CN110729896A - 基于mmc的双向直流变换器及其控制系统 - Google Patents

基于mmc的双向直流变换器及其控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电力电子领域，具体提供一种基于MMC的双向直流变换器，该变换器包括第一直流端口、第二直流端口、多个第一MMC模块、多个第二MMC模块、多个第一电容器、第二电容器、第一电感器和第二电感器，第一电感器的第一端与第一直流端口的第一电极连接；多个第一MMC模块串联形成第一串联支路；多个第二MMC模块串联形成第二串联支路；每个第一电容器的第一端和第二端分别与串联顺序相同的第一MMC模块和第二MMC模块的第二端连接；第二电感器的第二端与第二直流端口的第一电极连接，第一电容器和第二电容器的第二端与第二直流端口的第二电极连接；第一电感器与第二电感器正向耦合且共用磁芯。本发明有效降低了变换器的开关损耗，提高了输出电压等级。

Description

基于MMC的双向直流变换器及其控制系统
技术领域
本发明涉及电力电子器件技术领域，具体涉及一种基于MMC的双向直流变换器及其控制系统。
背景技术
当今社会，环境和能源问题已经成为世界各国关注的热点。在各种新能源与可再生能源迅速发展的影响下，电源系统正朝着燃料电池、光伏发电及风力发电等新型能源综合应用的混合能源领域发展，电压等级越来越高，单机容量越来越大。如今双向变换器已经被广泛应用于蓄电池充放电、电动汽车车载电源、直流不停电电源系统、航空能源、太阳能光伏发电系统等领域中。
然而，现有的双向直流变换器存在开关损耗大、整体效率低、输出功率等级低、输出电压低等缺点。相应地，随着空间电源大功率需求的快速发展，本领域需要新型双向高压直流变换器来解决这些问题。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有双向直流变换器开关损耗大、整体效率低、输出功率等级低等技术问题，本发明提供了一种基于MMC的双向直流变换器及其控制系统。本发明的变换器采用多个MMC(Modular Multilevel Converter，模块化多电平换流器)串联子模块作为开关模块，可有效降低变换器损耗，大幅提高设备容量，进一步提高直流变换器的输出电压等级，实现电能高效变换。
具体而言，在第一方面，本发明提供一种基于MMC的双向直流变换器，该双向直流变换器包括第一直流端口、第二直流端口、多个第一MMC模块、多个第二MMC模块、多个第一电容器、第二电容器、第一电感器和第二电感器；所述第一电感器的第一端与所述第一直流端口的第一电极连接；多个所述第一MMC模块串联形成第一串联支路，所述第一串联支路中首个第一MMC模块的第一端与所述第一电感器的第二端连接，所述第一串联支路中最后一个第一MMC模块的第二端与所述第一直流端口和所述第二直流端口的第二电极连接；多个所述第二MMC模块串联形成第二串联支路，所述第二串联支路中首个第二MMC模块的第一端与所述第一电感器的第二端连接，所述第二串联支路中最后一个第二MMC模块的第二端与所述第一电容器、所述第二电容器和所述第二电感器的第一端连接；每个所述第一电容器的第一端和第二端分别与串联顺序相同的第一MMC模块和第二MMC模块的第二端连接；所述第二电感器的第二端与所述第二直流端口的第一电极连接，所述第一电容器和所述第二电容器的第二端与所述第二直流端口的第二电极连接；所述第一电感器与所述第二电感器正向耦合且共用磁芯。
在上述双向直流变换器的优选实施方式中，所述双向直流变换器还包括第三电感器和第三电容器；所述第三电感器连接在所述第二电感器的第二端与所述第二直流端口的第一电极之间，所述第三电容器连接在所述第二直流端口的第一电极与第二电极之间。
在上述双向直流变换器的优选实施方式中，所述第二电容器的第二端与所述第二直流端口的第二电极之间设置有电阻器。
在上述双向直流变换器的优选实施方式中，所述第一MMC模块和所述第二MMC模块均为半桥功率MMC模块、全桥功率MMC模块或箝位双MMC模块。
在上述双向直流变换器的优选实施方式中，所述第一MMC模块和所述第二MMC模块均为半桥功率MMC模块，所述半桥功率MMC模块包括彼此串联成环路的两个IGBT和一个子电容器以及分别与所述两个IGBT并联的二极管，所述半桥功率MMC模块的第一端连接在两个IGBT之间，第二端连接在一个IGBT与所述子电容器之间。
在上述双向直流变换器的优选实施方式中，所述第一直流端口的第一电极和第二电极分别为所述第一直流端口的正极和负极，所述第二直流端口的第一电极和第二电极分别为所述第二直流端口的正极和负极。
