一种模块化多电平变换器及其控制方法与流程

本发明涉及柔性直流，具体涉及一种模块化多电平变换器及其控制方法。

背景技术：

1、模块化多电平变换器(modular multilevel converter，mmc)自发明以来，由于开关器件承受电压变化小，且可以不同时开通和关断，因此消除了两电平高压变换器所必须的开关器件同时开通和关断的动态均压难题。同时，mmc具有模块化结构，易于向高电平拓展，因此mmc在高压领域得到广泛应用。

2、随着新能源产业的快速发展，对mmc具备构网支撑能力的需求也在不断增加，这就需要变换器在除去具备正常的功率传输能力外，需要能够进行功率支撑，在功率支撑期间，mmc处于过负荷状态下。但是，mmc的桥臂由级联的子模块组成，每个子模块内部包含大量的igbt器件，igbt器件无法像变压器等一次设备能够承受一定程度上的过负荷能力，现有技术针对该种情况，最先选择的方式是通过选择具有更高通流能力的igbt。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种模块化多电平变换器及其控制方法，以解决现有技术中模块化多电平变换器的主桥臂功率半导体器件在过负荷工况下通流能力不足，导致系统无法有效提供电网支撑的问题。

2、第一方面，本发明提供一种模块化多电平变换器，包括至少一个相单元，每个相单元均包括：主变换器单元、辅助能量转移单元及开关单元，其中，主变换器单元包含依次串联连接在直流母线正极和直流母线负极之间的上主桥臂和下主桥臂，上主桥臂与下主桥臂的连接点作为交流端；辅助能量转移单元通过开关单元分别与上主桥臂、下主桥臂、直流母线正极和直流母线负极可控连接，辅助能量转移单元独立于主变换器单元；当上主桥臂或下主桥臂的电流超过预设阈值时，开关单元用于控制辅助能量转移单元正向接入上主桥臂与直流母线正极之间，或反向接入下主桥臂与直流母线负极之间，以对上主桥臂或下主桥臂的超阈值电流提供分流路径。

3、本发明提供的模块化多电平变换器，当上主桥臂或下主桥臂的电流超过预设阈值时，开关单元控制辅助能量转移单元正向接入上主桥臂与直流母线正极之间，或反向接入下主桥臂与直流母线负极之间，对超阈值电流提供分流路径，将超阈值电流转移至直流母线，从而避免主桥臂功率半导体器件承受过负荷电流。通过增设独立于主变换器单元的辅助能量转移单元，在不更换主桥臂器件的前提下提升了变换器的过负荷能力，降低了硬件成本。同时，辅助能量转移单元可正向或反向接入，能够分别处理上桥臂和下桥臂的过流情况，结构紧凑。此外，开关单元实现了辅助能量转移单元与主电路的可控连接，仅在过负荷时投入，正常运行时无额外损耗。各相单元独立控制，互不影响，可同时处理多相过负荷事件，适用于各种复杂电网工况。

4、在一种可选的实施方式中，主变换器单元还包括：第一电抗器及第二电抗器，其中，第一电抗器与第二电抗器串联连接后，串接于上主桥臂与下主桥臂之间，第一电抗器与第二电抗器的连接点作为交流端。

5、在一种可选的实施方式中，上主桥臂及下主桥臂分别由多个功率子模块级联构成，功率子模块为半桥子模块、全桥子模块或半桥与全桥子模块的混合结构。

6、在一种可选的实施方式中，辅助能量转移单元包括：多个全桥子模块及转移电抗器，其中，多个全桥子模块串联连接后的第一端通过开关单元与直流母线正极及直流母线负极可控连接，多个全桥子模块串联连接后的第二端与转移电抗器的第一端连接；转移电抗器的第二端通过开关单元与上主桥臂及下主桥臂可控连接。

7、在一种可选的实施方式中，开关单元包括：第一开关、第二开关、第三开关及第四开关，其中，第一开关连接于辅助能量转移单元与直流母线正极之间；第二开关连接于辅助能量转移单元与直流母线负极之间；第三开关连接于辅助能量转移单元与上主桥臂之间；第四开关连接于辅助能量转移单元与下主桥臂之间；当上主桥臂的电流超过预设阈值时，第一开关及第三开关导通，第二开关及第四开关关断；当下主桥臂的电流超过预设阈值时，第二开关及第四开关导通，第一开关及第三开关关断。

