CN109302058A - 一种具有类三电平输出的直流—直流模块化多电平变换器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有类三电平输出的直流—直流模块化多电平变换器，属于电力电子变换器技术领域。本发明包括四个桥臂，从上到下依次是桥臂1，桥臂2，桥臂3，桥臂4，每个桥臂内部结构相同，均由N个半桥子模块串联得到；半桥子模块的个数由输入的直流电压及采用的开关器件的耐压等级决定；桥臂2的负极性端和桥臂3的正极性端分别与缓冲电感相连接；输出端口的正极性端从桥臂1与桥臂2的中点引出，负极性端从桥臂3与桥臂4的中点引出。本发明提出的类三电平拓扑的输入、输出电压纹波小。在相同的功率器件开关频率和电流纹波下，本发明拓扑的电感值仅为类两电平拓扑的四分之一，由此大大降低了电感体积，可降低系统的体积和成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有类三电平输出的直流—直流模块化多电平变换器及其控制方法，尤其涉及一种用于高压直流输电的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。
背景技术
模块化多电平变换器（Modular Multilevel Converter, MMC）是由基本功率单元（子模块）级联组成的新型多电平变换器拓扑结构，它是由早期研究学者综合了传统多电平变换器及其改进拓扑的优点之后，提出的一种具有显著优势的多电平变换器拓扑，因其特有的优势，如模块化易扩展、可靠性较高、具有公共直流母线、传输容量较大、输出电压谐波小等，在高压直流输电场合具有很好的应用效果。但MMC的最大缺点是传输的能量分布存储在各子模块的电容中，因此传统模块化多电平变换器需采用较大的电容，这间接的增大了变换器的体积和成本。此外，串联在同一桥臂中的子模块被旁路或接入时，易引起电容电压的不平衡。现有的类两电平输出的MMC，能较好的解决上述传统模块化多电平变换器的缺陷：一方面，类两电平输出的MMC的子模块电容不承担能量存储的作用，仅在高低电平过渡，导通关断的桥臂切换时，才有电流流经子模块电容，故降低了MMC所需的电容，同时降低了相应的体积和成本；另一方面，类两电平输出的MMC可采用排序法实现电容电压的平衡。现有的类两电平输出的MMC的基本结构如图1所示，主要分为上桥臂和下桥臂两部分，每个桥臂由N个半桥子模块串联得到，上桥臂和下桥臂之间通常串接缓冲电感防止桥臂在开关过程中发生桥臂直通，导致较大的桥臂电流，输出端口的正极性端从上述缓冲电感的中点引出，负极性端从下桥臂的负极性端引出。
然而，现有的基于类两电平输出的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和电容，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背景技术中所述的类两电平输出的MMC输出谐波较大，所需输出滤波电感和电容值较高，未能实现体积和成本最优等问题，提出了一种类三电平输出的直流-直流模块化多电平变换器拓扑及其控制方法。
本发明技术方案是：一种具有类三电平输出的直流—直流模块化多电平变换器，包括四个桥臂，从上到下依次是桥臂1，桥臂2，桥臂3，桥臂4，每个桥臂内部结构相同，均由N个半桥子模块串联得到；半桥子模块的个数由输入的直流电压及采用的开关器件的耐压等级决定。
所述桥臂2与桥臂3间通过两个缓冲电感连接，用于防止开关切换过程中发生桥臂直通，导致较大的桥臂电流，具体的为桥臂2的负极性端和桥臂3的正极性端分别与缓冲电感相连接。
取电源V dc的中点为电压参考点，参考点与上述的两个缓冲电感中点相连接。
输出端口的正极性端从桥臂1与桥臂2的中点引出，负极性端从桥臂3与桥臂4的中点引出。
