基于改进型全桥子模块的桥臂复用MMC拓扑及控制方法技术

本发明专利技术涉及高压直流输电技术领域，尤其涉及一种基于改进型全桥子模块的桥臂复用MMC拓扑及控制方法，包括：并联的三相交流系统和直流侧稳压电路，三相交流系统中的每相交流电路均包括交流电源、交流侧滤波电感、上开关电路、下开关电路和复用桥臂；复用桥臂包括若干个串联连接的改进型全桥子模块，相邻改进型全桥子模块通过其负极输出端口连接正极输出端口的形式连接。本发明专利技术通过对上开关电路和下开关电路进行控制，可将复用桥臂分时转换为上桥臂或者下桥臂，从而通过复用桥臂分时转换的方式，大幅降低了MMC子模块的使用数量，进一步减少了MMC的体积重量，同时增加了故障回路的阻尼，保证了MMC换流器直流侧故障快速平稳穿越。保证了MMC换流器直流侧故障快速平稳穿越。保证了MMC换流器直流侧故障快速平稳穿越。

【技术实现步骤摘要】
基于改进型全桥子模块的桥臂复用MMC拓扑及控制方法


[0001]本专利技术涉及高压直流输电
，尤其涉及一种基于改进型全桥子模块的桥臂复用MMC拓扑及控制方法。

技术介绍

[0002]随着可再生新能源的不断渗透，尤其是远海风力发电技术的快速发展，基于电压源换流器的直流输电技术在大规模电力传输、新能源并网运行等领域具有广泛的应用前景，模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)作为最新电压源换流器技术，因其具备有功功率和无功功率可独立控制、高度模块化的结构、高可移植性、较好的谐波特性等优势，成为直流输电换流器的首选方案，被广泛地应用于新能源并网运行的场景。
[0003]然而，MMC换流器一般为三相六桥臂结构，每个桥臂包含大量的半桥子模块，从而消耗了数量庞大的开关器件和无源元件，导致了MMC换流器的成本较高、体积重量较大，同时，大量的子模块电路需要配套大量的驱动和采样模块，从而进一步增加了MMC的成本，且增加了MMC控制系统的设计难度，另外，基于半桥子模块的MMC换流器不具备直流侧短路故障穿越的能力，已有工程应用中多采用增加直流断路器和直流耗能装置的方法，然而该方法响应时间较长、造成成本较高。
[0004]现有改进的MMC拓扑为降低换流器的成本和体积做出了很大的贡献，但是这些拓扑都是基于三相六桥臂，依然采用了较多的开关器件和无源元件，无法有效降低换流器的成本和体积重量，已有的三相三桥臂MMC拓扑采用的是半桥子模块，不具备直流侧故障穿越的能力，装备直流断路器和直流耗能装置所需成本较高，难以保证输电系统的可靠性和经济性，因此，亟需一种MMC换流器，在大幅减小开关器件可无源元件数量的同时能够具备直流侧短路故障穿越的能力。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种基于改进型全桥子模块的桥臂复用MMC拓扑及控制方法，以有效降低MMC换流器成本和体积重量，同时使得直流输电系统具备故障穿越能力。
[0006]为解决以上技术问题，本专利技术提供了一种基于改进型全桥子模块的桥臂复用MMC拓扑及控制方法。
[0007]第一方面，本专利技术提供了一种基于改进型全桥子模块的桥臂复用MMC拓扑，包括：
[0008]并联的三相交流系统和直流侧稳压电路，将直流侧稳压电路两端分别连接一个端口形成直流侧端口；所述三相交流系统包括a相交流电路、b相交流电路和c相交流电路，每相交流电路均包括交流电源、交流侧滤波电感、上开关电路、下开关电路和复用桥臂；其中，所述复用桥臂包括若干个串联连接的改进型全桥子模块，相邻改进型全桥子模块通过改进型全桥子模块的负极输出端口连接正极输出端口的形式连接；
