[发明专利]一种用于VSC-HVDC的三相模块化多电平换流器及其载波移相调制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多电平换流器，尤其涉及一种用于VSC-HVDC的三相模块化多电平换流器及其载波移相调制策略。

背景技术

世界范围内电力工业需要采用更加灵活、经济、环保的输配电方式来迎接技术、经济与环境方面的挑战，因此，先进电力电子装置的需求变得日益迫切。电压源换流器型直流输电(voltage source converter-high voltage DC，VSC-HVDC)的技术优势使其在可再生能源并网、无源网络供电、城市电网供电、异步交流电网互联等领域都发挥了积极作用，VSC是VSC-HVDC输电系统中的核心组成部分，其拓扑结构及调制策略对VSC-HVDC的运行特性以及VSC-HVDC工程的有效性、经济性和可靠性都有很大的影响。目前已投运的VSC-HVDC多采用两电平VSC或三电平VSC拓扑结构。两电平VSC存在的主要问题是过高开关频率带来的过高开关损耗、IGBT串联带来的静态、动态均压和电磁干扰，另外，对器件的开关一致性要求很高；三电平VSC存在的主要问题为直流侧的均压和直流侧中性点存在的3次谐波电流影响。上述两种拓扑结构也给VSC的设计、布局及装配带来了极大的难度。

为了解决上述VSC的问题，西门子公司提出了一种适用于HVDC和FACTS的新型VSC拓扑结构——模块化多电平换流器。MMC采用模块化设计，通过调整子模块的串联个数可以实现电压及功率等级的灵活变化，并且可以扩展到任意电平输出，减小了电磁干扰和输出电压的谐波含量，输出电压非常平滑且接近理想正弦波形，因此在网侧不需要大容量交流滤波器；开关器件的开关频率低，开关损耗也相应减少；由于MMC拓扑将能量分散存储在桥臂的各个子模块电容中，提高了故障穿越能力。MMC的这些特点提高了高压直流输电系统的经济性、可靠性和适应性。

虽然西门子承建的世界上首个采用MMC的直流输电工程(Trans Bay Cable Project)已于2010年3月在美国投入商业运行，但是目前国内外学术界对MMC型电压源换流器直流输电技术的研究相对较少，诸如调制策略、电容电压平衡控制、故障保护等关键技术还没有得到完全解决，亟待深入研究。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于VSC-HVDC的三相模块化多电平换流器及其载波移相调制方法，该发明不会带来额外的开关损耗和便于估算出由功率器件带来的换流器损耗。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种用于VSC-HVDC的三相模块化多电平换流器，包括三个相单元和第一电压电容，所述三个相单元其中的两个相单元之间相互并联在一起后在与第一电压电容和另外的一个相单元并联在一起；所述相单元包括两个并联在一起的桥臂，所述桥臂包括电抗器和N个子模块，N大于等于1，且所述子模块、电抗器相互串联在一起；所述子模块包括直流储能电容和开关单元，所述开关单元包括第一、第二绝缘栅双极型晶体管，所述第一绝缘栅双极型晶体管与直流储能电容串联后，与第二绝缘栅双极型晶体管并联；还包括两个反并联的第一、第二二极管，所述第一二极管与第一绝缘栅双极型晶体管并联，所述第二二极管与第二绝缘栅双极型晶体管并联。

进一步地：还包括安全开关，所述安全开关并联在子模块上，所述安全开关包括高速旁路开关和压接式封装晶闸管，所述高速旁路开关与压接式封装晶闸管相互并联。

一种适用于VSC-HVDC的三相模块化多电平换流器的载波移相调制方法，对于N+1电平的三相模块化多电平换流器，每个桥臂包含N个级联的子模块，需要采用N组二电平的三角载波，三角载波相位依次错开2π/N角度；设桥臂参考电压为子模块I的参考电压为i＝1,2,···,N；各子模块参考电压均应等于桥臂参考电压，即个子模块参考电压和N组载波相比较，产生N组PWM脉冲，分别控制N个子模块的上IGBT，取反并加入一定的死区时间后控制N个子模块的下IGBT，以避免各子模块发生直通后电容迅速放电；所述桥臂输出电压是由所有子模块的二电平PWM脉冲叠加而成。

根在电容电压平衡的条件下，若想控制整个桥臂按照输出电压，只需满足桥臂内所有子模块的参考电压之和等于桥臂参考电压的N倍，即，