[实用新型]全桥与半桥子模块混联的模块化多电平换流器

说明书

技术领域

本实用新型涉及新能源与电力系统领域，具体将涉及全桥与半桥子模块混联的模块化多电平换流器。

背景技术

基于电压源型换流器的柔性直流输电技术由于其有功无功解耦独立控制、能够接入弱电网、向无源负荷供电、具备电网黑启动能力、动态响应快、谐波特性优良且占地面积小等诸多优点，在大规模间歇性新能源并网、孤岛无源负荷供电、交流电网互联和城市智能供配电等方面得到了越来越广泛的应用。

德国学者RainerMarquardt介绍了具有穿越严重直流故障能力的全桥子模块MMC拓扑，当发生直流短路故障时，可以通过闭锁换流器来抑制故障电流，但由于全桥子模块所需开关器件为半桥子模块的两倍，增加了换流器的建造成本。

由此，业界提出将全桥子模块与其他子模块混联组成MMC的桥臂，在维持直流故障穿越能力的基础上，降低了系统成本。但简单的将相同参数的全桥子模块和其他子模块混联，在系统配置上并非最合理的选择，亟待提出一种合理的优化配置，并为该优化配置提供相应的控制方法支撑。

实用新型内容

为解决现有技术存在的不足，本实用新型公开了全桥与半桥子模块混联的模块化多电平换流器及启动方法，全桥与半桥子模块混联的模块化多电平换流器进行了优化配置，并为该优化配置提供相应的控制方法支撑。

为实现上述目的，本实用新型的具体方案如下：

全桥与半桥子模块混联的模块化多电平换流器，包括分别与对应的三相电源相连接的三相单元，每个单元均包括上桥臂及下桥臂，上桥臂及下桥臂结构相同，均包括相串联的M个半桥式子模块、N个全桥式子模块及电感L₀；

半桥式子模块包括电容及与该电容相并联的开关单元，所述开关单元包括相串联的两个IGBT，每个IGBT均与对应的反向二极管相并联；

全桥式子模块包括电容及与该电容相并联的两个开关单元，每个开关单元包括相串联的两个IGBT，每个IGBT均与对应的反向二极管相并联。

进一步的，半桥式子模块与全桥式子模块的数量相等或全桥式子模块的数量与半桥式子模块的数量为2：1。综合系统成本、损耗、容量以及直流故障穿越能力各方面的要求，当系统不需要提高直流电压利用率时，建议选用全桥及半桥式子模块各使用一半的配置方式；当系统需要尽量提高直流电压利用率以提供传输功率时，建议选用2/3的全桥式子模块和1/3的半桥式子模块。

优选的，半桥式子模块与全桥式子模块的额定电容电压宜相同，由于模块化多电平换流器主要应用于高压大功率场合，子模块的额定电容电压选择主要受到器件约束，因此，全桥式子模块和半桥式子模块的额定电容电压宜相同，根据功率器件的额定电压选取合理值。

全桥式子模块的电容值设置为半桥式子模块电容值的二倍。由于全桥式子模块在直流故障穿越过程中的作用，应适当提高全桥子模块的电容值，但又应避免不同子模块电容值差别过大对系统启动及控制带来的影响，所以将系统中的全桥式子模块的电容值设置为半桥式子模块电容值的二倍。

全桥与半桥子模块混联的模块化多电平换流器的启动方法，包括：

充电流程开始：投入系统软启电阻，闭合交流断路器，进行自然软启阶段，当子模块电压达到上电电压后，进入软启均压阶段，切除L个子模块继续充电，待系统稳定后(即充电电流衰减至接近零)，切除软启电阻，解锁换流器进行定直流电压控制，继续充电至稳定，充电完成。

进一步的，在自然软启阶段，正向、负向桥臂电流均为全桥式子模块进行充电，半桥式子模块只在桥臂电流为正的时间段内充电，因此在自然软启阶段结束后，相同桥臂内全桥式子模块电容充电能量是半桥式子模块的二倍，全桥式子模块的电容值设置为半桥式子模块电容的二倍，因此能够保证两种子模块的电容电压相同。

进一步的，软启均压阶段，在同一桥臂内切除一定数量的子模块，其余子模块依然闭锁，达到稳态后切除软起电阻并解锁换流器。

在桥臂电流正负时刻，均对全桥式子模块进行充电，通过均压作用，能够将全桥式子模块的充电能量调整为半桥式子模块的二倍，及保证不同子模块电压相同。

切除的子模块需要动态选择桥臂中电压最高的L个子模块，L的个数由下式确定：