[0009]所述改进型全桥子模块包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、电容和电阻；其中，所述第一开关管与所述第一二极
管反向并联，第二开关管与第二二极管反向并联，第三开关管与第四二极管反向并联；所述第一开关管的发射极与所述第二开关管的集电极串联连接后和电容并联连接，其中，电容的一端连接第一开关管的集电极，电容的另一端连接第二开关管的发射极，所述第一开关管的集电极通过电阻与所述第三二极管的阴极相连，所述第三二极管的阳极与第三开关管的集电极相连。
[0010]在进一步的实施方案中，所述改进型全桥子模块的正极输出端口为所述第一二极管与第二开关管的共同端连接点，所述改进型全桥子模块的负极输出端口为第三二极管与第三开关管的共同端连接点；
[0011]其中，所述第一开关管和第三开关管用于共同控制所述改进型全桥子模块切换为投入状态；所述第二开关管和第三开关管用于共同控制所述改进型全桥子模块切换为旁路状态。
[0012]在进一步的实施方案中，当直流侧发生短路故障时，所述改进型全桥子模块切换为闭锁状态，所述电阻接入故障电流通路，以通过故障电流对所述改进型全桥子模块的电容进行充电，所述故障电流的表达式为：
[0013][0014]其中，
[0015][0016][0017]R
eq
＝2N
·
R
s
+R
f
[0018]式中，i
fc
表示故障电流；τ表示改进型全桥子模块的电容时间常数；t表示时间；I
fc
表示故障初始时刻单相桥臂故障电流幅值大小；ω表示故障电流基波角频率；L表示桥臂电感值；C表示桥臂子模块电容值；R
eq
表示故障回路等效电阻；R
f
表示短路电阻；N表示桥臂子模块数量；U
C
表示桥臂子模块电容电压；R
s
表示改进型全桥子模块中电阻的阻值。
[0019]在进一步的实施方案中，所述上开关电路包括第一开关器件、第二开关器件和第一电感，所述下开关电路包括第三开关器件、第四开关器件和第二电感；
[0020]第一开关器件的集电极与直流端口的正极连接，第一开关器件的发射极与第二开关器件的集电极连接，第二开关器件的发射极与第一电感的一端连接；
[0021]第三开关器件的集电极与第二电感的一端连接，第三开关器件的发射极与第四开关器件的集电极连接，第四开关器件的发射极与直流端口的负极连接。
[0022]在进一步的实施方案中，所述第一开关器件和所述第二开关器件互补导通，所述第三开关器件和所述第四开关器件互补导通，具体为：
[0023]在三相交流电路的交流侧电压进入正半周时，所述第一开关器件和所述第三开关器件同时导通，所述第二开关器件和所述第四开关器件同时断开；
[0024]在三相交流电路的交流侧电压进入负半周时，所述第一开关器件和所述第三开关
器件同时断开，所述第二开关器件和所述第四开关器件同时导通。
[0025]在进一步的实施方案中，所述交流侧滤波电感的一端连接在串联连接的所述上开关电路与所述下开关电路的共同端，所述交流侧滤波电感的另一端与交流电源的输出端口相连；
[0026]直流侧稳压电路包括第一稳压电容和第二稳压电容，第一稳压电容的正极与直流端口的正极相连，第一稳压电容的负极与第二稳压电容的正极相连，第二稳压电容的负极与直流端口的负极相连。
[0027]第二方面，本专利技术提供了一种基于改进型全桥子模块的桥臂复用MMC拓扑的控制方法，应用如上述的基于改进型全桥子模块的桥臂复用MMC拓扑，所述控制方法包括以下步骤：
[0028]在三相交流电路的交流侧电压进入正半周时，控制第一开关器件和第三开关器件同时导通，并控制第二开关器件和第四开关器件同时断开；
