[发明专利]一种抑制电容电压波动的模块化多电平换流器及其控制方法

说明书

本发明涉及一种抑制电容电压波动的模块化多电平换流器及其控制方法，该方案具有效率高、输出交流电压谐波小、高度模块化等优点，在高压大功率系统中已展现出及其重要的工程应用前景，目前正逐步推广应用于可再生能源并网、电机驱动、轨道交通等领域。本发明所提出的一种抑制电容电压波动的MMC及其控制方法，不仅能得到与传统三相MMC相同的输出电压特性，且在不同输出频率及输出电流下均能消除子模块储能电容的低频电压波动，从而减少储能电容的容量及备用数量，进而有效减少换流阀及换流器所占体积。本发明实现的这种无低频脉动分量的子模块电容电压波动特性是现有三相MMC无法实现的。

技术领域

本发明涉及一种三相模块化多电平换流器及其子模块的新拓扑及其控制方法，属于多电平电力电子变换器技术领域。

背景技术

相对于传统的两电平和三电平换流器，模块化多电平换流器(MMC)具有效率高、输出交流电压谐波小、高度模块化等特点，在高压大功率系统中已展现出及其重要的工程应用前景，目前正逐步推广应用于可再生能源并网、电机驱动、轨道交通等领域。

传统的三相MMC各相桥臂子模块独立运行，忽略环流影响，每相上桥臂(下桥臂)需承担该相的直流电流和一半的输出交流电流，每相交直流侧之间存在瞬时有功功率不平衡，不平衡有功功率由子模块内的储能电容以工作频率充放电的形式加以缓冲。

通常MMC用于连接直流系统与工作频率为50Hz到60Hz的交流系统，因而子模块内的储能电容主要存在低频电压波动。理论分析表明，MMC电容电压波动大小与输出电流幅值成正比，与输出频率成反比。因此，对于采用MMC驱动带恒转矩负载低速运行的电机的场合，子模块电容电压波动将会很大，从而影响交流侧输出波形质量，严重时甚至会影响MMC的正常运行。为限制子模块电容电压波动幅值在接受范围内，通常的做法是增加电容容量，使得储能电容的重量占换流阀总重量的50％到80％。这为换流阀的维护、更换带了更高的成本与不便。

发明内容

本发明正是针对以上问题，提出了一种抑制电容电压波动的模块化多电平换流器及其控制方法，该方案能够实现与传统三相MMC相同的输出特性，同时消除子模块的工作频率电容电压波动，忽略波动大小极低的高次谐波分量，子模块电容电压波动可控制为0。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种抑制电容电压波动的模块化多电平换流器，所述多电平换流器包括每相均包含相同的独立直流侧电源1.1及1.2，每相在交流侧输出和直流侧中点连接有相同的负载电阻1.8和负载电感性1.9；换流器包含上下两个相同的桥臂1.10及1.11，每个桥臂由N个相同的新型子模块1.4串联组成，其中N的数目由输出电平数等设计指标确定，上下桥臂之间在每相内通过相同的两个桥臂电感1.6及1.7连接。每个新型子模块在每相中有相同的拓扑结构，三相之间通过共用一个储能电容1.5连接。

作为本发明的一种改进，所述每个新型子模块在每相中的拓扑结构包含两个全控型双向开关T₁、T₂及一个逆导型IGBTT₃，每个全控型双向开关由两个逆导型IGBT反向串联组成，T₁及T₂的两端分别连接储能电容的正极和的T₃的集电极、储能电容的负极和T₃的发射极。

作为本发明的一种改进，每个新型子模块每相均含两个输出端口，端口可输出0电平或一个电容电压电平。

一种抑制电容电压波动的模块化多电平换流器的控制方法，所述方法包括如下步骤：

1)通过调制方法，由三相调制波ref_I,ref_II,ref_III(其中I，II，III代指A，B或C)确定本控制周期内上桥臂(下桥臂)中I,II,III各相需要投入的储能电容的数量k_I，k_II和k_III；