本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)中柔性直流輸電、電力電子技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種用于多端柔性直流輸電應(yīng)用的多端口模塊化多電平變換器。

背景技術(shù)：

模塊化多電平變換器(modular multilevel converter，MMC)廣泛應(yīng)用在柔性直流輸電領(lǐng)域，是一種適用于高壓大功率應(yīng)用的電力電子變換器，可擴(kuò)展性強(qiáng)，具有較高的可靠性，子模塊中功率開關(guān)的電壓應(yīng)力小，具有較多的電平數(shù)，輸出電能質(zhì)量較高。

MMC能夠很好的應(yīng)用在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的MMC-HVDC場(chǎng)合，但是在擴(kuò)展到多端柔性直流輸電場(chǎng)合時(shí)，由于高壓直流斷路器成本昂貴，技術(shù)不成熟，需要考慮通過變換器自身具有直流故障阻斷能力才能構(gòu)成多端柔性直流輸電網(wǎng)。多端柔性直流輸電網(wǎng)由于具有多條線路，當(dāng)其中一條線路發(fā)生直流短路故障后，在對(duì)該線路直流故障進(jìn)行阻斷的同時(shí)，不能影響其它線路的正常運(yùn)行。因此，MMC變換器需要有多個(gè)端口，如果采用傳統(tǒng)MMC在交流側(cè)并聯(lián)的方式形成多端口，需要功率器件數(shù)量很大，子模塊電容數(shù)量很大，增大了變換器的體積、成本和損耗。綜上所述，當(dāng)采用傳統(tǒng)MMC在交流側(cè)并聯(lián)形成多端口在多端直流輸電應(yīng)用時(shí)，功率器件總?cè)萘?、損耗和電容總量大幅增加，使得體積和成本都較高。

經(jīng)檢索，“大容量架空線柔性直流輸電關(guān)鍵技術(shù)及前景展望”，中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，第34卷，第29期，2014。其利用換流單元串并聯(lián)技術(shù)構(gòu)成的組合式換流器，需要數(shù)量很多的功率器件和子模塊電容，使得變換器體積和成本都較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種用于多端柔性直流輸電應(yīng)用的多端口模塊化多電平變換器，適用于多端柔性直流輸電的應(yīng)用，在不采用高壓直流斷路器的情況下方便組成多端直流輸電網(wǎng)。

根據(jù)本發(fā)明的目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種用于多端柔性直流輸電應(yīng)用的多端口模塊化多電平變換器，由(2n+1)個(gè)級(jí)聯(lián)變換器組成，每個(gè)級(jí)聯(lián)變換器由三個(gè)橋臂組成，三個(gè)橋臂通過一個(gè)公共點(diǎn)呈星型連接，每個(gè)橋臂由N個(gè)子模塊和相應(yīng)的橋臂阻抗串聯(lián)而成；

所述多端口模塊化多電平變換器交流側(cè)接電網(wǎng)，(2n+1)個(gè)級(jí)聯(lián)變換器共形成(2n+1)個(gè)中性點(diǎn)，從其中一個(gè)級(jí)聯(lián)變換器0的中性點(diǎn)引出直流輸電線路正極母線，從其余2n個(gè)級(jí)聯(lián)變換器的中性點(diǎn)分別引出2n條負(fù)極直流輸電線路，能產(chǎn)生2n條直流輸電線路。

優(yōu)選地，所述多端口模塊化多電平變換器通過直接控制橋臂電流來控制交直流電流并維持橋臂能量的平衡。具體的：

所述每個(gè)級(jí)聯(lián)變換器內(nèi)部三個(gè)橋臂的能量平衡通過控制橋臂電流中的直流分量來實(shí)現(xiàn)，不同級(jí)聯(lián)變換器間的橋臂能量平衡通過控制橋臂電流中的基頻電流來實(shí)現(xiàn)；在每個(gè)級(jí)聯(lián)變換器內(nèi)部的三個(gè)橋臂電流直流成分相等，交流成分幅值相等相位一次互差2π/3。對(duì)多端口MMC內(nèi)部所有的橋臂電流進(jìn)行直接控制，從而對(duì)交直流電流進(jìn)行了有效的控制。

優(yōu)選地，每個(gè)所述橋臂的電壓調(diào)制方法包括最近電平逼近調(diào)制、載波移相PWM調(diào)制或其他適用于常規(guī)MMC的調(diào)制方法，同時(shí)傳統(tǒng)MMC中的橋臂內(nèi)部各種子模塊電容電壓平衡策略也完全適用于所述多端口結(jié)構(gòu)MMC。

優(yōu)選地，為了提高變換器的效率多端口結(jié)構(gòu)MMC內(nèi)部所有級(jí)聯(lián)變換器的橋臂均由若干個(gè)半橋結(jié)構(gòu)子模塊串聯(lián)構(gòu)成。

