CN114649961A - M×n型模块化多电平交交变换器拓扑结构 - Google Patents

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CN114649961A CN202210281913.XA CN202210281913A CN114649961A CN 114649961 A CN114649961 A CN 114649961A CN 202210281913 A CN202210281913 A CN 202210281913A CN 114649961 A CN114649961 A CN 114649961A
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蔡国伟
姜宇
裴忠晨
郭东波
朱帝
王菁月
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Abstract

本发明公开了M×N型模块化多电平交交变换器拓扑结构，包括M个输入端口、N个子变换器、N个输出端口，M个输入端口连接同时连接每个子变换器，每个子变换器连接一个输出端口，每个子变换器包括M个桥臂支路，每个桥臂支路分别连接一个输入端口和一个输出端口；每个桥臂支路包括一个桥臂电感，每个桥臂电感一端连接输入端口，另一端依次串联K个子模块，末端子模块连接一个输出端口。通过调整每个桥臂支路串联模块的数目来达到不同的电压等级，利用低耐压水平的半导体器件实现高压大功率直接交流‑变流变换，减少了直流环节，降低了成本和控制的复杂度，提高了变换装置的功率密度。

Description

M×N型模块化多电平交交变换器拓扑结构
技术领域
本发明属于电能变换电路技术领域，具体涉及M×N型模块化多电平交交变换器拓扑结构。
背景技术
随着电能变换技术的不断发展，高压大容量交流-交流变换(AC-AC)电力电子变换器在新能源并网发电、高压交流输电、大功率变频调速传动等研究领域得到广泛应用。此外，异步并网、低频交流输电、远距离电力网络互连等场合也对能源转换装备的电压等级和功率容量等方面提出了更高的要求，亟待大容量高电压等级AC-AC电力电子变换器的进一步发展。
目前，基于传统两电平电压源型变换器(Voltage Source Converter,VSC)的背靠背结构以及直接式AC-AC矩阵变换器(Matrix converter,MC)是实现交流-交流变换的常用选择。然而，随着电压以及功率等级的提升，以上2种变换器受到半导体器件电压应力大、电平阶跃幅值大、功率密度低以及谐波含量高等缺点的制约。在这一方面，模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)通过级联式结构，可将低耐压水平的半导体器件应用于中/高压应用场合，表现出输入/输出电压谐波含量较低、无需交流滤波电感、易于模块化、可靠性高等显著优点。但MMC在进行交流-交流变换时，需要采用背靠背式结构，即引入直流母线及庞大的直流侧电容，这大大降低了电能变换系统的功率密度及可靠性，限制了其在AC-AC场合的推广应用。
发明内容
本发明的目的是提供M×N型模块化多电平交交变换器拓扑结构，调节变换器中子模块的数量，能够适用于不同电压等级的功率变换，不会因功率器件的电压等级而受到限制，因此本发明在低压场合或者高压大功率场合均可应用，并且无电容储能元件。
本发明所采用的技术方案是，M×N型模块化多电平交交变换器拓扑结构，包括M个输入端口、N个子变换器、N个输出端口，其中M≥3，N≥3，M个输入端口连接同时连接每个子变换器，每个子变换器连接一个输出端口。
本发明的特点还在于：
每个子变换器包括M个桥臂支路，每个桥臂支路分别连接一个输入端口和一个输出端口。
每个桥臂支路包括一个桥臂电感，每个桥臂电感一端连接输入端口，另一端依次串联K个子模块，末端子模块连接一个输出端口。
子模块为全桥子模块、双半桥子模块、钳位双子模块中的一种。
子模块为全桥子模块时，包括一个H全桥和一个直流电容，H全桥与直流电容并联。
H全桥包括4个场效应管，每个场效应管反并联二极管，两个场效应管串联形成一个桥臂，两个桥臂并联且与直流电容并联，将每个桥臂的中部引出端口，用于连接其他子模块或输入端口或输出端口。
本发明的有益效果是：
1)本发明M×N型模块化多电平交交变换器拓扑结构，通过调整每个桥臂支路串联模块的数目来达到不同的电压等级，利用低耐压水平的半导体器件实现高压大功率直接交流-变流变换，减少了直流环节，降低了成本和控制的复杂度，提高了变换装置的功率密度，还具有能量双向流动、输出电平数高、功率因数可控、便于冗余设计、可靠性高、动态响应快、谐波含量低、无需额外无功补偿及滤波装置的优点。
2)本发明M×N型模块化多电平交交变换器拓扑结构，满足大规模分布式电源柔性接入电网、区域电力网络柔性互连、低频输电、高压交流输电、大功率变频调速传动等场景对先进电力电子变换器的要求，实现任意功率因数、频率、幅值、相位的输入和输出。
3)本发明M×N型模块化多电平交交变换器拓扑结构，具有完全模块化、易于集成和扩展的特点，拓扑形式灵活多变，变换器的输入以及输出均可根据实际需求构建为多相，在多相电力系统中拥有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明M×N型模块化多电平交交变换器拓扑结构示意图；
图2为本发明M×N型模块化多电平交交变换器拓扑结构子变换器的桥臂支路及其子模块的结构图；
图3为采用3×4型模块化多电平矩阵变换器所应用的海上风电低频输电系统的示意图；
图4为本发明的一种用于海上风电低频输电系统的3×4型模块化多电平矩阵变换器的拓扑结构示意图；
图5为本发明3×4型模块化多电平交交变换器拓扑结构中子变换器的桥臂支路及其子模块的结构图；
图中，1.输入端口，2.输出端口，3.子变换器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明M×N型模块化多电平交交变换器拓扑结构，如图1所示，包括M个输入端口、N个子变换器3、N个输出端口2，其中M≥3，N≥3，M个输入端口连接同时连接每个子变换器，每个子变换器连接一个输出端口，M×N型模块化多电平交交变换器可以实现多相交流到交流的直接变换，它的输入端口有M个，输出端口有N个(M≥3，N≥3)。并且由于可以调节变换器中子模块的数量，因此可以适用于不同电压等级的功率变换，不会因功率器件的电压等级而受到限制。这和其他实现交流到交流变换的变换器相比，具有很大优势，既可以应用于低压场合，也可以应用于高压大功率场合，并且无电容储能元件；结构非常灵活，M和N可以根据应用场景的需求进行灵活选择。
