一种非对称模块化多电平换流器及其参数设计方法

1.本发明涉及电力电子变换和直流输电领域，特别涉及一种非对称模块化多电平换流器及其参数设计方法。


背景技术：

2.模块化多电平换流器(modular multilevel converter，mmc)具有可实现电压和容量等级高、谐波特性好、损耗低等优点，目前已经成为柔性直流输电换流器的最主要拓扑结构。虽然mmc具有多方面的技术优势，但是由于需要使用大量的半导体开关器件和电容而带来的成本高和占地大等问题仍是mmc的主要缺点。在半导体开关器件方面，随着电压等级和容量的提高，mmc子模块需要采用大量的高压大电流半导体开关器件。在电容用量方面，mmc桥臂中存在低频能量波动，为了限制子模块电容电压波动的幅度，mmc所需要的子模块电容量巨大。目前，直流电容在子模块体积中一般占到50％～80％，造价甚至与所需半导体开关器件接近。已有工程经验表明，大容量的mmc换流站的占地甚至已经接近于常规的晶闸管直流输电换流站，这极大的限制了mmc的广泛应用。事实上，目前很多柔性直流输电场合是以单向功率传输为主。例如，在海上风电等大型新能源基地的直流送出系统中，稳态运行时功率是从海上风电场单向输送送到岸上；在远距离大容量直流输电系统中，功率也主要是从能源中心向负荷中心传送。现有的mmc技术方案在拓扑结构和参数上通常都是针对双向功率传输场合设计的。
3.在现有的mmc技术方案中，最为常用的是基于半桥子模块的mmc拓扑结构。每个半桥子模块主要由两个型号规格相同的半导体开关器件、两个型号规格相同的二极管器件和一个直流电容组成，多个半桥子模块级联和一个桥臂电抗器构成一个桥臂，再由六个桥臂组合构成mmc。但是为了限制桥臂能量波动所引起电容电压波动幅度，半桥mmc的所需子模块电容用量巨大，其成本和体积较大，使其在很多场合的应用都受到较大的限制。
4.调制比是反映mmc交直流电压之间比例关系的一个指标。如果将mmc调制比提高到合适数值，mmc桥臂能量波动幅度会出现一个最低点，从而可以大幅降低mmc电容用量。但是这通常需要将调制比提高到1.2～1.5范围内，而常规的半桥mmc最大调制比只能达到1.0。因此一类方案是在桥臂中加入额外的全桥子模块，构成全桥mmc或者混合mmc，通过额外全桥子模块的负电平输出达到大幅提高调制比的目的。在现有技术方案中，每个全桥子模块主要由四个型号规格相同的半导体开关器件、四个型号规格相同的二极管器件和一个直流电容组成。全桥子模块的开关器件用量是半桥子模块的2倍。虽然这类方案可以通过提高调制比大幅降低mmc的电容用量，但是额外全桥子模块的引入也带来开关器件用量的大幅增加，导致mmc的总体成本和体积的下降效果不明显，甚至有些情况下还有所增加。
5.为了解决全桥mmc和混合mmc开关器件用量较大的问题，针对海上风电输送和远距离大容量输电等以单向功率传输为主的场合，一类方案是单向电流型全桥mmc。这类方案是通过大幅提高调制比和额外环流注入手段，使桥臂电流保持单向，从而可以省去全桥mmc的两只开关器件，使其器件用量与常规半桥子模块接近。但是，单向电流型mmc要求桥臂电流
严格保持单向，运行条件较为苛刻，也限制了mmc的运行灵活性及应用场合。
6.在现有各种mmc技术方案中，通常都是考虑功率传输双向对称的运行方式，所有半导体开关器件都采用相同型号规格，所有二极管器件也都采用相同型号规格，并没有针对单向功率传输运行方式，根据各半导体开关和二极管器件所承受的实际电流对器件的型号规格进行有针对性的区别设计，这也是导致现有mmc技术方案开关器件用量较大、成本和体积较高的原因。


技术实现要素：

7.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
