基于箝位和能量转移电路的MMC子模块拓扑结构

摘要

本发明公开了一种基于箝位和能量转移电路的MMC子模块拓扑结构，属于大功率变换器拓扑结构领域，该拓扑结构包括半桥电路、箝位电路和能量转移电路。本发明稳定性高，结构简单，本身具有电容电压控制能力，不需要传统的电容电压平衡控制；环流交流分量小，无需采用环流抑制策略。

权利要求

1.基于箝位和能量转移电路的MMC子模块拓扑结构，其特征在于,包括两个含有反并联二极管的第一功率开关管和第二功率开关管，第三开关管，第四开关管，第一至第三电感，第一至第三二极管，以及第一至第三电容；第一功率开关管的发射极连接第二功率开关管的集电极，第一功率开关管的集电极分别连接第一电感的一端和第一二极管的阳极，第一电感的另一端、第三电感的一端、第一电容的正极相连接，第三电感的另一端、第三二极管的阴极、第三开关管的发射极相连接，第三开关管的集电极、第二二极管的阴极、第三电容的正极相连接，第一二极管的阴极、第二电感的一端、第二电容的正极相连接，第二二极管的阳极、第二电感的另一端、第四开关管的集电极相连接，第二功率开关管的发射极、第一电容的负极、第三二极管的阳极、第三电容的负极、第四开关管的发射极、第二电容的负极相连接；所述第二功率开关管的集电极和发射极分别作为子模块拓扑结构的正负输出端。

说明书

基于箝位和能量转移电路的MMC子模块拓扑结构

技术领域

[0001] 本发明涉及基于箝位和能量转移电路的MMC子模块拓扑结构，属于大功率变换器拓扑结构领域。

背景技术

[0002] 模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)被广泛应用于柔性直流输电系统、电能质量治理、储能、中高压电力传动等领域，并被认为是最具发展前景的中高压大功率变换器。在中高压大功率工程领域，特别是输电及并网变流器领域，要求设备具有很高的可靠性，甚至要求具有故障不停机运行能力。MMC是系统中完成能量转换的关键设备，其可靠性直接影响系统的可靠性。由于MMC中子模块较多，每个子模块的可靠性都会影响MMC的可靠性，导致MMC本身的可靠性不高。

[0003] 上下开关管直通是MMC子模块失效的一个重要原因，常规的加入死区时间来避免上下管直通方法由于开关信号易受干扰等因素影响存在可靠性问题。另外，MMC变换器需要采用平衡控制策略保持子模块电容电压平衡，因而需要采用光纤或其他方式将子模块电容电压信息传输到主控制器，子模块电容电压的信息传输及控制增加了系统结构的复杂性及主控制器的软硬件资源需求，也影响变换器的工作可靠性。从子模块结构方面探索解决直通及电压均衡问题的方法对提高MMC变换器的工作可靠性具有重要的意义。现有技术中尚无此方案。

发明内容

[0004] 发明目的：MMC变换器存在影响工作可靠性的子模块桥臂功率管直通问题，为此，本发明提出了基于箝位和能量转移电路的MMC子模块拓扑结构。

[0005] 技术方案：基于箝位和能量转移电路的MMC子模块拓扑结构，该子模块拓扑结构适用于基于半桥子模块的模块化多电平变换器中，包括两个含有反并联二极管的第一功率开关管和第二功率开关管，第三开关管，第四开关管，第一至第三电感，第一至第三二极管，以及第一至第三电容；第一功率开关管的发射极连接第二功率开关管的集电极，第一功率开关管的集电极分别连接第一电感的一端和第一二极管的阳极，第一电感的另一端、第三电感的一端、第一电容的正极相连接，第三电感的另一端、第三二极管的阴极、第三开关管的发射极相连接，第三开关管的集电极、第二二极管的阴极、第三电容的正极相连接，第一二极管的阴极、第二电感的一端、第二电容的正极相连接，第二二极管的阳极、第二电感的另一端、第四开关管的集电极相连接，第二功率开关管的发射极、第一电容的负极、第三二极管的阳极、第三电容的负极、第四开关管的发射极、第二电容的负极相连接；所述第二功率开关管的集电极和发射极分别作为子模块拓扑结构的正负输出端。

[0006] 有益效果：

[0007] (1)该子模块具备桥臂开关管直通能力，具有很高的运行可靠性；

[0008] (2)该子模块本身具有子模块电容电压控制能力，不需要传统的电容电压平衡控制，可简化系统的硬件结构和降低软件设计要求；

[0009] (3)环流交流分量小，无需采用环流抑制策略。

附图说明

[0010] 图1为基于半桥子模块的模块化多电平变换器结构框图；

[0011] 图2为本发明的拓扑结构图；

[0012] 图3为本发明的箝位电路工作原理图；

[0013] 图4为本发明的能量转移电路工作原理图；

[0014] 图5为本发明的半桥电路工作原理图；

[0015] 图6为本发明的子模块控制框图；

[0016] 图7为本发明的稳态实验波形图；

[0017] 图8为本发明的直通能力实验波形图。

具体实施方式

[0018] 构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

[0019] 如图1所示，基于半桥子模块的模块化多电平变换器结构框图，每相由上下两个桥臂通过两个桥臂电感连接而成，每个桥臂包含N个子模块，该子模块为传统的子模块。

