一種用于vsc-hvdc的三相模塊化多電平換流器及其載波移相調(diào)制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于VSC-HVDC的三相模塊化多電平換流器及其載波移相調(diào)制方法，屬于電平換流器【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明包括三個相單元和第一電壓電容，所述三個相單元其中的兩個相單元之間相互并聯(lián)在一起后在與第一電壓電容和另外的一個相單元并聯(lián)在一起；所述相單元包括兩個并聯(lián)在一起的橋臂，所述橋臂包括電抗器和N個子模塊。對于N+1電平的三相模塊化多電平換流器，每個橋臂包含N個級聯(lián)的子模塊，需要采用N組二電平的三角載波，三角載波相位依次錯開2π/N角度。本發(fā)明不會帶來額外的開關(guān)損耗，同時便于估算出由功率器件帶來的換流器損耗。
【專利說明】—種用于VSC-HVDC的三相模塊化多電平換流器及其載波移相調(diào)制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多電平換流器，尤其涉及一種用于VSC-HVDC的三相模塊化多電平換流器及其載波移相調(diào)制策略。

【背景技術(shù)】
[0002]世界范圍內(nèi)電力工業(yè)需要采用更加靈活、經(jīng)濟、環(huán)保的輸配電方式來迎接技術(shù)、經(jīng)濟與環(huán)境方面的挑戰(zhàn)，因此，先進電力電子裝置的需求變得日益迫切。電壓源換流器型直流輸電(voltage source converter-high voltage DC, VSC-HVDC)的技術(shù)優(yōu)勢使其在可再生能源并網(wǎng)、無源網(wǎng)絡(luò)供電、城市電網(wǎng)供電、異步交流電網(wǎng)互聯(lián)等領(lǐng)域都發(fā)揮了積極作用，VSC是VSC-HVDC輸電系統(tǒng)中的核心組成部分，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及調(diào)制策略對VSC-HVDC的運行特性以及VSC-HVDC工程的有效性、經(jīng)濟性和可靠性都有很大的影響。目前已投運的VSC-HVDC多采用兩電平VSC或三電平VSC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。兩電平VSC存在的主要問題是過高開關(guān)頻率帶來的過高開關(guān)損耗、IGBT串聯(lián)帶來的靜態(tài)、動態(tài)均壓和電磁干擾，另外，對器件的開關(guān)一致性要求很高；三電平VSC存在的主要問題為直流側(cè)的均壓和直流側(cè)中性點存在的3次諧波電流影響。上述兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也給VSC的設(shè)計、布局及裝配帶來了極大的難度。
[0003]為了解決上述VSC的問題，西門子公司提出了一種適用于HVDC和FACTS的新型VSC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)——模塊化多電平換流器。MMC采用模塊化設(shè)計，通過調(diào)整子模塊的串聯(lián)個數(shù)可以實現(xiàn)電壓及功率等級的靈活變化，并且可以擴展到任意電平輸出，減小了電磁干擾和輸出電壓的諧波含量，輸出電壓非常平滑且接近理想正弦波形，因此在網(wǎng)側(cè)不需要大容量交流濾波器；開關(guān)器件的開關(guān)頻率低，開關(guān)損耗也相應(yīng)減少；由于MMC拓?fù)鋵⒛芰糠稚⒋鎯υ跇虮鄣母鱾€子模塊電容中，提高了故障穿越能力。MMC的這些特點提高了高壓直流輸電系統(tǒng)的經(jīng)濟性、可靠性和適應(yīng)性。
[0004]雖然西門子承建的世界上首個采用MMC的直流輸電工程(Trans Bay CableProject)已于2010年3月在美國投入商業(yè)運行，但是目前國內(nèi)外學(xué)術(shù)界對MMC型電壓源換流器直流輸電技術(shù)的研究相對較少，諸如調(diào)制策略、電容電壓平衡控制、故障保護等關(guān)鍵技術(shù)還沒有得到完全解決，亟待深入研究。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種用于VSC-HVDC的三相模塊化多電平換流器及其載波移相調(diào)制方法，該發(fā)明不會帶來額外的開關(guān)損耗和便于估算出由功率器件帶來的換流器損耗。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種用于VSC-HVDC的三相模塊化多電平換流器，包括三個相單元和第一電壓電容，所述三個相單元其中的兩個相單元之間相互并聯(lián)在一起后在與第一電壓電容和另外的一個相單元并聯(lián)在一起；所述相單元包括兩個并聯(lián)在一起的橋臂，所述橋臂包括電抗器和N個子模塊，N大于等于1，且所述子模塊、電抗器相互串聯(lián)在一起；所述子模塊包括直流儲能電容和開關(guān)單元，所述開關(guān)單元包括第一、第二絕緣柵雙極型晶體管，所述第一絕緣柵雙極型晶體管與直流儲能電容串聯(lián)后，與第二絕緣柵雙極型晶體管并聯(lián)；還包括兩個反并聯(lián)的第一、第二二極管，所述第一二極管與第一絕緣柵雙極型晶體管并聯(lián)，所述第二二極管與第二絕緣柵雙極型晶體管并聯(lián)。
