CN109149986B - 一种类三电平混合式模块化多电平变换器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种类三电平混合式模块化多电平变换器及其控制方法，属于电力电子变换器技术领域。本发明包括三个桥臂：上桥臂、下桥臂以及把直流侧电压中点与上、下桥臂的公共点相连接的箝位桥臂。上、下桥臂均由半桥子模块串联组成，上、下桥臂中的子模块个数为N；箝位桥臂由全桥子模块组成，其中全桥子模块个数为F。每一桥臂分别与一个缓冲电感相串联。本发明与传统的模块化多电平变换器相比，可以显著减小子模块所需的电容值，减小系统的体积和成本；本发明与现有的类两电平模块化多电平变换器相比，实现了交流侧相电压的电平数为三电平，减小了输出电压的谐波，可减小所需的输出滤波电感、电容的体积和成本。

Description

一种类三电平混合式模块化多电平变换器及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种类三电平混合式模块化多电平变换器及其控制方法，尤其涉及一种用于电网或中高压电机驱动的混合式模块化多电平变换器及其方法，属于电力电子变换器技术领域。
背景技术
传统的模块化多电平变换器（Modular Multilevel Converter, MMC）选用子模块级联的方式，防止大量开关器件的直接串联，每个子模块内部器件及其连接方式是相同的，由于其特有的优点，如模块化易于扩展，共直流母线，效率高，输出电压电流谐波小等一系列优点，在高压大容量领域得到了越来越多的应用。但传统MMC的最大缺点是在子模块中所需电容的容量大，大容量电容的存在增加了MMC的体积和成本。类两电平MMC拓扑，可将MMC的电容值降低一个数量级，从而降低MMC的体积和成本。在类两电平MMC拓扑中，其子模块电容近似充当开关的作用，而不承担实际能量交换的功能；每个电容仅在输出电压切换的较短时间内起到支撑电压的作用，仅在这一较短的时间内才有电流流经子模块电容；当电压切换结束后，输出电流不经过子模块电容而是直接从功率开关器件通过。因此，类两电平MMC拓扑可以极大的降低子模块所需的电容值，且当输出电压切换时间变小时，子模块的电容需求也将进一步降低。然而，现有的基于类两电平MMC拓扑，存在以下缺点：一方面是输出电压仅为两电平，输出的谐波较大；另一方面是需要较大的输出滤波电感、电容，进而在一定程度上影响了MMC的体积和成本的降低。
发明内容
本发明的目的是针对已有技术中所述的类两电平MMC输出交流相电压仅为两电平，输出电压谐波较大，所需的滤波电感、电容较大的问题，提出了一种新的类三电平混合式MMC。
本发明技术方案是：一种类三电平混合式模块化多电平变换器，包括上、下桥臂以及连接直流侧电压中点与上、下桥臂公共点的箝位桥臂，用于实现三电平的交流相电压输出；上、下桥臂采用半桥子模块作为基本单元；箝位桥臂采用全桥子模块作为基本单元。
进一步的，所述上、下桥臂由多个半桥子模块级联构成，其半桥子模块的个数由直流母线电压和半桥子模块电容电压等实际应用环境决定。
进一步的，所述直流侧电压中点与上、下桥臂公共点之间的箝位桥臂由多个全桥子模块级联构成；箝位桥臂所需承受的最大电压仅为上、下桥臂所需承受最大电压的一半；箝位桥臂中全桥子模块的个数由直流母线电压和全桥子模块电容电压等实际应用环境决定。
进一步的，若正母线P和负母线N之间的电压为V dc，正常工作情况下，变换器输出交流相电压为三个电平V dc/2、0、-V dc/2；在正半周期内，输出电平为V dc/2和0，上桥臂和箝位桥臂交替导通，上桥臂导通时，输出电平为V dc/2，箝位桥臂导通时，输出电平为0；在负半周期内，输出电平为0和- V dc/2，箝位桥臂和下桥臂交替导通，下桥臂导通时，输出电平为- V dc/2，箝位桥臂导通时，输出电平为0。
进一步的，所述变换器用于实现直流/交流的功率变换，实现功率的双向流动。
进一步的，三个桥臂都分别串接了缓冲电感，用于抑制桥臂中器件开关时的瞬态电流。
一种类三电平混合式模块化多电平变换器的控制方法，取电源为V dc；
在正半周期内输出交流相电压电平为V dc/2和0，上桥臂和箝位桥臂交替导通，上桥臂导通时，输出电平为V dc/2；箝位桥臂导通时，输出电平为0；在负半周期内，输出电平为0和-V dc/2，箝位桥臂和下桥臂交替导通，下桥臂导通时，输出电平为-V dc/2，箝位桥臂导通时，输出电平为0。