8.为此，本发明第一方面提出一种非对称模块化多电平换流器，本发明针对单向功率传输为主的应用场合，基于单向功率传输特性在拓扑结构和参数方面进行优化，提出非对称模块化多电平换流器及其参数设计方法，能够大幅降低mmc的开关器件用量和电容用量，从而使mmc的成本和体积大幅降低，使mmc具有更好的技术经济性，能够更为广泛的应用于远距离大容量输电、远海风电场接入和柔性直流配电网等应用场合。
9.本发明第二方面提出一种非对称模块化多电平换流器的参数设计方法。
10.本发明第一方面实施例提出了一种非对称模块化多电平换流器，所述多电平换流器的每一相包括上桥臂和下桥臂；所述每一相的上桥臂下端和下桥臂上端各通过电抗相连；所述多电平换流器的三相交流端通过连接变压器接入交流电网；所述多电平换流器的所有相的上桥臂上端相连作为直流正端，所述所有相的下桥臂下端相连作为直流负端，所述直流正端和所述直流负端分别与直流线路的正极和负极连接。
11.另外，根据本发明上述实施例的非对称模块化多电平换流器还可以具有以下附加技术特征：
12.进一步地，在本发明地一个实施例中，所述每一相的桥臂分别由多个相同的非对称半桥子模块和多个相同的非对称全桥子模块级联构成。
13.进一步地，在本发明地一个实施例中，所述多电平换流器的模式包括整流模式和逆变模式。
14.进一步地，在本发明地一个实施例中，所述非对称半桥子模块包括第一高电流等级半导体开关、第一低电流等级半导体开关、第一高电流等级二极管、第一低电流等级二极管和第一直流电容。
15.进一步地，在本发明地一个实施例中，所述非对称全桥子模块包括第二、第三高电流等级半导体开关，第二、第三低电流等级半导体开关，第二、第三高电流等级二极管，第二、第三低电流等级二极管和第二直流电容。
16.进一步地，在本发明地一个实施例中，所述每一相的电抗中点作为所述相的交流端。
17.本发明实施例的非对称模块化多电平换流器，可以使换流器的开关器件和电容用量都大幅下降，大幅降低换流器的成本和体积。
18.本发明第二方面实施例提出了非对称模块化多电平换流器的参数设计方法，包括：
19.获取非对称模块化多电平换流器的第一参数，基于所述第一参数计算第一部分非
对称全桥子模块最小级联数目；获取非对称模块化多电平换流器的第二参数，基于所述第二参数计算第二部分非对称全桥子模块最小级联数目；根据所述第一部分非对称全桥子模块最小级联数目，计算得到非对称半桥子模块级联数目；根据所述第一部分非对称全桥子模块最小级联数目和所述第二部分非对称全桥子模块最小级联数目，计算得到非对称全桥子模块级联数目；基于所述第一参数和所述第二参数，并获取半导体开关电流安全系数，以确定高电流等级半导体开关的最小可重复峰值电流和低电流等级半导体开关的最小可重复峰值电流。
20.本发明实施例的非对称模块化多电平换流器的参数设计方法，可以使换流器的开关器件和电容用量都大幅下降，大幅降低换流器的成本和体积。
21.本发明的有益效果为：
22.本发明提出的非对称模块化多电平换流器，根据单向功率传输模块化多电平换流器中的直流电流分量给桥臂电流所带来的偏置，使子模块正向电流通路器件和负向电流通路器件所承受的电流峰值的不同，在子模块中的相应位置的半导体开关分别选择不同的高电流等级半导体开关和低电流等级半导体开关，子模块中的相应位置的二极管也分别选择不同的高电流等级二极管和低电流等级二极管。这样，与已有技术方案中所有子模块采用相同电流等级的器件不同，本发明的方案中的子模块中有一半的半导体开关和二极管可以选择为电流等级较低的器件，使整体的器件成本和体积降低。另外，本发明方案在桥臂中采用一定数量的非对称全桥子模块，可以起到将调制比提高到所期望的数值的作用，使桥臂电流中的交流电流分量变小，直流分量对桥臂电流的偏置作用更明显，桥臂电流正向峰值和负向峰值的差异更大，子模块中的部分器件可以选择越小的电流等级，从而实现大幅降低开关器件用量的目的。由于调制比的提高，模块化多电平换流器的桥臂能量波动也更接近于极低值，所需的子模块电容用量也可以大为下降。这样，通过采用本发明方案的非对称模块化多电平换流器及其参数设计方法，可以使换流器的开关器件和电容用量都大幅下降，大幅降低换流器的成本和体积。
