PDF《基于钳位双子模块的 MMC 故障清除和重启能力分析》

1 MMC的子模块 图1所示为 MMC的结构拓扑. 图1 MMC拓扑结构 F i g .

1 MMCt o p o l o g y ―

7 9 ― 第38卷第1期2014年1月10日Vol.38No.1Jan.10,

2 0

1 4 由图1可以看出: 子模块是 MMC 拓扑中最关 键的部件, 它不仅承担了传统两电平换流器直流侧 电容支撑直流电压的作用, 而且通过子模块中全控 型器件的开关决定了换流器交流侧输出电压的波形 质量, 可以说子模块是 MMC 中的 功率单元 .为此, R a i n e rM a r q u a r d t在2

0 1

0 年和

2 0

1 1 年的两次 电力电子会议上提出了广义 MMC 的概念[

1 2 ] , 将子 模块 分为半桥子模块(HBSM) 、全桥子模块(FBSM) 和CDSM, 如图2所示. 图2 MMC的各种子模块结构 F i g .

2 S t r u c t u r eo fMMCs u b - m o d u l e s 将这

3 种子模块结构进行对比, 可以看出: H B S M 是所用器件最少、 损耗最小的一种结构, 是 目前最被接受、 被研究最多的一种拓扑, 但是它不具 备清除直流侧故障电流的能力, 本文下面会进行详 细分析;

F B S M 具有直流电流闭锁能力, 但是在正常 工作时, 并不需要其负极性的电压, 造成其较HBSM需要双倍的半导体器件和产生双倍的运行 损耗, 经济效益较差;

而CDSM较HBSM增加的器 件和损耗均不大, 而且具有直流侧故障电流闭锁能 力, 所以本文认为 C D S M - MMC 是解决柔性直流输 电直流侧故障电流问题的一种有效方案.下面将通 过在直 流侧双极性短路故障情况下对CDSM和HBSM进行对比分析和在 MAT L A B / S i m u l i n k 下 进行仿真, 证明 C D S M - MMC 在处理直流侧故障的 优越性.

2 C D S M - MMC工作原理 由图2可知, C D S M 由两个等效半桥单元通过 两个钳位二极管和一个引导I G B T( T 5) 构成.正常 运行时, T 5保持导通, C D S M 等效于两个 H B S M 的 级联, 如图3 ( a ) 所示, 其中i S M 为子模块电流. 图3 正常工作时子模块的等效结构 F i g .

3 E q u i v a l e n t s t r u c t u r eo f s u b - m o d u l e i n n o r m a l o p e r a t i o n 比较图3 ( a ) 和( b ) 可知: 正常工作时, C D S M 和 两个 H B S M 级联只是级联的方式略有不同: 二者上 半单元相同, 下半单元 C D S M 输出的是 T 2两端电 压, H B S M 输出的是 T 4两端电压.因此, 对于每桥 臂有 N 个CDSM的MMC完全可以移植每桥臂有

2 N 个HBSM的MMC的调制策略, 如载波移相调 制或最近电平逼近调制等, 只要将 T 2和T4的驱动 信号互换即 可.C D S M 的触发信号与子模块输出 电压之间的关系如表1所示. 表1 C D S M 触发信号和输出电压 T a b l e1 I m p u l s e sa n do u t p u t v o l t a g eo fC D S M 项目 正常工作 故障闭锁 T

1 1

1 0

0 0

0 T

2 0

1 0

1 0

0 T

3 0

0 1

1 0

0 T

4 1

0 1

0 0

0 T

5 1

1 1

1 0

0 UH B S M

1 UC UC

0 0 ― ― UH B S M

2 UC

0 UC

0 ― ― US M

2 UC UC UC

0 2 UC - UC 注:故障闭锁情况下的①对应于子模块电流大于0, ②对应于子 模块电流小于0;

― 表示无此数据. 正常工作时, 对应表1中①, ②, ③, ④这4种模 式, C D S M 的电流走向如图4所示.由于i S M >

0和iSM0的情 况.由图4可以得出和表1相同的子模块输出电压 情况. 由以上分析可知, C D S M 和现在普遍被学术界 和工程界所接受的 H B S M 的通用性非常好, 其拓扑 结构类似, 调制策略可移植, 因此可将 H B S M 的现 有研究成果运用于这种新型的子模块结构, 数学模 型的建立、 控制器的设计等都可进行移植.C D S M 相比于 H B S M, 导通损耗只略有增加( 由于 T 5的存 ―