基于不等式约束的辅助电容集中式单箝位MMC自均压拓扑的制作方法

本实用新型涉及柔性输电领域，具体涉及一种基于不等式约束的辅助电容集中式单箝位MMC自均压拓扑。

背景技术：

模块化多电平换流器MMC是未来直流输电技术的发展方向，MMC采用子模块级联的方式构造换流阀，避免了大量器件的直接串联，降低了对器件一致性的要求，同时便于扩容及冗余配置。随着电平数的升高，输出波形接近正弦，能有效避开低电平VSC-HVDC的缺陷。

单箝位MMC由单箝位子模块组合而成，每个单箝位子模块由3个IGBT模块，1个子模块电容，1个二极管及1个机械开关构成，成本低，运行损耗小。

与两电平、三电平VSC不同，MMC的直流侧电压并非由一个大电容支撑，而是由一系列相互独立的悬浮子模块电容串联支撑。为了保证交流侧电压输出的波形质量和保证模块中各功率半导体器件承受相同的应力，也为了更好的支撑直流电压，减小相间环流，必须保证子模块电容电压在桥臂功率的周期性流动中处在动态稳定的状态。

基于电容电压排序的排序均压算法是目前解决MMC中子模块电容电压均衡问题的主流思路。首先，排序功能的实现必须依赖电容电压的毫秒级采样，需要大量的传感器以及光纤通道加以配合；其次，当子模块数目增加时，电容电压排序的运算量迅速增大，为控制器的硬件设计带来巨大挑战；此外，排序均压算法的实现对子模块的开断频率有很高的要求，开断频率与均压效果紧密相关，在实践过程中，可能因为均压效果的限制，不得不提高子模块的触发频率，进而带来换流器损耗的增加。

文献“A DC-Link Voltage Self-Balance Method for a Diode-Clamped Modular Multilevel Converter With Minimum Number of Voltage Sensors”，提出了一种依靠钳位二极管和变压器来实现MMC子模块电容电压均衡的思路。但该方案在设计上一定程度破坏了子模块的模块化特性，子模块电容能量交换通道也局限在相内，没能充分利用MMC的既有结构，三个变压器的引入在使控制策略复杂化的同时也会带来较大的改造成本。

技术实现要素：

针对上述问题，本实用新型的目的在于提出一种经济的，模块化的，不依赖均压算法，同时能相应降低子模块触发频率和电容容值且具有直流故障箝位能力的单箝位MMC自均压拓扑。

本实用新型具体的构成方式如下。

基于不等式约束的辅助电容集中式单箝位MMC自均压拓扑，包括由A、B、C三相构成的单箝位MMC模型，A、B、C三相分别由2N个单箝位子模块，2个桥臂电抗器串联而成；包括由6N个IGBT模块，6N+7个钳位二极管，4个辅助电容及2个辅助IGBT模块构成的自均压辅助回路。