23.本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
24.本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
25.图1为根据本发明实施例的非对称模块化多电平换流器的结构示意图；
26.图2为根据本发明实施例的非对称模块化多电平换流器的桥臂结构示意图；
27.图3为根据本发明实施例的整流模式非对称半桥子模块结构示意图；
28.图4为根据本发明实施例的逆变模式非对称半桥子模块结构示意图；
29.图5为根据本发明实施例的整流模式非对称全桥子模块结构示意图；
30.图6为根据本发明实施例的逆变模式非对称全桥子模块结构示意图；
31.图7为根据本发明实施例的整流模式桥臂电流示意图；
32.图8为根据本发明实施例的逆变模式桥臂电流示意图；
33.图9为根据本发明实施例的非对称模块化多电平换流器的参数设计方法流程图。
具体实施方式
34.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
35.下面参考附图描述本发明实施例的非对称模块化多电平换流器及其参数设计方法。
36.图1为本发明实施例所提供的非对称模块化多电平换流器的结构示意图。
37.如图1所示，多电平换流器的每一相包括上桥臂100和下桥臂200；每一相的上桥臂下端和下桥臂上端各通过电抗300相连；多电平换流器的三相交流端通过连接变压器400接入交流电网500；多电平换流器的所有相的上桥臂上端相连作为直流正端，所有相的下桥臂下端相连作为直流负端，直流正端和直流负端分别与直流线路的正极和负极连接。
38.具体的，如图1所示，本发明的非对称模块化多电平换流器，包括：每一相包括上桥臂100和下桥臂200，每个桥臂分别由m个相同的非对称半桥子模块和k个相同的非对称全桥子模块级联构成，每一相的上桥臂下端和下桥臂上端各通过一个电抗300xc连接在一起，电抗中点成为该相的交流端；非对称模块化多电平换流器的三相交流端经连接变压器400接入交流电网500；所有相的上桥臂上端连接在一起成为直流正端，所有相的下桥臂下端连接在一起成为直流负端；非对称模块化多电平换流器的直流正端和直流负端与直流线路的正极和负极连接。图2为非对称模块化多电平换流器的桥臂结构示意图，如图2所示。
39.进一步地，非对称半桥子模块包括高电流等级半导体开关sh1，低电流等级半导体开关sl1，高电流等级二极管dh1，低电流等级二极管dl1，直流电容c1。当非对称模块化多电平换流器为整流模式时，非对称半桥子模块连接方式如附图3所示；当非对称模块化多电平换流器为逆变模式时，非对称半桥子模块连接方式如附图4所示。
40.进一步地，非对称全桥子模块包括高电流等级半导体开关sh1和sh2，低电流等级半导体开关sl1和sl2，高电流等级二极管dh1和dh2，低电流等级二极管dl1和dl2，只iu电容c1。当非对称模块化多电平换流器为整流模式时，非对称全桥子模块连接方式如图5所示；当非对称模块化多电平换流器为逆变模式时，非对称全桥子模块连接方式如图6所示。
41.可以理解地是，在本发明提出的非对称模块化多电平换流器中，每个桥臂采用一定数量的非对称全桥子模块和非对称半桥子模块混合的方式构成。在桥臂级联子模块数目设计方面，在满足直流电压输出所需的基本子模块数量基础上，加入一定数量的额外非对称全桥子模块，通过额外非对称全桥子模块的负电平输出能力实现换流器可实现最大调制比的提升。由于每个桥臂电流中包含基频分量和直流电流分量，直流电流分量对交流电流分量起到偏置作用，使桥臂电流的正向和负向波形不对称，正向和负向电流峰值也不对称。由于正向电流和负向电流在子模块中所流经的器件不同，因此当正向和负向电流峰值相差较大时，子模块中不同位置的开关器件也可以选择不同的电流的等级，构成非对称型子模块。由于部分开关器件可以选择较小的电流等级，这可以使整体的开关器件成本和体积大幅降低。
