[发明专利]一种电容电压自排序式模块化多电平换流器

说明书

技术领域

本发明涉及一种电容电压自排序式模块化多电平换流器，属于电能变换技术领域。

背景技术

高压直流输电是电力电子技术的一个重要应用领域。随着电力电子器件的发展，高压直流输电技术经历了由LCC-HVDC向VSC-HVDC的转变。与LCC相比，VSC可以有效的抑制低次谐波，具有良好的动态响应，在功率因数、效率等方面都有着明显的优势。但传统VSC由于输出电平数目少、开关损耗大、输出电压谐波含量高、扩展性差等问题，限制了其进一步发展。

针对传统VSC—HVDC技术的一系列缺陷，德国慕尼黑联邦国防军大学的学者Rainer Marquardt于2001年提出了模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)拓扑。MMC得益于其模块化特征，具有功率/电压易拓展、谐波含量低等优点，在高压直流输电、电力电子变压器及新能源汇集等方面具有广阔的应用前景。目前，国外MMC—HVDC的工程主要有美国西门子公司承包的Trans Bay Cable工程、INELFE工程和SylWin1工程；法国阿尔斯通公司承包的Tres Amigas Superstation工程和South-West Link工程，瑞士ABB集团投运的Dolwin1和Dolwin2工程。我国采用MMC拓扑的工程应用主要有上海南汇、浙江舟山、广东南澳和厦门柔性直流输电工程。

自MMC拓扑提出以来，许多学者对其不断进行改进，至今已形成多种拓扑。其子模块拓扑主要有基本桥式子模块拓扑(包括半桥和全桥子模块拓扑)、中点钳位子模块拓扑、飞跨电容型子模块拓扑、T型多电平子模块拓扑、直接串联的子模块拓扑和钳位型子模块拓扑，每种拓扑都有不同的性能和适用场合。而其系统级拓扑主要有由不同拓扑的子模块组成的混合型MMC拓扑、子模块和直接开关的混合型MMC拓扑，以及其他改进型MMC拓扑。

MMC模块化的特征决定了其在运行过程中能量分散存储于桥臂的各个子模块电容中，为保证其稳定运行，实现其子模块的电容电压均衡是非常必要的。目前针对MMC电容电压均衡问题常用的控制策略主要分为基于排序的均压策略和基于分级控制的均压策略两种。在传统MMC运行过程中，无论采取何种控制方法，为实现子模块电容电压均衡，均需对各个子模块的电容电压进行监测，为各个子模块配置直流电压传感器及相应的信号处理电路，增加了系统的成本和复杂程度。随着电平数量增多，控制系统计算量加大，系统控制周期增加，严重影响系统的响应速度。然而随着柔性直流输电工程电压等级和传输容量的提高，MMC子模块数量也越来越大。Trans Bay工程中三相子模块数目共计1296个；厦门柔性直流输电科技示范工程这一数字增长至2520，而在张北直流电网工程中该数目预期将达到4000，因此如何简化MMC子模块均压控制具有十分重要的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种电容电压自排序式模块化多电平换流器，它具有响应速度快，输出电压稳定等特点。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种电容电压自排序式模块化多电平换流器，包括多电平换流器主电路，主电路为下述电路连接结构组成的桥式电路：包括对称设置的三个上桥臂和三个下桥臂，三个上桥臂的上端节点相连接，其下端节点各自通过电感L分别与相线A、相线B及相线C的节点连接；三个下桥臂的下端节点相连接，其上端节点各自通过电感L分别与相线A、相线B及相线C的节点连接；三个上桥臂和三个下桥臂为结构相同的对称结构，分别由数目相同的SM电路模块串联组成，SM电路模块包括IGBT开关管S₁和IGBT开关管S₂，IGBT开关管S₁的发射极与IGBT开关管S₂的集电极连接，IGBT开关管S₁的发射极与IGBT开关管S₂的集电极连接的节点M及IGBT开关管S₂的发射极节点N为SM电路模块的输出连接节点，在IGBT开关管S₁的集电极与IGBT开关管S₂的发射极之间并联取压电容C，还包括用于控制IGBT开关管S₁和IGBT开关管S₂开关的控制电路，它还包括电压自排序电路：在各SM电路模块中的IGBT开关管S₁的集电极设有自排序电路连接节点G，在相邻SM电路模块的自排序电路连接节点G之间反向连接自排序二极管D。

本发明进一步改进在于：