降低电容体积的mmc子模块的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电力领域，尤其涉及一种降低电容体积的MMC子模块。
【背景技术】
[0002] 模块化多电平变换器（Modular Multilevel Converter,简称MMC)是新一代不需 要变压器而实现高、中压电力转换的多级转换器中的一种，自2002年德国慕尼黑联邦国防 军大学的R. Marquart和A. Lesnicar共同提出MMC以来，MMC以其模块化程度高、阶跃电压 低、输出波形质量高、故障处理能力强、器件开关频率低等特点成为了当今柔性直流输电领 域最为主流的电压源换流器结构。近年投运了大量基于MMC的柔性直流输电工程，但是由 于MMC子模块的电容值较大，子模块体积较大，严重影响了 MMC直流输电工程的占地面积和 成本。
[0003] 根据现有的工程实际情况，MMC子模块电容在子模块中所占体积超过子模块体 积的50%，重量更是达到了子模块重量90%以上。如果能够采取有效的方案来降低子模 块电容的体积，将带来显著的经济效益。目前很少有降低MMC子模块电容体积方面的研 究，K. lives 等在标题为 Capacitor voltage ripple shaping in modular multilevel converters allowing for operating region extension(Proc. 37th Annu.Conf. IEEE Ind. Electron. Soc.，Nov. 2011，pp. 4403-4408)的文章中通过插入环流来调整电容电压波 形的形状，使电容电压波动峰值出现的时刻尽量与桥臂需要输出最高电压的时刻接近，从 而降低电容电压水平、放宽电容电压波动率的限制。但是这种方案会增加桥臂电流值，增大 所采用的功率器件的额定值以及增加功率损耗。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，本发明提供一种降低电容体积的MMC子模块，以解决上述问题。
[0005] 本发明提供的降低电容体积的MMC子模块，至少包括电容单元和与所述电容单元 连接的开关单元，所述电容单元包括主电容和从电容，所述开关单元包括分别与主电容和 从电容串联连接并用于控制改变主电容和从电容的串并联结构的开关，通过控制开关使主 电容产生电压波动，并通过从电容对主电容的电压波动进行补偿。
[0006] 进一步，所述开关为设置有反并联二极管的开关管。
[0007] 进一步，所述开关管包括Sn Sn、S12、S13、S21、S22，所述主电容为C n，所述从电容包 括C21、C22，所述开关管S1的集电极为MMC子模块的输入端，发射极为MMC子模块的输出端； 所述开关管S 11的发射极与输入端连接，集电极与从电容C21的正极连接；所述开关管S 12与 开关管S21反向串联，其中开关管S 12的发射极与输入端连接，开关管S 21的发射极与从电容 C22的正极连接；所述开关管S 13与开关管S22反向串联，其中开关管S 13的发射极与输入端连 接，开关管S22的发射极与从电容C 22的负极连接；所述主电容C η的正极分别与从电容C 21 的负极和从电容C22负极连接，主电容C η的负极与输出端连接。
[0008] 进一步，所述电容单元包括三种工作模式，工作模式一为主电容C11和从电容C 21串 联接入电网，工作模式二为主电容C11和从电容C 22串联接入电网，工作模式三为主电容C n 单独接入电网。
[0009] 进一步，当输电系统的运行功率在满功率状态下时，所述电容单元在三种工作模 式均可使用。
[0010] 进一步，当输电系统的运行功率在高于系统额定功率的50%且低于额定功率的 75 %时，控制电容单元处于工作模式二或工作模式三之下。
[0011] 进一步，当输电系统的运行功率在低于系统额定功率的50%时，控制电容单元只 处于工作模式三之下。
[0012] 进一步，还包括系统控制模块，所述系统控制模块包括外环功率控制器和内环电 流控制器，所述外环功率控制器根据有功和无功的参考值得到内环电流控制器的电流参考 值，所述内环电流控制器通过调节换流器输出电压，使电流快速跟踪其参考值。
[0013] 本发明的有益效果：本发明利用金属薄膜电容能流过较大的纹波电流的特性，通 过控制算法使得在电容上产生较大的电压波动，在保证MMC子模块电压纹波的情况下，提 高了电容的能量利用效率，，实现了比传统的MMC子模块更高的能量密度，减小了 MMC子模 块中电容的体积及质量，从而减小了 MMC子模块乃至换流器的体积。
【附图说明】
[0014] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
[0015] 图1是本发明的结构示意图。
[0016] 图2是本发明的电容单元的三种工作模式示意图。
[0017] 图3是本发明的电容单元的工作原理示意图。
[0018] 图4是三相输出相电压波形及其总谐波失真值示意图。
[0019] 图5为三相输出相电流波形及其总谐波失真值示意图。
[0020] 图6为a相上桥臂子模块中Cn、C21和C 22上的电压值。
[0021] 图7为子模块输出的电压等效值。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：图1是本发明的原理示意图，图 2是本发明的电容单元的三种工作模式示意图，图3是本发明的电容单元的工作原理示意 图，图4是三相输出相电压波形及其总谐波失真值示意图。图5为三相输出相电流波形及 其总谐波失真值示意图，图6为a相上桥臂子模块中C 11X21和C22上的电压值，图7为子模 块输出的电压等效值。
[0023] 本实施例中的降低电容体积的MMC子模块，至少包括电容单元和与所述电容单元 连接的开关单元，所述电容单元包括主电容和从电容，所述开关单元包括分别与主电容和 从电容串联连接并用于控制改变主电容和从电容的串并联结构的开关，通过控制开关使主 电容产生电压波动，并通过从电容对主电容的电压波动进行补偿，在本实施例中，通过控制 开关改变主、从电容改变串并联关系，使主电容产生较大的电压波动，然后通过从电容的电 压波动对主电容的电压波动进行补偿，采用这种方式使得端口电压的纹波达到系统要求。
[0024] 如图1所示，在本实施例中，开关采用设置有反并联二极管的开关管，本实施例中 采用6个带有反并联二极管的IGBT作为开关管，其中开关管包括Sn Sn、S12、S13、S21、S22，所 述主电容为C11，所述从电容包括C21、C22，所述开关管S 1的集电极为MMC子模块的输入端，发 射极为MMC子模块的输出端；所述开关管S11的发射极与输入端连接，集电极与从电容C 21的 正极连接；所述开关管S12与开关管S 21反向串联，其中开关管S12的发射极与输入端连接，开 关管S21的发射极与从电容C 22的正极连接；所述开关管S 13与开关管S 22反向串联，其中开 关管S13的发射极与输入端连接，开关管S 22的发射极与从电容C 22的负极连接；所述主电容 C11的正极分别与从电容C21的负极和从电容C22负极连接，主电容C η的负极与输出端连接。 MMC子模块的端口电压为USM，MMC子模块的输入电流为iSM;允许的输出电压纹波为V 其中电容C11的电压为V &，电容C21的电压为V。21，电容C22的电压为V。 22。其工作原理如图 4所示，利用金属薄膜电容能通过较大的纹波电流的特性，通过对与三个电容相串联的开关 的控制来改变三个电容的串并联关系，使得在电容C 11上产生较大的电压波动，然后利用电 容C21和电容C 22上的电压波动