42.作为一种示例，图7为整流模式模块化多电平换流器的桥臂电流示意图。将从上至下定义为桥臂电流正方向。当mmc工作于整流模式时，桥臂电流直流分量为负，使桥臂电流向负向偏置，此时桥臂电流负向峰值将大于正向峰值，桥臂电流负向峰值的绝对值为桥臂
电流较高峰值i
peak_h
，桥臂电流正向峰值为桥臂电流较低峰值i
peak_l
。
43.作为一种示例，如图3所示的整流模式下非对称半桥子模块结构，桥臂电流为负向时电流将只流过半导体开关sh1或二极管dh1，因此只有半导体开关sh1和二极管dh1的电流等级需要按照桥臂电流较高峰值i
peak_h
设计，选择较大电流等级的器件，称为高电流等级半导体开关和高电流等级二极管。仍如图3所示，桥臂电流为正向时将电流将只流过半导体开关sl1或二极管dl1，因此半导体开关sl1和二极管dl1的电流等级只需要按照桥臂电流较低峰值i
peak_l
设计，只需要选择较小电流等级的器件，称为低电流等级半导体开关和低电流等级二极管。
44.作为一种示例，如图5所示的整流模式下非对称全桥子模块结构，桥臂电流为负向时将只可能通过半导体开关sh1和半导体开关sh2、半导体开关sh1和二极管dh2、半导体开关sh2和二极管dh1、二极管dh1和二极管dh2等几种组合方式中的一种形成通路，因此只有半导体开关sh1、半导体开关sh2、二极管dh1和二极管dh2的电流等级需要按照桥臂电流较高峰值i
peak_h
设计，需要选择较大电流等级的器件，即高电流等级半导体开关和高电流等级二极管。仍如图5所示，桥臂电流为正向时电流将只可能通过半导体开关sl1和半导体开关sl2、半导体开关sl1和二极管dl2、半导体开关sl2和二极管dl1、二极管dl1和二极管dl2等几种组合方式中的一种形成通路，因此半导体开关sl1、半导体开关sl2、二极管dl1和二极管dl2的电流等级只需要按照桥臂电流较低峰值i
peak_l
设计，只需要选择较小电流等级的器件，即低电流等级半导体开关和低电流等级二极管。
45.作为一种示例，如图8所示为逆变模式模块化多电平换流器的桥臂电流示意图。当mmc工作于逆变模式时，桥臂电流直流分量为正，使桥臂电流向正向偏置，此时桥臂电流正向峰值将大于负向峰值，桥臂电流正向峰值为桥臂电流峰值较高值i
peak_h
，桥臂电流负向峰值得绝对值为桥臂电流峰值较低值i
peak_l
。
46.作为一种示例，如图4所示的逆变模式下非对称半桥子模块结构所示，桥臂电流为正向时电流将只流过半导体开关sh1或二极管dh1，因此只有半导体开关sh1和二极管dh1的电流等级需要按照桥臂电流较高峰值i
peak_h
设计，需要选择较大电流等级的器件，即高电流等级半导体开关和高电流等级二极管。仍如图4所示，桥臂电流为负向时将只流过半导体开关sl1或二极管dl1，因此半导体开关sl1和二极管dl1的电流等级只需要按照桥臂电流较低峰值i
peak_l
设计，只需要选择较小电流等级的器件，即低电流等级半导体开关和低电流等级二极管。
47.作为一种示例，如图6所示的逆变模式下非对称全桥子模块结构，桥臂电流为正向时将只可能通过半导体开关sh1和半导体开关sh2、半导体开关sh1和二极管dh2、半导体开关sh2和二极管dh1、二极管dh1和二极管dh2等几种组合方式中的一种形成通路，因此只有半导体开关sh1、半导体开关sh2、二极管dh1和二极管dh2的电流等级需要按照桥臂电流峰值较高值i
peak_h
设计，需要选择较大电流等级的器件，即高电流等级半导体开关和高电流等级二极管。仍如图6所示，桥臂电流为负向时将只可能通过半导体开关sl1和半导体开关sl2、半导体开关sl1和二极管dl2、半导体开关sl2和二极管dl1、二极管dl1和二极管dl2等几种组合方式中的一种形成通路，因此半导体开关sl1、半导体开关sl2、二极管dl1和二极管dl2的电流等级只需要按照桥臂电流较低峰值i
