CN106655850A - 一种消除低频电压波动的模块化多电平变流器 - Google Patents

一种消除低频电压波动的模块化多电平变流器 Download PDF

Info

Publication number
CN106655850A
CN106655850A CN201710109001.3A CN201710109001A CN106655850A CN 106655850 A CN106655850 A CN 106655850A CN 201710109001 A CN201710109001 A CN 201710109001A CN 106655850 A CN106655850 A CN 106655850A
Authority
CN
China
Prior art keywords
bridge arm
submodule
dab
mmc
frequency
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201710109001.3A
Other languages
English (en)
Inventor
刘进军
宋曙光
欧阳少迪
陈星星
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xian Jiaotong University
Original Assignee
Xian Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xian Jiaotong University filed Critical Xian Jiaotong University
Priority to CN201710109001.3A priority Critical patent/CN106655850A/zh
Publication of CN106655850A publication Critical patent/CN106655850A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/12—Arrangements for reducing harmonics from ac input or output
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/33569—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements
    • H02M3/33576—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements having at least one active switching element at the secondary side of an isolation transformer
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0003—Details of control, feedback or regulation circuits
    • H02M1/0038—Circuits or arrangements for suppressing, e.g. by masking incorrect turn-on or turn-off signals, e.g. due to current spikes in current mode control

Abstract

本发明公开了一种消除低频电压波动的模块化多电平变流器，能够实现消除模块化多电平变流器在低频拖动时子模块的低频电压波动，每相上下桥臂中对应编号子模块连接同一个DAB功率变换单元，DAB功率变换单元在对应模块中传递波动能量，可实现上下桥臂对应子模块功率平衡，本发明可全部模块化，可靠性高，便于维护调试；无需像传统电压波动控制方法一样注入高频共模电压，控制计算简单，同时降低对电机不利影响；无需在桥臂中注入谐波环流成分，降低桥臂电压应力及损耗。