取电源为V dc，在占空比小于50%情况下，输出电平为V dc/2和0，占空比大于50%情况下，输出电平为V dc/2和V dc；在占空比等于50%情况下，输出电平为V dc/2；因此变换器能够输出的电平为0、V dc/2和V dc。
一种具有类三电平输出的直流—直流模块化多电平变换器的控制方法，取电源为V dc；
当桥臂1与桥臂3导通，其余桥臂关断时；或桥臂2与桥臂4导通，其余桥臂关断时，输出电压均为V dc/2；
当占空比小于50%，中间两个桥臂桥臂2与桥臂3同时导通时，输出电平电压为0；
当占空比等于50%，桥臂1与桥臂3导通，其余桥臂关断时；或桥臂2与桥臂4导通，其余桥臂关断时，输出电压均为V dc/2；
当占空比大于50%，桥臂1和桥臂4同时导通时，输出电平电压为V dc。
当桥臂1与桥臂3导通，其余桥臂关断时；每个半桥子模块的上下两个IGBT互补导通，当上管关断，下管导通时，半桥子模块电容被旁路，当上管导通，下管关断时，半桥子模块电容被接入；当桥臂1与桥臂3的所有子模块电容被旁路时，桥臂1与桥臂3处于导通状态，此时输出电平电压为V dc/2；
当桥臂2与桥臂4导通，其余桥臂关断时，每个半桥子模块的上下两个IGBT互补导通，当上管关断，下管导通时，半桥子模块电容被旁路，当上管导通，下管关断时，半桥子模块电容被接入；当桥臂2与桥臂4的所有子模块电容被旁路时，桥臂2与桥臂4处于导通状态，此时输出电平电压为V dc/2。
当占空比小于50%时，若桥臂2与桥臂3的所有子模块电容被同时旁路，这两个桥臂同时处于导通状态时，此时输出电压为0。
当占空比等于50%，桥臂1与桥臂3的所有子模块电容被旁路，桥臂1与桥臂3处于导通状态，其余桥臂关断，此时输出电平电压为V dc/2；或桥臂2与桥臂4的所有子模块电容被旁路，桥臂2与桥臂4处于导通状态，此时输出电平电压为V dc/2。
当占空比大于50%时，若桥臂1与桥臂4的所有子模块电容被同时旁路，则这两个桥臂同时处于导通状态，此时输出电压为V dc。
所述的具有类三电平输出的直流—直流模块化多电平变换器在双向功率流动时的应用，双向功率流动使得变换器可工作于降压模式或升压模式：
功率正向流动（V dc1流向V dc2），变换器则工作于降压模式（本发明着重描述的即为降压模式）；
功率反向流动时（V dc2流向V dc1），变换器可工作于升压模式；即当升压模式，只不过把输入输出对调，其原理和降压模式类似。
本发明的有益效果是：本发明实现直流—直流变换功能，输入、输出电压纹波小于类两电平拓扑，在相同的开关频率和电流纹波下，本发明拓扑的电感值仅为类两电平拓扑的四分之一，由此大大降低了电感体积和成本。
附图说明
图1是已有的类两电平输出的MMC的基本结构；
图2是本发明所提出的类三电平输出的MMC拓扑结构；
图3是输出电压为V dc/2时的第一种功率回路图；
图4是输出电压为V dc/2时的第二种功率回路图；
图5是输出电压为0时的功率回路图；
图6是输出电压为V dc时的功率回路图；
图7是具体实施例的结构图；
图8是在本发明具体实施例下，占空比>50%的变换器输出电压仿真图；
图9是在本发明具体实施例下，占空比>50%的变换器电感电流仿真图；
图10是在本发明具体实施例下，占空比<50%的变换器输出电压仿真图；
图11是在本发明具体实施例下，占空比<50%的变换器电感电流仿真图。
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：如图1所示，一种具有类三电平输出的直流—直流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，新的类三电平输出的直流-直流模块化多电平变换器通过采用四个桥臂，以实现三电平的电压输出。从上到下依次是桥臂1，桥臂2、桥臂3、桥臂4，每个桥臂内部结构相同，均由N个半桥子模块串联得到。桥臂2的负极性端和桥臂3的正极性端分别与缓冲电感相连接，以避免在开关过程中发生桥臂直通，导致较大的桥臂电流。取电源V dc的中点为电压参考点，参考点与上述的两个缓冲电感中点相连接。输出端口的正极性端从桥臂1与桥臂2的中点引出，负极性端从桥臂3与桥臂4的中点引出。取电源为V dc，在占空比小于50%情况下，输出电平为V dc/2和0，占空比大于50%情况下，输出电平为V dc/2和V dc；在占空比等于50%情况下，输出电平为V dc/2；因此变换器能够输出的电平为0、V dc/2和V dc。