peak_l
设计，只需要选择较小电流等级的器件，因此称为低电流等级半导体开关和低电流等级二极管。
48.因此，当模块化多电平换流器在正常运行时只工作于整流模式或者只工作于逆变模式时，可以采用本发明技术方案的非对称半桥子模块和非对称全桥子模块构成非对称模块化多电平换流器，根据整流模式或逆变模式，子模块中的相应位置的半导体开关可以分别选择高电流等级半导体开关和低电流等级半导体开关，子模块中的相应位置的二极管也可以分别选择高电流等级二极管和低电流等级二极管。这样，子模块中有一半的半导体开关和二极管可以选择为电流等级较低的器件。而在桥臂中采用一定数量的非对称全桥子模块恰好可以起到将调制比提高到所期望的数值的作用。mmc的调制比越大，桥臂电流中的交流电流分量越小，桥臂电流有效值也越小，所需选择的开关器件电流等级也可以越小。另一方面，这也使直流分量对桥臂电流的偏置作用越明显，桥臂电流正向峰值和负向峰值的差异越大，即桥臂电流较高峰值和桥臂电流较低峰值的差异越大，子模块中的低电流等级器件也可以选择越小的电流等级，从而实现大幅降低开关器件成本和体积的目的。
49.本发明实施例的非对称模块化多电平换流器，可以使换流器的开关器件和电容用量都大幅下降，大幅降低换流器的成本和体积。
50.其次，参照附图描述本发明一个实施例的非对称模块化多电平换流器的参数设计方法。
51.图9为根据本发明一个实施例的非对称模块化多电平换流器的参数设计方法的流程图。
52.如图9所示，该方法包括：
53.s1，获取非对称模块化多电平换流器的第一参数，基于第一参数计算第一部分非对称全桥子模块最小级联数目；
54.s2，获取非对称模块化多电平换流器的第二参数，基于第二参数计算第二部分非对称全桥子模块最小级联数目；
55.s3，根据第一部分非对称全桥子模块最小级联数目，计算得到非对称半桥子模块级联数目；根据第一部分非对称全桥子模块最小级联数目和第二部分非对称全桥子模块最小级联数目，计算得到非对称全桥子模块级联数目；
56.s4，基于第一参数和第二参数，并获取半导体开关电流安全系数，以确定高电流等级半导体开关的最小可重复峰值电流和低电流等级半导体开关的最小可重复峰值电流。
57.进一步地，上述s1，包括：
58.获取非对称模块化多电平换流器额定有功功率和额定无功功率，计算非对称模块化多电平换流器额定容量；
59.获取非对称模块化多电平换流器直流侧额定电压，获取子模块电容额定电压，计算桥臂子模块级联基准数目；
60.获取非对称模块化多电平换流器直流电压调节范围下限值，计算第一部分非对称全桥子模块最小级联数目。
61.进一步地，上述s2，包括：
62.获取非对称模块化多电平换流器交流侧额定相电压有效值，计算基准调制比；
63.获取非对称模块化多电平换流器与交流电网之间连接变压器的漏抗标幺值，获取非对称模块化多电平换流器桥臂电抗标幺值，计算等效连接电抗标么值；
64.基于非对称模块化多电平换流器额定有功功率和额定无功功率，计算最大调制
比；
65.根据最大调制比，计算负电平利用系数：
66.根据负电平利用系数，计算第二部分非对称全桥子模块最小级联数目。
67.进一步地，上述s4，包括：
68.根据非对称模块化多电平换流器额定容量和非对称模块化多电平换流器交流侧额定相电压有效值，计算桥臂电流基频交流分量峰值最大值；
69.根据非对称模块化多电平换流器额定有功功率和非对称模块化多电平换流器直流侧额定电压，计算桥臂电流直流分量最大值；
70.根据桥臂基频交流电流分量峰值最大值和桥臂电流直流分量最大值，计算桥臂电流较高峰值和桥臂电流较低峰值；
71.获取半导体开关电流安全系数，根据桥臂电流较高峰值和桥臂电流较低峰值，确定高电流等级半导体开关的最小可重复峰值电流和低电流等级半导体开关的最小可重复峰值电流。