[0020] 如图2所述，本发明的拓扑结构由半桥电路、箝位电路和能量转移电路组成。半桥电路由一个电感L1、一个电容C1和两个含有反并联二极管的NPN功率开关管S1和S2组成，L1连接电容C1的正极，L1的另外一端连接开关管S1的集电极，S1的发射极连接开关管S2的集电极，S2的发射极连接电容C1的负极。

[0021] 箝位电路由一个电感L1、两个电容C1和C2以及一个功率二极管D1串联组成。电容C2的正极连接二极管D1的负极，D1的正极连接电感L1，电感L1的另外一端连接电容C1的正极，电容C1的负极连接电容C2的负极。

[0022] 能量转移电路由升压电路和降压电路级联而成，所述升压电路由两个电容C2和C3、一个电感L3、一个二极管D3和一个开关管SZ2组成。电容C2的正极连接电感L2，L2另一端连接开关管SZ1的集电极，SZ1的集电极连接二极管的D2的正极，D2的负极连接电容C3的正极，电容C3的负极连接开关管SZ1的发射极；降压电路由两个电容C1和C3、一个电感L3、一个二极管D3和一个开关管SZ2组成；开关管SZ2的集电极连接电容C的正极，SZ2的发射极连接二极管D3的负极和电感L3，L3的另外一端连接电容C1的正极，电容C1的负极连接二极管D3的正极，二极管D3的正极连接电容C3的负极。

[0023] 如图3-5所示，为该子模块拓扑结构的原理图，半桥电路中，当S1和S2同时导通时，子模块处于直通状态，C1通过L1放电，L1能量增加，C1电压下降，当子模块由直通状态转换为非直通状态，箝位电路开始工作，电容C1继续通过L1放电，D1导通，C1电压继续下降，C2电压上升，当L1电压vL1加上C1电压vC1小于等于C2电压vC2时，子模块输出电压为vL1+vC1，当vL1加上vC1大于vC2时，子模块输出电压为vC2；电容C2可以箝位子模块输出电压；vC1在桥臂电流为正时上升，在桥臂电流为负时下降；

[0024] 无论桥臂电流为正或者负，C2电压持续上升，在升压电路中，当C2电压过高，高于上限阀值时，SZ1开通，C2经过L2放电，当C2电压低于下限阀值时，SZ1关闭，D2导通，C2通过L2给C3充电，C2电压降低，C3电压升高，升压电路将C2的能量增量都转移给C3；

[0025] 此外，当桥臂电流为负时，电容C1下降，在降压电路中当C1电压低于下限阈值时，SZ2开通，C3经过L3给C1放电；当C1电压高于上限阈值时，SZ2关闭，D3导通，L3通过D3续流回路给C1充电。降压单元实现了将C3增加的能量转移到C1上，在限制C3电压的同时保持C1电压稳定。

[0026] 为了保持流过子模块的能量保持平衡，升压电路和降压电路中的电感应工作在断续状态。

[0027] 图6为本发明的子模块控制框图。子模块控制策略采用滞回比较控制策略：(a)图表示当C2电压大于上限阈值时，开关管SZ1开通，当C2电压小于下限阈值时，开关管SZ1关闭；

[0028] (b)图表述的为Sz2导通与关闭的条件，电容C3的电压Vc3大于上限阀值时，Vc1控制失效，Sz2开通，Vc3小于等于上限阀值大于下限阀值时，Vc1控制有效，在此状态下若Vc1小于下限阀值，Sz2开通，若Vc1大于上限阀值，Sz2关闭；Vc3低于下限阀值时，Vc1控制失效，Sz2关闭。本电路工作在Vc1控制有效的状态。

[0029] 图7为本发明的稳态实验波形图。从图7(a)中可以看出，交流电流幅值为5A左右，由示波器FFT计算，谐波含量仅为2.1％，非常小。图7(b)中，环流波动值为0.45A，为交流电流的9％，表明无需环流抑制算法，环流波动也非常小。图7(c)中，在桥臂电流为正时，电容C2给C3充电，C3电压一直升高，而C1电压被C2箝位。在桥臂电流为负时，C1电压下降，C3给C1充电，C3电压下降。C1电压被控制稳定在23.5～25v范围内波动，C2电压也被稳定控制在28～30v范围内波动，C3上的能量波动是保持平衡的。

[0030] 图8为本发明的直通能力实验波形图。在t1时刻，子模块上下开关管同时导通，电容C1开始放电，其电压开始下降。经过25μs后，由直通状态变为正常工作状态，电容C1电压继续下降，并给C2充电，C2电压上升。当电容C2电压大于上限阈值时，电容C2开始给电容C3充电，电容C3电压上升，电容C2电压下降。该过程结束后进入正常工作状态。

[0031] 另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。