[0007]進一步地:還包括安全開關(guān)，所述安全開關(guān)并聯(lián)在子模塊上，所述安全開關(guān)包括高速旁路開關(guān)和壓接式封裝晶閘管，所述高速旁路開關(guān)與壓接式封裝晶閘管相互并聯(lián)。
[0008]—種適用于VSC-HVDC的三相模塊化多電平換流器的載波移相調(diào)制方法，對于N+1電平的三相模塊化多電平換流器，每個橋臂包含N個級聯(lián)的子模塊,需要采用N組二電平的三角載波，三角載波相位依次錯開2 π/N角度；設(shè)橋臂參考電壓為子模塊I的參考電壓為<，i = l，2，...，Ν;各子模塊參考電壓均應(yīng)等于橋臂參考電壓，即 < = 個子模塊參考電壓和N組載波相比較，產(chǎn)生N組PWM脈沖，分別控制N個子模塊的上IGBT，取反并加入一定的死區(qū)時間后控制N個子模塊的下IGBT，以避免各子模塊發(fā)生直通后電容迅速放電；所述橋臂輸出電壓是由所有子模塊的二電平PWM脈沖疊加而成。
[0009]根在電容電壓平衡的條件下，若想控制整個橋臂按照輸出電壓，只需滿足橋臂內(nèi)所有子模塊的參考電壓之和等于橋臂參考電壓的N倍，SP，

【權(quán)利要求】
1.一種用于VSC-HVDC的三相模塊化多電平換流器，其特征在于:包括三個相單元和第一電壓電容，所述三個相單元其中的兩個相單元之間相互并聯(lián)在一起后在與第一電壓電容和另外的一個相單元并聯(lián)在一起；所述相單元包括兩個并聯(lián)在一起的橋臂，所述橋臂包括電抗器和N個子模塊，N大于等于1，且所述子模塊、電抗器相互串聯(lián)在一起；所述子模塊包括直流儲能電容和開關(guān)單元，所述開關(guān)單元包括第一、第二絕緣柵雙極型晶體管，所述第一絕緣柵雙極型晶體管與直流儲能電容串聯(lián)后，與第二絕緣柵雙極型晶體管并聯(lián)；還包括兩個反并聯(lián)的第一、第二二極管，所述第一二極管與第一絕緣柵雙極型晶體管并聯(lián)，所述第二二極管與第二絕緣柵雙極型晶體管并聯(lián)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于VSC-HVDC的三相模塊化多電平換流器，其特征在于:還包括安全開關(guān)，所述安全開關(guān)并聯(lián)在子模塊上，所述安全開關(guān)包括高速旁路開關(guān)和壓接式封裝晶閘管，所述高速旁路開關(guān)與壓接式封裝晶閘管相互并聯(lián)。
3.一種基于權(quán)利要求1所述的適用于VSC-HVDC的三相模塊化多電平換流器的載波移相調(diào)制方法，其特征在于:對于N+1電平的三相模塊化多電平換流器，每個橋臂包含N個級聯(lián)的子模塊，需要采用N組二電平的三角載波，三角載波相位依次錯開2 π /N角度；設(shè)橋臂參考電壓為《I.，子模塊I的參考電壓為<，i = 1，2，...，Ν;各子模塊參考電壓均應(yīng)等于橋臂參考電壓，即u: = Uhr; N個子模塊參考電壓和N組載波相比較，產(chǎn)生N組PWM脈沖，分別控制N個子模塊的上IGBT，取反并加入一定的死區(qū)時間后控制N個子模塊的下IGBT，以避免各子模塊發(fā)生直通后電容迅速放電；所述橋臂輸出電壓是由所有子模塊的二電平PWM脈沖疊加而成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的適用于VSC-HVDC的三相模塊化多電平換流器的載波移相調(diào)制方法，其特征在于:在電容電壓平衡的條件下，若想控制整個橋臂按照<輸出電壓，只需滿足橋臂內(nèi)所有子模塊的參考電壓之和等于橋臂參考電壓的N倍，即，
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的適用于VSC-HVDC的三相模塊化多電平換流器的載波移相調(diào)制方法，其特征在于:不改變整個橋臂輸出電壓的同時，在±10%范圍內(nèi)調(diào)整橋臂內(nèi)部各子模塊的參考電壓。
6.一種基于權(quán)利要求1所述的適用于VSC-HVDC的三相模塊化多電平換流器的MMC內(nèi)部環(huán)流抑制器，其特征在于:所述抑制器采用陷波器提取出環(huán)流中的二倍頻分量，再以比例諧振PR控制器對其進行跟蹤補償，并將補償信號疊加在子模塊參考電壓中，從而達到限制環(huán)流的目的。
7.一種基于權(quán)利要求1所述的適用于VSC-HVDC的三相模塊化多電平換流器的MMC內(nèi)部環(huán)流抑制方法，其特征在于:分為環(huán)流2次分量提取及理想PR控制器兩個部分，首先，通過陷波器陷除環(huán)流中的二次成分，再將其與原環(huán)流做差，從而得到環(huán)流二次基本成分；將此二次環(huán)流與參考值再做差，然后將參考值選取為0，將差值送入PR控制器進行跟蹤處理，即可得到需要的參考電壓補償信號。
【文檔編號】H02M7/00GK104201909SQ201410466691
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月12日
【發(fā)明者】余海濤, 孟高軍, 胡敏強, 黃磊 申請人:東南大學(xué)