在上述双向直流变换器的优选实施方式中，所述第一直流端口的第一电极和第二电极与电池相连，所述第二直流端口的第一电极和第二电极与负载相连。
在第二方面，本发明提供一种用于上述双向直流变换器的控制系统，所述控制系统包括电压电流采样电路、控制算法电路和驱动电路；所述电压电流采样电路连接到所述双向直流变换器，用于采集所述双向直流变换器两端的电压信号和线路电流信号，所述控制算法电路分别与所述电压电流采样电路和所述驱动电路连接，所述驱动电路分别连接至每个第一MMC模块和每个第二MMC模块内的IGBT，所述控制算法电路基于所述电压信号和所述线路电流信号、借助所述驱动电路控制每个第一MMC模块和每个第二MMC模块的通断。
在上述控制系统的优选实施方式中，所述电压信号是所述第二直流端口的第一电极与第二电极之间的电压信号，所述线路电流信号是流过所述第一电感器和所述第二电感器的电流信号。
与现有的变换器相比，本发明的技术方案至少具有如下有益效果：首先，由于采用MMC模块进行投切控制，本发明的变换器开关损耗低、运行效率高并且谐波水平低。其次，特别是当将多个MMC模块串联成支路并且与对应数量的电容器配合使用时，本发明的变换器能够消除半导体器件的电压和电流耐受水平对变换器的功率容量造成的限制，由于多个MMC模块可以根据需要自由通断，本发明的变换器可以在现有半导体器件的水平下实现更高的电压输出，传送更大的容量。
附图说明
下面结合附图来描述本发明的优选实施方式，附图中：
图1是本发明第一实施例的双向直流变换器的结构示意图；
图2是本发明第二实施例的双向直流变换器的结构示意图；
图3是用于本发明的双向直流变换器的一种MMC子模块的电路原理图；
图4是图3所示MMC子模块的工作状态图表，其中示出了该MMC子模块的三种状态和六种工作模式。
图5是用于本发明的双向直流变换器的另一种MMC子模块的电路原理图；
图6是本发明的控制系统的原理图。
具体实施方式
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。
首先参阅附图1，该图示出了本发明第一实施例的双向直流变换器的结构示意图。如图1所示，根据本发明第一实施例的新型双向直流变换器为多电平拓扑结构，所述多电平拓扑结构包括第一直流端口、第二直流端口、多个电容(具体是第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3……第n电容Cn、第n+1电容Cn+1、第n+2电容Cn+2)、三个储能电感(具体是储能电感L1、L2、L3)、多个MMC模块(具体是第一MMC模块SM1、第二MMC模块SM2……第2n-1MMC模块SM2n-1、第2nMMC模块SM2n)、第一电阻R，其中n为电平数。具体地，第一直流端口包括正极A和负极B，第二直流端口包括正极C和负极D。第一MMC模块SM1、第二MMC模块SM2……第2n-1MMC模块SM2n-1、第2nMMC模块SM2n是拥有三种工作状态、六种工作模式的MMC模块，其分别由IGBT、二极管和电容组成，具体拓扑结构下面将结合图3和4详细描述。
如图1所示，第一储能电感L1的第二引出端子、第一MMC模块SM1的第一引出端子、第二MMC模块SM2的第一引出端子在第一连接点1处连接，第一MMC模块SM1的第二引出端子、第一电容C1的第一引出端子、第三MMC模块SM3的第一引出端子在第二连接点2处连接，第二MMC模块SM2的第二引出端子、第一电容C1的第二引出端子、第四MMC模块SM4的第一引出端子在第三连接点3处连接，第三MMC模块SM3的第二引出端子、第二电容C2的第一引出端子在第四连接点4处连接，第四MMC模块SM4的第二引出端子、第二电容C2的第二引出端子在第五连接点5处连接。以此类推，第2n-1MMC模块SM2n-1的第一引出端子、第n-1电容Cn-1的第一引出端子在第2n-2连接点2n-2处连接，第n-1电容Cn-1的第二引出端子、第2nMMC模块SM2n的第一引出端子在第2n-1连接点2n-1处连接，第2n-1MMC模块SM2n-1的第二引出端子、第一电阻R的第二引出端子、第n+1电容Cn+1的第二引出端子、第n+2电容Cn+2的第二引出端子在第2n连接点2n处连接，第2nMMC模块SM2n的第二引出端子、第n电容Cn的第一引出端子、第n+1电容Cn+1的第一引出端子、第二储能电感L2的第一引出端子在第2n+1连接点2n+1处连接，第二储能电感L2的第二引出端子、第三储能电感L3的第一引出端子在第2n+2连接点2n+2处连接，第三储能电感L3的第二引出端子、第n+2电容Cn+2的第一引出端子在第2n+3连接点2n+3处连接。第一储能电感L1和第二储能电感L2正向耦合，共用一个磁芯。
