一种高频链互联的三端口MMC-SST拓扑及控制策略制造技术

本发明专利技术公开了一种高频链互联的三端口MMC‑SST拓扑，包括模块化多电平变换器结构、半桥与电容结构、谐振式推挽变换器和三相桥臂，所述谐振式推挽变换器和半桥与电容结构组成隔离子模块，所述谐振式推挽变换器的高频链路将所有隔离子模块互联在一起形成低压直流母线，所述三相桥臂中每相桥臂均分为上桥臂和下桥臂，每相上桥臂均包括n个隔离子模块和上桥臂电感L

【技术实现步骤摘要】
一种高频链互联的三端口MMC-SST拓扑及控制策略
本专利技术涉及一种应用于中低压混合交直流组网系统的固态变压器领域，尤其是一种高频链互联的三端口MMC-SST拓扑及控制策略。
技术介绍
伴随可再生能源渗透率的提高以及直流负荷的比重逐步增大，直流系统在电能传输与智能电网中得到越来越广泛的应用。相对于交流系统，直流系统在减少变换级数，降低传输损耗，避免谐波与无功功率，提高系统响应速度与稳定性等方面具备更多的优势直流系统不断得到推广的同时，连接中低压混合交直流的变压器技术也受到越来越多的关注。固态变压器，又叫做电力电子变压器，是将电力电子技术与高频电能变换技术相结合的新型电力电子设备。在实现传统变压器电压等级变换与电气隔离的基础上，能够在故障隔离，智能通讯，以及连接可再生能源与储能系统等方面弥补传统变压器的不足。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。基于MMC结构的SST，由于其具备公共直流母线以及高度模块化的结构特点，在智能电网、混合交直流配电网中发挥着重要的电能变换与系统控制作用，提高了电力系统的柔性调控能力与可靠性。MMC结构的子模块电容电压波动是基于MMC的SST中的固有问题，这通常需要较大尺寸的电容来进行抑制，这明显制约了SST系统功率密度的提升。所以减小MMC电容的尺寸，对于SST的实际工程应用具有重要意义。目前对于解决MMC结构子模块电容电压波动的策略，有的学者提出一种飞跨电容结构的MMC(FC-MMC)方案，通过FC实现上、下桥臂之间的功率平衡，可以显著降低电容器的电压纹波。但是桥臂中2倍频环流依然存在，会带来桥臂开关器件电流应力以及开关损耗的增加。有的学者采用上、下桥臂波动功率耦合方案，利用两桥臂之间波动功率基频分量相位相反的特性实现相互抵消，大幅降低了SM电容的尺寸。还有的方案是在相邻桥臂SM之间设计了高频链路，用作功率通道来进行SM间的能量交换以恢复电容器之间的功率不平衡，同时降低了SM电容电压的纹波。但是这些都是基于附加电路的闭环控制实现的，需要大量的检测电路与控制运算资源。并且上述所有关于电压纹波抑制的研究都是基于SM电容电压平衡的前提条件，所以系统还另外需要设计电压平衡控制策略。
技术实现思路
本专利技术需要解决的技术问题是提供一种高频链互联的三端口MMC-SST拓扑及控制策略，消除SM电容电压纹波与桥臂中的2倍频循环电流，同时实现所有SM之间的电压均衡。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种高频链互联的三端口MMC-SST拓扑，包括模块化多电平变换器结构、半桥与电容结构、谐振式推挽变换器和三相桥臂，所述谐振式推挽变换器和半桥与电容结构组成隔离子模块，所述谐振式推挽变换器的高频链路将所有隔离子模块互联在一起形成低压直流母线，所述三相桥臂中每相桥臂均分为上桥臂和下桥臂，每相上桥臂均包括n个隔离子模块和上桥臂电感Lg1、Lg3、Lg5，每相下桥臂均包括n个隔离子模块和下桥臂电感Lg2、Lg4、Lg6。