[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

说明书

本发明公开了一种高频链互联的无电解电容MMC拓扑，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，本发明消除隔离子模块电容电压纹波与桥臂中的2倍频循环电流，同时实现所有隔离子模块之间的电压均衡。

技术领域

本发明涉及中高压柔性直流输电系统中的电力电子变换器领域，尤其涉及 一种高频链互联的无电解电容MMC拓扑结构及控制策略。

背景技术

伴随柔性直流输电技术的发展，早期的柔性直流输电技术采用两电平变换 器结构，由于在实际工程应用中存在功率半导体器件串联均压问题，对于功率 器件以及驱动电路有着较高的一致性要求而逐渐被淘汰，并且在高压系统中， 如果采用开关器件串联结构，由于制作工艺的差异，半导体器件在开关过程中 会出现部分器件承受较高电压的问题。因此需要更优的结构来满足高压柔性直 流输电的变换。

近年来，多电平技术得到了飞速的发展，高功率多电平变换器在中高压领 域中得到广泛的应用。其中典型拓扑包括中点钳位型变换器(NPC)，级联H桥变 换器(CHB)，模块化多电平换流器(MMC)。NPC变换器在在中高压的应用中仍需 采用IGBT的串联，随着电平数的增加，钳位二极管与电容数量将会大量增加， 由于钳位二极管的工艺差异，在实际应用中同时需设计相应的RC吸收电路，所 以很难拓展到更高的电平数。CHB变换器采用全桥子模块级联的方式来提高输 出电压等级，具有低开关频率、冗余性好和模块化设计与维护的优点，是当下 中低压直流配电应用中的常用拓扑结构，但是CHB变换器不具备公共直流母线，限制了其在更高功率等级中的应用。

随着技术的发展，适合应用在中高压直流传输等大功率场合使用的MMC结构， 得到越来越多的应用，由于MMC具有高度模块化的结构特点，因此利于系统的 冗余设计，方便进行系统扩容与故障穿越。相比于CHB变换器，MMC具有公共 直流母线，适合应用在中高压直流传输等大功率场合。该拓扑中没有直流侧大 电容，依靠子模块中大量悬浮的大容值电解电容支撑起足够高的电压与抑制子 模块中电压的波动。变换器中大电容的存在大幅降低了功率密度，同时电解电 容存在低使用寿命的问题，在中高压直流输电等大功率工程应用中，需要MMC 具备长期稳定运行的能力，所以减小MMC电容容值，对于MMC的实际工程应用具有重要意义。目前解决该问题的主要方法可分为软件方法与硬件方法两大类， 基于调制策略解决该问题的主要方法是将共模电压和高频环流注入MMC。然后 产生一个拍频功率分量，以抵消基频纹波功率。尽管这有效地减少了子模块电 压纹波，但功率器件的电流应力将大大增加。另一种通过设计附加电路的硬件 方法也被用于减小MMC子模块电容值的研究中，通过飞跨电容连接上、下桥臂， 实现上、下桥臂之间的功率平衡，但是，此种方案中电流应力问题仍然存在。 在子模块间提供功率通道的纹波抑制方案也得到了相关研究，这种纹波抑制方 案基于子模块之间的纹波电压存在相位差，可以彼此补偿抵消。由于不需要注入方法，因此既没有共模电压也没有电流应力问题。尽管组件数量在一定程度 上增多，但低频波动功率经过适当的控制得到消除后，子模块电容仅需要处理 开关谐波。因此，子模块电容值可以大大减小，提高了系统的功率密度。但是， 现有附加电路方案中都是基于闭环控制实现子模块之间的波动功率传递，在中 高压柔性直流输电系统等应用中，需要大量的检测电路与控制运算资源，并且 需要设计额外的子模块电压均衡控制方案，使系统的控制变得复杂。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种高频链互联的无电解电容MMC拓扑 及控制策略，消除隔离子模块电容电压纹波与桥臂中的2倍频循环电流，同时 实现所有隔离子模块之间的电压均衡。