CN205356152U - 一种基于模块化多电平的三列式dc/dc变换器 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供一种基于模块化多电平的三列式DC/DC变换器，包括输入端滤波器、三列式模块化多电平变换器以及输出端滤波器，输入端滤波器通过三列式模块化多电平变换器与输出端滤波器相连接。所述三列式MMC变换器中每一列由上下两桥臂直接相连，连接点处经阻感负载接地，每一桥臂包括外桥臂和内桥臂，外桥臂由全桥MMC子模块级联组成，内桥臂由半桥MMC子模块级联组成，内外桥臂通过耦合式桥臂电感相连。与现有DC/DC变换器不同，本实用新型无需高频变压器中间环节，降低了系统损耗；采用三列式MMC结构，较传统DC-AC-DC变换结构，大幅减少器件使用数量，降低了系统投资。

Description

一种基于模块化多电平的三列式DC/DC变换器
技术领域
本实用新型属于电力电子变换领域，具体涉及一种基于模块化多电平的三列式DC/DC变换器。
背景技术
近年来，能源短缺和环境恶化等问题日益严峻，由于我国风能、太阳能等能源存在分散性、间歇性、远离负荷中心等特点，然而利用交流输电技术和传统的直流输电技术有很多固有缺陷，随着基于模块化多电平变换器(ModularMultilevelConverter，简称MMC)的柔性直流输电技术的产生和推广，这一问题得到了很好的解决。
作为柔性直流输电系统的关键设备，DC/DC变换器的主要作用包括：(1)实现不同电压等级的直流电网互联；(2)实现双向的功率传输；(3)实现直流电压的升高和降低。
常用的柔性直流输电DC/DC变换器采用DC-AC-DC连接方式，即两端两个模块化多电平换流站通过中间高频变压器进行连接，可以实现直流电压的变换，但是由于引入了中间变压器环节，在正常运行时将产生较大的损耗。
实用新型内容
鉴于现有的DC/DC变换器存在上述的不足，本实用新型提出一种新的基于模块化多电平的三列式DC/DC变换器，采用三列式模块化多电平变换器作为主拓扑，子模块采用全桥MMC子模块(FullBridgeSubModule，简称FBSM)和半桥MMC子模块(HalfBridgeSubModule，简称HBSM)混合，电压等级高，功率传输容量大，模块化程度高，易于拓展，并且由于省去了中间高频变压器交流环节，大大降低了系统损耗。
为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
提供了一种基于模块化多电平的三列式DC/DC变换器，所述变换器包括输入端滤波器，三列式模块化多电平变换器，输出端滤波器；所述输入端滤波器、三列式模块化多电平变换器与输出端滤波器三者并联连接，输入端滤波器与三列式模块化多电平变换器的输入侧相连，输出端滤波器与三列式模块化多电平变换器的输出侧相连。
所述输入端滤波器包括滤波电感和滤波电容；两个滤波电容的中点与接地极相连。
所述三列式模块化多电平变换器的每一列由上下两个桥臂直接相连，上下桥臂结构对称，连接点通过交流阻感负载接地；每一桥臂又包含外桥臂和内桥臂，多个级联的全桥MMC子模块构成的外桥臂一端与直流母线正极或者负极连接，另一端通过耦合式桥臂电感与由多个半桥MMC子模块构成的内桥臂相连。
所述全桥MMC子模块包括直流储能电容、四个绝缘栅双极型晶体管以及四个二极管。绝缘栅双极型晶体管集电极与二极管阴极连接，绝缘栅双极型晶体管发射极与二极管阳极连接，构成一个IGBT开关管。两个IGBT开关管串联构成一个半桥，两个半桥并联构成全桥，全桥上桥臂的二极管阴极与直流储能电容正极相连，全桥下桥臂的二极管阳极与直流储能电容负极相连，从而构成全桥MMC子模块。其中，第一个半桥两个IGBT开关管的中点引出作为全桥子模块输入，第二个半桥两个IGBT开关管的中点引出作为全桥子模块输出。
所述半桥MMC子模块包括直流储能电容、两个绝缘栅双极型晶体管以及两个二极管。绝缘栅双极型晶体管集电极与二极管阴极连接，绝缘栅双极型晶体管发射极与二极管阳极连接，构成一个IGBT开关管。两个IGBT开关管串联，其中上面的二极管阴极与直流储能电容正极相连，下面的二极管阳极与直流储能电容负极相连，从而构成半桥MMC子模块。其中，两个IGBT开关管的中点引出作为半桥子模块输入，直流储能电容负极引出作为半桥子模块输出。
