一种基于MMC的高频交流母线电能路由结构及控制策略制造技术

本发明专利技术涉及一种基于MMC的高频交流母线电能路由结构及控制策略，属于电能变换技术领域，所述路由结构包括中压变换级、高频隔离级和低压级；所述控制策略包括中压变换级AC/DC转换控制、高频隔离级控制和高频交流母线低压输出端的控制。本发明专利技术将模块化多电平变换器与隔离变压器、全桥结构组合形成高频交流母线电能路由结构并实现电气隔离，能够减少电能变换环节，减小模块化多电平变换器电容体积，实现子模块电压波动抑制及自动均衡，提高功率密度，简化系统控制。简化系统控制。简化系统控制。

【技术实现步骤摘要】
一种基于MMC的高频交流母线电能路由结构及控制策略


[0001]本专利技术涉及一种基于MMC的高频交流母线电能路由结构及控制策略，属于电能变换


技术介绍

[0002]随着分布式能源发电渗透率的提高，以及电动汽车、LED电源等直流负载比重的增加，电网结构日趋多元化，传统的输配电网络及运行模式难以满足系统协调稳定运行需求。连接多种形式能源与负载，实现“源
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网
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荷
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储”协调运行成为未来智能电网、绿色电网发展的新要求。为充分利用分布式能源，满足多种形式负载运行需求，具备能源协调管理能力的能源互联网成为一种典型的发展趋势，其中具有多电压等级、多种端口的电能路由是能源互联网中的关键装置。
[0003]基于MMC的电能路由，在智能电网、交直流混合配电网中发挥着重要作用，可实现不同电压等级、不同能量形式的交、直流电网之间的互相调配，提高了交直流电网的柔性调控能力与可靠性。基于MMC的共直流母线电能路由结构已得到了一些学者的研究，为实现多种端口输出并进行多种能量形式变换，有学者提出三级式电能路由结构，MMC作为输入级，在MVDC端口接入输入串联输出并联的DAB结构实现隔离并形成公共直流母线，再经交直流变换环节形成各端口。有学者提出每个子模块后级联DAB，所有DAB输出端并联形成公共直流母线的电能路由结构。子模块级联DAB形成共直流母线的方案所需开关及变压器数量较多成本高，并且以共直流母线作为电能变换枢纽实现交直流转换所需变换环节较多，严重影响系统能量转换效率。
[0004]基于MMC的电能路由由于MMC结构本身模块数量多且为抑制子模块电容电压波动需采用大尺寸电容，限制系统功率密度的提升，同时多电平结构稳定运行需设计多种控制环路，系统控制复杂性较高。目前对于解决MMC结构子模块电容电压波动的策略，有学者提出在交流侧注入共模电压、在相单元注入环流抑制电压波动的方案，但存在桥臂电流增大、直流输出波形质量差等问题。并且这种抑制电压波动的方式通常需要闭环控制，增加了控制系统的复杂性。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种基于MMC的高频交流母线电能路由结构及控制策略，能够减少电能变换环节，提供多类型端口，减小电容需求，实现所有子模块的电压均衡，简化系统控制。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于MMC的高频交流母线电能路由结构，包括中压变换级、高频隔离级和低压级；所述中压变换级为三相六桥臂结构的模块化多电平变换器，具有中压交流和直流端口；所述高频隔离级包括全桥结构和四绕组高频隔离变压器，全桥结构级联在子模块之后，四绕组高频隔离变压器原边侧三绕组分别连接三相间横向三个全桥形成隔离组合单元，四绕
组高频隔离变压器副边侧并联形成高频交流母线；所述低压级包括两绕组高频隔离变压器、同步单元和移相单元，同步单元为全桥结构，移相单元为电感和全桥结构，同步单元和移相单元均经两绕组高频隔离变压器接入高频交流母线，低压级的输出端分别为电压钳位型和功率可控型低压直流端口。
[0007]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述中压变换级模块化多电平变换器为三相六桥臂结构，每相桥臂均分为上桥臂和下桥臂，三相上桥臂分别包括n个子模块和上桥臂电感L
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，三相下桥臂分别包括n个子模块和下桥臂电感L
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；所述子模块包括第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第一电容C，所述每相上桥臂第一个子模块的第一功率开关管S1与第二功率开关管S2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S2的发射极与下一子模块的第一功率开关管S1的发射极相连；所述上桥臂电感L
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的一端分别与每相上桥臂的最后一个子模块的第二功率开关管S2的发射极连接，三相上桥臂电感L
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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L
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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L
