[发明专利]基于双电容模块的MMC型多端口电力电子变压器

摘要

本发明公开了基于双电容模块的MMC型多端口电力电子变压器，包括模块化多电平变换器（Modular Multilevel Converter,MMC）、DC/DC变换器和逆变器，其中MMC中有两种子模块；DC/DC变换器分为前级部分、高频变压部分、后级部分，其中前级部分有四种选择拓扑。本发明能在高压直流侧低压时运行；具有直流故障穿越能力且所使用器件较少；MMC中模块与DC/DC变换器分别承担直流电压控制和功率控制；可对模块单个电容电压单独控制或两个电容电压同时控制；具有高压直流、高压交流、低压直流和低压交流四个端口，适合于多种类多电压等级的高压大功率场合，特别是应用于能源互联网中，如作为能量路由器等。

主权项

1.基于双电容模块的MMC型多端口电力电子变压器，其特征在于：包括基于双电容模块的模块化多电平变换器MMC(1)、DC/DC变换器(2)和逆变器(3)；DC/DC变换器(2)包括前级部分、高频变压部分和后级部分；每个DC/DC变换器(2)的前级直流侧的正、负极与模块化多电平变换器MMC(1)中每个模块中两个串联电容的正、负极相连接，所有DC/DC变换器(2)的后级直流侧正、负极分别并联后与逆变器(3)的直流侧正、负极相连接；逆变器(3)为三相四桥臂逆变器；模块化多电平变换器MMC(1)的P，N端为高压直流端口，其中P端为高压直流端口的正极，N端为高压直流端口的负极，模块化多电平变换器MMC(1)的交流侧a，b和c端口分别作为为高压交流端口的a相、b相和c相，每个模块后所接的DC/DC变换器(2)的后级I，J端分别并联在一起作为电力电子变压器的低压直流端口，其中I端为低压直流端口的正极，J端为低压直流端口的负极；并联后的I，J端口分别与逆变器(3)直流侧的正负极连接，逆变器(3)的交流侧作为低压交流端口；模块化多电平变换器MMC(1)中每个桥臂包括N个模块，其中共含有2N个直流电容，N为MMC正常工作时需要模块的最少数量，X个第一子模块和Y个第二子模块；不考虑第二子模块工作在负电压或冗余情况时，X+Y＝N，(2X+2Y)Vc＝Vdc，vm＝(2X+2Y)Vc，其中Vdc为高压直流侧电压，Vc为每个直流电容电压，vm为高压交流侧相电压幅值，考虑冗余情况时，X+Y≥N；当模块化多电平变换器(1)具有直流故障穿越能力且不考虑第二子模块工作在负电压和冗余的情况，当第二子模块在负电压投入运行状态下，第二子模块可以投入负电压的模块数量Z满足以下关系：Z≤N/6，Z≤Y，当高压直流侧电压为0的情况下，Z≤Y≤(Z+N)/2＝(Z+X+Y)/2；还包括六个电感；所述电感包括Lap、Lan、Lbp、Lbn、Lcp和Lcn；X个第一子模块、Y个第二子模块和电感Lap依次串联构成模块化多电平变换器MMC(1)的A相上桥臂，电感Lan、Y个第二子模块和X个第一子模块依次串联构成模块化多电平变换器MMC(1)的A相下桥臂，A相上桥臂和下桥臂连接的中点a作为电力电子变压器的高压交流接口的A相；X个第一子模块、Y个第二子模块和电感Lbp依次串联构成模块化多电平变换器MMC(1)的B相上桥臂，电感Lbn、Y个第二子模块和X个第一子模块依次串联构成模块化多电平变换器MMC(1)的B相下桥臂，B相上桥臂和下桥臂连接的中点b作为电力电子变压器的高压交流接口的B相；X个第一子模块、Y个第二子模块和电感Lcp依次串联构成模块化多电平变换器MMC(1)的C相上桥臂，电感Lcn、Y个第二子模块和X个第一子模块依次串联构成模块化多电平变换器MMC(1)的C相下桥臂，C相上桥臂和下桥臂连接的中点c作为电力电子变压器的高压交流接口的C相；三相上桥臂正极和下桥臂负极分别是高压直流端口的P，N端；每个第一子模块的C,D端和第二子模块的G,H端分别和DC/DC变换器(2)的前级C(G)，D(H)端相连；三个上桥臂的正极端连接在一起作为电力电子变压器的高压直流端口的正极P，三个下桥臂的负极端连接在一起作为电力电子变压器的高压直流端口的负极N；所述第一子模块包括两个串联的半桥，即包含两个直流电容C1和C2、四个带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管T1、T2、T3和T4；所述T1、T2、T3、T4的集电极分别与各自的续流二极管的阴极相连接，T1、T2、T3、T4的发射极分别与各自的续流二极管的阳极相连接；所述T1的发射极和T2的集电极相连接并作为子模块的正极端A，T1的集电极与C1的正极相连接，T2的发射极与C1的负极相连接,所述T4的发射极和T3的集电极相连接并作为子模块的负极端B，T4的集电极与C2的正极和T2的发射极相连接，T3的发射极与C2的负极相连接，所述C1的正极连接DC/DC变换器的正极，C2的负极连接DC/DC变换器的负极；所述第二子模块包括一个T型全桥，即包含两个直流电容C3和C4、四个带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管T5、T6、T7和T8、两个反向阻断绝缘栅双极型晶体管T9(T10)和T11(T12)，其中T9和T10为一组，T11和T12为一组；所述T5、T6、T7和T8的集电极分别与各自的续流二极管的阴极相连接，所述T5、T6、T7和T8的发射极分别与各自的续流二极管的阳极相连接；所述T5的发射极、T6的集电极、T9的集电极和T10的发射极相连接作为子模块的正极端E，T5的集电极、C3的正极和T7的集电极相连接，并且作为与DC/DC变换器(2)连接的正极端G，T6的发射极、C4的负极和T8