3.3 子模块的拓扑结构及工作原理在线视频

子模块是构成MMC的基本单元

因此在分析MMC的工作原理之前

需要了解一下子模块的结构及原理

MMC总体上是三相全桥结构

有6个桥臂

每个桥臂由N个子模块（SM）串联而成

而不是器件的直接串联

子模块有不同的拓扑形式

基本的子模块有半桥型子模块

HBSM和全桥型子模块和FBSM两种

在器件数量方面

半桥子模块由两个含反并联二极管的IGBT

(T1 T2)和一个直流电容器C构成

结构最简单

全桥子模块的开关器件则多了一倍

故障电流清除方面

采用半桥子模块直流侧短路故障时

无法清除故障电流

需要直流侧安装直流断路器

采用全桥子模块时

则可以主动清除短路故障电流

根据IGBT驱动信号的不同

半桥子模块可以分为

三个工作状态

投入状态、切除状态和闭锁状态

Usm为子模块的端口电压

ism为该子模块的端口电流

也是桥臂电流

Uc为子模块电容电压

当T1驱动信号为1

而T2驱动信号为0时

Usm=Uc

子模块处于投入状态

ism>0时

二极管D1导通

电容充电

ism < 0时

IGBT T1导通

电容放电

当T1驱动信号为0

而T2驱动信号为1时

电容被旁路

Usm=0

子模块处于切除状态

ism>0时

IGBT T2导通

ism < 0时

二极管D2导通

当T1 T2驱动信号都为0时

子模块处于闭锁状态

理论上

有D1和D2两个通路

但D1通路中含有电容阻碍电流的流通

因此故障电流只从下桥臂D2流通

此时MMC相当于交流侧经过二极管被直流侧短路

会产生很大的短路电流

由于D1通路状态实际是不存在

因此在故障时

电容被旁路

所以半桥子模块不具备清除故障电流的作用

全桥子模块由两个半桥子模块

共用一个直流电容器构成

根据驱动信号的不同

分为投入状态、切除状态

负电平投入状态和闭锁状态

当T1 T4驱动信号为1

而T2 T3驱动信号为0时

Usm=Uc

子模块处于投入正电平状态

ism>0时

二极管D1 D4导通

电容充电

当ism < 0时

IGBT T1 T4导通

电容放电

当T1 T3驱动信号为1

而T2 T4驱动信号为0时

电流回路中无电容

Usm=0

子模块处于切除状态

ism>0时

D1 T3导通

ism <0 时

T1 D3导通

当T1 T4驱动信号为0

而T2 T3驱动信号为1时

Usm=-Uc

子模块处于投入负电平状态

ism>0时

IGBT T2 T3导通

电容放电

ism<0时

二极管D2 D3导通

电容充电

当所有驱动信号都为0时

子模块处于闭锁状态

此时有两个电流通路

D1、D4通路和D2、D3通路

电容都在电流回路中

阻碍电流增大

直流侧短路时

故障电流从换流器流向故障点

桥臂电流为负

因此实际选择D2、D3通路

由于在故障时

电容被充电

当串入直流侧的电容总电压

被充到交流电压峰值时

故障电流被清除

因此

全桥子模块具有自动的故障电流清除能力

在半桥和全桥子模块的基础上

又衍生出了多种新型子模块拓扑

目的是在具备故障电流清除能力的基础上

尽量减少器件数量

在全桥子模块的基础上省去T2或者T3

牺牲负电平输出能力的同时

也减少了器件数量

得到类全桥子模块

将两个类全桥子模块进行错位连接

得到钳位双子模块

半桥子模块闭锁后

桥臂电流为负时无法流经电容

因而不具备故障电流清除能力

在半桥子模块的基础上

增加额外的电流通路

使其具备故障电流清除能力

得到单钳位子模块

把单钳位子模块的单个电容拆成两个串联的电容

将二极管的钳位点改到两个电容之间

得到二极管钳位单子模块

将两个半桥子模块之间

用开关管进行“交叉连接“

同样的

牺牲负电平输出能力的同时

也省去一个IGBT

得到串联双子模块

对于子模块的评价主要从三个方面出发

首先是故障电流清除能力

我们以故障电流通路中的电容数多少来判断

故障发生后

电容放电

桥臂中的故障电流为负

因此对子模块故障电流清除能力的评价

只需要关注桥臂电流为负时电流通路中的电容值

故障电流通路中电容值越小

故障电流清除速度越快

根据闭锁后

桥臂电流为负时

电流通路中的电容值的不同

现有子模块可分为3种类型

对称型

故障电流清除能力强

如类全桥子模块

不对称型

故障电流清除能力中等

如二极管钳位单子模块

并联型

故障电流清除能力弱

如钳位双子模块

三种类型子模块闭锁后

桥臂电流为负时

电流通路中的电容值依次加倍

故障电流清除能力也依次减弱

其次是电容电压平衡难度

当子模块能够单独输出任一电容电压时

只需采用传统的排序算法

即能实现电容电压平衡

上述五种子模块

均能实现任一电容电压的单独输出

还有一些子模块

还能实现模块内两个电容的自均压

如此便把排序维度降低了一半

加快了排序算法速度

最后还要考虑开关器件投资成本

新提出的新型子模块的开关器件数量

不应超过全桥子模块

否则便失去了设计意义

在器件使用量方面

我们不应只根据拓扑结构进行简单计数

还应分析运行中每个器件的耐压情况

以串联双子模块为例

正常运行状态下

子模块输出电压为Uc1+Uc2

D6耐压为2Uc

当闭锁状态下且桥臂电流为负时

T5、D5的耐压为2Uc

为了方便比较

在器件使用量方面

对于最大耐压为2Uc的器件

记作两个最大耐压为Uc的器件

表中汇总了前面

提到的7种子模块在故障电流清除能力

以及器件使用量方面的数据

可以看出故障电流清除能力强的子模块

也同时有较高的器件使用量

二者难以兼顾

在今后的设计中

要以DCSM和SDSM作为子模块设计的标准

在具有相同的故障电流清除能力时

器件使用量高于这两者时也就没有多大使用价值了

目前

MMC子模块拓扑的研究仍在进行之中

以使柔直系统具有更好的故障穿越能力

本章接下来

仅介绍最简单的半桥子模块

构成的MMC电路的建模及控制