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基于不等式約束的輔助電容集中式單箝位MMC自均壓拓?fù)涞闹谱鞣椒?

文檔序號:11861947閱讀:337來源:國知局
基于不等式約束的輔助電容集中式單箝位MMC自均壓拓?fù)涞闹谱鞣椒ㄅc工藝

本實(shí)用新型涉及柔性輸電領(lǐng)域,具體涉及一種基于不等式約束的輔助電容集中式單箝位MMC自均壓拓?fù)洹?/p>



背景技術(shù):

模塊化多電平換流器MMC是未來直流輸電技術(shù)的發(fā)展方向,MMC采用子模塊級聯(lián)的方式構(gòu)造換流閥,避免了大量器件的直接串聯(lián),降低了對器件一致性的要求,同時便于擴(kuò)容及冗余配置。隨著電平數(shù)的升高,輸出波形接近正弦,能有效避開低電平VSC-HVDC的缺陷。

單箝位MMC由單箝位子模塊組合而成,每個單箝位子模塊由3個IGBT模塊,1個子模塊電容,1個二極管及1個機(jī)械開關(guān)構(gòu)成,成本低,運(yùn)行損耗小。

與兩電平、三電平VSC不同,MMC的直流側(cè)電壓并非由一個大電容支撐,而是由一系列相互獨(dú)立的懸浮子模塊電容串聯(lián)支撐。為了保證交流側(cè)電壓輸出的波形質(zhì)量和保證模塊中各功率半導(dǎo)體器件承受相同的應(yīng)力,也為了更好的支撐直流電壓,減小相間環(huán)流,必須保證子模塊電容電壓在橋臂功率的周期性流動中處在動態(tài)穩(wěn)定的狀態(tài)。

基于電容電壓排序的排序均壓算法是目前解決MMC中子模塊電容電壓均衡問題的主流思路。首先,排序功能的實(shí)現(xiàn)必須依賴電容電壓的毫秒級采樣,需要大量的傳感器以及光纖通道加以配合;其次,當(dāng)子模塊數(shù)目增加時,電容電壓排序的運(yùn)算量迅速增大,為控制器的硬件設(shè)計(jì)帶來巨大挑戰(zhàn);此外,排序均壓算法的實(shí)現(xiàn)對子模塊的開斷頻率有很高的要求,開斷頻率與均壓效果緊密相關(guān),在實(shí)踐過程中,可能因?yàn)榫鶋盒Ч南拗疲坏貌惶岣咦幽K的觸發(fā)頻率,進(jìn)而帶來換流器損耗的增加。

文獻(xiàn)“A DC-Link Voltage Self-Balance Method for a Diode-Clamped Modular Multilevel Converter With Minimum Number of Voltage Sensors”,提出了一種依靠鉗位二極管和變壓器來實(shí)現(xiàn)MMC子模塊電容電壓均衡的思路。但該方案在設(shè)計(jì)上一定程度破壞了子模塊的模塊化特性,子模塊電容能量交換通道也局限在相內(nèi),沒能充分利用MMC的既有結(jié)構(gòu),三個變壓器的引入在使控制策略復(fù)雜化的同時也會帶來較大的改造成本。



技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

針對上述問題,本實(shí)用新型的目的在于提出一種經(jīng)濟(jì)的,模塊化的,不依賴均壓算法,同時能相應(yīng)降低子模塊觸發(fā)頻率和電容容值且具有直流故障箝位能力的單箝位MMC自均壓拓?fù)洹?/p>

本實(shí)用新型具體的構(gòu)成方式如下。

基于不等式約束的輔助電容集中式單箝位MMC自均壓拓?fù)?,包括由A、B、C三相構(gòu)成的單箝位MMC模型,A、B、C三相分別由2N個單箝位子模塊,2個橋臂電抗器串聯(lián)而成;包括由6N個IGBT模塊,6N+7個鉗位二極管,4個輔助電容及2個輔助IGBT模塊構(gòu)成的自均壓輔助回路。

