一种电力电子变换器拓扑及其调压方法

本发明属于直流输电系统，特别涉及一种电力电子变换器拓扑及其调压方法。

背景技术：

1、可再生能源的蓬勃发展，迫使传统电力系统向新型电力系统转变。可再生能源具有间歇性、波动性的特点，传统电力系统具的调节速度和调节能力有限，当可再生能源大规模接入系统后，容易带来问题性、谐波等问题。

2、电力电子变换器是基于全控器件的新装备，它具有可控性强，调节迅速的特点，因此，可以满足可再生能源接入的电能调节与变化的需求。模块化多电平换流器(modular－multilevel－converter，mmc)为代表的拓扑，是当前较优的电子变换器方案。它具有功率和电压易扩展、成熟度较高、可靠性较高的特点。因此，mmc成为了高压大容量电力电子变换器的主流解决方案。然而，mmc具有模块数量众多的问题。一台mmc与两电平电压源型换流器(voltage－source－converter，vsc)相比多100％的全控器件用量，造成成本非常高昂。

3、另外，在控制层面，当电力电子变换器的交流端口和直流端口电压耦合时，调整交流电压峰值会改变直流电压，无法直接进行电压调整。通过奇次谐波注入可以实现交直流电压的解耦，但是调压范围较窄，不能满足如低电压穿越的需求。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提供一种电力电子变换器拓扑及其调压方法，采用以下技术方案：

2、一种电力电子变换器拓扑，包括开关阀和开关电容阀，所述开关电容阀与所述开关阀连接；其中，所述开关阀包括并联的多个桥臂，每个所述桥臂均包括串联的上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和所述下桥臂均包括多个串联的开关模块，所述开关模块包括全控器件s1、二极管d1均压电容c1和耗能元件h1，所述二极管d1的阳极连接在所述全控器件s1的阳极，所述均压电容c1的一端与所述二极管d1的阴极连接，所述均压电容c1的另一端与所述全控器件s1的阴极连接，所述耗能元件h1的一端与所述均压电容c1的一端连接，所述耗能元件h1的另一端与所述均压电容c1的另一端连接。

3、进一步的，所述开关电容阀包括串联的多个开关电容模块。

4、进一步的，所述开关电容模块为半桥模块、全桥模块以及混合模块中的任意一种或多种的组合。

5、进一步的，所述开关模块还包括旁路元件k1，所述旁路元件k1的两端分别与所述全控器件s1的阳极、阴极连接。

6、本发明还提供一种组合变换器，包括多个变换器，至少一个所述变换器的拓扑为上述电力电子变换器拓扑。

7、本发明还提供一种上述电力电子变换器拓扑的调压方法，包括以下步骤：根据开关电容阀的输出电压|um|和外部控制要求的电力电子变换器交流侧输出电压确定调压系数；根据调压系数和开关电容阀的输出电压|um|，确定pwm调制波；通过pwm调制波对开关阀任意一相桥臂进行高频斩波，另一相桥臂进行低频切换。

8、进一步的，通过pwm调制波对开关阀任意一相桥臂进行高频斩波包括以下步骤：

9、在um的正半周，当pwm调制波大于载波时，控制左桥臂的上桥臂全部全控器件导通，下桥臂全部或部分全控器件关断，或控制右桥臂的下桥臂全部全控器件导通，上桥臂全部或部分全控器件关断；

10、当pwm调制波小于载波时，控制左桥臂的下桥臂全部全控器件导通，上桥臂全部或部分全控器件关断，或控制右桥臂的上桥臂全部全控器件导通，下桥臂全部或部分全控器件关断；

11、pwm调制波与载波相等时，左桥臂和右桥臂保持输出状态不变。

12、进一步的，通过pwm调制波对开关阀任意一相桥臂进行高频斩波还包括以下步骤：

13、在um的负半周，当pwm调制波大于载波时，左桥臂的下桥臂全部全控器件导通，上桥臂全部或部分全控器件关断，或控制右桥臂的上桥臂全部全控器件导通，下桥臂全部或部分全控器件关断；

14、当pwm调制波小于载波时，第一桥臂的上桥臂全部全控器件导通，下桥臂全部或部分全控器件关断，或控制右桥臂的下桥臂全部全控器件导通，上桥臂全部或部分全控器件关断；