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的另一端分别与每相下半桥臂第一个子模块的第一功率开关管S1的发射极连接；每相下半桥臂子模块的第二功率开关管S2的发射极与下一组子模块的第一功率开关管S1的发射极相连；下半桥臂最后一个子模块的第二功率开关管S2的发射极与中压直流母线的负极相连。
[0008]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述高频隔离级的隔离组合单元包括三个全桥结构和一个四绕组高频隔离变压器，所述全桥结构包括第一功率开关管Q1、第二功率开关管Q2、第三功率开关管Q3、第四功率开关管Q4，所述四绕组高频变压器T包括第一绕组N1、第二绕组N2、第三绕组N3、第四绕组N4，所述子模块第一功率开关管S1的发射极与第二功率开关管S2的集电极相连；所述子模块第一电容C的一端与第一功率开关管S1的集电极连接，所述子模块第一电容C的另一端与第二功率开关管S2的发射极连接；所述子模块第一功率开关管S1的集电极与全桥第一功率开关管Q1的集电极及第三功率开关管Q3的集电极相连；所述子模块第二功率开关管S2的发射极与全桥第二功率开关管Q2的发射极及第四功率开关管Q4的发射极相连；所述全桥第一功率开关管Q1的发射极与第二功率开关管Q2的集电极相连；所述全桥第三功率开关管Q3的发射极与第四功率开关管Q4的集电极相连；所述第一绕组N1的同名端连接到横向同一位置三个全桥结构中A相全桥结构的第一功率开关管Q
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以及第二功率开关管Q
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所组成的桥臂中点，所述第一绕组N1的异名端连接到该全桥结构第三功率开关管Q
a3
以及第四功率开关管Q
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所组成的桥臂中点；所述第二绕组N2的同名端连接到横向同一位置三个全桥结构中B相全桥结构的第一功率开关管Q
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以及第二功率开关管Q
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所组成的桥臂中点，所述第二绕组N2的异名端连接到该全桥结构第三功率开关管Q
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以及第四功率开关管Q
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所组成的桥臂中点；所述第三绕组N3的同名端连接到横向同一位置三个全桥结构中C相全桥结构的第一功率开关管Q
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以及第二功率开关管Q
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所组成的桥臂中点，所述第三绕组N3的异名端连接到该全桥结构第三功率开关管Q
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以及第四功率开关管Q
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所组成的桥臂中点；所述第一、第二、第三绕组位于隔离型四绕组高频变压器的原边侧，第四绕组位于副边侧，原边侧三绕组变比为1：1：1，第四绕组与原边侧三绕组的变比根据应本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于MMC的高频交流母线电能路由结构，其特征在于：包括中压变换级、高频隔离级和低压级；所述中压变换级为三相六桥臂结构的模块化多电平变换器，具有中压交流和直流端口；所述高频隔离级包括全桥结构和四绕组高频隔离变压器，全桥结构级联在子模块之后，四绕组高频隔离变压器原边侧三绕组分别连接三相间横向三个全桥形成隔离组合单元，四绕组高频隔离变压器副边侧并联形成高频交流母线；所述低压级包括两绕组高频隔离变压器、同步单元和移相单元，同步单元为全桥结构，移相单元为电感和全桥结构，同步单元和移相单元均经两绕组高频隔离变压器接入高频交流母线，低压级的输出端分别为电压钳位型和功率可控型低压直流端口。2.根据权利要求1所述的一种基于MMC的高频交流母线电能路由结构，其特征在于：所述中压变换级模块化多电平变换器为三相六桥臂结构，每相桥臂均分为上桥臂和下桥臂，三相上桥臂分别包括n个子模块和上桥臂电感L
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，三相下桥臂分别包括n个子模块和下桥臂电感L
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；所述子模块包括第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第一电容C，所述每相上桥臂第一个子模块的第一功率开关管S1与第二功率开关管S2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S2的发射极与下一子模块的第一功率开关管S1的发射极相连；所述上桥臂电感L
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的一端分别与每相上桥臂的最后一个子模块的第二功率开关管S2的发射极连接，三相上桥臂电感L