上述基于不等式约束的辅助电容集中式单箝位MMC自均压拓扑，A相上下桥臂，单箝位子模块中，二极管连接子模块电容正极，IGBT模块连接子模块电容负极。A相上桥臂的第1个子模块，其子模块二极管与IGBT模块联结点向下与A相上桥臂的第2个子模块IGBT模块中点相连，其子模块IGBT模块中点向上与直流母线正极相连；A相上桥臂的第i个子模块，其中i的取值为2～N-1，其子模块二极管与IGBT模块联结点向下与A相上桥臂的第i+1个子模块IGBT模块中点相连，其子模块IGBT模块中点向上与A相上桥臂的第i-1个子模块二极管与IGBT模块联结点相连；A相上桥臂的第N个子模块，其子模块二极管与IGBT模块联结点向下经两个桥臂电抗器L₀与A相下桥臂的第1个子模块IGBT模块中点相连，其子模块IGBT模块中点向上与A相上桥臂的第N-1个子模块二极管与IGBT模块联结点相连；A相下桥臂的第i个子模块，其中i的取值为2～N-1，其子模块二极管与IGBT模块联结点向下与A相下桥臂的第i+1个子模块IGBT模块中点相连，其IGBT模块中点向上与A相下桥臂的第i-1个子模块二极管与IGBT模块联结点相连；A相下桥臂的第N个子模块，其子模块二极管与IGBT模块联结点向下与直流母线负极相连，其子模块IGBT模块中点向上与A相下桥臂的第N-1个子模块二极管与IGBT模块联结点相连。B相上下桥臂，单箝位子模块中，IGBT模块连接子模块电容正极，二极管连接子模块电容负极。B相上桥臂的第1个子模块，其子模块二极管与IGBT模块联结点向上与直流母线正极相连，其子模块IGBT模块中点向下与B相上桥臂的第2个子模块二极管与IGBT模块联结点相连；B相上桥臂的第i个子模块，其中i的取值为2～N-1，其子模块二极管与IGBT模块联结点向上与B相上桥臂的第i-1个子模块IGBT模块中点相连，其子模块IGBT模块中点向下与B相上桥臂的第i+1个子模块二极管与IGBT模块联结点相连；B相上桥臂的第N个子模块，其子模块二极管与IGBT模块联结点向上与B相上桥臂的第N-1个子模块IGBT模块中点相连，其子模块IGBT模块中点向下经两个桥臂电抗器L₀与B相下桥臂的第1个子模块二极管与IGBT模块联结点相连；B相下桥臂的第i个子模块，其中i的取值为2～N-1，其子模块二极管与IGBT模块联结点向上与B相下桥臂的第i-1个子模块IGBT模块中点相连，其子模块IGBT模块中点向下与B相下桥臂的第i+1个子模块二极管与IGBT模块联结点相连；B相下桥臂的第N个子模块，其子模块二极管与IGBT模块联结点向上与B相下桥臂第N-1个子模块IGBT模块中点相连，其子模块IGBT模块中点向下与直流母线负极相连。C相上下桥臂子模块的连接方式可以与A相一致，也可以与B相一致。

上述基于不等式约束的辅助电容集中式单箝位MMC自均压拓扑，其自均压辅助回路中，第一个辅助电容与第二个辅助电容通过钳位二极管并联，第二个辅助电容正极连接辅助IGBT模块，第一个辅助电容负极连接钳位二极管并入直流母线正极；第三个辅助电容与第四个辅助电容通过钳位二极管并联，第三个辅助电容负极连接辅助IGBT模块，第四个辅助电容正极连接钳位二极管并入直流母线负极。钳位二极管，通过IGBT模块连接A相上桥臂中第1个子模块电容与第一个辅助电容正极；通过IGBT模块连接A相上桥臂中第i个子模块电容与第i+1个子模块电容正极，其中i的取值为1～N-1；通过IGBT模块连接A相上桥臂中第N个子模块电容与A相下桥臂第1个子模块电容正极；通过IGBT模块连接A相下桥臂中第i个子模块电容与A相下桥臂第i+1个子模块电容正极，其中i的取值为1～N-1；通过IGBT模块连接A相下桥臂中第N个子模块电容与第三个辅助电容正极。钳位二极管，通过IGBT模块连接B相上桥臂中第1个子模块电容与第二个辅助电容负极；通过IGBT模块连接B相上桥臂中第i个子模块电容与第i+1个子模块电容负极，其中i的取值为1～N-1；通过IGBT模块连接B相上桥臂中第N个子模块电容与B相下桥臂第1个子模块电容负极；通过IGBT模块连接B相下桥臂中第i个子模块电容与B相下桥臂第i+1个子模块电容负极，其中i的取值为1～N-1；通过IGBT模块连接B相下桥臂中第N个子模块电容与第四个辅助电容负极。C相钳位二极管的连接关系与其子模块的连接关系相对应。

附图说明

下面结合附图对本实用新型进一步说明。

图1是单箝位子模块的结构示意图；

图2是基于不等式约束的辅助电容集中式单箝位MMC自均压拓扑。

具体实施方式

为进一步阐述本实用新型的性能与工作原理，以下结合附图对对实用新型的构成方式与工作原理进行具体说明。但基于该原理的单箝位MMC自均压拓扑不限于图2。

参考图2，基于不等式约束的辅助电容集中式单箝位MMC自均压拓扑，包括由A、B、C三相构成的单箝位MMC模型，A、B、C三相分别由2N个单箝位子模块，2个桥臂电抗器串联而成；包括由6N个IGBT模块，6N+7个钳位二极管，4个辅助电容C₁、C₂、C₃、C₄，2个辅助IGBT模块T₁、T₂构成的自均压辅助回路。