本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述隔离子模块包括第一功率开关管Q1、第二功率开关管Q2、第一电容Ci、第三功率开关管Q3、第四功率开关管Q4、第五功率开关管Q5、第六功率开关管Q6、第二电容Cr、三绕组高频变压器T1、第七功率开关管Q7、第八功率开关管Q8、第三电容Co，所述三绕组高频变压器T1包括第一绕组N1、第二绕组N2、第三绕组N3，所述第一功率开关管Q1的漏极与第五功率开关管Q5的漏极及第七功率开关管Q7的漏极相连；所述第二功率开关管Q2的源极与第六功率开关管Q6的源极及第八功率开关管Q8的源极相连；所述第一功率开关管Q1的源极与第二功率开关管Q2的漏极相连；所述第五功率开关管Q5的源极与第六功率开关管Q6的漏极相连；所述第七功率开关管Q7的源极与第八功率开关管Q8的漏极相连；所述第一电容Ci的一端与第一功率开关管Q1的漏极连接，所述第一电容Ci的另一端与第二功率开关管Q2的源极连接；所述第二电容Cr的一端连接到第五功率开关管Q5以及第六功率开关管Q6所组成的桥臂中点，所述第二电容Cr的另一端与第一绕组N1的同名端连接；所述第一绕组N1的异名端连接到第七功率开关管Q7以及第八功率开关管Q8所组成的桥臂中点；所述第二绕组N2的同名端与第三功率开关管Q3的漏极相连，所述第二绕组N2的异名端与第三绕组N3的同名端相连；所述第三绕组N3的异名端与第四功率开关管Q4的漏极相连；第三功率开关管Q3的源极与第四功率开关管Q4的源极相连；第三电容Co的一端与第二绕组N2的异名端相连，第三电容Co的另一端与第四功率开关管Q4的源极相连。本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述每相上桥臂第一个隔离子模块的第一功率开关管Q1与第二功率开关管Q2组成的中点与中压直流母线的正极相连；所述第二功率开关管Q2的源极与下一隔离子模块的第一功率开关管Q1的源极相连；所述上桥臂电感Lg1、Lg3、Lg5的一端与每相上桥臂的最后一个隔离子模块的第二功率开关管Q2的源极连接，三相上桥臂电感Lg1、Lg3、Lg5的另一端分别连接中压交流母线的a相、b相、c相；三相下桥臂电感Lg2、Lg4、Lg6的一端分别与中压交流母线的a相、b相、c相连接，三相下桥臂电感Lg2、Lg4、Lg6的另一端与每相下半桥臂第一个隔离子模块的第一功率开关管Q1的漏极连接；每相下半桥臂隔离子模块的第二功率开关管Q2的源极与下一隔离子模块的第一功率开关管Q1的源极相连；下半桥臂最后一个隔离子模块的第二功率开关管Q2的源极与中压直流母线的负极相连；三相桥臂所有隔离子模块中的第三电容Co的两端分别对应相连组成低压直流母线。本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述模块化多电平变换器结构的子模块输入电流包含直流分量与交流分量，交流部分主要包括基频与2倍频分量，在三端口MMC-SST拓扑上、下桥臂纵向隔离子模块之间，波动电流中基频分量if1-ua、if1-ub、if1-uc与if1-da、if1-db、if1-dc相位相反，2倍频分量if2-ua、if2-ub、if2-uc与if2-da、if2-db、if2-dc相位相同，在横向隔离子模块之间，波动电流中基频分量相位是三相正序的，2倍频分量是负序的，均呈三相对称特性。本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述隔离子模块电流中交流分量ismac_ux分为流向自身电容的纹波电流分量ismac1-ux与流向后级的纹波电流分量ismac-ux建立等效阻抗模型，隔离子模块中谐振式推挽变换器的谐振槽阻抗包括谐振电容Cr的等效阻抗1/jω0Cr、谐振电感Lr的等效阻抗jω0Lr，所述谐振式推挽变换器的开关频率f1与谐振频率fr相等时，谐振电路的阻抗为零,所述隔离子模块的等效阻抗包括第一电容Ci的等效阻抗1/jω0C和谐振式推挽变换器二次侧输出阻抗RL。本专利技术技术方案的进一步改进在于：一种高频链互联的三端口MMC-SST拓扑的控制策略，包括半桥与电容结构控制和谐振推挽本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高频链互联的三端口MMC-SST拓扑，其特征在于：包括模块化多电平变换器结构、半桥与电容结构、谐振式推挽变换器和三相桥臂，所述谐振式推挽变换器和半桥与电容结构组成隔离子模块，所述谐振式推挽变换器的高频链路将所有隔离子模块互联在一起形成低压直流母线，所述三相桥臂中每相桥臂均分为上桥臂和下桥臂，每相上桥臂均包括n个隔离子模块和上桥臂电感L