72.具体地，本发明实施例的非对称模块化多电平换流器的参数设计方法如下：
73.首先获取非对称模块化多电平换流器额定有功功率为pn，获取非对称模块化多电平换流器额定无功功率为qn，计算非对称模块化多电平换流器额定容量sn：
[0074][0075]
在确定所需级联的子模块数目方面，首先获取非对称模块化多电平换流器直流侧额定电压为u
dcn
，获取子模块电容额定电压为uc，计算桥臂子模块级联基准数目n0：
[0076][0077]
其中ceil()为向上取整函数。桥臂中的非对称全桥子模块的第一部分是起到利用所输出的负电平调节mmc直流电压的作用，这一部分子模块数目是包含在桥臂子模块级联基准数目n0中的。在计算第一部分非对称全桥子模块级联数目时，获取非对称模块化多电平换流器直流电压调节范围下限值u
dclim
，其中u
dclim
的可以获取的范围为-u
dcn
到u
dcn
之间的数值。u
dclim
数值越小，表示所设计的mmc直流电压可调节范围越大。mmc直流电压调节范围下限值u
dclim
与n0个基准子模块数目中的全桥子模块比例有关，可以如下计算：
[0078][0079]
因此，在直流电压调节范围下限值u
dclim
数值确定的情况下，第一部分非对称全桥子模块最小级联数目k1可以如下计算：
[0080][0081]
其中ceil()为向上取整函数。当第一部分非对称全桥子模块最小级联数目为k1时，可以计算得到非对称半桥子模块级联数目m:
[0082]
m＝n
0-k1[0083]
第二部分非对称全桥子模块起到利用所输出的负电平提高mmc的调制比的作用，
这需要在n0个子模块之外再额外级联一部分非对称全桥子模块。将所需额外级联的全桥子模块数目与n0的比值定义为负电平利用系数k
nvs
，此时mmc所能达到的最大调制比将变为1+2k
nvs
。为了计算第二部分非对称全桥子模块的级联数目，需要首先计算mmc在所有可能运行点下的最大调制比。首先获取非对称模块化多电平换流器交流侧额定相电压有效值为u
acn
，计算基准调制比m0：
[0084][0085]
获取非对称模块化多电平换流器与电网之间连接变压器的漏抗标幺值为x
t
，获取非对称模块化多电平换流器桥臂电抗标幺值为xc，计算等效连接电抗标么值x
eq
：
[0086]
x
eq
＝x
eq
+xc[0087]
在非对称模块化多电平换流器输出额定有功功率和额定容性无功功率时，mmc所需输出的交流端口电压最大，可以按如下方式计算最大调制比m
max
：
[0088][0089]
根据最大调制比m
max
，可以计算出所需的负电平利用系数k
nvs
：
[0090][0091]
根据负电平利用系数k
nvs
的定义，可以计算第二部分非对称全桥子模块最小级联数目k2：
[0092]
k2＝ceil(k
nvs
n0)
[0093]
其中ceil()为向上取整函数；
[0094]
根据所计算得到的第一部分非对称全桥子模块最小级联数目k1和第二部分非对称全桥子模块最小级联数目k2，可以计算得到非对称全桥子模块级联数目：
[0095]
k＝k1+k2[0096]
这样，采用如上步骤就可以计算出每个桥臂所需的非对称半桥子模块级联数目和非对称全桥子模块级联数目。
[0097]
为了确定开关器件的电流等级，首先需要计算桥臂电流的峰值。桥臂电流中包含交流分量和直流分量。桥臂电流交流分量为mmc交流侧电流的1/2。因此，根据非对称模块化多电平换流器额定容量sn和非对称模块化多电平换流器交流侧额定相电压有效值为u
acn
，可以计算出mmc交流侧电流最大有效值，进而得到桥臂电流交流分量最大有效值，再转换为桥臂电流交流分量最大峰值。桥臂基频交流电流峰值最大值i
ac_peak
的计算如下：
[0098][0099]
桥臂电流中的直流分量为mmc直流侧电流的1/3。根据非对称模块化多电平换流器额定有功功率pn和非对称模块化多电平换流器直流侧额定电压为u