的集电极相连接，并且作为与DC/DC变换器(2)相连接的负极端H，T7的发射极、T8的集电极、T11的集电极和T12的发射极相连接作为第二子模块的负极端F，C3的负极、C4的正极，T9的发射极、T10的集电极、T11的发射极和T12的集电极相连接；DC/DC变换器(2)的高频变压部分是一个高频变压器T，后级部分由一个H桥电路和一个直流电容组成；DC/DC变换器(2)的前级部分采用全桥结构，由四个带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管组成，其中每两个反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管串联后再并联；或者，DC/DC变换器(2)的前级部分采用二极管钳位结构，包含四个带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管T13、T14、T15、T16和两个二极管D1、D2，T13的集电极和C1或C3的正极相连接，T13的发射极与D1的阴极和T14的集电极相连接，D1的阳极与C1或C3的负极、C2或C4的正极、D2的阴极、高频变压器T的一端相连接，T14的发射极与T15的集电极和高频变压器T的另一端相连接，T15的发射极与D2的阳极、T16的集电极相连接，T16的发射极与C2或C4的负极相连接，所述T13、T14、T15和T16的集电极分别与各自的续流二极管的阴极相连接，所述T13、T14、T15和T16的发射极分别与各自的续流二极管的阳极相连接；或者，DC/DC变换器(2)的前级部分采用T型三电平结构，包含两个带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管T17、T18和一个由T19和T20组成的反向阻断绝缘栅双极型晶体管，T17的集电极和C1或C3的正极相连接，T17的发射极与T18的集电极、T19的集电极、T20的发射极、高频变压器T的一端相连接，T19的发射极与T20的集电极、C1或C3的负极、C2或C4的正极、高频变压器T的另一端相连接，T18的发射极与C2或C4的负极相连接，所述T17、T18的集电极分别与各自的续流二极管的阴极相连接，所述T17、T18的发射极分别与各自的续流二极管的阳极相连接；或者，DC/DC变换器(2)的前级部分采用T型全桥结构，包含四个带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管T21、T22、T23、T24、一个由T25和T26组成的反向阻断绝缘栅双极型晶体管，一个由T27和T28组成的反向阻断绝缘栅双极型晶体管，T21的发射极、T22的集电极、T25的集电极、T26的发射极、高频变压器T的一端相连接，T21的集电极、C1或C3的正极和T23的集电极相连接，T22的发射极、C2或C4的负极和T24的集电极相连接，T23的发射极、T24的集电极、T27的集电极和T28的发射极、高频变压器T的另一端相连接，C1或C3的负极、C2或C4的正极，T25的发射极、T26的集电极、T27的发射极和T28的集电极相连接，所述T21、T22、T23和T24的集电极分别与各自的续流二极管的阴极相连接，所述T21、T22、T23和T24的发射极分别与各自的续流二极管的阳极相连接；模块化多电平变换器的调制比m≤2，m＝2vm/Vdc；模块化多电平变换器MMC由环流抑制和电容电压控制电路来控制模块化多电平变换器MMC的环流和模块电容电压，每相的控制电路相同；对于a相，首先测量并采集a相上每一个电容的电压值vcap1‑vap(2X+2Y)以及vcan1‑van(2X+2Y)，然后求这些电压值的平均值vave，通过电压环的PI调节后，与测量得到的环流iza进行比较，比较的差值经过电流环的PI调节后作为平均电压的调制信号分量vaA，每一个电容实际测量的电压值与设定值的vc*的差值经过PI调节后，根据电容所在的桥臂电流的方向来决定是对模块进行充电还是放电而产生调制信号分量，如第一个模块中第一个半桥模块的调制分量vaBp1，根据vaA，vaBp1，模块所在桥臂的直流和交流信号参考量来产生调制信号，从而产生每个模块所需的PWM信号；DC/DC变换器由分级独立控制下的直流输出级并联均流控制电路进行控制，控制该电力电子变压器的功率流动，引入一个电压外环和12(X+Y)个电流内环。DC/DC变换器并联输出侧的实际值Udc2与输出直流电压指令值Udc*的差值经过PI调节后得到各个DAB变换器输出电流的指令值I*；由于各DC/DC变换器的实际输出电流iox1，……，iox(12X+12Y)中含有高频分量，需要使用低通滤波器滤除后得到其平均值Iox1，……，Iox(12X+12Y)；最终，实际平均输出电流与指令输出电流的差值通过PI调节后得出各DC/DC变换器的原、副边模块之间的移相比dx1，……，dx(12X+12Y)，根据各DC/DC变换器前级的不同方案以及不同的工程需要，调制方式可能不同；该电力电子变压器低压侧的逆变器由基于对称分量法和电流解耦的控制电路进行控制，控制该电力电子变压器低压交流端口的输出；工作原理为将低压侧逆变器交流侧负载的电压和电流分别分解为正序，负序和零序分量，然后分别对电压和电流的正序分量和负序分量进行PARK变换，其中变换后的电压D，Q部分分别与给定值进行比较，所得结果经过PI调节后分别与相应的电流D，Q部分相加，所得结果再进行正序分量的反PARK变换以及负序分量的反PARK变换，变换结果相加后作为调制信号，经过调制算法产生驱动控制信号。