[发明专利]混合型MMC子模块电容电压双向均衡拓扑

说明书

本发明将提出了一种基于二极管钳位电路的双向均衡的混合型MMC拓扑结构，由n/2个半桥子模块和n/2个全桥子模块以及n‑1附加系列装置组成。本发明以五电平混合MMC拓扑为例进行说明。它由两个半桥式模块、两个全桥式模块和三个附加单元组成。其中，HBSM之间连接的附加单元和HBSM与FBSM之间连接的附加单元相同。每个单元包括两个平行的分支。支路1只包含一个二极管，支路2为二极管与开关反向串联(IGBT和反向并联二极管)，电感接至支路1和支路2的公共支路上。在FBSM之间连接的附加单元，支路1与支路2的结构相同，均由串联二极管、电感和开关(IGBT和反向并联二极管)构成。与传统的软件电压平衡方法相比，该拓扑主要具有两点优势，首先，简化了控制框架，省略了电压平衡控制环节，节省控制资源；其次，减少了电压传感器的数量，降低控制系统的复杂程度，使通讯压力下降。此外，与其他一些硬件电压平衡电路相比，此拓扑不但能够实现双向均衡还减少了电路中电感的数量有效降低了硬件成本。

技术领域

本发明属电力电子柔性直流输电技术领域，涉及一种基于混合型MMC子模块电容电压双向均衡拓扑结构，仅用简单的硬件电路来实现电容电压的双向均衡控制。

背景技术

随着中高压变频器的发展，对大功率变频器提出了一系列苛刻的要求。模块化多电平变换器(MMC)具有模块化、可扩展性、高容错能力等优点。因此MMC被认为是HVDC、VSC、APF、STATCOM、储能系统中最具有吸引力的拓扑结构。

然而电容电压不平衡严重威胁着基于MMC的HVDC的可靠运行。电容电压不平衡由于在系统控制的预充电和正常运行阶段，子模块(SMs)的非理想驱动脉冲所导致的。在系统不可控的预充电阶段，电力电子器件寄生参数的差异与电容器静态电压不平衡密切相关。特别地，系统从SM的电容器获得能量损耗的差异是造成电容器静态电压不平衡的主要因素。故电容电压平衡已经成为MMC主要技术挑战之一。

当前电容电压的均衡控制包括相间直流电容电压和均衡、桥臂间电容电压均衡和桥臂内模块间电容电压均衡。平衡方法的主流可以分为三类，通过对每个子模块的调制波的注入额外控制分量，电压排序和脉冲交换，以及通过硬件进行平衡。对于第一类，与传统的平衡控制方法相比，对于每个子模块电压的控制效果更好。然而，这些方法在调制中引入了电容电压的前馈，降低了调制波的电压利用率；对于第二类，尽管软件平衡方法具有灵活性和广泛的应用，但由于电压传感器的数量、额外的计算负担以及采样和传输造成的信号延迟仍然是软件平衡方法的缺点；为了减少电压传感器的数量并减少控制延迟的影响，硬件平衡方法越来越流行。因此，通过外部的平衡控制电路来实现均衡控制的拓扑为最可行的方案，但是目前存在的外部均衡拓扑只能实现单向的电压均衡。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的技术问题，提出了基于混合型MMC子模块电容电压双向均衡拓扑结构，所提出的拓扑通过二级管钳位电路保证同相每个子模块电容两端的电压被钳位至彼此相等，通过二级管钳位电路的平衡过程是双向的，并且仅通过二级管钳位电路来实现。与传统的软件电压平衡方法相比，该拓扑主要具有两点优势，首先，简化了控制框架，省略了电压平衡控制环节，节省控制资源；其次，减少了电压传感器的数量，降低控制系统的复杂程度，使通讯压力下降。此外，与其他一些硬件电压平衡电路相比，此拓扑不但能够实现双向均衡还减少了电路中电感的数量有效降低了硬件成本。

为达到上述目的，本发明按照以下技术方案实施：