Description

一种消除低频电压波动的模块化多电平变流器
技术领域
本发明属于模块化多电平变流器技术领域，具体涉及一种消除低频电压波动的模块化多电平变流器。
背景技术
随着大功率电力电子变换装置的广泛应用,多电平变换技术得到快速发展。模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter,MMC)是一种新颖的多电平电压源换流器，自2000年初其提出来以来，由于其模块化的特征，易于拓展、便于装配，且可以获得高质量输出和高电压等级，因而MMC是近年研究热点，在中高压应用领域具有明显的优势。
目前,MMC已广泛应用在高压直流输电(High Voltage Direct Current,HVDC)领域，多条线路已投入运营，如Trans Bay Cable工程，±200kV，400MW，每桥臂有200子模块。；除此之外,在中压电机拖动中，MMC也拥有着巨大的潜力。相较于传统H桥级联(Cascaded H-bridge,CHB)结构,MMC应用于电机驱动时无须采用昂贵且庞大的移相变压器，仅利用同一个直流母线即可向三相交流侧提供能量。
然而在电机驱动场合时，MMC会面临严重的子模块电容电压波动问题，尤其是在低频工作时。根据分析可知，MMC子模块电容电压中的基波波动与输出电流成正比，与基波频率成反比。因此，当基波频率很低尤其是在电机的启动阶段，MMC子模块中会产生巨大的电容电压波动，将严重影响系统正常运行，甚至导致系统崩溃。低频电压波动问题已成为MMC带大负载转矩的交流传动系统的巨大障碍。目前已有多种基于高频共模电压及环流注入的控制方法，其思想为向桥臂电流和输出电压中分别注入高频环流和同频率的共模电压，通过其相互作用，在MMC桥臂间产生额外的能量流动，抵消电压波动。但这种方法会增大桥臂电流应力，同时注入的共模电压会对电机产生不利影响，仍然难以满足MMC带大转矩负载起动及低频运行的需求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种消除低频电压波动的模块化多电平变流器，能够消除模块化多电平变流器在低频电气拖动中子模块的电压波动，保证系统的稳定运行。
为了达到上述目的，本发明包括三项模块化多电平变流器单相拓扑，每个模块化多电平变流器单相拓扑均包括若干上桥臂子模块、DAB模块和下桥臂子模块，上桥臂子模块和下桥臂子模块均包括若干MMC子模块，DAB模块包括DAB功率变换单元，上桥臂子模块MMC子模块通过与其对应的DAB功率变换单元连接相对应的下桥臂子模块的MMC子模块，上桥臂子模块中相邻的MMC子模块相连接，下桥臂子模块相邻的MMC子模块相连接，上桥臂子模块中首端的MMC子模块和下桥臂子模块中首端的MMC子模块均通过对应的电抗器和半桥子模块后连接输出端，上桥臂子模块中末端的MMC子模块连接母线正端，下桥臂子模块中末端的MMC子模块连接母线负端。
所述DAB功率变换单元采用双有源桥DAB模块，DAB功率变换单元包括四个端口，并具有能量双向流动功能。
所述半桥子模块包括两个全控型器件组成的半桥，两个半桥的直流侧并联有电容器组。
所述DAB功率变换单元包括高频DC/AC功率变换器、高频变压器和高频AC/DC的功率变换器，高频DC/AC功率变换器的输出端连接高频变压器的输入端，高频变压器的输出端连接高频AC/DC的功率变换器的交流端。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明能够实现消除模块化多电平变流器在低频拖动时子模块的低频电压波动，每相上下桥臂中对应编号子模块连接同一个DAB功率变换单元，DAB功率变换单元在对应模块中传递波动能量，可实现上下桥臂对应子模块功率平衡；
2、本发明可全部模块化，可靠性高，便于维护调试；
3、本发明无需像传统电压波动控制方法一样注入高频共模电压，控制计算简单，同时降低对电机不利影响；
4、本发明无需在桥臂中注入谐波环流成分，降低桥臂电压应力及损耗。
附图说明
图1为本发明中模块化多电平变流器单相拓扑结构框图；
图2为本发明的立体结构图；
图3为本发明中半桥子模块结构图；
图4为本发明中双有源桥DAB变流器单元的电路结构图；
图5为传统MMC输出三相电流波形；
图6为传统MMCA相8个直流侧电压波形；
图7为本发明的MMC输出三相电流波形；
图8为本发明的MMC A相8个直流侧电压波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1至图4，本发明包括三项模块化多电平变流器单相拓扑，每个模块化多电平变流器单相拓扑均包括若干上桥臂子模块、DAB模块和下桥臂子模块，上桥臂子模块和下桥臂子模块均包括若干MMC子模块，DAB模块包括DAB功率变换单元，上桥臂子模块MMC子模块通过与其对应的DAB功率变换单元连接相对应的下桥臂子模块的MMC子模块，上桥臂子模块中相邻的MMC子模块相连接，下桥臂子模块相邻的MMC子模块相连接，上桥臂子模块中首端的MMC子模块和下桥臂子模块中首端的MMC子模块均通过对应的电抗器和半桥子模块后连接输出端，上桥臂子模块中末端的MMC子模块连接母线正端，下桥臂子模块中末端的MMC子模块连接母线负端。
DAB功率变换单元采用双有源桥DAB模块，DAB功率变换单元包括四个端口，并具有能量双向流动功能，DAB功率变换单元包括高频DC/AC功率变换器、高频变压器和高频AC/DC的功率变换器，高频DC/AC功率变换器的输出端连接高频变压器的输入端，高频变压器的输出端连接高频AC/DC的功率变换器的交流端。
半桥子模块包括两个全控型器件组成的半桥，两个半桥的直流侧并联有电容器组。
本发明中的能量变化为：
直流输入由MMC公共直流侧供能，MMC交流侧连接三相交流传动系统，拖动电机；DAB模块传递MMC同相上下桥臂对应子模块中能量，抵消电压波动。
实施例1
采用如图1所述的拓扑结构，包括传统的双星型半桥MMC以及双有源桥DAB模块，DAB功率变换单元包括四个端口，具有能量双向流动功能；
具体的MMC子模块为两只全控型器件组成的半桥，其结构如图3所示为SM代表的半桥。两个半桥的直流侧的两个端线间并联一定容量的电容器组；
功率变换器的级联数目由输入电压等级和所选用的电力电子器件水平所决定，如：直流侧电压为11kV，选用开关器件1.7kV/400A的IGBT并设定直流侧为1.1kV时，每桥臂需要10个变换器级联。
DAB功率变换单元分为三个组成部分：作为高频DC/AC功率变换器、高频变压器和高频AC/DC的功率变换器；高频DC/AC功率变换器将输入的直流电压调制成1kHz以上的高频交流信号(具体频率需根据系统所采用的开关器件确定)，之后通过高频变压器传递到高频AC/DC变换器交流端，最终高频AC/DC变换器则将高频变压器输出的高频交流信号还原为直流。高频变压器主要起到电压变换和电气隔离的作用；当连接不同的MMC子模块直流侧电容，必须采用电气隔离；
DAB功率变换单元分为三组，对应MMC系统三相；每组包括N个独立的DAB功率变换单元，每个DAB功率变换单元的两个端口分别连接MMC同相上下桥臂对应编号子模块电容，从而形成MMC相内上下桥臂间子模块的能量流动通路；
实施例1中的拓扑结构高度模块化，便于设计、生产、安装、调试和维护，可以根据不同的功率等级及控制目地而灵活应用。
为验证本发明，图5至图8给出了本发明的仿真效果。仿真模型为一个三相逆变系统，直流侧电压4KV，子模块电容电压1KV，每个桥臂中有4个子模块，每相共8个子模块，对应4个DAB功率变换单元。变流器设定输出频率随时间递增，从0s系统启动到1s，频率从0Hz-10Hz线性增加。
图5为传统MMC输出三相电流波形。图6为传统MMCA相8个直流侧电压波形。图7为具有消除低频电压波动能力的MMC输出三相电流波形。图8为具有消除低频电压波动能力的MMC A相8个直流侧电压波形。如图5，6所示，在DAB功率变换单元未启用时，变流器输出电流有较大畸变且子模块电压存在极大的波动，影响系统运行。图7，8为DAB功率变换单元使能后系统输出特性，如图所示，电流波形改善明显且子模块电容电压维持在额定值，其低频波动得到消除。上述仿真结果表明本发明能够良好地实现消除模块化多电平变流器的低频电压波动。