優(yōu)選地，每個(gè)橋臂由N個(gè)子模塊和相應(yīng)的橋臂阻抗串聯(lián)而成，子模塊可以采用多種子模塊拓?fù)洌瑥膿p耗最小的角度考慮所有的子模塊都采用半橋結(jié)構(gòu)子模塊，從具有直流故障阻斷能力的角度考慮應(yīng)采用具有直流故障阻斷能力的子模塊，比如全橋子模塊，箝位雙子模塊等等。

進(jìn)一步的，為了實(shí)現(xiàn)直流故障電流阻斷，多端口結(jié)構(gòu)MMC內(nèi)部級(jí)聯(lián)變換器1到2n的橋臂采用具有直流故障阻斷能力的子模塊串聯(lián)構(gòu)成，級(jí)聯(lián)變換器0的橋臂可以采用半橋子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也可以采用具有故障阻斷能力的子模塊串聯(lián)構(gòu)成。

進(jìn)一步的，所述多端口模塊化多電平變換器由(2n+1)個(gè)級(jí)聯(lián)變換器組成，形成2n個(gè)端口，端口數(shù)量能進(jìn)行任意的擴(kuò)展。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

本發(fā)明上述多端口模塊化多電平變換器，能夠?qū)崿F(xiàn)在不采用高壓直流斷路器的情況，阻斷任意直流故障線路，而不影響正常其它正常線路的運(yùn)行。在傳輸同等功率時(shí)，相比基于傳統(tǒng)MMC在交流側(cè)并聯(lián)形成多端輸電線路相比，減小了整體損耗和整體功率器件數(shù)量以及子模塊電容的總量，提高了變換器的功率密度。傳統(tǒng)MMC的調(diào)制與橋臂內(nèi)子模塊均壓控制也適用于所提多端口MMC。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：

圖1為本發(fā)明一實(shí)施例多端口模塊化多電平變換器的電路示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例采用子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)舉例示意圖；

圖3為本發(fā)明一實(shí)施例的交流輸出電流的仿真效果圖；

圖4為本發(fā)明一實(shí)施例的子模塊電容電壓的仿真效果圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

如圖1所示，一種用于多端柔性直流輸電應(yīng)用的多端口模塊化多電平變換器，所述多端口模塊化多電平變換器由(2n+1)個(gè)級(jí)聯(lián)變換器組成，每個(gè)級(jí)聯(lián)變換器由三個(gè)橋臂組成，三個(gè)橋臂通過一個(gè)公共點(diǎn)呈星型連接，每個(gè)橋臂由N個(gè)子模塊和相應(yīng)的橋臂阻抗串聯(lián)而成。

在一實(shí)施例中，多端口模塊化多電平變換器的具體參數(shù)如下：

直流傳輸線路為2即(2n＝2)，額定功率20MW，每個(gè)橋臂中均有6個(gè)子模塊，每個(gè)子模塊電容額定電壓為2000V，橋臂電感6mH，子模塊電容為9mF；直流側(cè)電壓為12000V；交流側(cè)線電壓有效值為6000V，頻率為50Hz；變換器按照單位功率因數(shù)運(yùn)行。

本實(shí)施例中，3個(gè)級(jí)聯(lián)變換器按照次序分別記為：級(jí)聯(lián)變換器0，級(jí)聯(lián)變換器1，級(jí)聯(lián)變換器2，每個(gè)級(jí)聯(lián)變換器由三個(gè)橋臂組成，級(jí)聯(lián)變換器0中的三個(gè)橋臂均由n個(gè)半橋子模塊和相應(yīng)的橋臂阻抗串聯(lián)而成，級(jí)聯(lián)變換器1和2中的六個(gè)橋臂均由n個(gè)全橋子模塊和相應(yīng)的橋臂阻抗串聯(lián)而成；所述多端口結(jié)構(gòu)MMC中3個(gè)級(jí)聯(lián)變換器共形成3個(gè)中性點(diǎn)，從級(jí)聯(lián)變換器0的中性點(diǎn)引出直流輸電線路正極母線，從其余2個(gè)級(jí)聯(lián)變換器的中性點(diǎn)分別引出2條負(fù)極直流輸電線路，共產(chǎn)生2條直流輸電線路。

所述多端口結(jié)構(gòu)MMC交流側(cè)接電網(wǎng)，三個(gè)級(jí)聯(lián)變換器交流側(cè)并聯(lián)在一起。若穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)多端口MMC內(nèi)部橋臂的串聯(lián)子模塊等效為可控電壓源，通過調(diào)節(jié)可控電壓源中的交流分量來控制橋臂電流中的交流分量，通過調(diào)節(jié)可控電壓源中的直流分量來控制橋臂電流中的直流分量。

