[发明专利]一种消除低频电压波动的模块化多电平变流器

说明书

技术领域

本发明属于模块化多电平变流器技术领域，具体涉及一种消除低频电压波动的模块化多电平变流器。

背景技术

随着大功率电力电子变换装置的广泛应用,多电平变换技术得到快速发展。模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter,MMC)是一种新颖的多电平电压源换流器，自2000年初其提出来以来，由于其模块化的特征，易于拓展、便于装配，且可以获得高质量输出和高电压等级，因而MMC是近年研究热点，在中高压应用领域具有明显的优势。

目前,MMC已广泛应用在高压直流输电(High Voltage Direct Current,HVDC)领域，多条线路已投入运营，如Trans Bay Cable工程，±200kV，400MW，每桥臂有200子模块。；除此之外,在中压电机拖动中，MMC也拥有着巨大的潜力。相较于传统H桥级联(Cascaded H-bridge,CHB)结构,MMC应用于电机驱动时无须采用昂贵且庞大的移相变压器，仅利用同一个直流母线即可向三相交流侧提供能量。

然而在电机驱动场合时，MMC会面临严重的子模块电容电压波动问题，尤其是在低频工作时。根据分析可知，MMC子模块电容电压中的基波波动与输出电流成正比，与基波频率成反比。因此，当基波频率很低尤其是在电机的启动阶段，MMC子模块中会产生巨大的电容电压波动，将严重影响系统正常运行，甚至导致系统崩溃。低频电压波动问题已成为MMC带大负载转矩的交流传动系统的巨大障碍。目前已有多种基于高频共模电压及环流注入的控制方法，其思想为向桥臂电流和输出电压中分别注入高频环流和同频率的共模电压，通过其相互作用，在MMC桥臂间产生额外的能量流动，抵消电压波动。但这种方法会增大桥臂电流应力，同时注入的共模电压会对电机产生不利影响，仍然难以满足MMC带大转矩负载起动及低频运行的需求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种消除低频电压波动的模块化多电平变流器，能够消除模块化多电平变流器在低频电气拖动中子模块的电压波动，保证系统的稳定运行。

为了达到上述目的，本发明包括三项模块化多电平变流器单相拓扑，每个模块化多电平变流器单相拓扑均包括若干上桥臂子模块、DAB模块和下桥臂子模块，上桥臂子模块和下桥臂子模块均包括若干MMC子模块，DAB模块包括DAB功率变换单元，上桥臂子模块MMC子模块通过与其对应的DAB功率变换单元连接相对应的下桥臂子模块的MMC子模块，上桥臂子模块中相邻的MMC子模块相连接，下桥臂子模块相邻的MMC子模块相连接，上桥臂子模块中首端的MMC子模块和下桥臂子模块中首端的MMC子模块均通过对应的电抗器和半桥子模块后连接输出端，上桥臂子模块中末端的MMC子模块连接母线正端，下桥臂子模块中末端的MMC子模块连接母线负端。

所述DAB功率变换单元采用双有源桥DAB模块，DAB功率变换单元包括四个端口，并具有能量双向流动功能。

所述半桥子模块包括两个全控型器件组成的半桥，两个半桥的直流侧并联有电容器组。

所述DAB功率变换单元包括高频DC/AC功率变换器、高频变压器和高频AC/DC的功率变换器，高频DC/AC功率变换器的输出端连接高频变压器的输入端，高频变压器的输出端连接高频AC/DC的功率变换器的交流端。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明能够实现消除模块化多电平变流器在低频拖动时子模块的低频电压波动，每相上下桥臂中对应编号子模块连接同一个DAB功率变换单元，DAB功率变换单元在对应模块中传递波动能量，可实现上下桥臂对应子模块功率平衡；

2、本发明可全部模块化，可靠性高，便于维护调试；

3、本发明无需像传统电压波动控制方法一样注入高频共模电压，控制计算简单，同时降低对电机不利影响；

4、本发明无需在桥臂中注入谐波环流成分，降低桥臂电压应力及损耗。

附图说明

图1为本发明中模块化多电平变流器单相拓扑结构框图；

图2为本发明的立体结构图；

图3为本发明中半桥子模块结构图；

图4为本发明中双有源桥DAB变流器单元的电路结构图；

图5为传统MMC输出三相电流波形；

图6为传统MMCA相8个直流侧电压波形；

图7为本发明的MMC输出三相电流波形；

图8为本发明的MMC A相8个直流侧电压波形。

具体实施方式