[发明专利]一种半电平MMC拓扑结构及其调制方法

说明书

本发明提出了一种半电平MMC拓扑结构(HLMMC)，其中B型子模块为HLMMC提供了半电平输出，在子模块数量不变的情况下，交流侧输出电平数加倍。桥臂上两种类型子模块的比例可根据器件开关频率与电容电压波动率的需求进行设计。还提出了适用于HLMMC的半电平调制策略(HLM)，该策略将子模块的投切分为四种工况，不管桥臂上两种类型子模块的比例如何，均能保证在正常运行中HLMMC桥臂上两种类型子模块电容电压保持各自稳定。

专利领域

本发明涉及一种能够实现交流侧电平数倍增的半电平MMC拓扑结构及其调制方法，属于电力电子技术领域。

背景技术

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)因其具有拓展性好、谐波含量低和传输效率高的优点而成为当今柔性直流输电领域最受欢迎的换流器拓扑之一。调制方式是决定MMC交流侧波形质量和运行损耗的重要因素，对换流站运行性能的提升起着关键作用。一种好的调制方式应具备谐波含量低、开关频率低与计算简单等优点。

当前广泛应用的调制方式主要包括载波移相脉冲宽度调制(Carrier phaseshift pulse width modulation，CPS-PWM)和最近电平逼近调制(Nearest levelmodulation，NLM)两种。CPS-PWM以高频方波序列逼近正弦波，低次谐波含量低，但开关频率高带来了运行损耗大的缺点。CPS-PWM计算复杂度较高，在电压等级高子模块数量多的场景中尤为突出，因此主要应用于中低压直流配电网领域。NLM以阶梯波逼近正弦波，开关频率低且计算简单，在电压等级高、子模块数量多的场景中完全可以满足电压质量要求，因此主要应用于高压直流输电领域。交流侧电平数少是限制NLM应用于中低压直流配电网领域的主要因素。

异步调制(Modified NLM method)将上下桥臂阶梯波移位实现了电平数倍增，可MMC各相单元电压不再恒定，相间环流较大。混合调制(Nearest level PWM，NL-PWM)将PWM波叠加在阶梯波上构成混合调制策略，综合了两种调制策略的优点。最近半电平调制(Nearest half level modulation，NHLM)用PWM波等效半电平，与NLM结合实现了半电平输出，提高了交流侧电压质量。上述三种方式从调制的层面对NLM交流侧输出电压质量进行了改善，但未从拓扑方面进行考虑。

发明目的

为了提高采用NLM策略的MMC换流器应用于中低压直流配电网时的电压质量，本发明提出一种能够实现交流侧电平数倍增的半电平MMC拓扑(Half level MMC，HLMMC)并提出相应的半电平调制策略(Half level modulation，HLM)。在桥臂子模块个数不变的前提下，采用HLM策略的HLMMC拓扑的交流侧电平数较传统的采用NLM策略的MMC拓扑增加一倍。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种半电平MMC拓扑结构，其桥臂由N1个A型子模块与N2个B型子模块构成，N1+N2＝N；

A型子模块为电容值为C，电容电压为Uc的半桥子模块，；

B型子模块为由两个串联的半桥子模块构成，其中，该半桥子模块的电容值为2C，电容电压为Uc/2；B型子模块可输出0，Uc/2和Uc三种电平，为交流侧电压阶梯波提供半电平，以实现阶梯数量倍增，其中，Uc＝Udc/(N1+N2)，Udc为直流侧电压。

优选地，当本发明所述半电平MMC的桥臂上的N个子模块中包含N1个A型子模块和N2个B型子模块时，可等效为2N个电容电压为Uc/2的半桥子模块，其中，前2N1个半桥子模块两两成组，组内两个子模块的触发信号与电容电压均相同，称为A型等效子模块；后2N2个半桥子模块的触发信号与电容电压彼此独立，称为B型等效子模块；正常运行时桥臂上的电压测量模块会得到N1+2N2个电压信号，将前N1个电压测量值依次平分得到2N1个电压信号，与原本的2N2个电压信号共同构成了桥臂上2N个等效子模块的电容电压测量值；