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CN114301319B - 一种基于常通型器件的模块化多电平变流器损耗降低方法 - Google Patents

一种基于常通型器件的模块化多电平变流器损耗降低方法 Download PDF

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CN114301319B CN202210007023.XA CN202210007023A CN114301319B CN 114301319 B CN114301319 B CN 114301319B CN 202210007023 A CN202210007023 A CN 202210007023A CN 114301319 B CN114301319 B CN 114301319B
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Abstract

本发明公开了一种基于常通型器件的模块化多电平变流器损耗降低方法，涉及多电平电力电子变流技术。该方法将常通型器件与子模块内部的卸荷电阻串联。在模块化多电平变流器启动过程中，无论取能电路是否为常通型器件的驱动电路提供电源，常通型器件都保持导通状态，卸荷电阻与子模块电容并联，保持子模块电容电压在启动过程中的静态平衡；在模块化多电平变流器的正常运行中，常通型器件在驱动电路的控制下保持关断，消除卸荷电阻上的损耗；在模块化多电平变流器的停机中，不论取能电路是否为常通型器件的驱动电路提供电源，常通型器件都保持导通状态，对子模块进行放电。本发明还提出了常通型器件的选择方法和卸荷电阻的阻值选择方法。

Description

一种基于常通型器件的模块化多电平变流器损耗降低方法
技术领域
本发明涉及多电平电力电子变流技术领域，具体涉及一种基于常通型器件的模块化多电平变流器损耗降低方法。
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(ModularMultilevel Converter，MMC)具有效率高、输出交流电压谐波小、正弦度高、高度模块化等特点，因此模块化多电平换流器在高电压、大功率的场合应用越来越广泛，在柔性直流输电、电机驱动等领域也具有广阔的前景。
MMC在启动过程中为了保持子模块的静态电压平衡，在停机过程中为了对子模块进行放电，因此，需要在子模块电容两端并联卸荷电阻。但是，MMC转入正常运行之后，子模块电容电压在电容电压平衡控制下保持平衡，因此在这个阶段不需要卸荷电阻，但是卸荷电阻仍然在消耗功率，造成不必要的损耗。
近些年来，针对减小MMC子模块内部卸荷电阻上的损耗的文献，采用斩波电阻和可变功率的取能电路来保持MMC启动过程中的电容电压静态平衡；此外，通过在子模块电容两端并联较大的卸荷电阻进行放电，从而达到减小在MMC正常运行时减小卸荷电阻上损耗的目的。但已有的方法有不足如下：1)无法完全消除卸荷电阻上的损耗；2)控制系统较为复杂，需要阀基控制器和子模块控制器之间的通信；3)由于子模块卸荷电阻较大，在MMC停机过程中需要更长的时间对子模块进行放电。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于常通型器件的模块化多电平变流器损耗降低方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种用于降低模块化多电平变流器损耗的电路结构，包括常通型器件，所述常通型器件与所述的模块化多电平变流器的子模块内部的卸荷电阻串联；
在所述模块化多电平变流器启动过程中，常通型器件保持导通；在模块化多电平变流器运行过程中，常通型器件保持关断；在模块化多电平变流器停机过程中，常通型器件保持导通。
可选地，将所述子模块的内部的卸荷电阻的下端与电容负极断开；所述常通型器件受其驱动电路控制，所述驱动电路的信号输入连接至子模块控制器，驱动电路由子模块内部的取能电路供电。
可选地，所述常通型器件为S i C的JFET器件。
可选地，所述卸荷电阻的阻值受模块化多电平变流器启动过程子模块电容电压静态平衡约束和/或模块化多电平变流器停机过程子模块放电时间的约束。
一种模块化多电平变流器损耗降低方法，包括以下步骤：