所述方法如下：当桥臂1与桥臂3导通，其余桥臂关断时；或桥臂2与桥臂4导通，其余桥臂关断时，输出电压均为V dc/2。当占空比小于50%，中间两个桥臂同时导通时，输出电平电压为0。当占空比大于50%，桥臂1和桥臂4同时导通时，输出电平电压为V dc。
输出电平电压为V dc/2的功率回路如图3和图4所示。以图3中桥臂1与桥臂3同时导通，其余桥臂关断为例进行分析。每个半桥子模块的上下两个IGBT互补导通，当上管关断，下管导通时，半桥子模块电容被旁路，当上管导通，下管关断时，半桥子模块电容被接入。当桥臂1与桥臂3的所有子模块电容被旁路时，桥臂1与桥臂3处于导通状态，此时输出电平电压为V dc/2。桥臂2与桥臂4同时导通时，输出电平也为V dc/2，如图4所示。
输出电平电压为0时的功率回路如图5所示。当占空比小于50%时，若桥臂2与桥臂3的所有子模块电容被同时旁路，这两个桥臂同时处于导通状态时，此时输出电压为0。
当占空比等于50%，桥臂1与桥臂3的所有子模块电容被旁路，桥臂1与桥臂3处于导通状态，其余桥臂关断，此时输出电平电压为V dc/2；或桥臂2与桥臂4的所有子模块电容被旁路，桥臂2与桥臂4处于导通状态，此时输出电平电压为V dc/2。
输出电平电压为V dc时的功率回路如图6所示，当占空比大于50%时，若桥臂1与桥臂4的所有子模块电容被同时旁路，则这两个桥臂同时处于导通状态，此时输出电压为V dc。
实施例2：本发明的具体实施方式如图7所示，类三电平输出的模块化多电平变换器由四个桥臂构成，从上到下依次是桥臂1，桥臂2、桥臂3、桥臂4，每个桥臂内部结构相同，均由6个半桥子模块串联得到，故共有24个半桥子模块，每个半桥子模块由两个绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）及一个电容构成。直流输入电压为10.5 kV，故子模块电容的电压为V dc/（6*2），即0.875 kV。桥臂2的负极性端和桥臂3的正极性端分别与缓冲电感相连接，以避免在开关过程中发生桥臂直通，导致较大的桥臂电流。用两个电压为5.25 kV的电源等效直流输入电源，取等效电源的中点为电压参考点，参考点与上述的两个缓冲电感中点相连接。输出端口的正极性端从桥臂1与桥臂2的中点引出，负极性端从桥臂3与下臂4的中点引出。
所述方法如下：
本实施例下，占空比大于50%时，输出电压电平为V dc和V dc/2，即10.5kV和5.25kV，此时的输出电压、电感电流波形分别如图8、9所示。占空比小于50%时，输出电压电平为0和V dc/2，即0和5.25kV，此时的输出电压、电感电流波形分别如图10、11所示。
若采用如图1所示的已有类两电平输出的MMC的基本结构，它仅由上桥臂和下桥臂两个桥臂构成，两个桥臂各由12个半桥子模块串联而成，上桥臂的负极性端和下桥臂的正极性端分别与缓冲电感相连接，以避免在开关过程中发生桥臂直通，导致较大的桥臂电流。输出端口的正极性端从上述两个缓冲电感的中点引出，输出端口的负极性端从下桥臂的负极性端引出，直流输入电压为10.5 kV，故子模块电容的电压为V dc/12，即0.875 kV。当上桥臂导通时，输出电压为V dc，即10.5 kV电压；当下桥臂导通时，输出电压为0V。因此，具有类两电平输出的MMC拓扑只能输出两个电平，输出电压谐波大，需要较大的输出滤波电感和电容。
本发明所提出的类三电平输出的MMC，可实现三电平输出，输入、输出电压纹波小于类两电平拓扑，在相同的开关频率和电流纹波下，本发明拓扑的输出电感值仅为类两电平拓扑的四分之一，由此可大大降低所需的输出电感值和电容值，减小系统的体积和成本。
