一种基于混合MMC的BTB换流器及其控制方法技术

本发明专利技术涉及一种基于混合MMC的BTB换流器，包括整流侧MMC拓扑和逆变侧MMC拓扑，整流侧MMC和逆变侧MMC共用一条直流母线，直流母线电压为Vdc。针对电力电子换流器功率损耗大的问题，本发明专利技术提出一种基于混合MMC的BTB换流器，其每个桥臂的子模块采用一个SiC MOSFET器件和多个Si IGBT器件混合而成，利用SiC MOSFET的低开关损耗特性，将高频分量均集中在采用SiC MOSFET的子模块上，可以减小换流器的功率损耗。损耗。损耗。

【技术实现步骤摘要】
一种基于混合MMC的BTB换流器及其控制方法


[0001]本专利技术涉及电力电子变换器
，具体为一种基于混合MMC的BTB换流器及其控制方法。

技术介绍

[0002]电力电子变换器作为配电网中应用最普遍的关键性一类设备，其性能指标与经济指标将直接决定输出电能质量。相比于其他变换器，模块化多电平变换器MMC具有高度模块化、低输出谐波以及容易扩展等特性，在柔性直流输电、变频调速和风电场领域得到了广泛的应用。另外，基于MMC的BTB换流器，无需变压器，故障处理能力强，在微网并网领域也越来越受到关注。现在Si IGBT是常用于中、高压MMC的功率半导体器件，这种功率半导体器件开关频率低、功率密度低，而MMC的性能会受到功率半导体器件的影响，故这些特性会影响到其传输效率，增加功率损耗。另一方面，电容电压波动是MMC常见的问题，这会影响输出电流和输出频率。尤其当MMC应用于具有高起动转矩要求的电机驱动时，电压波动问题将变得更加严重。现有技术为了保持子模块电容电压波动在一个合理的范围内，通常需要较大的SM电容值，这并不利于节约成本和减小变换器体积。