Claims (4)

1.一种消除低频电压波动的模块化多电平变流器，其特征在于，包括三项模块化多电平变流器单相拓扑，每个模块化多电平变流器单相拓扑均包括若干上桥臂子模块、DAB模块和下桥臂子模块，上桥臂子模块和下桥臂子模块均包括若干MMC子模块，DAB模块包括DAB功率变换单元，上桥臂子模块MMC子模块通过与其对应的DAB功率变换单元连接相对应的下桥臂子模块的MMC子模块，上桥臂子模块中相邻的MMC子模块相连接，下桥臂子模块相邻的MMC子模块相连接，上桥臂子模块中首端的MMC子模块和下桥臂子模块中首端的MMC子模块均通过对应的电抗器和半桥子模块后连接输出端，上桥臂子模块中末端的MMC子模块连接母线正端，下桥臂子模块中末端的MMC子模块连接母线负端。
2.根据权利要求1所述的一种消除低频电压波动的模块化多电平变流器，其特征在于，所述DAB功率变换单元采用双有源桥DAB模块，DAB功率变换单元包括四个端口，并具有能量双向流动功能。
3.根据权利要求1所述的一种消除低频电压波动的模块化多电平变流器，其特征在于，所述半桥子模块包括两个全控型器件组成的半桥，两个半桥的直流侧并联有电容器组。
4.根据权利要求1所述的一种消除低频电压波动的模块化多电平变流器，其特征在于，所述DAB功率变换单元包括高频DC/AC功率变换器、高频变压器和高频AC/DC的功率变换器，高频DC/AC功率变换器的输出端连接高频变压器的输入端，高频变压器的输出端连接高频AC/DC的功率变换器的交流端。
CN201710109001.3A 2017-02-27 2017-02-27 一种消除低频电压波动的模块化多电平变流器 Pending CN106655850A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710109001.3A CN106655850A (zh) 2017-02-27 2017-02-27 一种消除低频电压波动的模块化多电平变流器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710109001.3A CN106655850A (zh) 2017-02-27 2017-02-27 一种消除低频电压波动的模块化多电平变流器

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN106655850A true CN106655850A (zh) 2017-05-10