15、pwm调制波与载波相等时，左桥臂和右桥臂保持输出状态不变。

16、进一步的，另一相桥臂进行低频切换包括以下步骤：

17、当um由负到正，右桥臂输出状态从上桥臂的全部全控器件导通、下桥臂的全部或部分全控器件关断，切换到下桥臂的全部全控器件导通、上桥臂的全部或部分全控器件关断；

18、或，左桥臂输出状态从下桥臂的全部全控器件导通、上桥臂的全部或部分全控器件关断，切换到上桥臂的全部全控器件导通、下桥臂的全部或部分全控器件关断。

19、进一步的，当um由正到负，右桥臂输出状态从下桥臂的全部全控器件导通、上桥臂的全部或部分全控器件关断，切换到上桥臂的全部全控器件导通、下桥臂的全部或部分全控器件关断；

20、或，左桥臂输出状态从上桥臂的全部全控器件导通、下桥臂的全部或部分全控器件关断，切换到下桥臂的全部全控器件导通、上桥臂的全部或部分全控器件关断。

21、进一步的，每个桥臂中的上桥臂或下桥臂的全控器件关断需满足：该桥臂内，全控器件关断后，开关阀的电容电压之和大于此时开关电容阀输出的电压。

22、进一步的，pwm调制波的调制比为调压系数，pwm调制波的波形为直流电压。

23、本发明的有益效果：本发明的调压方法可实现电力电子变换器拓扑暂态调压应用时的宽范围调压，例如低电压穿越应用，并且调压范围较奇次谐波注入法的18％提高到了100％；本发明的拓扑可以实现全控器件数量和模块电容数量的大幅降低，从而带来成本和体积的大幅优化。

24、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

技术特征：

1.一种电力电子变换器拓扑，其特征在于，包括开关阀和开关电容阀，所述开关电容阀与所述开关阀连接；

2.根据权利要求1所述的电力电子变换器拓扑，其特征在于，所述开关电容阀包括串联的多个开关电容模块。

3.根据权利要求2所述的电力电子变换器拓扑，其特征在于，所述开关电容模块为半桥模块、全桥模块以及混合模块中的任意一种或多种的组合。

4.根据权利要求1所述的电力电子变换器拓扑，其特征在于，所述开关模块还包括旁路元件k1，所述旁路元件k1的两端分别与所述全控器件s1的阳极、阴极连接。

5.一种组合变换器，其特征在于，包括多个变换器，至少一个所述变换器的拓扑为权利要求1－4任一所述的电力电子变换器拓扑。

6.一种权利要求1－4任一所述的电力电子变换器拓扑的调压方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的电力电子变换器拓扑的调压方法，其特征在于，通过pwm调制波对开关阀任意一相桥臂进行高频斩波包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的电力电子变换器拓扑的调压方法，其特征在于，通过pwm调制波对开关阀任意一相桥臂进行高频斩波还包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的电力电子变换器拓扑的调压方法，其特征在于，另一相桥臂进行低频切换包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的电力电子变换器拓扑的调压方法，其特征在于，当um由正到负，右桥臂输出状态从下桥臂的全部全控器件导通、上桥臂的全部或部分全控器件关断，切换到上桥臂的全部全控器件导通、下桥臂的全部或部分全控器件关断；

11.根据权利要求7－10任一所述的电力电子变换器拓扑的调压方法，其特征在于，每个桥臂中的上桥臂或下桥臂的全控器件关断需满足：该桥臂内，全控器件关断后，开关阀的电容电压之和大于此时开关电容阀输出的电压。

12.根据权利要求6－10任一所述的电力电子变换器拓扑的调压方法，其特征在于，pwm调制波的调制比为调压系数，pwm调制波的波形为直流电压。

技术总结
本发明属于直流输电系统技术领域，特别涉及一种电力电子变换器拓扑及其调压方法，其中调压方法包括根据开关电容阀的输出电压|Um|和外部控制要求的电力电子变换器交流侧输出电压确定调压系数；根据调压系数和开关电容阀的输出电压|Um|，确定PWM调制波；通过PWM调制波对开关阀任意一相桥臂进行高频斩波，另一相桥臂进行低频切换；本发明的调压方法可实现电力电子变换器拓扑暂态调压应用时的宽范围调压，例如低电压穿越应用，并且调压范围较奇次谐波注入法的18％提高到了100％；本发明的拓扑可以实现全控器件数量和模块电容数量的大幅降低，从而带来成本和体积的大幅优化。

技术研发人员：赵彪,张雪垠,白睿航,屈鲁,余占清,曾嵘
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14