每个子变换器包括M个桥臂支路，M≥3，每个桥臂支路分别连接一个输入端口和一个输出端口2；本发明中M个输入端口就要对应M个桥臂支路，即每个桥臂都要连接一个输入端口和一个输出端口，进而构成能量的流通路径，否则不能工作。
每个桥臂支路包括一个桥臂电感，每个桥臂电感一端连接输入端口，另一端依次串联K个子模块，末端子模块连接一个输出端口2，其中桥臂电感串联K个子模块具有防止桥臂支路短路的作用，并且能够抑制在各相桥臂支路功率或子模块电容电压瞬时值不完全一致时产生的环流，还可以在系统发生故障时抑制冲击电流，增强系统运行的稳定性。
子模块为全桥子模块、双半桥子模块、钳位双子模块中的一种。
子模块为全桥子模块时，包括一个H全桥和一个直流电容，H全桥与直流电容并联；全桥子模块相对于其他可用的子模块拓扑结构，它的结构简单，元件数量最少，能够保证本变换器正常工作的最简单的结构形式。
H全桥包括4个场效应管，为第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管，每个场效应管反并联二极管，两个场效应管串联形成一个桥臂，两个桥臂并联且与直流电容并联，将每个桥臂的中部引出端口，用于连接其他子模块或输入端口或输出端口2；其中，第一场效应管的发射极与子模块的输入端口相连，第一场效应管的发射极连接第三场效应管的集电极，第二场效应管的发射极与子模块的输出端口相连，第二场效应管的发射极连接第四场效应管的集电极，第一场效应管的集电极与第二场效应管的集电极、子模块电容的正极相连，第三场效应管的集电极与第四场效应管的集电极、子模块电容的负极相连。
实施例
以四相为例，采用3×4型模块化多电平交交变换器拓扑结构应用于海上风电低频输电系统，系统结构如图3所示，包括海上风电场，升压变压器，海底电缆，3×4型模块化多电平矩阵变换器以及陆上电网，其中，海上风电场中的风机发出的电能在汇集后，与升压变压器的一次侧连接，升压变压器的二次侧连接海底电缆，将电能传输至陆上，海底电缆与3×4型模块化多电平矩阵变换器的输入端口连接，3×4型模块化多电平矩阵变换器的输出端口与陆上电网相连，实现电能传输。
结构如图4所示，包括3个输入端口(a,b,c)、4个输出端口(α,β,γ,δ)和4个子变换器(Α,Β,Γ,Γ)。其中，3个输入端口(a,b,c)通过4个子变换器(Α,Β,Γ,Γ)与4个输出端口(α,β,γ,δ)相连，每个子变换器均有3个桥臂支路，每个桥臂支路分别连接1个输入端口和一个输出端口，每个桥臂支路均由K个串联的全桥子模块和一个桥臂电感组成，每个全桥子模块都由一个H全桥和一个直流电容并联而成，每个H全桥都由4个场效应管和4个反并联二极管组成。
3×4型模块化多电平交交变换器拓扑结构的4个子变换器(Α,Β,Γ,Γ)为并联星型连接，Α子变换器连接a,b,c三个输入端口以及α输出端口，Β子变换器连接a,b,c三个输入端口以及β输出端口，Γ子变换器连接a,b,c三个输入端口以及γ输出端口，Γ子变换器连接a,b,c三个输入端口以及δ输出端口。
3×4型模块化多电平交交变换器拓扑结构拥有12个桥臂支路，每个子变换器拥有3个桥臂支路，其中，Α子变换器包含aα,bα,cα三个桥臂支路,Β子变换器包含aβ,bβ,cβ三个桥臂支路,Γ子变换器包含aγ,bγ,cγ三个桥臂支路,Γ子变换器包含aδ,bδ,cδ三个桥臂支路。
3×4型模块化多电平交交变换器拓扑结构的aα桥臂支路由K个全桥子模块和桥臂电感Laα组成，bα桥臂支路由K个全桥子模块和桥臂电感Lbα组成，cα桥臂支路由K个全桥子模块和桥臂电感Lcα组成，以此类推可以得知其他桥臂支路(aβ,bβ,cβ,aγ,bγ,cγ,aδ,bδ,cδ)的组成情况。每个桥臂的K个子模块采取串联的连接方式，一个模块的输出端口与下一个模块的输入端口连接。
3×4型模块化多电平交交变换器拓扑结构桥臂支路中串联的电感，具有防止桥臂支路短路的作用，并且能够抑制在各相桥臂支路功率或子模块电容电压瞬时值不完全一致时产生的环流，还可以在系统发生故障时抑制冲击电流，增强系统运行的稳定性。
3×4型模块化多电平交交变换器拓扑结构桥臂支路ij(i＝a,b,c、j＝α,β,γ,δ)及其一个全桥子模块S如图5所示，由输入端口M,输出端口N,第一场效应管T1及其反并联二极管D1，第二场效应管T2及其反并联二极管D2，第三场效应管T3及其反并联二极管D3，第四场效应管T4及其反并联二极管D4，电容CMN组成。
3×4型模块化多电平交交变换器拓扑结构桥臂支路中的每个全桥子模块中的每个二极管都与一个场效应管反并联连接，二极管D1阳极与场效应管T1的发射极相连，二极管D1阴极与场效应管T1的集电极相连。
3×4型模块化多电平交交变换器拓扑结构桥臂支路中的每个全桥子模块中同一桥臂的两个场效应管为串联连接，第一场效应管T1的发射极与子模块的输入端口相连，第一场效应管T1的发射极连接第三场效应管T3的集电极，第二场效应管T2的发射极与子模块的输出端口相连，第二场效应管T2的发射极连接第四场效应管T4的集电极，第一场效应管T1的集电极与第二场效应管T2的集电极、子模块电容的正极相连，第三场效应管T3的集电极与第四场效应管T4的集电极、子模块电容的负极相连。
本发明公开的3×4型模块化多电平交交变换器拓扑结构的工作原理为：
本发明M×N型模块化多电平交交变换器拓扑结构，通过调整每个桥臂支路串联模块的数目来达到不同的电压等级，利用低耐压水平的半导体器件实现高压大功率直接交流-变流变换，减少了直流环节，降低了成本和控制的复杂度，提高了变换装置的功率密度，还具有能量双向流动、输出电平数高、功率因数可控、便于冗余设计、可靠性高、动态响应快、谐波含量低、无需额外无功补偿及滤波装置的优点。
本发明中变换器能够通过增加变换器内部的子模块数量来实现高压大功率变换，这是其他变换器做不到的，因为其他变换器的结构大致固定，不能进行随意扩展，这就导致电压以及功率等级会受到变换器内部功率器件耐压水平的限制，而本变换器的可扩展性很强，可以随意改变子模块数量。另外，根据本变换器的工作原理，可以直接实现交流到交流的变换，而有的AC-AC变换器是要借助直流来实现交流到交流的变换，即它的工作变换过程为：交流先到直流，然后再到交流，这就需要很大的中间储能元件将直流先稳住。
通过上述方式，本发明公开的3×4型模块化多电平交交变换器拓扑结构能满足大规模分布式电源柔性接入电网、区域电力网络柔性互连、低频输电、高压交流输电、大功率变频调速传动等场景对先进电力电子变换器的要求。