将常通型器件与所述模块化多电平变流器的子模块内部的卸荷电阻串联，
在模块化多电平变流器启动过程中，常通型器件保持导通；
在模块化多电平变流器运行过程中，常通型器件保持关断，消除卸荷电阻上的损耗；
在模块化多电平变流器停机过程中，常通型器件保持导通，通过卸荷电阻对子模块进行放电。
可选地，将所述子模块的内部的卸荷电阻的下端与电容负极断开；所述常通型器件受其驱动电路控制，所述驱动电路的信号输入连接至子模块控制器，驱动电路由子模块内部的取能电路供电。
可选地，所述常通型器件为S iC的JFET器件或硅基的JFET器件。
可选地，所述卸荷电阻的阻值受模块化多电平变流器启动过程子模块电容电压静态平衡约束和/或模块化多电平变流器停机过程子模块放电时间的约束。
本发明的有益效果：
1、能在MMC正常运行时完全消除子模块内部卸荷电阻上的损耗。
2、控制方法很容易实现，不需要反馈控制，也不需要阀基控制器和子模块控制器之间的通信。
3、MMC停机过程中子模块放电时间较短，可以通过选择子模块卸荷电阻阻值，实现特定的子模块放电时间。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；
图1为本发明所提出的子模块拓扑结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的一些示例中，公开了一种基于常通型器件的模块化多电平变流器损耗降低方法，包括如下电路结构：将原本子模块内部卸荷电阻Rb的下端与电容负极断开，将常通型器件T3与卸荷电阻串联；常通型器件T3受其驱动电路控制，驱动电路的信号输入连接至子模块控制器，驱动电路由子模块内部的取能电路供电。
具体地，在模块化多电平变流器启动过程中，无论取能电路是否为常通型器件的驱动电路提供电源，常通型器件都保持导通状态，卸荷电阻与子模块电容并联，保持子模块电容电压在启动过程中的静态平衡；在模块化多电平变流器的正常运行中，常通型器件在驱动电路的控制下保持关断，消除卸荷电阻上的损耗；在模块化多电平变流器的停机中，不论取能电路是否为常通型器件的驱动电路提供电源，常通型器件都保持导通状态，卸荷电阻与子模块电容并联，对子模块进行放电。
在上述示例中，常通型器件可以选择碳化硅(SiC)的结型场效应晶体管(JFET)器件或者其他类型的常通型器件，应在门极电压为零的情况下器件保持导通状态，在门极加驱动电压时保持关断状态。选择的常通型器件应能在关断时承受额定子模块电容电压，并留有一定裕度。
基于常通型器件的模块化多电平变流器损耗降低方法，包括如下卸荷电阻阻值选取方法：卸荷电阻的阻值受模块化多电平变流器启动过程子模块电容电压静态平衡约束和停机过程子模块放电时间的约束；在模块化多电平变流器启动过程中，为了保持子模块电容电压平衡，卸荷电阻应不小于Rb1max，Rb1max可以表示为
其中ucSU为MMC启动过程中的子模块电容电压，PAPS为取能电路吸收的功率，γ为裕度系数，γ可以是取0.5～0.8。在模块化多电平变流器停机过程中，为了在给定的放电时间内将子模块放电完成，卸荷电阻应不小于Rb2max。子模块放电时间Td与卸荷电阻阻值Rb的关系可以表示为
其中，C为子模块电容容值，ucN为子模块额定电压，UAPS0为取能电路的启动电压，Usafe为放电完成时的安全电压。为了在给定的放电时间内完成子模块放电，可以通过式(2)求得Rb2max。综上，最终卸荷电阻的取值应为Rb1max和Rb2max中较小的值。
在本发明的一个具体的示例中，如图1所示，将原本子模块内部卸荷电阻Rb的下端与电容C的负极断开，将常通型器件T3与卸荷电阻串联；T3受其驱动电路控制，ug3为驱动电路的输出电压，驱动电路的信号输入连接至子模块控制器，驱动电路由子模块内部的取能电路供电。
在模块化多电平变流器启动过程中，无论取能电路是否为T3的驱动电路提供电源，ug3都为0，T3都保持导通状态，Rb与C并联，保持子模块电容电压在启动过程中的静态平衡；在模块化多电平变流器的正常运行中，T3在驱动电路的控制下保持关断，消除Rb上的损耗；在模块化多电平变流器的停机中，不论取能电路是否为T3的驱动电路提供电源，ug3都为0，T3都保持导通状态，Rb与C并联，对子模块电容进行放电。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (4)