所述输出端滤波器包括滤波电容和耦合电感。
耦合式桥臂电感的中点，与输出端耦合电感相连并引出，作为输出直流侧正极或者输出直流侧负极，输出直流侧正极通过输出滤波电容与直流母线正极相连，输出直流侧负极通过输出滤波电容与直流母线负极相连，输出直流侧正极与负极之间中点引出接地。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：
1、本实用新型采用三列式模块化多电平变换器，省去了传统DC/DC变换所需的交流环节高频变压器，降低了系统的损耗；
2、本实用新型提供的模块化多电平变换器采用全桥MMC子模块和半桥MMC子模块相结合的混合拓扑，电压、功率等级高，易于拓展，可以实现功率的双向传送；
3、本实用新型采用三列式MMC结构，仅使用单侧换流站即可，无需两侧换流站背靠背连接，大幅减少了器件使用数量，降低了系统投资。
附图说明
图1是本实用新型提供的基于模块化多电平的三列式DC/DC变换器拓扑结构图；
图2是本实用新型提供的DC/DC变换器中全桥MMC子模块拓扑结构图；
图3是本实用新型提供的DC/DC变换器中半桥MMC子模块拓扑结构图。
其中，1-输入直流侧滤波电感；2-外桥臂子模块组，由m个全桥MMC子模块级联形成；3-直流输出侧滤波电容；4-耦合式桥臂电感；5-输出直流侧耦合电感；6-输入直流侧滤波电容；7-内桥臂子模块组，由n个半桥MMC子模块级联形成；8-接地极；9-交流负载电感；10-交流负载电阻；11，14-绝缘栅双极型晶体管；12,15-二极管；13,16-直流储能电容；vin+、vin-为输入直流电压；vout+、vout-为输出直流电压；p1、p2、p3为上桥臂耦合式桥臂电感中点；n1、n2、n3为下桥臂耦合式桥臂电感中点；o1、o2、o3为上下桥臂中点。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。
如图1，提供了一种基于模块化多电平的三列式DC/DC变换器，所述变换器包括输入端滤波器，三列式模块化多电平变换器，输出端滤波器；所述输入端滤波器、三列式模块化多电平变换器与输出端滤波器三者并联连接，输入端滤波器与三列式模块化多电平变换器的输入侧相连，输出端滤波器与三列式模块化多电平变换器的输出侧相连。
如图2，是本实用新型所采用的全桥MMC子模块，包括直流储能电容、四个绝缘栅双极型晶体管以及四个二极管。绝缘栅双极型晶体管集电极与二极管阴极连接，绝缘栅双极型晶体管发射极与二极管阳极连接，构成一个IGBT开关管。两个IGBT开关管串联构成一个半桥，两个半桥并联构成全桥，全桥上桥臂的二极管阴极与直流储能电容正极相连，全桥下桥臂的二极管阳极与直流储能电容负极相连，从而构成全桥MMC子模块。其中，第一个半桥两个IGBT开关管的中点引出作为全桥子模块输入，第二个半桥两个IGBT开关管的中点引出作为全桥子模块输出。
全桥子模块交流侧输出的电压值包括：0，+vc和-vc。
如图3，是本实用新型所采用的半桥MMC子模块，包括直流储能电容、两个绝缘栅双极型晶体管以及两个二极管。绝缘栅双极型晶体管集电极与二极管阴极连接，绝缘栅双极型晶体管发射极与二极管阳极连接，构成一个IGBT开关管。两个IGBT开关管串联，其中上面的二极管阴极与直流储能电容正极相连，下面的二极管阳极与直流储能电容负极相连，从而构成半桥MMC子模块。其中，两个IGBT开关管的中点引出作为半桥子模块输入，直流储能电容负极引出作为半桥子模块输出。
半桥子模块交流侧输出的电压值包括：0和+vc。
输入端直流侧经过滤波电感和滤波电容进行滤波，将直流电压输入中的谐波进行滤除，并且电容中点引出经过接地极接地，从而形成vin+、vin-两路直流输入。
直流电压输入后，接入三列式模块化多电平变换器，变换器的每一列由上下两个桥臂直接相连，上下桥臂结构对称，连接点通过交流阻感负载接地；每一桥臂又包含外桥臂和内桥臂，m个级联的全桥MMC子模块构成的外桥臂一端与直流母线正极或者负极连接，另一端通过耦合式桥臂电感与由n个半桥MMC子模块构成的内桥臂相连,如图1所示，优选的是，m＝n，即外桥臂全桥子模块个数与内桥臂半桥子模块个数相等。