dcn
，计算桥臂电流直流分量最大值i
dc
：
[0100][0101]
根据桥臂基频交流电流分量峰值最大值i
ac_peak
和桥臂电流直流分量最大值i
dc
，计算桥臂电流较高峰值i
peak_h
和桥臂电流较低峰值i
peak_l
；
[0102]ipeak_h
＝i
ac_peak
+i
dc
[0103][0104]
获取半导体开关电流安全系数为β1，根据桥臂电流较高峰值i
peak_h
和桥臂电流较低峰值i
peak_l
，确定高电流等级半导体开关的最小可重复峰值电流i
crm_h
和低电流等级半导体开关的最小可重复峰值电流流i
crm_l
：
[0105]icrm_h
＝β1i
peak_h
[0106]icrm_l
＝β1i
peak_l
[0107]
这样，根据高电流等级半导体开关的最小可重复峰值电流i
crm_h
和低电流等级半导体开关的最小可重复峰值电流流i
crm_l
，就可以选择高电流等级半导体开关器件和低电流等级半导体开关器件的具体型号，所选择的半导体开关器件的可重复峰值电流参数应不小于所计算出的相对应的最小可重复峰值电流。
[0108]
在一个具体实施例中，获取非对称模块化多电平换流器运行于整流模式，额定有功功率pn＝2000mw，额定无功功率qn＝600mvar，额定直流电压u
dcn
＝1000kv，额定交流相电压u
acn
＝477kv，基准调制比m0＝1.35，等效连接电抗标幺值x
eq
＝0.2pu，直流电压调节下限值u
dclim
＝u
dcn
。采用本发明技术方案的参数设计方法，计算得到桥臂中所需级联的非对称半桥子模块数目m＝455，桥臂中所需级联的非对称全桥子模块数目k＝138。
[0109]
综上所示，根据上述参数，计算得到桥臂电流较高峰值i
peak_h
＝1698a，计算得到桥臂电流较低峰值i
peak_l
＝365a。获取半导体开关电流安全系数为β1＝2，因此确定高电流等级半导体开关的最小可重复峰值电流i
crm_h
＝3396a，低电流等级半导体开关的最小可重复峰值电流流i
crm_l
＝730a。可以根据i
crm_h
和i
crm_l
选择合适的开关器件。在此实施例中，根据i
crm_h
和i
crm_l
的数值，以及实际可以得到的商用半导体开关器件规格参数，高电流等级半导体开关选择标称参数为4500v/2000a的igbt器件(标称可重复峰值电流为4000a)，低电流等级半导体开关选择标称参数为4500v/450a的igbt器件(标称可重复峰值电流i
crm_h
为900a)。从以上参数设计可以看出，由于基准调制比提高到了1.35，使桥臂电流大大降低，并且低电流等级半导体开关器件的额定电流仅为高电流等级半导体开关器件额定电流的1/4左右，其成本和体积也大为降低，使非对称模块化多电平换流器的总体开关器件成本和体积大为降低。另外，由于基准调制比提高到1.35，在此数值下mmc的桥臂能量波动也接近于极低值，所需的子模块电容用量也可以大为下降。这样，通过采用本发明技术方案的非对称模块化多电平换流器，可以使换流器的开关器件和电容用量都大幅下降，大幅降低换流器的成本和体积。
[0110]
本发明实施例的非对称模块化多电平换流器的参数设计方法，可以使换流器的开关器件和电容用量都大幅下降，大幅降低换流器的成本和体积。
[0111]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性
或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0112]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0113]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。