[發(fā)明專利]一種具備零直流電壓故障穿越能力的MMC及其設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410400214.8
• 申請(qǐng)日: 2014-08-14
• 公開（公告）號(hào): CN104167912A
• 公開（公告）日: 2014-11-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 胡家兵;路茂增;鄭皖寧
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號(hào): H02M1/32
• 分類號(hào): H02M1/32;H02J3/36
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 廖盈春

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于多電平電力電子變換器技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種具備零直流電壓故障穿越能力的MMC及其設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

目前，憑借開關(guān)器件無(wú)動(dòng)靜態(tài)均壓?jiǎn)栴}及運(yùn)行效率高等優(yōu)勢(shì)，模塊化多電平變換器(Modular?Multilevel?Converter,MMC)已成為高壓大功率變換器尤其是高壓直流輸電換流器的首要選擇。在高壓直流輸電領(lǐng)域，尤其是基于架空線路的電能傳輸時(shí)，基于MMC的換流站往往要面臨較大概率的直流側(cè)短路故障狀況。傳統(tǒng)的MMC設(shè)計(jì)方法所有的子模塊拓?fù)渚嗤＝?jīng)典的由半橋子模塊構(gòu)成的MMC(Half?Bridge?Sub-module?MMC,H-MMC)雖具有成本低及運(yùn)行效率高的優(yōu)勢(shì)，但不具備直流側(cè)故障的隔離能力，會(huì)將直流側(cè)短路故障轉(zhuǎn)換為交流側(cè)短路故障。為使MMC具備直流閉鎖能力，又先后出現(xiàn)了由全橋子模塊構(gòu)成的MMC(Full?Bridge?Sub-module?MMC,F-MMC)以及由鉗位雙子模塊構(gòu)成的MMC(Clamping?Double?Sub-module?MMC,C-MMC)。三種MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分別如圖1至圖3所示。為使半橋子模塊具備負(fù)電平輸出能力，又出現(xiàn)了交叉連接雙半橋子模塊，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

為實(shí)現(xiàn)MMC整體性能的提高，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法要求各子模塊拓?fù)渚淖儯瑥亩鴮?dǎo)致MMC的成本上升，運(yùn)行效率下降。例如，當(dāng)功率等級(jí)相同時(shí)，F(xiàn)-MMC的單位成本較H-MMC提高約15％，F(xiàn)-MMC及C-MMC的通態(tài)損耗較H-MMC增大近70％及35％。此外，直流側(cè)短路故障尤其是零直流電壓短路故障期間，直流閉鎖能力雖可清除直流側(cè)短路故障，但無(wú)法向電網(wǎng)注入無(wú)功以支撐電網(wǎng)電壓。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種具備零直流電壓故障穿越能力的MMC及其設(shè)計(jì)方法，得到的MMC可在保證其能實(shí)現(xiàn)零直流電壓故障穿越的前提下，有效降低變換器成本及提高變換器的運(yùn)行效率。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種具備零直流電壓故障穿越能力的MMC的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括如下步驟：

(1)確定MMC由兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的子模塊組成，分別表示為第一子模塊和第二子模塊；其中，第一子模塊確定為半橋子模塊，以降低MMC的設(shè)計(jì)成本及提高其運(yùn)行效率；第二子模塊需滿足如下條件：能在非閉鎖狀態(tài)下輸出正、負(fù)及零三類電平，使MMC具備零直流電壓穿越能力；

(2)確定零直流電壓故障穿越方案；

其中，穿越方案遵循以下原則：所有半橋子模塊均旁路，同相上、下橋臂的第二子模塊總輸出電壓等大反相，下橋臂第二子模塊總輸出電壓為該相瞬時(shí)電壓值，同橋臂第二子模塊只能輸出正電平及零電平，或者負(fù)電平及零電平；

第二子模塊投切原則滿足如下條件：(A1)需追加投入子模塊時(shí)，如果當(dāng)前橋臂電流對(duì)子模塊中電容充電，應(yīng)投入原處于切除狀態(tài)的電壓較低的第二子模塊；反之，應(yīng)投入原處于切除狀態(tài)的電壓較高的第二子模塊；(A2)需追加切除子模塊時(shí)，如果當(dāng)前橋臂電流對(duì)子模塊電容充電，應(yīng)切除原處于投入狀態(tài)的電壓較高的第二子模塊；反之，應(yīng)切除原處于投入狀態(tài)的電壓較低的第二子模塊；

(3)根據(jù)步驟(2)確定的零直流電壓故障穿越方案，確定第一子模塊和第二子模塊的個(gè)數(shù)，以使得MMC在可實(shí)現(xiàn)零直流電壓故障穿越的同時(shí)成本最低及運(yùn)行效率最高，完成MMC的設(shè)計(jì)；

其中，半橋子模塊的個(gè)數(shù)滿足如下條件：?jiǎn)螛虮壑邪霕蜃幽K總投入電壓為直流側(cè)額定電壓與交流側(cè)相電壓峰值之差；第二子模塊的個(gè)數(shù)滿足如下條件：?jiǎn)螛虮壑械诙幽K最大總投入電壓為交流相電壓的峰值。

優(yōu)選地，所述步驟(3)中，在電壓調(diào)制系數(shù)為1時(shí)，如果半橋子模塊的額定電壓與第二子模塊的額定電壓比值為1:1，則半橋子模塊與第二子模塊的個(gè)數(shù)比為1:1，半橋子模塊個(gè)數(shù)為直流側(cè)額定電壓與半橋子模塊額定電壓比值的一半；如果半橋子模塊的額定電壓與第二子模塊的額定電壓比值為1:2，則半橋子模塊與第二子模塊的個(gè)數(shù)比為2:1，半橋子模塊個(gè)數(shù)為直流側(cè)額定電壓與半橋子模塊額定電壓比值的三分之二。

優(yōu)選地，所述第二子模塊為全橋子模塊或交叉連接雙半橋子模塊。

按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種用上述方法設(shè)計(jì)的模塊化多電平變換器。