单箝位MMC模型中，A相上下桥臂，单箝位子模块中，二极管连接子模块电容正极，IGBT模块连接子模块电容负极。A相上桥臂的第1个子模块，其子模块二极管与IGBT模块联结点向下与A相上桥臂的第2个子模块IGBT模块中点相连，其子模块IGBT模块中点向上与直流母线正极相连；A相上桥臂的第i个子模块，其中i的取值为2～N-1，其子模块二极管与IGBT模块联结点向下与A相上桥臂的第i+1个子模块IGBT模块中点相连，其子模块IGBT模块中点向上与A相上桥臂的第i-1个子模块二极管与IGBT模块联结点相连；A相上桥臂的第N个子模块，其子模块二极管与IGBT模块联结点向下经两个桥臂电抗器L₀与A相下桥臂的第1个子模块IGBT模块中点相连，其子模块IGBT模块中点向上与A相上桥臂的第N-1个子模块二极管与IGBT模块联结点相连；A相下桥臂的第i个子模块，其中i的取值为2～N-1，其子模块二极管与IGBT模块联结点向下与A相下桥臂的第i+1个子模块IGBT模块中点相连，其IGBT模块中点向上与A相下桥臂的第i-1个子模块二极管与IGBT模块联结点相连；A相下桥臂的第N个子模块，其子模块二极管与IGBT模块联结点向下与直流母线负极相连，其子模块IGBT模块中点向上与A相下桥臂的第N-1个子模块二极管与IGBT模块联结点相连。B相上下桥臂，单箝位子模块中，IGBT模块连接子模块电容正极，二极管连接子模块电容负极。B相上桥臂的第1个子模块，其子模块二极管与IGBT模块联结点向上与直流母线正极相连，其子模块IGBT模块中点向下与B相上桥臂的第2个子模块二极管与IGBT模块联结点相连；B相上桥臂的第i个子模块，其中i的取值为2～N-1，其子模块二极管与IGBT模块联结点向上与B相上桥臂的第i-1个子模块IGBT模块中点相连，其子模块IGBT模块中点向下与B相上桥臂的第i+1个子模块二极管与IGBT模块联结点相连；B相上桥臂的第N个子模块，其子模块二极管与IGBT模块联结点向上与B相上桥臂的第N-1个子模块IGBT模块中点相连，其子模块IGBT模块中点向下经两个桥臂电抗器L₀与B相下桥臂的第1个子模块二极管与IGBT模块联结点相连；B相下桥臂的第i个子模块，其中i的取值为2～N-1，其子模块二极管与IGBT模块联结点向上与B相下桥臂的第i-1个子模块IGBT模块中点相连，其子模块IGBT模块中点向下与B相下桥臂的第i+1个子模块二极管与IGBT模块联结点相连；B相下桥臂的第N个子模块，其子模块二极管与IGBT模块联结点向上与B相下桥臂第N-1个子模块IGBT模块中点相连，其子模块IGBT模块中点向下与直流母线负极相连。C相上下桥臂子模块的连接方式与A相一致。