Claims (6)

1.M×N型模块化多电平交交变换器拓扑结构，其特征在于，包括M个输入端口(1)、N个子变换器(3)、N个输出端口(2)，其中M≥3，N≥3，M个输入端口(1)连接同时连接每个子变换器，每个所述子变换器连接一个输出端口。
2.根据权利要求1所述M×N型模块化多电平交交变换器拓扑结构，其特征在于，每个所述子变换器包括M个桥臂支路，每个所述桥臂支路分别连接一个输入端口(1)和一个输出端口(2)。
3.根据权利要求2所述M×N型模块化多电平交交变换器拓扑结构，其特征在于，每个所述桥臂支路包括一个桥臂电感，每个所述桥臂电感一端连接输入端口(1)，另一端依次串联K个子模块，末端所述子模块连接一个输出端口(2)。
4.根据权利要求3所述M×N型模块化多电平交交变换器拓扑结构，其特征在于，所述子模块为全桥子模块、双半桥子模块、钳位双子模块中的一种。
5.根据权利要求4所述M×N型模块化多电平交交变换器拓扑结构，其特征在于，所述子模块为全桥子模块时，包括一个H全桥和一个直流电容，所述H全桥与直流电容并联。
6.根据权利要求5所述M×N型模块化多电平交交变换器拓扑结构，其特征在于，所述H全桥包括4个场效应管，每个场效应管反并联二极管，两个场效应管串联形成一个桥臂，两个桥臂并联且与直流电容并联，将每个桥臂的中部引出端口，用于连接其他子模块或输入端口(1)或输出端口(2)。
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