上述基于不等式約束的輔助電容集中式單箝位MMC自均壓拓?fù)?,A相上下橋臂,單箝位子模塊中,二極管連接子模塊電容正極,IGBT模塊連接子模塊電容負(fù)極。A相上橋臂的第1個子模塊,其子模塊二極管與IGBT模塊聯(lián)結(jié)點(diǎn)向下與A相上橋臂的第2個子模塊IGBT模塊中點(diǎn)相連,其子模塊IGBT模塊中點(diǎn)向上與直流母線正極相連;A相上橋臂的第i個子模塊,其中i的取值為2~N-1,其子模塊二極管與IGBT模塊聯(lián)結(jié)點(diǎn)向下與A相上橋臂的第i+1個子模塊IGBT模塊中點(diǎn)相連,其子模塊IGBT模塊中點(diǎn)向上與A相上橋臂的第i-1個子模塊二極管與IGBT模塊聯(lián)結(jié)點(diǎn)相連;A相上橋臂的第N個子模塊,其子模塊二極管與IGBT模塊聯(lián)結(jié)點(diǎn)向下經(jīng)兩個橋臂電抗器L0與A相下橋臂的第1個子模塊IGBT模塊中點(diǎn)相連,其子模塊IGBT模塊中點(diǎn)向上與A相上橋臂的第N-1個子模塊二極管與IGBT模塊聯(lián)結(jié)點(diǎn)相連;A相下橋臂的第i個子模塊,其中i的取值為2~N-1,其子模塊二極管與IGBT模塊聯(lián)結(jié)點(diǎn)向下與A相下橋臂的第i+1個子模塊IGBT模塊中點(diǎn)相連,其IGBT模塊中點(diǎn)向上與A相下橋臂的第i-1個子模塊二極管與IGBT模塊聯(lián)結(jié)點(diǎn)相連;A相下橋臂的第N個子模塊,其子模塊二極管與IGBT模塊聯(lián)結(jié)點(diǎn)向下與直流母線負(fù)極相連,其子模塊IGBT模塊中點(diǎn)向上與A相下橋臂的第N-1個子模塊二極管與IGBT模塊聯(lián)結(jié)點(diǎn)相連。B相上下橋臂,單箝位子模塊中,IGBT模塊連接子模塊電容正極,二極管連接子模塊電容負(fù)極。B相上橋臂的第1個子模塊,其子模塊二極管與IGBT模塊聯(lián)結(jié)點(diǎn)向上與直流母線正極相連,其子模塊IGBT模塊中點(diǎn)向下與B相上橋臂的第2個子模塊二極管與IGBT模塊聯(lián)結(jié)點(diǎn)相連;B相上橋臂的第i個子模塊,其中i的取值為2~N-1,其子模塊二極管與IGBT模塊聯(lián)結(jié)點(diǎn)向上與B相上橋臂的第i-1個子模塊IGBT模塊中點(diǎn)相連,其子模塊IGBT模塊中點(diǎn)向下與B相上橋臂的第i+1個子模塊二極管與IGBT模塊聯(lián)結(jié)點(diǎn)相連;B相上橋臂的第N個子模塊,其子模塊二極管與IGBT模塊聯(lián)結(jié)點(diǎn)向上與B相上橋臂的第N-1個子模塊IGBT模塊中點(diǎn)相連,其子模塊IGBT模塊中點(diǎn)向下經(jīng)兩個橋臂電抗器L0與B相下橋臂的第1個子模塊二極管與IGBT模塊聯(lián)結(jié)點(diǎn)相連;B相下橋臂的第i個子模塊,其中i的取值為2~N-1,其子模塊二極管與IGBT模塊聯(lián)結(jié)點(diǎn)向上與B相下橋臂的第i-1個子模塊IGBT模塊中點(diǎn)相連,其子模塊IGBT模塊中點(diǎn)向下與B相下橋臂的第i+1個子模塊二極管與IGBT模塊聯(lián)結(jié)點(diǎn)相連;B相下橋臂的第N個子模塊,其子模塊二極管與IGBT模塊聯(lián)結(jié)點(diǎn)向上與B相下橋臂第N-1個子模塊IGBT模塊中點(diǎn)相連,其子模塊IGBT模塊中點(diǎn)向下與直流母線負(fù)極相連。C相上下橋臂子模塊的連接方式可以與A相一致,也可以與B相一致。

