[发明专利]一种高频链互联的无电解电容MMC拓扑结构及控制策略

权利要求书

1.一种高频链互联的无电解电容MMC拓扑结构，其特征在于：包括模块化多电平变换器结构、半桥与电容结构、基于全桥结构的高频链路、三相桥臂和公共母线，所述全桥结构的高频链路和半桥与电容结构组成隔离子模块，所述全桥结构的高频链路将所有隔离子模块互联在一起形成公共母线，所述三相桥臂中每相桥臂分为上桥臂和下桥臂，每相上桥臂包括n个隔离子模块和上桥臂电感L_g1、L_g3、L_g5，每相下桥臂包括n个隔离子模块和下桥臂电感L_g2、L_g4、L_g6；

所述隔离子模块包括第一功率开关管Q_i-1、第二功率开关管Q_i-2、第一电容C_i、第一滤波电感L、第三功率开关管S_i-1、第四功率开关管S_i-2、第五功率开关管S_i-3、第六功率开关管S_i-4、两绕组高频变压器T、所述两绕组高频变压器包含第一绕组N₁、第二绕组N₂；所述第一功率开关管Q_i-1与第三功率开关管S_i-1的漏极和第五功率开关管S_i-3的漏极相连；所述第二功率开关管Q_i-2与第四功率开关管S_i-2的源极和第六功率开关管S_i-4的源极相连；所述第一功率开关管Q_i-1的源极与第二功率开关管Q_i-2的漏极相连；所述第三功率开关管S_i-1的源极与第四功率开关管S_i-2的漏极相连；所述第五功率开关管S_i-3的源极与第六功率开关管S_i-4的漏极相连；所述第一电容C_i的一端与第一功率开关管Q_i-1的漏极连接，第一电容C_i的另一端与第二功率开关管Q_i-2的源极连接；第一滤波电感L的一端与第一功率开关管Q_i-1的漏极连接，所述第一滤波电感L的另一端与第三功率开关管S_i-1的漏极连接；第一绕组N₁的同名端连接到第三功率开关管S_i-1以及第四功率开关管S_i-2所组成的桥臂中点，第一绕组N₁的异名端连接到第五功率开关管S_i-3以及第六功率开关管S_i-4所组成的桥臂中点；

每相上半桥臂第一个隔离子模块的第一功率开关管Q_i-1与第二功率开关管Q_i-2组成的桥臂中点与高压直流母线的正极相连；第二功率开关管Q_i-2的源极与下一隔离子模块的第一功率开关管Q_i-1的源极相连、三相上桥臂电感L_g1、L_g3、L_g5的一端与每相上半桥臂的最后一个隔离子模块的第二功率开关管Q_i-2的源极连接，三相上桥臂电感L_g1、L_g3、L_g5的另一端分别连接高压交流母线的a相、b相、c相；三相下桥臂电感L_g2、L_g4、L_g6的一端分别与高压交流母线的a相、b相、c相连接，下桥臂电感L_g2、L_g4、L_g6的另一端与每相下半桥臂第一个隔离子模块的第一功率开关管Q_i-1的漏极连接；每相下半桥臂隔离子模块的第二功率开关管Q_i-2的源极与下一隔离子模块的第一功率开关管Q_i-1的源极相连；最后一个隔离子模块的第一功率开关管Q_i-1的源极与高压直流母线的负极相连；三相桥臂所有隔离子模块中的变压器第二绕组N₂的同名端通过公共母线相连，第二绕组N₂的另一端也通过公共母线相连；

所述模块化多电平变换器结构的半桥与电容结构输入电流包含直流分量与交流分量，交流分量主要包括基频分量与2倍频分量，所述上桥臂和下桥臂纵向隔离子模块之间，所述的基频分量i_uaf1、i_ubf1、i_ucf1与i_daf1、i_dbf1、i_dcf1相位相反呈三相对称性，2倍频分量i_uaf2、i_ubf2、i_ucf2与i_daf2、i_dbf2、i_dcf2相位相同呈三相对称性，所述上桥臂和下桥臂横向隔离子模块之间，所述基频分量i_uaf1、i_ubf1、i_ucf1与i_daf1、i_dbf1、i_dcf1相位相同呈三相对称性，2倍频分量i_uaf2、i_ubf2、i_ucf2与i_daf2、i_dbf2、i_dcf2相位相反呈三相对称性；

所述的隔离子模块在半桥与电容结构的基础上引入基于全桥结构的高频链路的辅助电路，所有隔离子模块采用相同的全桥结构的高频链路结构连接在一起，当隔离子模块之间电容电压出现差异时，所有隔离子模块中的全桥结构的高频链路部分的控制信号相同且控制信号为50％占空比的同步信号；

所述隔离子模块电流中交流分量i_uxac包括流向自身电容的纹波电流分量i_uxac1和流向后级的纹波电流分量i_uxac2，根据纹波电流分量i_uxac1和纹波电流分量i_uxac2分量建立两种等效阻抗模型，所述两种等效阻抗模型包括电容与半桥结构和全桥结构的高频链路之间不设置滤波电感时，等效导纳包括第一电容C_i的等效阻抗jω₀C；电容与半桥结构和全桥结构的高频链路之间不设置滤波电感后，等效导纳包括第一电容C_i的等效导纳jω₀C、滤波电感L的等效导纳1/jω₀L；

一种高频链互联的无电解电容MMC拓扑结构的控制策略，包括半桥与电容结构控制和基于全桥结构的高频链路控制，所述半桥与电容结构控制采用abc坐标下独立电压电流的双闭环控制，所述双闭环控制包括输出直流电压外环控制和交流侧电流内环控制且调制方式采用载波移相脉宽调制技术调制策略，基于全桥结构的高频链路控制采用开环PWM控制；

所述的半桥与电容结构的控制策略具体如下：

1)将输出电压给定值V_dc^*减去实际电压输出值V_dc，经过PI调节器的输出值i_m与输入电压u_x锁相后的ωt作乘，其结果作为电流内环的给定值；

2)电流内环的给定值减去实际输入电流i_x，经过PI调节器后得到上桥臂调制波u_dp，下桥臂子模块的调制信号u_dn与上桥臂调制信号相反，u_dp和u_dn统称为调制波u_d，调制波经过载波移相调制策略得到半桥与电容结构的驱动信号S_sm；

所述基于全桥结构的高频链路的控制信号相同且为50％占空比的同步信号，所述的基于全桥结构的高频链路控制为基于开关频率f和开环占空比D的开环控制。