上桥臂导通时，上桥臂的半桥子模块中的两个IGBT互补导通；半桥子模块中的下管功率器件S2导通时，半桥子模块被旁路，半桥子模块输出电压为0；半桥子模块中的上管功率器件S1导通时，半桥子模块中的电容被接入，半桥子模块输出电压为V dc/N；当整个桥臂中所有半桥子模块的下管导通时，桥臂中所有半桥子模块被旁路；当半桥子模块被接入时，若流过半桥子模块电容的电流为正，则半桥子模块电容被充电，若流过过半桥子模块电容的电流为负，则半桥子模块电容放电，下桥臂导通时，其子模块的工作原理与上桥臂类似。
箝位桥臂导通时；在正半周期：其全桥子模块的下管功率器件S6保持常通、上管功率器件S5保持关断，下管功率器件S4导通时，全桥子模块被旁路，全桥子模块输出电压为0；上管功率器件S3导通时，全桥子模块中的电容被接入，全桥子模块输出电压为V dc/N；在负半周期：功率器件S4保持常通、S3保持关断，器件S6导通时，全桥子模块被旁路，全桥子模块输出电压为0；器件S5导通时，全桥子模块中的电容被接入，全桥子模块输出电压为V dc/N；当全桥子模块被接入时，若流过全桥子模块电容的电流为正，则全桥子模块电容被充电，若流过全桥子模块电容的电流为负，则全桥子模块电容放电。
本发明的有益效果是：本发明实现直流/交流变换功能。通过采用类三电平混合式MMC拓扑结构，可以使MMC工作在类三电平方式，能显著减小子模块所需的电容，减小输出电压谐波，减小输出电感、电容的体积和成本，可降低开关损耗和滤波电感、电容的损耗，提高电能的转换效率。
附图说明
图1是类两电平MMC拓扑基本结构图；
图2是本发明所提出的类三电平输出的混合式模块化MMC拓扑；
图3是上桥臂导通时的功率回路图；
图4是半桥子模块结构图；
图5是箝位桥臂导通时的功率回路图；
图6是全桥子模块结构图；
图7是全桥子模块在正半周期内的电流路径图；
图8是全桥子模块在负半周期内的电流路径图；
图9是下桥臂导通时的功率回路图；
图10是具体实施例的结构图；
图11是在实施例下本发明提出的变换器交流侧电压仿真图；
图12是在实施例下本发明提出的变换器交流侧电流仿真图。
其中，如附图所示，灰色部分为断开，黑色部分为导通或工作。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。
实施例1：一种类三电平混合式模块化多电平变换器及其控制方法，本发明采用的技术方案如图2所示，新的混合式MMC通过采用三个桥臂，以实现三电平的交流相电压输出。其分别为上桥臂、下桥臂以及把直流侧电压中点与上、下桥臂的公共点连接起来的箝位桥臂。与类两电平MMC区别在于，增加了把直流侧电压中点与上、下桥臂的公共点相连接的箝位桥臂。三个桥臂都分别串接了缓冲电感，抑制桥臂中器件开关时的瞬态电流。若正母线P和负母线N之间的电压为V dc，上、下桥臂中半桥子模块的个数为N，则上、下桥臂每个子模块所需承受的电压为V dc/N。若此时箝位桥臂中全桥子模块的个数为F，则箝位桥臂中每个全桥子模块所需承受的电压为V dc/(2F)。当上、下桥臂和箝位桥臂中子模块所承受的电压相同时，F=N/2。
所述控制方法为：正常工作情况下，在正半周期内输出交流相电压电平为V dc/2和0，上桥臂和箝位桥臂交替导通，上桥臂导通时，输出电平为V dc/2；箝位桥臂导通时，输出电平为0。在负半周期内，输出电平为0和-V dc/2，箝位桥臂和下桥臂交替导通，下桥臂导通时，输出电平为-V dc/2，箝位桥臂导通时，输出电平为0。
上桥臂导通时的功率回路如图3所示，上桥臂的半桥子模块如图4所示，半桥子模块中的两个IGBT互补导通。半桥子模块中的下管功率器件S2导通时，半桥子模块被旁路，半桥子模块输出电压为0；半桥子模块中的上管功率器件S1导通时，半桥子模块中的电容被接入，半桥子模块输出电压为V dc/N。当整个桥臂中所有半桥子模块的下管导通时，桥臂中所有半桥子模块被旁路。当半桥子模块被接入时，若流过半桥子模块电容的电流为正，则半桥子模块电容被充电，若流过过半桥子模块电容的电流为负，则半桥子模块电容放电。
箝位桥臂导通时的功率回路如图5所示，箝位桥臂所用的全桥子模块如图6所示。在正半周期：下管功率器件S6保持常通、上管功率器件S5保持关断，如图7所示，下管功率器件S4导通时，全桥子模块被旁路，全桥子模块输出电压为0；上管功率器件S3导通时，全桥子模块中的电容被接入，全桥子模块输出电压为V dc/N。在负半周期：功率器件S4保持常通、S3保持关断，如图8所示，器件S6导通时，全桥子模块被旁路，全桥子模块输出电压为0；器件S5导通时，全桥子模块中的电容被接入，全桥子模块输出电压为V dc/N。当全桥子模块被接入时，若流过全桥子模块电容的电流为正，则全桥子模块电容被充电，若流过全桥子模块电容的电流为负，则全桥子模块电容放电。