上述基于不等式約束的輔助電容集中式單箝位MMC自均壓拓?fù)?,其自均壓輔助回路中,第一個輔助電容與第二個輔助電容通過鉗位二極管并聯(lián),第二個輔助電容正極連接輔助IGBT模塊,第一個輔助電容負(fù)極連接鉗位二極管并入直流母線正極;第三個輔助電容與第四個輔助電容通過鉗位二極管并聯(lián),第三個輔助電容負(fù)極連接輔助IGBT模塊,第四個輔助電容正極連接鉗位二極管并入直流母線負(fù)極。鉗位二極管,通過IGBT模塊連接A相上橋臂中第1個子模塊電容與第一個輔助電容正極;通過IGBT模塊連接A相上橋臂中第i個子模塊電容與第i+1個子模塊電容正極,其中i的取值為1~N-1;通過IGBT模塊連接A相上橋臂中第N個子模塊電容與A相下橋臂第1個子模塊電容正極;通過IGBT模塊連接A相下橋臂中第i個子模塊電容與A相下橋臂第i+1個子模塊電容正極,其中i的取值為1~N-1;通過IGBT模塊連接A相下橋臂中第N個子模塊電容與第三個輔助電容正極。鉗位二極管,通過IGBT模塊連接B相上橋臂中第1個子模塊電容與第二個輔助電容負(fù)極;通過IGBT模塊連接B相上橋臂中第i個子模塊電容與第i+1個子模塊電容負(fù)極,其中i的取值為1~N-1;通過IGBT模塊連接B相上橋臂中第N個子模塊電容與B相下橋臂第1個子模塊電容負(fù)極;通過IGBT模塊連接B相下橋臂中第i個子模塊電容與B相下橋臂第i+1個子模塊電容負(fù)極,其中i的取值為1~N-1;通過IGBT模塊連接B相下橋臂中第N個子模塊電容與第四個輔助電容負(fù)極。C相鉗位二極管的連接關(guān)系與其子模塊的連接關(guān)系相對應(yīng)。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。

圖1是單箝位子模塊的結(jié)構(gòu)示意圖;

圖2是基于不等式約束的輔助電容集中式單箝位MMC自均壓拓?fù)洹?/p>

具體實(shí)施方式

為進(jìn)一步闡述本實(shí)用新型的性能與工作原理,以下結(jié)合附圖對對實(shí)用新型的構(gòu)成方式與工作原理進(jìn)行具體說明。但基于該原理的單箝位MMC自均壓拓?fù)洳幌抻趫D2。

參考圖2,基于不等式約束的輔助電容集中式單箝位MMC自均壓拓?fù)?,包括由A、B、C三相構(gòu)成的單箝位MMC模型,A、B、C三相分別由2N個單箝位子模塊,2個橋臂電抗器串聯(lián)而成;包括由6N個IGBT模塊,6N+7個鉗位二極管,4個輔助電容C1、C2、C3C4,2個輔助IGBT模塊T1T2構(gòu)成的自均壓輔助回路。