如图1，三列式模块化多电平变换器，通过o1、o2、o3经阻感负载接地，利用桥臂和阻感负载之间循环流动的交流电流，通过电容电压平衡控制，可以实现子模块电容电压的均衡，各模块电容电压直流分量基本一致。
如图1，采用耦合式桥臂电感的形式，可以降低电感上的压降，抑制环流成分，使每列投入子模块电压总和更趋近于直流输入电压，有利于桥臂充放电平衡。
如图1，p1、p2、p3以及n1、n2、n3分别经过耦合电感接出，作为输出直流侧的正负极，直流输出端采用耦合电感的目的，一是利用流过耦合电感的电流方向相同，增大阻抗，从而削弱输出电流的交流分量，二是利用耦合的形式有助于消除直流磁通。
输出直流侧滤波电容分别与系统直流母线正负极相连，可以消除由于子模块开关动作导致的高频交流电流。
由耦合电感引出的输出直流侧正负极之间引入接地极，形成两路直流输出，即vout+、vout-。
如图1，由于全桥子模块交流侧电压可正可负，通过改变电压极性，并且结合调制算法控制子模块的导通，可以在直流输出侧实现直流电压的升降，实现DC/DC变换功能，电压转换比定义为公式(1)所示：
以上实施例仅用于本实用新型进行说明，并不构成对权利要求范围的限制，凡在本实用新型的精神和原则之内，进行任何修改或者等同替换，均在本实用新型的权利要求范围内。

Claims (7)

1.一种基于模块化多电平的三列式DC/DC变换器，其特征在于：所述变换器包括输入端滤波器，三列式模块化多电平变换器，输出端滤波器；所述输入端滤波器、三列式模块化多电平变换器与输出端滤波器三者并联连接，输入端滤波器与三列式模块化多电平变换器的输入侧相连，输出端滤波器与三列式模块化多电平变换器的输出侧相连。
2.根据权利要求1所述的基于模块化多电平的三列式DC/DC变换器，其特征在于：所述输入端滤波器包括滤波电感和滤波电容；两个滤波电容的中点与接地极相连。
3.根据权利要求1所述的基于模块化多电平的三列式DC/DC变换器，其特征在于：所述三列式模块化多电平变换器的每一列由上下两个桥臂直接相连，上下桥臂结构对称，连接点通过交流阻感负载接地；每一桥臂又包含外桥臂和内桥臂，多个级联的全桥MMC子模块构成的外桥臂一端与直流母线正极或者负极连接，另一端通过耦合式桥臂电感与由多个半桥MMC子模块构成的内桥臂相连。
4.根据权利要求3所述的基于模块化多电平的三列式DC/DC变换器，其特征在于：所述全桥MMC子模块包括直流储能电容、四个绝缘栅双极型晶体管以及四个二极管，绝缘栅双极型晶体管集电极与二极管阴极连接，绝缘栅双极型晶体管发射极与二极管阳极连接，构成一个IGBT开关管，两个IGBT开关管串联构成一个半桥，两个半桥并联构成全桥，全桥上桥臂的二极管阴极与直流储能电容正极相连，全桥下桥臂的二极管阳极与直流储能电容负极相连，从而构成全桥MMC子模块，其中，第一个半桥两个IGBT开关管的中点引出作为全桥子模块输入，第二个半桥两个IGBT开关管的中点引出作为全桥子模块输出。
5.根据权利要求3所述的基于模块化多电平的三列式DC/DC变换器，其特征在于：所述半桥MMC子模块包括直流储能电容、两个绝缘栅双极型晶体管以及两个二极管，绝缘栅双极型晶体管集电极与二极管阴极连接，绝缘栅双极型晶体管发射极与二极管阳极连接，构成一个IGBT开关管，两个IGBT开关管串联，其中上面的二极管阴极与直流储能电容正极相连，下面的二极管阳极与直流储能电容负极相连，从而构成半桥MMC子模块，其中，两个IGBT开关管的中点引出作为半桥子模块输入，直流储能电容负极引出作为半桥子模块输出。
6.根据权利要求1所述的基于模块化多电平的三列式DC/DC变换器，其特征在于：所述输出端滤波器包括滤波电容和耦合电感。
7.根据权利要求6所述的基于模块化多电平的三列式DC/DC变换器，其特征在于：耦合式桥臂电感的中点，与输出端耦合电感相连并引出，作为输出直流侧正极或者输出直流侧负极，输出直流侧正极通过输出滤波电容与直流母线正极相连，输出直流侧负极通过输出滤波电容与直流母线负极相连，输出直流侧正极与负极之间中点引出接地。
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