下桥臂导通时的功率回路如图9所示，其子模块的工作原理与上桥臂类似。
实施例2：如图10所示，直流侧输入电压为10.5KV，交流侧相电压频率为5Hz,上桥臂和下桥臂各有6个半桥子模块级联，箝位桥臂有3个全桥子模块级联，且三个桥臂分别都串接一个缓冲电感，输出交流端接阻感负载。当上桥臂导通时，输出相电压为,即5.25KV的电压；当箝位桥臂导通时，输出相电压为0；当下桥臂导通时，输出相电压为- />，即-5.25KV的电压。
在该实施例下，本发明提出的类三电平混合式MMC交流侧的电压、电流波形如图11和图12所示。
若采用如图1所示的类两电平MMC拓扑电路，直流侧输入电压为10.5KV，上桥臂和下桥臂各有6个半桥子模块级联。当上桥臂导通时，输出相电压为,即5.25KV的电压；当下桥臂导通时，输出电压为- />，即-5.25KV的电压。因此，类两电平MMC拓扑只能输出两个电平，输出电压谐波较大，需要较大的输出滤波电感、电容。
在类三电平混合式MMC拓扑结构中，MMC工作在类三电平方式，能显著减小子模块所需的电容；输出交流相电压为三个电平，减小输出电压谐波，减小输出电感、电容的体积和成本；可降低开关损耗和滤波电感、电容的损耗，提高电能的转换效率。
上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (4)

1.一种类三电平混合式模块化多电平变换器，其特征在于：包括上、下桥臂以及连接直流侧电压中点与上、下桥臂公共点之间的箝位桥臂；上、下桥臂采用半桥子模块作为基本单元；箝位桥臂采用全桥子模块作为基本单元；所述上、下桥臂由N个半桥子模块级联构成，半桥子模块的个数由直流母线电压和半桥子模块电容电压实际应用环境决定；所述箝位桥臂由F个全桥子模块级联构成，F＝N/2；每个全桥子模块包括功率器件S6、功率器件S5、功率器件S4、功率器件S3以及全桥子模块电容；
若正母线P和负母线N之间的电压为Vdc，正常工作情况下，变换器输出交流相电压为三个电平Vdc/2、0、-Vdc/2；在正半周期内，输出电平为Vdc/2和0，上桥臂和箝位桥臂交替导通，上桥臂导通时，输出电平为Vdc/2，箝位桥臂导通时，输出电平为0；在负半周期内，输出电平为0和-Vdc/2，箝位桥臂和下桥臂交替导通，下桥臂导通时，输出电平为-Vdc/2，箝位桥臂导通时，输出电平为0；
箝位桥臂导通时；在正半周期：其全桥子模块的功率器件S6保持常通、功率器件S5保持关断，功率器件S4导通时，全桥子模块被旁路，全桥子模块输出电压为0；功率器件S3导通时，全桥子模块电容被接入，全桥子模块输出电压为Vdc/N；在负半周期：功率器件S4保持常通、功率器件S3保持关断，功率器件S6导通时，全桥子模块被旁路，全桥子模块输出电压为0；功率器件S5导通时，全桥子模块电容被接入，全桥子模块输出电压为Vdc/N；当全桥子模块被接入时，若流过全桥子模块电容的电流为正，则全桥子模块电容被充电，若流过全桥子模块电容的电流为负，则全桥子模块电容放电。
2.根据权利要求1所述的类三电平混合式模块化多电平变换器，其特征在于：三个桥臂都分别串接了缓冲电感，用于抑制桥臂中器件开关时的瞬态电流。
3.一种控制权利要求1或2所述的类三电平混合式模块化多电平变换器的方法，其特征在于：取电源为Vdc；
在正半周期内输出交流相电压电平为Vdc/2和0，上桥臂和箝位桥臂交替导通，上桥臂导通时，输出电平为Vdc/2；箝位桥臂导通时，输出电平为0；在负半周期内，输出电平为0和-Vdc/2，箝位桥臂和下桥臂交替导通，下桥臂导通时，输出电平为-Vdc/2，箝位桥臂导通时，输出电平为0。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：
上桥臂导通时，上桥臂的半桥子模块中的两个IGBT互补导通；半桥子模块中的下管功率器件S2导通时，半桥子模块被旁路，半桥子模块输出电压为0；半桥子模块中的上管功率器件S1导通时，半桥子模块中的电容被接入，半桥子模块输出电压为Vdc/N；当整个桥臂中所有半桥子模块的下管导通时，桥臂中所有半桥子模块被旁路；当半桥子模块被接入时，若流过半桥子模块电容的电流为正，则半桥子模块电容被充电，若流过过半桥子模块电容的电流为负，则半桥子模块电容放电，下桥臂导通时，其子模块的工作原理与上桥臂类似。
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