8、第二方面，本发明提供一种模块化多电平变换器的控制方法，应用于上述第一方面或其对应的任一实施方式的模块化多电平变换器，方法包括：实时检测各相单元中上主桥臂及下主桥臂中的电流；当任一相单元的上主桥臂的电流超过第一预设阈值时，控制辅助能量转移单元正向接入该上主桥臂与直流母线正极之间，并控制该辅助能量转移单元输出正电压，以将该上主桥臂的超阈值电流分流至直流母线正极；当任一相单元的下主桥臂的电流超过第二预设阈值时，控制辅助能量转移单元反向接入该下主桥臂与直流母线负极之间，并控制该辅助能量转移单元输出负电压，以将该下主桥臂的超阈值电流分流至直流母线负极。

9、本发明提供的模块化多电平变换器的控制方法，通过实时检测各相单元上主桥臂及下主桥臂的电流，并在电流超过对应预设阈值时，控制辅助能量转移单元正向或反向接入，同时输出相应极性的电压，将超阈值电流精确分流至直流母线正极或负极，从而有效限制主桥臂电流，保护功率半导体器件免受过负荷冲击。该方法响应迅速，控制精准，能够根据过流方向自动调整分流路径，无需更换主桥臂器件即可提升变换器的过负荷能力，降低了系统成本和改造难度。同时，各相单元独立并行控制，互不影响，可同时处理多相过负荷事件，适应复杂多变的电网工况，保障了柔性直流输电系统的安全稳定运行。

10、在一种可选的实施方式中，控制该辅助能量转移单元输出正电压或负电压的过程，包括：实时采集过流桥臂的电流，并与对应的预设阈值进行比较；根据比较结果动态调节辅助能量转移单元的输出电压幅值，使得过流桥臂的电流被限制在对应的预设阈值以下。

11、在一种可选的实施方式中，第一预设阈值为上主桥臂额定电流峰值的预设倍数；当上主桥臂与下主桥臂的规格及散热条件一致时，第二预设阈值与第一预设阈值相等；当上主桥臂与下主桥臂的规格及散热条件不同时，第二预设阈值根据下主桥臂的短时安全通流能力确定。

12、在一种可选的实施方式中，还包括：当过流桥臂的电流回落至等于或低于对应的预设阈值后，控制辅助能量转移单元的输出电压逐渐降低至零后，关断开关单元使得该辅助能量转移单元退出运行。

13、在一种可选的实施方式中，控制辅助能量转移单元的输出电压逐渐降低至零之前，还包括：当过流桥臂的电流回落至等于或低于对应的预设阈值后，启动延时计时，并当延时结束后再执行输出电压降低操作。

1.一种模块化多电平变换器，其特征在于，包括至少一个相单元，每个所述相单元均包括：主变换器单元、辅助能量转移单元及开关单元，其中，

2.根据权利要求1所述的模块化多电平变换器，其特征在于，所述主变换器单元还包括：第一电抗器及第二电抗器，其中，

3.根据权利要求1所述的模块化多电平变换器，其特征在于，所述上主桥臂及所述下主桥臂分别由多个功率子模块级联构成，所述功率子模块为半桥子模块、全桥子模块或半桥与全桥子模块的混合结构。

4.根据权利要求1所述的模块化多电平变换器，其特征在于，所述辅助能量转移单元包括：多个全桥子模块及转移电抗器，其中，

5.根据权利要求1所述的模块化多电平变换器，其特征在于，所述开关单元包括：第一开关、第二开关、第三开关及第四开关，其中，

6.一种模块化多电平变换器的控制方法，其特征在于，应用于权利要求1至5任一项所述的模块化多电平变换器，所述方法包括：

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述控制该辅助能量转移单元输出正电压或负电压的过程，包括：

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述控制辅助能量转移单元的输出电压逐渐降低至零之前，还包括：