【技术特征摘要】
1.一种高频链互联的三端口MMC-SST拓扑，其特征在于：包括模块化多电平变换器结构、半桥与电容结构、谐振式推挽变换器和三相桥臂，所述谐振式推挽变换器和半桥与电容结构组成隔离子模块，所述谐振式推挽变换器的高频链路将所有隔离子模块互联在一起形成低压直流母线，所述三相桥臂中每相桥臂均分为上桥臂和下桥臂，每相上桥臂均包括n个隔离子模块和上桥臂电感Lg1、Lg3、Lg5，每相下桥臂均包括n个隔离子模块和下桥臂电感Lg2、Lg4、Lg6。


2.根据权利要求1所述的一种高频链互联的三端口MMC-SST拓扑，其特征在于：所述隔离子模块包括第一功率开关管Q1、第二功率开关管Q2、第一电容Ci、第三功率开关管Q3、第四功率开关管Q4、第五功率开关管Q5、第六功率开关管Q6、第二电容Cr、三绕组高频变压器T1、第七功率开关管Q7、第八功率开关管Q8、第三电容Co，所述三绕组高频变压器T1包括第一绕组N1、第二绕组N2、第三绕组N3，所述第一功率开关管Q1的漏极与第五功率开关管Q5的漏极及第七功率开关管Q7的漏极相连；所述第二功率开关管Q2的源极与第六功率开关管Q6的源极及第八功率开关管Q8的源极相连；所述第一功率开关管Q1的源极与第二功率开关管Q2的漏极相连；所述第五功率开关管Q5的源极与第六功率开关管Q6的漏极相连；所述第七功率开关管Q7的源极与第八功率开关管Q8的漏极相连；所述第一电容Ci的一端与第一功率开关管Q1的漏极连接，所述第一电容Ci的另一端与第二功率开关管Q2的源极连接；所述第二电容Cr的一端连接到第五功率开关管Q5以及第六功率开关管Q6所组成的桥臂中点，所述第二电容Cr的另一端与第一绕组N1的同名端连接；所述第一绕组N1的异名端连接到第七功率开关管Q7以及第八功率开关管Q8所组成的桥臂中点；所述第二绕组N2的同名端与第三功率开关管Q3的漏极相连，所述第二绕组N2的异名端与第三绕组N3的同名端相连；所述第三绕组N3的异名端与第四功率开关管Q4的漏极相连；第三功率开关管Q3的源极与第四功率开关管Q4的源极相连；第三电容Co的一端与第二绕组N2的异名端相连，第三电容Co的另一端与第四功率开关管Q4的源极相连。


3.根据权利要求2所述的一种高频链互联的三端口MMC-SST拓扑，其特征在于：所述每相上桥臂第一个隔离子模块的第一功率开关管Q1与第二功率开关管Q2组成的中点与中压直流母线的正极相连；所述第二功率开关管Q2的源极与下一隔离子模块的第一功率开关管Q1的源极相连；所述上桥臂电感Lg1、Lg3、Lg5的一端与每相上桥臂的最后一个隔离子模块的第二功率开关管Q2的源极连接，三相上桥臂电感Lg1、Lg3、Lg5的另一端分别连接中压交流母线的a相、b相、c相；三相下桥臂电感Lg2、Lg4、Lg6的一端分别与中压交流母线的a相、b相、c相连接，三相下桥臂电感Lg2、Lg4、Lg6的另一端与每相下半桥臂第一个隔离子模块的第一功率开关管Q1的漏极连接；每相下半桥臂隔离子模块的第二功率开关管Q2的源极与下一隔离子模块的第一功率开关管Q1的源极相连；下半桥臂最后一个隔离子模块的第二功率开关管Q2的源极与中压直流母线的负极相连；三相桥臂所有隔离子模块中的第三电容Co的两端分别对应相连组成低压直流母线。


4.根据权利要求2所述的一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙孝峰，滕甲训，潘禹卓，李昕，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北;13