技术实现思路

[0003]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于混合MMC的BTB换流器及控制方法来解决现有技术中的电力电子换流器功率损耗大、子模块电容电压波动大的问题。
[0004]为解决以上技术问题，本专利技术的技术方案为：提供一种基于混合MMC的BTB换流器，其创新点在于：包括整流侧MMC拓扑和逆变侧MMC拓扑，所述整流侧MMC和逆变侧MMC共用一条直流母线，直流母线电压为V
dc
。
[0005]进一步的，所述整流侧MMC和逆变侧MMC均采用三相六桥臂MMC结构，其中每相分别由上桥臂和下桥臂组成，所述上桥臂和下桥臂均分别由N个半桥子模块串联形成，且每相的上桥臂和下桥臂之间通过耦合电感L
arm
连接，半桥子模块的个数由输入的直流电压及采用的开关器件的耐压等级决定。
[0006]进一步的，所述整流侧MMC和逆变侧MMC的每一相均包括SiC MOSFET和Si IGBT，其中每一相上桥臂第一个子模块和下桥臂最后一个子模块采用SiC MOSFET器件，每一相剩余的其余子模块均采用Si IGBT器件。
[0007]进一步的，所述整流侧MMC的三相上桥臂第一个子模块的电容与逆变侧MMC的三相上桥臂第一个子模块的电容相连，整流侧MMC的三相下桥臂最后一个子模块的电容与逆变侧MMC的三相下桥臂最后一个子模块的电容相连。
[0008]进一步的，所述整流侧MMC拓扑通过三相中点与配网相连，所述逆变侧MMC拓扑通过三相中点与微网相连。
[0009]进一步的，所述整流侧MMC和逆变侧MMC之间连接了两个电容C，这两个电容C的中点和微网之间的连线表示零电位参考点。
[0010]为解决以上技术问题，本专利技术还提供一种基于混合MMC的BTB换流器的控制方法，其创新点在于：具体分为整流侧MMC控制方法和逆变侧MMC控制方法，具体包括以下步骤：
[0011]S1：整流侧MMC控制方法的具体步骤为：
[0012](1)设定直流电压参考值，其与采集到的直流电压值相减后，经过PI调节器，可得到电流参考值，采集交流侧三相电流值与三相电压源电压值；
[0013](2)将步骤(1)得到的交流侧三相电压源电压值通过锁相环装置，得到派克变换所需相位θ；
[0014](3)利用派克变换，将三相静止坐标系下的正弦交流量变换到两轴同步旋转坐标系DQ下的直流分量，即将步骤(1)采集到的交流侧三相电流值通过派克变换转变为输出变量i
vd
、i
vq
，将步骤(1)采集到的交流侧三相电压源电压值通过派克变换转变为扰动变量u
sd
、u
sq
；
[0015](4)将步骤(3)得到的输出变量i
vd
、i
vq
与其指令值i
vd*
、i
vq*
相减后，经过PI调节器，再引入扰动变量u
sd
、u
sq
和电压前馈量ωLi
vd
、ωLi
vq
以消除DQ轴耦合部分，即可得到控制变量参考值i
diffd*
、i
diffq*
，最后经过DQ逆变换器得到所需三相的电压参考值；
[0016](5)采集第一个子模块和最后一个子模块的电容电压，并取其平均值得到u
c
，将其与子模块平均电容电压u
c*
相减后，经过PI调节器，再与引入的前馈量0.2V
o
相加后可实现三次谐波电压的主动注入，将注入的三次谐波电压与步骤(4)得到的三相电压参考值相减后，得到的电压参考值作为调制信号进入调制模块；
[0017](6)制定调制策略：每个桥臂由N个子模块组成，每个子模块的电容电压均为V
c
＝V
dc
/N,桥臂参考电压为V
ref
，所述NL
‑
PWM的调制策略中中仅有第一个子模块采用SiC MOSFET，该子模块不再参与子模块电容电压的排序和挑选，而固定采用PWM调制，根据与三角载波电压u
carrier
相比产生该子模块的驱动信号，其产生的电压为u
PWM
，剩余的子模块则采用最近电平调制，将其子模块电容电压利用算法进行升序排序，所需投入的K个子模块根据桥臂电流的方向和子模块电容电压来确定，整个桥臂投入的子模块数n
arm
可由其余子模块的投入数n
step
和第一个子模块的投切状态n
PWM
相加得到；
[0018](7)按照调制策略，根据桥臂电压与投入子模块的关系，可以得到如下关系式(以上桥臂为例)：
[0019]KV
c
＜u
refu
＜(K+1)V
c
[0020](8)按照调制策略，利用取整函数Floor确定所需投入运行的子模块数K，根据桥臂电压与投入子模块的电容电压关系，可以得到第一个子模块的电压，计算公式如下：
[0021][0022][0023]n
arm
＝n
step
+n
PWM
[0024](9)按照调制策略，根据步骤(8)计算得到的第一个子模块的电压，即第一个子模块的调制信号，在同一个桥臂中，将三角载波经过延时模块得到新的载波信号，该载波信号与调制信号进行比较产生第一个子模块的驱动信号；
[0025]S2：逆变侧MMC控制方法的具体步骤为：
[0026](1)设定电流参考值，采集交流侧三相电流值和三相电压源电压值；
[0027](2)将步骤(1)得到的交流侧三相电压源电压值通过锁相环装置，得到派克变换所需相位θ
_inv
；
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于混合MMC的BTB换流器，其特征在于：包括整流侧MMC拓扑和逆变侧MMC拓扑，所述整流侧MMC和逆变侧MMC共用一条直流母线，直流母线电压为V
dc
。2.根据权利要求1所述的一种基于混合MMC的BTB换流器，其特征在于：所述整流侧MMC和逆变侧MMC均采用三相六桥臂MMC结构，其中每相分别由上桥臂和下桥臂组成，所述上桥臂和下桥臂均分别由N个半桥子模块串联形成，且每相的上桥臂和下桥臂之间通过耦合电感L
arm
连接，半桥子模块的个数由输入的直流电压及采用的开关器件的耐压等级决定。3.根据权利要求1所述的一种基于混合MMC的BTB换流器，其特征在于：所述整流侧MMC和逆变侧MMC的每一相均包括SiC MOSFET和Si IGBT，其中每一相上桥臂第一个子模块和下桥臂最后一个子模块采用SiC MOSFET器件，每一相剩余的其余子模块均采用Si IGBT器件。4.根据权利要求1所述的一种基于混合MMC的BTB换流器，其特征在于：所述整流侧MMC的三相上桥臂第一个子模块的电容与逆变侧MMC的三相上桥臂第一个子模块的电容相连，整流侧MMC的三相下桥臂最后一个子模块的电容与逆变侧MMC的三相下桥臂最后一个子模块的电容相连。5.根据权利要求1所述的一种基于混合MMC的BTB换流器，其特征在于：所述整流侧MMC拓扑通过三相中点与配网相连，所述逆变侧MMC拓扑通过三相中点与微网相连。6.根据权利要求1所述的一种基于混合MMC的BTB换流器，其特征在于：所述整流侧MMC和逆变侧MMC之间连接了两个电容C，这两个电容C的中点和微网之间的连线表示零电位参考点。7.一种基于混合MMC的BTB换流器的控制方法，其特征在于：具体分为整流侧MMC控制方法和逆变侧MMC控制方法，具体包括以下步骤：S1：整流侧MMC控制方法的具体步骤为：(1)设定直流电压参考值，其与采集到的直流电压值相减后，经过PI调节器，可得到电流参考值，采集交流侧三相电流值与三相电压源电压值；(2)将步骤(1)得到的交流侧三相电压源电压值通过锁相环装置，得到派克变换所需相位θ；(3)利用派克变换，将三相静止坐标系下的正弦交流量变换到两轴同步旋转坐标系DQ下的直流分量，即将步骤(1)采集到的交流侧三相电流值通过派克变换转变为输出变量i
vd
、i
vq
，将步骤(1)采集到的交流侧三相电压源电压值通过派克变换转变为扰动变量u
sd
、u
sq
；(4)将步骤(3)得到的输出变量i
vd
、i
vq
与其指令值i
vd*
、i
vq*
相减后，经过PI调节器，再引入扰动变量u
sd
、u
sq
和电压前馈量ωLi
vd
、ωLi
vq
以消除DQ轴耦合部分，即可得到控制变量参考值i
diffd*
、i
diffq*
，最后经过DQ逆变换器得到所需三相的电压参考值；(5)采集第一个子模块和最后一个子模块的电容电压，并取其平均值得到u
c
，将其与子模块平均电容电压u
c*
相减后，经过PI调节器，再与引入的前馈量0.2V
o
相加后可实现三次谐波电压的主动注入，将注入的三次谐波电压与步骤(4)得到的三相电压参考值相减后，得到的电压参考值作为调制信号进入调制模块；(6)制定调制策略：每个桥臂由N个子模块组成，每个子模...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁思兆，马晨，李思奇，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：