接下来参阅图2，该图示出了本发明第二实施例的双向直流变换器的结构示意图。具体而言，本发明的第二实施例是在第一实施例的基础上去掉第n+2电容Cn+2和储能电感L3实现的。如图2所示，根据本发明第二实施例的新型双向直流变换器为多电平拓扑结构，所述多电平拓扑结构包括第一直流端口、第二直流端口、多个电容(具体是第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、……第n电容Cn、第n+1电容Cn+1)、两个储能电感(具体是储能电感L1、L2)、多个MMC模块(具体是第一MMC模块SM1、第二MMC模块SM2……第2n-1MMC模块SM2n-1、第2nMMC模块SM2n)、第一电阻R，其中n为电平数。具体地，第一直流端口包括正极A和负极B，第二直流端口包括正极C和负极D。与第一实施例类似，第一MMC模块SM1、第二MMC模块SM2、第2n-1MMC模块SM2n-1、第2nMMC模块SM2n是拥有三种工作状态、六种工作模式的MMC模块，其分别由IGBT、二极管和电容组成，具体拓扑结构下面将结合图3和4详细描述。
如图2所示，第一储能电感L1的第二引出端子、第一MMC模块SM1的第一引出端子、第二MMC模块SM2的第一引出端子在第一连接点1处连接，第一MMC模块SM1的第二引出端子、第一电容C1的第一引出端子、第三MMC模块SM3的第一引出端子在第二连接点2处连接，第二MMC模块SM2的第二引出端子、第一电容C1的第二引出端子、第四MMC模块SM4的第一引出端子在第三连接点3处连接，第三MMC模块SM3的第二引出端子、第二电容C2的第一引出端子在第四连接点4处连接，第四MMC模块SM4的第二引出端子、第二电容C2的第二引出端子在第五连接点5处连接。以此类推，第2n-1MMC模块SM2n-1的第一引出端子、第n-1电容Cn-1的第一引出端子在第2n-2连接点2n-2处连接，第n-1电容Cn-1的第二引出端子、第2nMMC模块SM2n的第一引出端子在第2n-1连接点2n-1处连接，第2n-1MMC模块SM2n-1的第二引出端子、第一电阻R的第二引出端子、第n+1电容Cn+1的第二引出端子在第2n连接点2n处连接，第2nMMC模块SM2n的第二引出端子、第n电容Cn的第一引出端子、第n+1电容Cn+1的第一引出端子、第二储能电感L2的第一引出端子在第2n+1连接点2n+1处连接，第二储能电感L2的第二引出端子在第2n+2连接点2n+2处连接。第一储能电感L1和第二储能电感L2正向耦合，共用一个磁芯，通过正向耦合电感的漏感阻碍不同功率方向二极管的导通。
下面结合图3和4来描述本发明的变换器中使用的MMC模块的一个优选实施例。如图3所示，本发明的优选实施例的MMC模块为半桥功率MMC模块，其分别由两个电子开关IGBT器件T1和T2、两个二极管D1和D2以及一个电容C0组成，两个IGBT T1和T2和电容C0串联成环路，两个二极管D1和D2分别与两个IGBT T1和T2并联。所述半桥功率MMC模块的第一端A连接在两个IGBT T1和T2之间，第二端B连接在IGBT T2与电容C0之间。如图4所示，所述半桥功率MMC模块包括三个工作状态和六个工作模式，三个工作状态分别为闭锁、投入和切除，其中投入表示电子开关T1导通，T2断开，电容C0投入运行；切除表示电子开关T1断开，T2导通，电容C0不在系统中运行；闭锁表示电子开关T1和T2均断开。以图4中的模式3为例，在电流从A到B的情况下，电子开关T1断开，T2导通，则所述半桥功率MMC模块的状态为切除，此时所述半桥功率MMC模块作为开关模块是切除状态，电容C0被旁路。其他五个模式以此类推，此处不再赘述。
需要指出的是，尽管这里结合将本发明的MMC模块描述为半桥功率MMC模块，但是，这并不是限制性的，在不改变本发明的原理的情况下，所述MMC模块显然也可以其是其他类型，例如全桥功率MMC模块、箝位双MMC模块等。例如，图5就示出了一种全桥功率MMC模块，其工作状态和模式切换是本领域技术人员已知的，此处不再赘述。
下面结合图6来描述本发明的变换器的控制系统。如图6所示，该图是结合本发明第一实施例的变换器结构来显示的。具体而言，本发明的控制系统包括电压电流采样电路、控制算法电路和驱动电路。所述电压电流采样电路连接到所述双向直流变换器，用于采集所述双向直流变换器两端的电压信号和线路电流信号。具体地，所述电压电流采样电路连接到所述双向直流变换器的电容Cn+2的两端，用于采集电容Cn+2的电压信号(即，第二直流端口的第一电极与第二电极之间的电压信号)作为外环控制，其还连接到第一储能电感L1或第二储能电感L2上以便采集流过第一储能电感L1和第二储能电感L2的电流信号作为内环控制。所述控制算法电路分别与所述电压电流采样电路和所述驱动电路连接，所述驱动电路分别连接至每个MMC模块内的IGBT，所述控制算法电路基于所述外环电压信号和所述内环线路电流信号、借助所述驱动电路控制每个MMC模块的通断。此外，所述电压电流采样电路还可以连接到并采集电容Cn+1的电压信号来进行电压不平衡补偿控制，通过进一步调节每个MMC模块的导通和关断时间，实现电容Cn+1的电压平衡控制，保证对应的两个MMC模块的电位差恒定不变。