單箝位MMC模型中,A相上下橋臂,單箝位子模塊中,二極管連接子模塊電容正極,IGBT模塊連接子模塊電容負(fù)極。A相上橋臂的第1個子模塊,其子模塊二極管與IGBT模塊聯(lián)結(jié)點(diǎn)向下與A相上橋臂的第2個子模塊IGBT模塊中點(diǎn)相連,其子模塊IGBT模塊中點(diǎn)向上與直流母線正極相連;A相上橋臂的第i個子模塊,其中i的取值為2~N-1,其子模塊二極管與IGBT模塊聯(lián)結(jié)點(diǎn)向下與A相上橋臂的第i+1個子模塊IGBT模塊中點(diǎn)相連,其子模塊IGBT模塊中點(diǎn)向上與A相上橋臂的第i-1個子模塊二極管與IGBT模塊聯(lián)結(jié)點(diǎn)相連;A相上橋臂的第N個子模塊,其子模塊二極管與IGBT模塊聯(lián)結(jié)點(diǎn)向下經(jīng)兩個橋臂電抗器L0與A相下橋臂的第1個子模塊IGBT模塊中點(diǎn)相連,其子模塊IGBT模塊中點(diǎn)向上與A相上橋臂的第N-1個子模塊二極管與IGBT模塊聯(lián)結(jié)點(diǎn)相連;A相下橋臂的第i個子模塊,其中i的取值為2~N-1,其子模塊二極管與IGBT模塊聯(lián)結(jié)點(diǎn)向下與A相下橋臂的第i+1個子模塊IGBT模塊中點(diǎn)相連,其IGBT模塊中點(diǎn)向上與A相下橋臂的第i-1個子模塊二極管與IGBT模塊聯(lián)結(jié)點(diǎn)相連;A相下橋臂的第N個子模塊,其子模塊二極管與IGBT模塊聯(lián)結(jié)點(diǎn)向下與直流母線負(fù)極相連,其子模塊IGBT模塊中點(diǎn)向上與A相下橋臂的第N-1個子模塊二極管與IGBT模塊聯(lián)結(jié)點(diǎn)相連。B相上下橋臂,單箝位子模塊中,IGBT模塊連接子模塊電容正極,二極管連接子模塊電容負(fù)極。B相上橋臂的第1個子模塊,其子模塊二極管與IGBT模塊聯(lián)結(jié)點(diǎn)向上與直流母線正極相連,其子模塊IGBT模塊中點(diǎn)向下與B相上橋臂的第2個子模塊二極管與IGBT模塊聯(lián)結(jié)點(diǎn)相連;B相上橋臂的第i個子模塊,其中i的取值為2~N-1,其子模塊二極管與IGBT模塊聯(lián)結(jié)點(diǎn)向上與B相上橋臂的第i-1個子模塊IGBT模塊中點(diǎn)相連,其子模塊IGBT模塊中點(diǎn)向下與B相上橋臂的第i+1個子模塊二極管與IGBT模塊聯(lián)結(jié)點(diǎn)相連;B相上橋臂的第N個子模塊,其子模塊二極管與IGBT模塊聯(lián)結(jié)點(diǎn)向上與B相上橋臂的第N-1個子模塊IGBT模塊中點(diǎn)相連,其子模塊IGBT模塊中點(diǎn)向下經(jīng)兩個橋臂電抗器L0與B相下橋臂的第1個子模塊二極管與IGBT模塊聯(lián)結(jié)點(diǎn)相連;B相下橋臂的第i個子模塊,其中i的取值為2~N-1,其子模塊二極管與IGBT模塊聯(lián)結(jié)點(diǎn)向上與B相下橋臂的第i-1個子模塊IGBT模塊中點(diǎn)相連,其子模塊IGBT模塊中點(diǎn)向下與B相下橋臂的第i+1個子模塊二極管與IGBT模塊聯(lián)結(jié)點(diǎn)相連;B相下橋臂的第N個子模塊,其子模塊二極管與IGBT模塊聯(lián)結(jié)點(diǎn)向上與B相下橋臂第N-1個子模塊IGBT模塊中點(diǎn)相連,其子模塊IGBT模塊中點(diǎn)向下與直流母線負(fù)極相連。C相上下橋臂子模塊的連接方式與A相一致。

自均壓輔助回路中,輔助電容C1與輔助電容C2通過鉗位二極管并聯(lián),輔助電容C2正極連接輔助IGBT模塊T1,輔助電容C1負(fù)極連接鉗位二極管并入直流母線正極;輔助電容C3與輔助電容C4通過鉗位二極管并聯(lián),輔助電容C3負(fù)極連接輔助IGBT模塊T2,輔助電容C4正極連接鉗位二極管并入直流母線負(fù)極。鉗位二極管,通過IGBT模塊Tau_1連接A相上橋臂中第1個子模塊電容C-au-_1與輔助電容C1正極;通過IGBT模塊Tau_i、Tau_i+1連接A相上橋臂中第i個子模塊電容C-au-_i與第i+1個子模塊電容C-au-_i+1正極,其中i的取值為1~N-1;通過IGBT模塊Tau_N、Tal_1連接A相上橋臂中第N個子模塊電容C-au-_N與A相下橋臂第1個子模塊電容C-al-_1正極;通過IGBT模塊Tal_i、Tal_i+1連接A相下橋臂中第i個子模塊電容C-al-_i與A相下橋臂第i+1個子模塊電容C-al-_i+1正極,其中i的取值為1~N-1;通過IGBT模塊Tal_N連接A相下橋臂中第N個子模塊電容C-al_N與輔助電容C3正極。鉗位二極管,通過IGBT模塊Tbu_1連接B相上橋臂中第1個子模塊電容C-bu-_1與輔助電容C2負(fù)極;通過IGBT模塊Tbu_i、Tbu_i+1連接B相上橋臂中第i個子模塊電容C-bu-_i與第i+1個子模塊電容C-bu-_i+1負(fù)極,其中i的取值為1~N-1;通過IGBT模塊Tbu_NTbl_1連接B相上橋臂中第N個子模塊電容C-bu_N與B相下橋臂第1個子模塊電容C-bl-_1負(fù)極;通過IGBT模塊Tbl_i、Tbl_i+1連接B相下橋臂中第i個子模塊電容C-bl-_i與B相下橋臂第i+1個子模塊電容C-bl-_i+1負(fù)極,其中i的取值為1~N-1;通過IGBT模塊Tbl_N連接B相下橋臂中第N個子模塊電容C-bl-_N與輔助電容C4負(fù)極。C相中鉗位二極管的連接關(guān)系與A相一致。