按照以下各式控制級(jí)聯(lián)變換器0的各橋臂調(diào)制電壓：

u_0u1＝u_0udc-u_0uac cos(ωt+φ)

$u_{0u2}=u_{0udc}-u_{0uac}cos(\mathrm{\ω}t+\mathrm{\φ}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})$

$u_{0u3}=u_{0udc}-u_{0uac}cos(\mathrm{\ω}t+\mathrm{\φ}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})$

式中：u_0u1、u_0u2、u_0u3分為級(jí)聯(lián)變換器0中三個(gè)橋臂的調(diào)制電壓，u_0udc為三個(gè)橋臂調(diào)制電壓中的直流電壓，由橋臂直流電流控制器產(chǎn)生，三個(gè)橋臂調(diào)制電壓中的直流電壓相等，u_0uac為三個(gè)橋臂調(diào)制電壓中的交流電壓峰值，由橋臂交流電流控制器產(chǎn)生，三個(gè)橋臂調(diào)制電壓中的交流電壓相位依次互差2π/3。

按照以下各式控制級(jí)聯(lián)變換器1的各橋臂調(diào)制電壓：

u_1u1＝u_1udc+u_1uac cos(ωt+θ)

$u_{1u2}=u_{1udc}+u_{1uac}\cos (\mathrm{\ω}t+\mathrm{\θ}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})$

$u_{1u3}=u_{1udc}+u_{1uac}cos(\mathrm{\ω}t+\mathrm{\θ}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})$

式中：u_1u1、u_1u2、u_1u3分為級(jí)聯(lián)變換器1中三個(gè)橋臂的調(diào)制電壓，u_1udc為三個(gè)橋臂調(diào)制電壓中的直流電壓，由橋臂直流電流控制器產(chǎn)生，三個(gè)橋臂調(diào)制電壓中的直流電壓相等，u_1uac為三個(gè)橋臂調(diào)制電壓中的交流電壓峰值，由橋臂交流電流控制器產(chǎn)生，三個(gè)橋臂調(diào)制電壓中的交流電壓相位依次互差2π/3。

按照以下各式控制級(jí)聯(lián)變換器2的各橋臂調(diào)制電壓：

式中：u_2u1、u_2u2、u_2u3分為級(jí)聯(lián)變換器2中三個(gè)橋臂的調(diào)制電壓，u_2udc為三個(gè)橋臂調(diào)制電壓中的直流電壓，由橋臂直流電流控制器產(chǎn)生，三個(gè)橋臂調(diào)制電壓中的直流電壓相等，u_2uac為三個(gè)橋臂調(diào)制電壓中的交流電壓峰值，由橋臂交流電流控制器產(chǎn)生，三個(gè)橋臂調(diào)制電壓中的交流電壓相位依次互差2π/3。

本實(shí)施例中，通過控制橋臂能量來確定橋臂電流中交直流電流的大小進(jìn)而實(shí)現(xiàn)所有子模塊電容電壓的平衡，確保多端口MMC的穩(wěn)定運(yùn)行。

在MATLAB仿真平臺(tái)中進(jìn)行仿真，額定條件下三相交流輸出電流如圖3所示，橋臂子模塊電容電壓平衡情況如圖4所示，所有的子模塊電容電壓都能夠?qū)崿F(xiàn)均衡。

在其他實(shí)施例中，每個(gè)橋臂由N個(gè)子模塊和相應(yīng)的橋臂阻抗串聯(lián)而成，子模塊可以采用多種子模塊拓?fù)洌瑥膿p耗最小的角度考慮所有的子模塊都采用半橋結(jié)構(gòu)子模塊，從具有直流故障阻斷能力的角度考慮應(yīng)采用具有直流故障阻斷能力的子模塊，比如全橋子模塊，箝位雙子模塊等等，如圖2所示，進(jìn)一步的，為了實(shí)現(xiàn)直流故障電流阻斷，多端口結(jié)構(gòu)MMC內(nèi)部級(jí)聯(lián)變換器1到2n的橋臂采用具有直流故障阻斷能力的子模塊串聯(lián)構(gòu)成，級(jí)聯(lián)變換器0的橋臂可以采用半橋子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也可以采用具有故障阻斷能力的子模塊串聯(lián)構(gòu)成。

對(duì)比傳統(tǒng)MMC在交流側(cè)并聯(lián)形成多端口結(jié)構(gòu)，在傳輸相同的功率時(shí)，本實(shí)施例所述多端口結(jié)構(gòu)MMC所需要的功率器件數(shù)量減小，所需要的子模塊電容總量減小，從而實(shí)現(xiàn)了整體功率器件容量的減小和電容總量的減小。

以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。