需要指出的是，尽管这里仅结合第一实施例描述了本发明的控制系统，对于第二实施例而言，本发明的控制系统的采集参数和控制方式是相同，这里不再重复描述。此外，上述电压采样电路、电流采样电路、控制算法电路和驱动电路均可以采用现有技术中的已知电路来实现，本发明对此不作任何限制，只要能够实现上述功能即可。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于MMC的双向直流变换器，其特征在于包括第一直流端口、第二直流端口、多个第一MMC模块、多个第二MMC模块、多个第一电容器、第二电容器、第一电感器和第二电感器，
所述第一电感器的第一端与所述第一直流端口的第一电极连接；
多个所述第一MMC模块串联形成第一串联支路，所述第一串联支路中首个第一MMC模块的第一端与所述第一电感器的第二端连接，所述第一串联支路中最后一个第一MMC模块的第二端与所述第一直流端口和所述第二直流端口的第二电极连接；
多个所述第二MMC模块串联形成第二串联支路，所述第二串联支路中首个第二MMC模块的第一端与所述第一电感器的第二端连接，所述第二串联支路中最后一个第二MMC模块的第二端与所述第一电容器、所述第二电容器和所述第二电感器的第一端连接；
每个所述第一电容器的第一端和第二端分别与串联顺序相同的第一MMC模块和第二MMC模块的第二端连接；
所述第二电感器的第二端与所述第二直流端口的第一电极连接，所述第一电容器和所述第二电容器的第二端与所述第二直流端口的第二电极连接；
所述第一电感器与所述第二电感器正向耦合且共用磁芯。
2.根据权利要求1所述的双向直流变换器，其特征在于，所述双向直流变换器还包括第三电感器和第三电容器，
所述第三电感器连接在所述第二电感器的第二端与所述第二直流端口的第一电极之间，所述第三电容器连接在所述第二直流端口的第一电极与第二电极之间。
3.根据权利要求1或2所述的双向直流变换器，其特征在于，所述第二电容器的第二端与所述第二直流端口的第二电极之间设置有电阻器。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的双向直流变换器，其特征在于，所述第一MMC模块和所述第二MMC模块均为半桥功率MMC模块、全桥功率MMC模块或箝位双MMC模块。
5.根据权利要求4所述的双向直流变换器，其特征在于，所述第一MMC模块和所述第二MMC模块均为半桥功率MMC模块，所述半桥功率MMC模块包括彼此串联成环路的两个IGBT和一个子电容器以及分别与所述两个IGBT并联的二极管，所述半桥功率MMC模块的第一端连接在两个IGBT之间，第二端连接在一个IGBT与所述子电容器之间。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的双向直流变换器，其特征在于，所述第一直流端口的第一电极和第二电极分别为所述第一直流端口的正极和负极，所述第二直流端口的第一电极和第二电极分别为所述第二直流端口的正极和负极。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的双向直流变换器，其特征在于，所述第一直流端口的第一电极和第二电极与电池相连，所述第二直流端口的第一电极和第二电极与负载相连。
8.一种用于权利要求5所述的双向直流变换器的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括电压电流采样电路、控制算法电路和驱动电路，
所述电压电流采样电路连接到所述双向直流变换器，用于采集所述双向直流变换器两端的电压信号和线路电流信号，所述控制算法电路分别与所述电压电流采样电路和所述驱动电路连接，所述驱动电路分别连接至每个第一MMC模块和每个第二MMC模块内的IGBT，所述控制算法电路基于所述电压信号和所述线路电流信号、借助所述驱动电路控制每个第一MMC模块和每个第二MMC模块的通断。
9.根据权利要求8所述的控制系统，其特征在于，所述电压信号是所述第二直流端口的第一电极与第二电极之间的电压信号，所述线路电流信号是流过所述第一电感器和所述第二电感器的电流信号。
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