正常情況下,自均壓輔助回路中6N個IGBT模塊Tau_i、Tal_iTbu_i、Tbl_iTcu_i、Tcl_i常閉,其中i的取值為1~N,A相上橋臂第一個子模塊電容C-au-_1旁路時,此時輔助IGBT模塊T1斷開,子模塊電容C-au-_1與輔助電容C1通過鉗位二極管并聯(lián);A相上橋臂第i個子模塊電容C-au-_i旁路時,其中i的取值為2~N,子模塊電容C-au-_i與子模塊電容C-au-_i-1通過鉗位二極管并聯(lián);A相下橋臂第一個子模塊電容C-al_1旁路時,子模塊電容C-al-_1通過鉗位二極管、兩個橋臂電抗器L0與子模塊電容C-au-_N并聯(lián);A相下橋臂第i個子模塊電容C-al_i旁路時,其中i的取值為2~N,子模塊電容C-al-_i與子模塊電容C-al_i-1通過鉗位二極管并聯(lián);輔助IGBT模塊T2閉合時,輔助電容C3通過鉗位二極管與子模塊電容C-al_N并聯(lián)。

正常情況下,自均壓輔助回路中6N個IGBT模塊Tau_i、Tal_i、Tbu_iTbl_i、Tcu_iTcl_i常閉,其中i的取值為1~N,輔助IGBT模塊T1閉合時,輔助電容C2與子模塊電容C-bu-_1通過鉗位二極管并聯(lián);B相上橋臂第i個子模塊電容C-bu-_i旁路時,其中i的取值為1~N-1,子模塊電容C-bu-_i與子模塊電容C-bu-_i+1通過鉗位二極管并聯(lián);B相上橋臂第N個子模塊電容C-bu_N旁路時,子模塊電容C-bu-_N通過鉗位二極管、兩個橋臂電抗器L0與子模塊電容C-bl-_1并聯(lián);B相下橋臂第i個子模塊電容C-bl_i旁路時,其中i的取值為1~N-1,子模塊電容C-bl-_i與子模塊電容C-bl_i+1通過鉗位二極管并聯(lián);B相下橋臂N個子模塊電容C-bl_N旁路時,子模塊電容C-bl-_N與輔助電容C-4通過鉗位二極管并聯(lián)。其中輔助IGBT模塊T1的觸發(fā)信號與A、C相上橋臂第一個子模塊觸發(fā)信號的“邏輯和”一致;輔助IGBT模塊T2的觸發(fā)信號與B相下橋臂第N個子模塊的觸發(fā)信號一致。

在直交流能量轉(zhuǎn)換的過程中,各個子模塊交替投入、旁路,輔助IGBT模塊T1、T2交替閉合、關(guān)斷,A、B相上下橋臂子模塊電容電壓在鉗位二極管的作用下,滿足下列約束:

由于輔助電容C1、C2、C3、C4電壓的關(guān)系滿足:

由此可知,

C、B相間的約束條件與A、B相間的約束條件一致。

由上述具體說明可知,該單箝位MMC拓?fù)渚邆渥幽K電容電壓自均衡能力。

最后應(yīng)當(dāng)說明的是:所描述的實(shí)施例僅是本申請一部分實(shí)施例,而不是全部的實(shí)施例?;诒旧暾堉械膶?shí)施例,本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例,都屬于本申請保護(hù)的范圍。

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