自均压辅助回路中，辅助电容C₁与辅助电容C₂通过钳位二极管并联，辅助电容C₂正极连接辅助IGBT模块T₁，辅助电容C₁负极连接钳位二极管并入直流母线正极；辅助电容C₃与辅助电容C₄通过钳位二极管并联，辅助电容C₃负极连接辅助IGBT模块T₂，辅助电容C₄正极连接钳位二极管并入直流母线负极。钳位二极管，通过IGBT模块T_{au_1}连接A相上桥臂中第1个子模块电容C_{­au­_1}与辅助电容C₁正极；通过IGBT模块T_{au_i}、T_{au_i+1}连接A相上桥臂中第i个子模块电容C_{­au­_i}与第i+1个子模块电容C­_{au­_i+1}正极，其中i的取值为1～N-1；通过IGBT模块T_{au_N}、T_{al_1}连接A相上桥臂中第N个子模块电容C­_{au­_N}与A相下桥臂第1个子模块电容C­_{al­_1}正极；通过IGBT模块T_{al_i}、T_{al_i+1}连接A相下桥臂中第i个子模块电容C_{­al­_i}与A相下桥臂第i+1个子模块电容C­_{al­_i+1}正极，其中i的取值为1～N-1；通过IGBT模块T_{al_N}连接A相下桥臂中第N个子模块电容C_{­al_N}与辅助电容C₃正极。钳位二极管，通过IGBT模块T_{bu_1}连接B相上桥臂中第1个子模块电容C­_{bu­_1}与辅助电容C₂负极；通过IGBT模块T_{bu_i}、T_{bu_i+1}连接B相上桥臂中第i个子模块电容C­_{bu­_i}与第i+1个子模块电容C_{­bu­_i+1}负极，其中i的取值为1～N-1；通过IGBT模块T_{bu_N}、T_{bl_1}连接B相上桥臂中第N个子模块电容C­_{bu_N}与B相下桥臂第1个子模块电容C­_{bl­_1}负极；通过IGBT模块T_{bl_i}、T_{bl_i+1}连接B相下桥臂中第i个子模块电容C­_{bl­_i}与B相下桥臂第i+1个子模块电容C_{­bl­_i+1}负极，其中i的取值为1～N-1；通过IGBT模块T_{bl_N}连接B相下桥臂中第N个子模块电容C­_{bl­_N}与辅助电容C₄负极。C相中钳位二极管的连接关系与A相一致。

正常情况下，自均压辅助回路中6N个IGBT模块T_{au_i}、T_{al_i}、T_{bu_i}、T_{bl_i}、T_{cu_i}、T_{cl_i}常闭，其中i的取值为1～N，A相上桥臂第一个子模块电容C_{­au­_1}旁路时，此时辅助IGBT模块T₁断开，子模块电容C_{­au­_1}与辅助电容C₁通过钳位二极管并联；A相上桥臂第i个子模块电容C­_{au­_i}旁路时，其中i的取值为2～N，子模块电容C­_{au­_i}与子模块电容C­_{au­_i-1}通过钳位二极管并联；A相下桥臂第一个子模块电容C­_{al_1}旁路时，子模块电容C­_{al­_1}通过钳位二极管、两个桥臂电抗器L₀与子模块电容C­_{au­_N}并联；A相下桥臂第i个子模块电容C_{­al_i}旁路时，其中i的取值为2～N，子模块电容C_{­al­_i}与子模块电容C­_{al_i-1}通过钳位二极管并联；辅助IGBT模块T₂闭合时，辅助电容C₃通过钳位二极管与子模块电容C­_{al_N}并联。

正常情况下，自均压辅助回路中6N个IGBT模块T_{au_i}、T_{al_i}、T_{bu_i}、T_{bl_i}、T_{cu_i}、T_{cl_i}常闭，其中i的取值为1～N，辅助IGBT模块T₁闭合时，辅助电容C₂与子模块电容C­_{bu­_1}通过钳位二极管并联；B相上桥臂第i个子模块电容C_{­bu­_i}旁路时，其中i的取值为1～N-1，子模块电容C­_{bu­_i}与子模块电容C_{­bu­_i+1}通过钳位二极管并联；B相上桥臂第N个子模块电容C_{­bu_N}旁路时，子模块电容C_{­bu­_N}通过钳位二极管、两个桥臂电抗器L₀与子模块电容C_{­bl­_1}并联；B相下桥臂第i个子模块电容C_{­bl_i}旁路时，其中i的取值为1～N-1，子模块电容C­_{bl­_i}与子模块电容C­_{bl_i+1}通过钳位二极管并联；B相下桥臂N个子模块电容C­_{bl_N}旁路时，子模块电容C­_{bl­_N}与辅助电容C­₄通过钳位二极管并联。其中辅助IGBT模块T₁的触发信号与A、C相上桥臂第一个子模块触发信号的“逻辑和”一致；辅助IGBT模块T₂的触发信号与B相下桥臂第N个子模块的触发信号一致。

在直交流能量转换的过程中，各个子模块交替投入、旁路，辅助IGBT模块T₁、T₂交替闭合、关断，A、B相上下桥臂子模块电容电压在钳位二极管的作用下，满足下列约束：

由于辅助电容C₁、C₂、C₃、C₄电压的关系满足：

由此可知，

C、B相间的约束条件与A、B相间的约束条件一致。

由上述具体说明可知，该单箝位MMC拓扑具备子模块电容电压自均衡能力。

最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。