1.一种用于降低模块化多电平变流器损耗的电路结构，其特征在于，包括常通型器件，所述常通型器件与所述的模块化多电平变流器的子模块内部的卸荷电阻串联；
在所述模块化多电平变流器启动过程中，常通型器件保持导通；在模块化多电平变流器运行过程中，常通型器件保持关断；在模块化多电平变流器停机过程中，常通型器件保持导通；
将所述子模块的内部的卸荷电阻的下端通过常通型器件与电容负极连接；所述常通型器件受其驱动电路控制，所述驱动电路的信号输入连接至子模块控制器，驱动电路由子模块内部的取能电路供电；
所述卸荷电阻的阻值受模块化多电平变流器启动过程子模块电容电压静态平衡约束和/或模块化多电平变流器停机过程子模块放电时间的约束；
其中，卸荷电阻阻值选取方法为：
在模块化多电平变流器启动过程中，为了保持子模块电容电压平衡，卸荷电阻应不小于Rb1max，Rb1max表示为：
式中ucSU为MMC启动过程中的子模块电容电压，PAPS为取能电路吸收的功率，γ为裕度系数，γ取0.5～0.8；
在模块化多电平变流器停机过程中，为了在给定的放电时间内将子模块放电完成，卸荷电阻应不小于Rb2max，子模块放电时间Td与卸荷电阻阻值Rb的关系为：
式中C为子模块电容容值，ucN为子模块额定电压，UAPS0为取能电路的启动电压，Usafe为放电完成时的安全电压；
为了在给定的放电时间内完成子模块放电，通过式(2)求得Rb2max；
最终卸荷电阻的取值为Rb1max和Rb2max中较小的值。
2.根据权利要求1所述的电路结构，其特征在于，所述常通型器件为SiC的JFET器件或硅基的JFET器件。
3.一种模块化多电平变流器损耗降低方法，包括以下步骤：
将常通型器件与所述模块化多电平变流器的子模块内部的卸荷电阻串联，
在模块化多电平变流器启动过程中，常通型器件保持导通；
在模块化多电平变流器运行过程中，常通型器件保持关断，消除卸荷电阻上的损耗；
在模块化多电平变流器停机过程中，常通型器件保持导通，通过卸荷电阻对子模块进行放电；
将所述子模块的内部的卸荷电阻的下端通过常通型器件与电容负极连接；所述常通型器件受其驱动电路控制，所述驱动电路的信号输入连接至子模块控制器，驱动电路由子模块内部的取能电路供电；
所述卸荷电阻的阻值受模块化多电平变流器启动过程子模块电容电压静态平衡约束和/或模块化多电平变流器停机过程子模块放电时间的约束；
其中，卸荷电阻阻值选取方法为：
在模块化多电平变流器启动过程中，为了保持子模块电容电压平衡，卸荷电阻应不小于Rb1max，Rb1max表示为：
式中ucSU为MMC启动过程中的子模块电容电压，PAPS为取能电路吸收的功率，γ为裕度系数，γ取0.5～0.8；
在模块化多电平变流器停机过程中，为了在给定的放电时间内将子模块放电完成，卸荷电阻应不小于Rb2max，子模块放电时间Td与卸荷电阻阻值Rb的关系为：
式中C为子模块电容容值，ucN为子模块额定电压，UAPS0为取能电路的启动电压，Usafe为放电完成时的安全电压；
为了在给定的放电时间内完成子模块放电，通过式(4)求得Rb2max；
最终卸荷电阻的取值为Rb1max和Rb2max中较小的值。
4.根据权利要求3所述的模块化多电平变流器损耗降低方法，其特征在于，所述常通型器件为SiC的JFET器件。
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