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 (10)
1.一种具有类三电平输出的直流—直流模块化多电平变换器，其特征在于：包括四个桥臂，从上到下依次是桥臂1，桥臂2，桥臂3，桥臂4，每个桥臂内部结构相同，均由N个半桥子模块串联得到；半桥子模块的个数由输入的直流电压及采用的开关器件的耐压等级决定。
2.根据权利要求1所述的具有类三电平输出的直流—直流模块化多电平变换器，其特征在于：所述桥臂2与桥臂3间通过两个缓冲电感连接，用于防止开关切换过程中发生桥臂直通，导致较大的桥臂电流，具体的为桥臂2的负极性端和桥臂3的正极性端分别与缓冲电感相连接。
3.根据权利要求1所述的具有类三电平输出的直流—直流模块化多电平变换器，其特征在于：取电源V dc的中点为电压参考点，参考点与上述的两个缓冲电感中点相连接。
4.根据权利要求1所述的具有类三电平输出的直流—直流模块化多电平变换器，其特征在于：输出端口的正极性端从桥臂1与桥臂2的中点引出，负极性端从桥臂3与桥臂4的中点引出。
5.根据权利要求1所述的具有类三电平输出的直流—直流模块化多电平变换器，其特征在于：取电源为V dc，在占空比小于50%情况下，输出电平为V dc/2和0，占空比大于50%情况下，输出电平为V dc/2和V dc；在占空比等于50%情况下，输出电平为V dc/2；因此变换器能够输出的电平为0、V dc/2和V dc。
6.一种控制权利要求1-5中任一项所述的具有类三电平输出的直流—直流模块化多电平变换器的方法，其特征在于：取电源为V dc；
当桥臂1与桥臂3导通，其余桥臂关断时；或桥臂2与桥臂4导通，其余桥臂关断时，输出电压均为V dc/2；
当占空比小于50%，中间两个桥臂桥臂2与桥臂3同时导通时，输出电平电压为0；
当占空比等于50%，桥臂1与桥臂3导通，其余桥臂关断时；或桥臂2与桥臂4导通，其余桥臂关断时，输出电压均为V dc/2；
当占空比大于50%，桥臂1和桥臂4同时导通时，输出电平电压为V dc。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：
当桥臂1与桥臂3导通，其余桥臂关断时；每个半桥子模块的上下两个IGBT互补导通，当上管关断，下管导通时，半桥子模块电容被旁路，当上管导通，下管关断时，半桥子模块电容被接入；当桥臂1与桥臂3的所有子模块电容被旁路时，桥臂1与桥臂3处于导通状态，此时输出电平电压为V dc/2；
当桥臂2与桥臂4导通，其余桥臂关断时，每个半桥子模块的上下两个IGBT互补导通，当上管关断，下管导通时，半桥子模块电容被旁路，当上管导通，下管关断时，半桥子模块电容被接入；当桥臂2与桥臂4的所有子模块电容被旁路时，桥臂2与桥臂4处于导通状态，此时输出电平电压为V dc/2。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：
当占空比小于50%时，若桥臂2与桥臂3的所有子模块电容被同时旁路，这两个桥臂同时处于导通状态时，此时输出电压为0。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：
当占空比等于50%，桥臂1与桥臂3的所有子模块电容被旁路，桥臂1与桥臂3处于导通状态，其余桥臂关断，此时输出电平电压为V dc/2；或桥臂2与桥臂4的所有子模块电容被旁路，桥臂2与桥臂4处于导通状态，此时输出电平电压为V dc/2。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：
当占空比大于50%时，若桥臂1与桥臂4的所有子模块电容被同时旁路，则这两个桥臂同时处于导通状态，此时输出电压为V dc。
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