2所述的一种适用于整流状态的混合型MMC拓扑结构的控制方法，其特征在于：上桥臂输出电压指令分配至半/全桥模组控制方法的分配方式为：u
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＝u
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‑
u
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其中u
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中x为三相中的a、b、c相，u
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为x相上桥臂所有改进半桥子模块的输出电压指令值，u
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为x相上桥臂所有全桥子模块的输出电压指令值，N为每个桥臂的子模块数量；U
C
为子模块电容额定电压；i
px
为交流侧x相上桥臂电流，u
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为x相上桥臂输出电压指令值；Con为常数值，Mod为求余函数，θ
x
为x相电压的相位，其值满足:下桥臂输出电压指令分配至半桥及全桥子模块的控制方法的分配方式为：u
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＝u
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‑
u
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其中u
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中x为三相中的a、b、c相，u
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为x相下桥臂所有改进半桥子模块的输出电
压指令值，u
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为x相下桥臂所有全桥子模块的输出电压指令值，N为每个桥臂的子模块数量；Uc为子模块电容额定电压；i
nx
为交流侧x相下桥臂电流；u
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为x相下桥臂输出电压的指令值，Con为常数值，Mod为求余函数，θ
x
为x相电压的相位，其值满足:4.根据权利要求3所述的一种适用于整流状态的混合型MMC拓扑结构的控制方法，其特征在于：所述的角度θ1、θ2、θ3及θ4满足下式：其中，m等于交流侧相电压幅值与一半额定电压的比值，为功率因数角。所述的常数Con由电容电压平衡计算得出，其满...

【专利技术属性】
技术研发人员：路茂增，赵艳雷，周琳智，苏田田，马新喜，孙标，
申请(专利权)人：山东理工大学，
类型：发明
国别省市：