Family

ID=58846652

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710109001.3A Pending CN106655850A (zh) 2017-02-27 2017-02-27 一种消除低频电压波动的模块化多电平变流器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106655850A (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109194137A (zh) * 2018-09-12 2019-01-11 上海交通大学 一种基于半桥级联型三电平的模块化固态变压器
CN111049404A (zh) * 2019-12-21 2020-04-21 西北工业大学 一种超级电容储能单元集成化多电平变换器的soc均衡方法
CN112909946A (zh) * 2021-01-29 2021-06-04 国网上海市电力公司 一种注入共模电压与环流的mmc子模块电压波动抑制方法
CN113078829A (zh) * 2021-04-27 2021-07-06 燕山大学 一种上下桥臂子模块高频链互联的mmc拓扑及控制方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016108552A1 (ko) * 2014-12-29 2016-07-07 주식회사 효성 Ｍｍｃ 컨버터의 서브모듈용 전원제어장치
CN106451576A (zh) * 2016-10-27 2017-02-22 西安交通大学 一种单相多输出的电力电子变压器的控制方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016108552A1 (ko) * 2014-12-29 2016-07-07 주식회사 효성 Ｍｍｃ 컨버터의 서브모듈용 전원제어장치
CN106451576A (zh) * 2016-10-27 2017-02-22 西安交通大学 一种单相多输出的电力电子变压器的控制方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
SHUGUANG SONG等: "Dual Active Bridge assisted Modular Multilevel Converter allowing low frequency output", 《2016 IEEE 2ND ANNUAL SOUTHERN POWER ELECTRONICS CONFERENCE (SPEC)》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109194137A (zh) * 2018-09-12 2019-01-11 上海交通大学 一种基于半桥级联型三电平的模块化固态变压器
CN111049404A (zh) * 2019-12-21 2020-04-21 西北工业大学 一种超级电容储能单元集成化多电平变换器的soc均衡方法
CN112909946A (zh) * 2021-01-29 2021-06-04 国网上海市电力公司 一种注入共模电压与环流的mmc子模块电压波动抑制方法
CN113078829A (zh) * 2021-04-27 2021-07-06 燕山大学 一种上下桥臂子模块高频链互联的mmc拓扑及控制方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Najafi et al. Design and implementation of a new multilevel inverter topology
CN103001242B (zh) 一种基于模块化多电平换流器的hvdc兼upfc系统
CN101534063B (zh) 一种级联型多相变流器
CN100452641C (zh) 采用内外环双组整流桥箝位式五电平变频驱动装置
CN104533725B (zh) 风力发电系统
CN103715930B (zh) 一种提升柔性直流输电系统容量的方法
CN102545644B (zh) 一种矩阵式交-交高压变频器拓扑结构
CN102983584B (zh) 一种用于不平衡系统的统一潮流控制器
CN105071679B (zh) 基于桥式开关电容模块的五电平自平衡逆变器
CN109617044B (zh) 一种基于v/v接线的电气化铁路同相供电系统
CN104821736A (zh) 具有直流侧短路保护功能的模块化多电平变换器
CN106655850A (zh) 一种消除低频电压波动的模块化多电平变流器
CN104852583A (zh) 一种用于中低压直流配电的高频链多电平直流变压器
CN107612341A (zh) 基于3n+3开关级联的多端口能馈型高压变换器及控制方法
CN103236710A (zh) 采用模块化结构的统一潮流控制器
CN109995256A (zh) 桥臂子模块个数相异的九桥臂模块化多电平变换器、系统及方法
Bordignon et al. Modular multilevel converter in HVDC systems under fault conditions
EP3157120B1 (en) Modular multi-level flexible direct-current topology circuit suitable for fault ride-through
CN105186550A (zh) 一种改进型模块化多电平换流器子模块拓扑
CN103236693B (zh) 一种统一电能质量控制器
CN204578373U (zh) 一种用于中低压直流配电的高频链多电平直流变压器
CN202488359U (zh) 一种矩阵式交-交高压变频器拓扑结构
CN105140949A (zh) 一种混合直流输电系统
CN210821908U (zh) 一种基于模块化多电平的高速铁路负荷特性调整装置
CN101071975A (zh) 双三电平移相型高压大功率变频器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20170510