一种消除低频电压波动的模块化多电平变流器制造技术

本发明专利技术公开了一种消除低频电压波动的模块化多电平变流器，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，本发明专利技术可全部模块化，可靠性高，便于维护调试；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；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。

Modular multilevel converter for eliminating low frequency voltage fluctuation

The invention discloses a method for eliminating low-frequency voltage fluctuation of modular multilevel converter, can realize the elimination of modular multilevel converters in low frequency drive module when the low frequency voltage fluctuation on each bridge arm corresponding encoding module is connected with a sub DAB power conversion unit, DAB transmission wave energy in power conversion unit the corresponding module, the corresponding sub module can achieve a balance of power on the bridge, the invention can be modular, high reliability, convenient maintenance and debugging; without a traditional control method of voltage fluctuation as injected high frequency common mode voltage control has the advantages of simple calculation, and reduce the adverse effect of motor; no need to inject harmonic components in bridge circulation the arms of the lower bridge arm voltage stress and loss.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于模块化多电平变流器
，具体涉及一种消除低频电压波动的模块化多电平变流器。
技术介绍
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(ModularMultilevelConverter,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(HighVoltageDirectCurrent,HVDC)领域，多条线路已投入运营，如TransBayCable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(CascadedH-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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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，本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术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、本专利技术可全部模块化，可靠性高，便于维护调试；3、本专利技术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、本专利技术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为本专利技术中模块化多电平变流器单相拓扑结构框图；图2为本专利技术的立体结构图；图3为本专利技术中半桥子模块结构图；图4为本专利技术中双有源桥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为本专利技术的MMC输出三相电流波形；图8为本专利技术的MMCA相8个直流侧电压波形。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步说明。参见图1至图4，本专利技术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。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，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。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。本专利技术中的能量变化为：直流输入由MMC公共直流侧供能，MMC交流侧连接三相交流传动系统，拖动电机；DAB模块传递MMC同相上下桥臂对应子模块中能量，抵消电压波动。实施例1采用如图1所述的拓扑结构，包括传统的双星型半桥MMC以及双有源桥DAB模块，DAB功率变换单元包括四个端口，具有能量双向流动功能；具体的MMC子模块为两只全控型器件组成的半桥，其结构如图3所示为SM代表的半桥。两个半桥的直流侧的两个端线间并联一定容量的电容器组；功率变换器的级联数目由输入电压等级和所选用的电力电子器件水平所决定，如：直流侧电压为11kV，选用开关器件1.7kV/400A的IGBT并设定直流侧为1.1kV时，每桥臂需要10个变换器级联。DAB功率变换单元分为三个组成部分：作为高频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功率变换器将输入的直流电压调制成1kHz以上的高频交流信号(具体频率需根据系统所采用的开关器件确定)，之后通过高频变压器传递到高频AC/DC变换器交流端，最终高频AC/DC变换器则将高频变压器输出的高频交流信号还原为直流。高频变压器主要起到电压变换和电气隔离的作用；当连接不同的MMC子模块直流侧电容，必须采用电气隔离；DAB功率变换单元分为三组，对应MMC系统三相；每组包括N个独立的DAB功率变换单元，每个DAB功率变换单元的两个端口分别连接MMC同相上下桥臂对应编号子模块电容，从而形成MMC相内上下桥臂间子模块的能量流动通路；实施例1中的拓扑结构高度模块化，便于设计、生产、安装、调试和维护，可以根据不同的功率等级及控制目地而灵活应用。为验证本专利技术，图5至图8给出了本专利技术的仿真效果。仿真模型为一个三相逆变系统，直流侧电压4KV，子模块电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种消除低频电压波动的模块化多电平变流器，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种消除低频电压波动的模块化多电平变流器，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘进军，宋曙光，欧阳少迪，陈星星，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61