基于MMC的双向直流变换器及其控制系统技术方案

本发明专利技术涉及电力电子领域，具体提供一种基于MMC的双向直流变换器，该变换器包括第一直流端口、第二直流端口、多个第一MMC模块、多个第二MMC模块、多个第一电容器、第二电容器、第一电感器和第二电感器，第一电感器的第一端与第一直流端口的第一电极连接；多个第一MMC模块串联形成第一串联支路；多个第二MMC模块串联形成第二串联支路；每个第一电容器的第一端和第二端分别与串联顺序相同的第一MMC模块和第二MMC模块的第二端连接；第二电感器的第二端与第二直流端口的第一电极连接，第一电容器和第二电容器的第二端与第二直流端口的第二电极连接；第一电感器与第二电感器正向耦合且共用磁芯。本发明专利技术有效降低了变换器的开关损耗，提高了输出电压等级。

Two way DC converter and its control system based on MMC

【技术实现步骤摘要】
基于MMC的双向直流变换器及其控制系统
本专利技术涉及电力电子器件
，具体涉及一种基于MMC的双向直流变换器及其控制系统。
技术介绍
当今社会，环境和能源问题已经成为世界各国关注的热点。在各种新能源与可再生能源迅速发展的影响下，电源系统正朝着燃料电池、光伏发电及风力发电等新型能源综合应用的混合能源领域发展，电压等级越来越高，单机容量越来越大。如今双向变换器已经被广泛应用于蓄电池充放电、电动汽车车载电源、直流不停电电源系统、航空能源、太阳能光伏发电系统等领域中。然而，现有的双向直流变换器存在开关损耗大、整体效率低、输出功率等级低、输出电压低等缺点。相应地，随着空间电源大功率需求的快速发展，本领域需要新型双向高压直流变换器来解决这些问题。
技术实现思路
为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有双向直流变换器开关损耗大、整体效率低、输出功率等级低等技术问题，本专利技术提供了一种基于MMC的双向直流变换器及其控制系统。本专利技术的变换器采用多个MMC(ModularMultilevelConverter，模块化多电平换流器)串联子模块作为开关模块，可有效降低变换器损耗，大幅提高设备容量，进一步提高直流变换器的输出电压等级，实现电能高效变换。具体而言，在第一方面，本专利技术提供一种基于MMC的双向直流变换器，该双向直流变换器包括第一直流端口、第二直流端口、多个第一MMC模块、多个第二MMC模块、多个第一电容器、第二电容器、第一电感器和第二电感器；所述第一电感器的第一端与所述第一直流端口的第一电极连接；多个所述第一MMC模块串联形成第一串联支路，所述第一串联支路中首个第一MMC模块的第一端与所述第一电感器的第二端连接，所述第一串联支路中最后一个第一MMC模块的第二端与所述第一直流端口和所述第二直流端口的第二电极连接；多个所述第二MMC模块串联形成第二串联支路，所述第二串联支路中首个第二MMC模块的第一端与所述第一电感器的第二端连接，所述第二串联支路中最后一个第二MMC模块的第二端与所述第一电容器、所述第二电容器和所述第二电感器的第一端连接；每个所述第一电容器的第一端和第二端分别与串联顺序相同的第一MMC模块和第二MMC模块的第二端连接；所述第二电感器的第二端与所述第二直流端口的第一电极连接，所述第一电容器和所述第二电容器的第二端与所述第二直流端口的第二电极连接；所述第一电感器与所述第二电感器正向耦合且共用磁芯。在上述双向直流变换器的优选实施方式中，所述双向直流变换器还包括第三电感器和第三电容器；所述第三电感器连接在所述第二电感器的第二端与所述第二直流端口的第一电极之间，所述第三电容器连接在所述第二直流端口的第一电极与第二电极之间。在上述双向直流变换器的优选实施方式中，所述第二电容器的第二端与所述第二直流端口的第二电极之间设置有电阻器。在上述双向直流变换器的优选实施方式中，所述第一MMC模块和所述第二MMC模块均为半桥功率MMC模块、全桥功率MMC模块或箝位双MMC模块。在上述双向直流变换器的优选实施方式中，所述第一MMC模块和所述第二MMC模块均为半桥功率MMC模块，所述半桥功率MMC模块包括彼此串联成环路的两个IGBT和一个子电容器以及分别与所述两个IGBT并联的二极管，所述半桥功率MMC模块的第一端连接在两个IGBT之间，第二端连接在一个IGBT与所述子电容器之间。在上述双向直流变换器的优选实施方式中，所述第一直流端口的第一电极和第二电极分别为所述第一直流端口的正极和负极，所述第二直流端口的第一电极和第二电极分别为所述第二直流端口的正极和负极。在上述双向直流变换器的优选实施方式中，所述第一直流端口的第一电极和第二电极与电池相连，所述第二直流端口的第一电极和第二电极与负载相连。在第二方面，本专利技术提供一种用于上述双向直流变换器的控制系统，所述控制系统包括电压电流采样电路、控制算法电路和驱动电路；所述电压电流采样电路连接到所述双向直流变换器，用于采集所述双向直流变换器两端的电压信号和线路电流信号，所述控制算法电路分别与所述电压电流采样电路和所述驱动电路连接，所述驱动电路分别连接至每个第一MMC模块和每个第二MMC模块内的IGBT，所述控制算法电路基于所述电压信号和所述线路电流信号、借助所述驱动电路控制每个第一MMC模块和每个第二MMC模块的通断。在上述控制系统的优选实施方式中，所述电压信号是所述第二直流端口的第一电极与第二电极之间的电压信号，所述线路电流信号是流过所述第一电感器和所述第二电感器的电流信号。与现有的变换器相比，本专利技术的技术方案至少具有如下有益效果：首先，由于采用MMC模块进行投切控制，本专利技术的变换器开关损耗低、运行效率高并且谐波水平低。