[发明专利]适用于超低调制比应用的多重分叉的模块化多电平变换器

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统中柔性直流输电、电力电子技术领域，具体地，涉及一种适用于超低调制比应用的多重分叉结构模块化多电平变换器(MMC)。

背景技术

单分叉结构MMC(模块化多电平变换器)如图1所示，具有六个分叉结构的桥臂和两个交流端口，该变换器适用于调制比较低的AC/DC电能变换应用场合，在采用半桥结构模块作为子模块时，其调制比要求小于0.5，能够将低压交流源连接至高压直流源，但随着调制比的减小，如在超低调制比(调制比小于0.1)应用场合，单分叉结构MMC面临着损耗增加、电容量增加、开关器件容量增加等问题。

经检索，“模块组合多电平变换器的研究综述”，中国电机工程学报，第33卷，第6期，2013。该文的技术要点是：传统MMC的桥臂由子模块串联构成，常应用在调制比接近于1的场合，当调制比减小时，桥臂电流和电容电压波动均会增大，导致需要选取较大的功率器件和较大子模块电容。

检索中还发现，中国专利申请号为CN201510435580.1、公开号为105024569A的发明专利，提供了一种适用于低调制比应用的分叉结构模块化多电平变换器，但该发明的结构仅适用于调制比小于0.5的应用，其技术有进一步改善的空间。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于超低调制比应用的多重分叉的模块化多电平变换器，减小了所需功率器件的额定电流，减小了整体功率器件容量和导通损耗，也减小了子模块电容的总量。

为实现以上目的，本发明提供一种适用于超低调制比应用的多重分叉的多电平矩阵变换器，包括3组上桥臂和下桥臂，每组中的上桥臂与下桥臂呈对称关系，并通过桥臂电感相互连接，连接处引出作为交流端口的连接点；上桥臂的顶端连接至正直流母线，下桥臂的底端连接至负直流母线；其中：上桥臂的一个串联分支经过n重分叉后得到2ⁿ个子分支，下桥臂的一个串联分支经过n重分叉后得到2ⁿ个子分支，上桥臂的子分支与下桥臂的对应子分支通过桥臂电感相连，n>1。

优选地，3组上下桥臂共引出3×2ⁿ个交流端口连接点，3×2ⁿ个连接点按照一定的相位顺序连接至交流侧三相电源，其相位顺序为A相、B相、B相、C相、A相、A相、B相、B相、C相、A相…重复循环；由所述上桥臂构成的多重分叉的多电平矩阵变换器具有2ⁿ个三相交流端口(n>1)。

优选地，所述下桥臂与上桥臂结构呈对称关系：在每个桥臂中，定义连接到直流母线的子分支为第一层分支，经过n重的分叉的子分支为第n层分支，则各层中各子分支产生的交流电压满足电压合成需求，同时满足能量平衡条件，以维持分支中的能量平衡。

优选地，所述上桥臂、下桥臂各产生1/2的直流侧电压，其中每层分支产生相同的直流电压，各层总和为1/2的直流侧电压。

优选地，多重分叉结构MMC的交流侧输出电压由各层分支共同控制得到，从而满足电压合成需求。

优选地，所述的满足能量平衡条件，满足如下公式：

式中：

m_dcln+1为对应子分支的直流电压调制比，即子分支的产生直流电压与变换器直流侧电压一半的比值；

为对应分支产生的交流电压幅值；

为交流端口的合成电压幅值；

为交流端口的功率因数角；

为对应分支交流电压相对分支电流的相位角。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1)适用于超低调制比的应用，本发明提供的n重分叉MMC(n>1)中的各子分支中的基频交流电流为传统MMC的1/2ⁿ，与现有技术相比，在超低调制比应用(调制比小于1/2ⁿ)中可以更有效地减小导通损耗；

2)由于分支基频电流随分叉次数n的增加(n>1)呈指数减小，功率器件所额定电流可以选取也大幅减小，使得整体功率器件整体容量得以减小。

3)变换器电容量取决于桥臂能量波动，即取决于桥臂中基频电流的大小，对比现有技术，本发明的多重分叉MMC(n>1)随分叉的增加能够大幅减少桥臂电流基频分量，因此能够进一步减少变换器的电容使用量。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：