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的另一端分别与每相下半桥臂第一个子模块的第一功率开关管S1的发射极连接；每相下半桥臂子模块的第二功率开关管S2的发射极与下一组子模块的第一功率开关管S1的发射极相连；下半桥臂最后一个子模块的第二功率开关管S2的发射极与中压直流母线的负极相连。3.根据权利要求1所述的一种基于MMC的高频交流母线电能路由结构，其特征在于：所述高频隔离级的隔离组合单元包括三个全桥结构和一个四绕组高频隔离变压器，所述全桥结构包括第一功率开关管Q1、第二功率开关管Q2、第三功率开关管Q3、第四功率开关管Q4，所述四绕组高频变压器T包括第一绕组N1、第二绕组N2、第三绕组N3、第四绕组N4，所述子模块第一功率开关管S1的发射极与第二功率开关管S2的集电极相连；所述子模块第一电容C的一端与第一功率开关管S1的集电极连接，所述子模块第一电容C的另一端与第二功率开关管S2的发射极连接；所述子模块第一功率开关管S1的集电极与全桥第一功率开关管Q1的集电极及第三功率开关管Q3的集电极相连；所述子模块第二功率开关管S2的发射极与全桥第二功率开关管Q2的发射极及第四功率开关管Q4的发射极相连；所述全桥第一功率开关管Q1的发射极与第二功率开关管Q2的集电极相连；所述全桥第三功率开关管Q3的发射极与第四功率开关管Q4的集电极相连；所述第一绕组N1的同名端连接到横向同一位置三个全桥结构中A相全桥结构的第一功率开关管Q
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以及第二功率开关管Q
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所组成的桥臂中点，所述第一绕组N1的异名端连接到该全桥结构第三功率开关管Q
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以及第四功率开关管Q
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所组成的桥臂中点；所述第二绕组N2的同名端连接到横向同一位置三个全桥结构中B相全桥结构的第一功率开关管Q
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以及第二功率开关管Q
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所组成的桥臂中点，所述第二绕组N2的异名端连接到该全桥结构第三功率开关管Q
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以及第四功率开关管Q
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所组成的桥臂中点；所述第三绕组N3的同名端连接到横向同一位置三个全桥结构中C相全桥结构的第一功率开关管Q
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所组成的桥臂中点，所述第三绕组N3的异名端连接到该全桥结构第三功率开关
管Q
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以及第四功率开关管Q
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所组成的桥臂中点；所述第一、第二、第三绕组位于隔离型四绕组高频变压器的原边侧，第四绕组位于副边侧，原边侧三绕组变比为1：1：1，第四绕组与原边侧三绕组的变比根据应用情况确定；所述所有四绕组高频隔离变压器的第四绕组并联形成高频交流母线。4.根据权利要求1所述的一种基于MMC的高频交流母线电能路由结构，其特征在于：所述低压级的同步单元与移相单元经两绕组高频隔离变压器接入高频交流母线形成低压直流端口；所述同步单元包括第一功率开关管Q
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、第二功率开关管Q
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、第三功率开关管Q
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、第四功率开关管Q
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、第一电容C
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，所述第一功率开关管Q
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的发射极与第二功率开关管Q
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的发射极与第四功率开关管Q
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的集电极与第三功率开关管Q
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的集电极相连；所述第二功率开关管Q
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的发射极与第四功...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙孝峰，刘学敏，滕甲训，卜泽敏，李昕，赵巍，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：