[0029]在三相交流电路的交流侧电压进入负半周时，控制第一开关器件和第三开关器件同时断开，并控制第二开关器件和第四开关器件同时导通。
[0030]在进一步的实施方案中，在三相交流电路交流侧电压的正半周，复用桥臂的一端与直流端口的正极相连，复用桥臂的另一端与交流端口相连，复用桥臂调制电压的表达式为：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于改进型全桥子模块的桥臂复用MMC拓扑，其特征在于，包括：并联的三相交流系统和直流侧稳压电路，将直流侧稳压电路两端分别连接一个端口形成直流侧端口；所述三相交流系统包括a相交流电路、b相交流电路和c相交流电路，每相交流电路均包括交流电源、交流侧滤波电感、上开关电路、下开关电路和复用桥臂；其中，所述复用桥臂包括若干个串联连接的改进型全桥子模块，相邻改进型全桥子模块通过改进型全桥子模块的负极输出端口连接正极输出端口的形式连接；所述改进型全桥子模块包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、电容和电阻；其中，所述第一开关管与所述第一二极管反向并联，第二开关管与第二二极管反向并联，第三开关管与第四二极管反向并联；所述第一开关管的发射极与所述第二开关管的集电极串联连接后和电容并联连接，其中，电容的一端连接第一开关管的集电极，电容的另一端连接第二开关管的发射极，所述第一开关管的集电极通过电阻与所述第三二极管的阴极相连，所述第三二极管的阳极与第三开关管的集电极相连。2.如权利要求1所述的一种基于改进型全桥子模块的桥臂复用MMC拓扑，其特征在于：所述改进型全桥子模块的正极输出端口为所述第一二极管与第二开关管的共同端连接点，所述改进型全桥子模块的负极输出端口为第三二极管与第三开关管的共同端连接点；其中，所述第一开关管和第三开关管用于共同控制所述改进型全桥子模块切换为投入状态；所述第二开关管和第三开关管用于共同控制所述改进型全桥子模块切换为旁路状态。3.如权利要求1所述的一种基于改进型全桥子模块的桥臂复用MMC拓扑，其特征在于，当直流侧发生短路故障时，所述改进型全桥子模块切换为闭锁状态，所述电阻接入故障电流通路，以通过故障电流对所述改进型全桥子模块的电容进行充电，所述故障电流的表达式为：其中，其中，R
eq
＝2N
·
R
s
+R
f
式中，i
fc
表示故障电流；τ表示改进型全桥子模块的电容时间常数；t表示时间；I
fc
表示故障初始时刻单相桥臂故障电流幅值大小；ω表示故障电流基波角频率；L表示桥臂电感值；C表示桥臂子模块电容值；R
eq
表示故障回路等效电阻；R
f
表示短路电阻；N表示桥臂子模块数量；U
C
表示桥臂子模块电容电压；R
s
表示改进型全桥子模块中电阻的阻值。4.如权利要求1所述的一种基于改进型全桥子模块的桥臂复用MMC拓扑，其特征在于：所述上开关电路包括第一开关器件、第二开关器件和第一电感，所述下开关电路包括第三
开关器件、第四开关器件和第二电感；第一开关器件的集电极与直流端口的正极连接，第一开关器件的发射极与第二开关器件的集电极连接，第二开关器件的发射极与第一电感的一端连接；第三开关器件的集电极与第二电感的一端连接，第三开关器件的发射极与第四开关器件的集电极连接，第四开关器件的发射极与直流端口的负极连接。5.如权利要求4所述的一种基于改进型全桥子模块的桥臂复用MMC拓扑，其特征在于，所述第一开关器件和所述第二开关器件互补导通，所述第三开关器件和所述第四开关器件互补导通，具体为：在三相交流电...

【专利技术属性】
技术研发人员：李峰，彭穗，王彦峰，余浩，李作红，龚贤夫，余梦泽，
申请(专利权)人：广东电网有限责任公司，
类型：发明
国别省市：