其次，特别是当将多个MMC模块串联成支路并且与对应数量的电容器配合使用时，本专利技术的变换器能够消除半导体器件的电压和电流耐受水平对变换器的功率容量造成的限制，由于多个MMC模块可以根据需要自由通断，本专利技术的变换器可以在现有半导体器件的水平下实现更高的电压输出，传送更大的容量。附图说明下面结合附图来描述本专利技术的优选实施方式，附图中：图1是本专利技术第一实施例的双向直流变换器的结构示意图；图2是本专利技术第二实施例的双向直流变换器的结构示意图；图3是用于本专利技术的双向直流变换器的一种MMC子模块的电路原理图；图4是图3所示MMC子模块的工作状态图表，其中示出了该MMC子模块的三种状态和六种工作模式。图5是用于本专利技术的双向直流变换器的另一种MMC子模块的电路原理图；图6是本专利技术的控制系统的原理图。具体实施方式下面参照附图来描述本专利技术的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本专利技术的技术原理，并非旨在限制本专利技术的保护范围。首先参阅附图1，该图示出了本专利技术第一实施例的双向直流变换器的结构示意图。如图1所示，根据本专利技术第一实施例的新型双向直流变换器为多电平拓扑结构，所述多电平拓扑结构包括第一直流端口、第二直流端口、多个电容(具体是第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3……第n电容Cn、第n+1电容Cn+1、第n+2电容Cn+2)、三个储能电感(具体是储能电感L1、L2、L3)、多个MMC模块(具体是第一MMC模块SM1、第二MMC模块SM2……第2n-1MMC模块SM2n-1、第2nMMC模块SM2n)、第一电阻R，其中n为电平数。具体地，第一直流端口包括正极A和负极B，第二直流端口包括正极C和负极D。第一MMC模块SM1、第二MMC模块SM2……第2n-1MMC模块SM2n-1、第2nMMC模块SM2n是拥有三种工作状态、六种工作模式的MMC模块，其分别由IGBT、二极管和电容组成，具体拓扑结构下面将结合图3和4详细描述。如图1所示，第一储能电感L1的第二引出端子、第一MMC模块SM1的第一引出端子、第二MMC模块SM2的第一引出端子在第一连接点1处连接，第一MMC模块SM1的第二引出端子、第一电容C本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于MMC的双向直流变换器，其特征在于包括第一直流端口、第二直流端口、多个第一MMC模块、多个第二MMC模块、多个第一电容器、第二电容器、第一电感器和第二电感器，/n所述第一电感器的第一端与所述第一直流端口的第一电极连接；/n多个所述第一MMC模块串联形成第一串联支路，所述第一串联支路中首个第一MMC模块的第一端与所述第一电感器的第二端连接，所述第一串联支路中最后一个第一MMC模块的第二端与所述第一直流端口和所述第二直流端口的第二电极连接；/n多个所述第二MMC模块串联形成第二串联支路，所述第二串联支路中首个第二MMC模块的第一端与所述第一电感器的第二端连接，所述第二串联支路中最后一个第二MMC模块的第二端与所述第一电容器、所述第二电容器和所述第二电感器的第一端连接；/n每个所述第一电容器的第一端和第二端分别与串联顺序相同的第一MMC模块和第二MMC模块的第二端连接；/n所述第二电感器的第二端与所述第二直流端口的第一电极连接，所述第一电容器和所述第二电容器的第二端与所述第二直流端口的第二电极连接；/n所述第一电感器与所述第二电感器正向耦合且共用磁芯。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于MMC的双向直流变换器，其特征在于包括第一直流端口、第二直流端口、多个第一MMC模块、多个第二MMC模块、多个第一电容器、第二电容器、第一电感器和第二电感器，
所述第一电感器的第一端与所述第一直流端口的第一电极连接；
多个所述第一MMC模块串联形成第一串联支路，所述第一串联支路中首个第一MMC模块的第一端与所述第一电感器的第二端连接，所述第一串联支路中最后一个第一MMC模块的第二端与所述第一直流端口和所述第二直流端口的第二电极连接；
多个所述第二MMC模块串联形成第二串联支路，所述第二串联支路中首个第二MMC模块的第一端与所述第一电感器的第二端连接，所述第二串联支路中最后一个第二MMC模块的第二端与所述第一电容器、所述第二电容器和所述第二电感器的第一端连接；
每个所述第一电容器的第一端和第二端分别与串联顺序相同的第一MMC模块和第二MMC模块的第二端连接；
所述第二电感器的第二端与所述第二直流端口的第一电极连接，所述第一电容器和所述第二电容器的第二端与所述第二直流端口的第二电极连接；
所述第一电感器与所述第二电感器正向耦合且共用磁芯。


2.根据权利要求1所述的双向直流变换器，其特征在于，所述双向直流变换器还包括第三电感器和第三电容器，
所述第三电感器连接在所述第二电感器的第二端与所述第二直流端口的第一电极之间，所述第三电容器连接在所述第二直流端口的第一电极与第二电极之间。


3.根据权利要求1或2所述的双向直流变换器，其特征在于，所述第二电容器的第二端与所述第二直流端口的第二电极之间设置有电阻器。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的双向直流变换器，其特征在于，所述第一MMC模块和所述第二MMC...

【专利技术属性】
技术研发人员：霍群海，吴琦，尹靖元，吴理心，韦统振，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11