多指标综合优化的混合型多电平变换器及其调控方法技术

本发明专利技术提供了一种多指标综合优化的混合型多电平变换器及其调控方法。该混合型多电平变换器为三相结构，每一相上有一个上桥臂以及连接在上桥臂下方的下桥臂，上桥臂和下桥臂均包括依次连接的高频子模块、级联的多个低频子模块和桥臂电感，每一相上桥臂与下桥臂之间引出形成混合型多电平变换器的输出端口。该混合型多电平变换器中低频子模块采用最近电平逼近调制输出工频阶梯波，高频子模块采用单极性脉冲宽度调制输出高频整形波。本发明专利技术所提混合型多电平变换器及其调控方法，不仅可以降低装置的整体成本，同时还能保证装置的输出波形质量及效率，实现多指标的综合优化。实现多指标的综合优化。实现多指标的综合优化。

【技术实现步骤摘要】
多指标综合优化的混合型多电平变换器及其调控方法


[0001]本专利技术涉及电力电子
，尤其指一种多指标综合优化的混合型多电平变换器及其调控方法。

技术介绍

[0002]多电平变换器凭借输出电平数多、谐波含量少和开关器件电压应力小等优势在电气传动、电力牵引和新能源发电等诸多场景中得到广泛应用。根据电路结构不同，多电平变换器可分为中性点钳位型、飞跨电容型、级联H桥型和模块化多电平变换器（Modular Multilevel Converter，MMC）。其中MMC凭借可扩展性强、冗余性好等优势被广泛应用于交直电网和柔直输电。
[0003]传统MMC主要是基于单一类型器件，现有基于Si基绝缘栅双极型晶体管(Insulated
‑
Gate Bipolar Transistor，IGBT)器件的MMC装置成本较低，但其损耗大、效率低；而基于SiC基金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal
‑
Oxide Semiconductor Field
‑
Effect Transistor，MOSFET）器件的MMC效率和功率密度更高，但成本过于昂贵。因此，基于单一类型器件的MMC装置效率、成本等指标难以综合优化，为此，基于异质器件混合的MMC逐渐受到学者关注。如：一种基于Si IGBT器件和SiC MOSFET器件混合的MMC，见图1(a)，该MMC的Si IGBT器件工作于低频，SiC MOSFET器件工作于高频，它充分发挥了Si器件通态损耗低、SiC器件开关损耗低的优势。但与传统载波移相调制方法相比，该MMC拓扑结构和调制方法仅能输出电平。另一种改进的混合型MMC如图1(b)所示，相比于前一种MMC，该MMC可输出电平，但其SiC器件的数量需要增加一倍，成本更高。因此，如何在保障波形质量的条件下，进一步减少SiC器件的数量，降低MMC变换器整体成本，已然成为业界亟需解决的重点问题之一。

技术实现思路

[0004]为解决传统MMC无法综合优化装置输出波形质量、效率以及成本的问题，本专利技术提供一种多指标综合优化的混合型多电平变换器及其调控方法。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方法：一种多指标综合优化的混合型多电平变换器，为三相结构，每一相上有一个上桥臂以及连接在上桥臂下方的下桥臂，所述上桥臂和下桥臂均包括高频子模块、桥臂电感和级联的多个低频子模块；所述高频子模块包括四个SiC MOSFET器件、、、和两个Si IGBT器件、和两个电容、；由、构成一个半桥变换器，、构成另外一个半桥变换器；的发射极和的集电极相连，从该连接点引出形成高频子模块的第一端口；的发射极和的集电极相连，从该连接点引出形成高频子模块的第二端口；的正极与的集电极相连，负极与的发射极相连；的正极与的集电极相连，负极与的发射极相连；的集电极与的正极相连，的发射极与的负极相连；的集电极与的正极相连，的发射
极与的负极相连；所述低频子模块包括两个Si IGBT器件、和一个电容；由、构成一个半桥变换器；的发射极与的集电极相连，从该连接点引出作为低频子模块的第一端口；从的发射极引出作为低频子模块的第二端口；电容的正极与的集电极相连，负极与的发射极相连；在每一相上桥臂中，所述高频子模块的第一端口与第一个低频子模块的第一端口连接，位于中间的低频子模块的第一端口、第二端口分别与其上方的低频子模块、下方的低频子模块连接，最后一个低频子模块的第二端口与桥臂电感连接；每一相下桥臂与其同相的上桥臂结构对称，且从每一相上桥臂与下桥臂之间引出形成混合型多电平变换器的输出端口。
[0006]作为本专利技术的另一面，一种多指标综合优化的混合型多电平变换器的调控方法，所述低频子模块采用最近电平逼近调制输出工频阶梯波，所述高频子模块采用单极性脉冲宽度调制输出高频整形波。
[0007]进一步的，所述低频子模块采用最近电平逼近调制输出工频阶梯波时：先定义混合型多电平变换器的输出电压为： (1)其中，表示混合型多电平变换器的三相；为输出电压幅值；为角频率；再根据基尔霍夫电压定律，确定上桥臂或下桥臂的调制波表示为： (2)其中，为混合型多电平变换器高压直流侧电压；接着由式(2)得到上桥臂或下桥臂低频子模块需要投入的数量为：
ꢀ
(3)其中，为低频子模块直流侧电容电压，为向下取整函数；最后，确定上桥臂或下桥臂所有低频子模块一起输出的阶梯波电压为： (4)。
[0008]再进一步的，所述高频子模块采用单极性脉冲宽度调制输出高频整形波时：先确定上桥臂或下桥臂高频子模块的调制波，其为同桥臂的调制波与阶梯波电压的差值，如下式：(5)接着根据得到的调制波确定高频子模块输出的高频整形波，即：1）若，则高频子模块中一个半桥变换器旁路，另一个半桥变换器输出0至的高频整形波；2）若，则高频子模块中一个半桥变换器常通输出，另一个半桥变换器输出0至的高频整形波，高频子模块等效输出至的高频整形波；3）若，则高频子模块中一个半桥变换器旁路，另一个半桥变换器输出至0的高频整形波；4）若，则高频子模块中一个半桥变换器常通输出，另一个半桥变换器输出至0的高频整形波，高频子模块等效输出至的高频整形波。
[0009]更进一步的，所述高频子模块包括两种工作模式，当断开、导通时，高频子模块输出正极性的高频整形波，定义为模式；当导通、断开时，高频子模块输出负极性的高频整形波，定义为模式；用表示高频子模块输出的高频整形电压，表示高频子模块的桥臂电流，若电流从高频子模块的第一端口流入、第二端口流出，则，若电流从高频子模块的第二端口流入、第一端口流出，则；所述高频子模块的模式和模式分别包括如下8种工作状态：：桥臂电流；开，闭；、闭，、开；；、充电；：桥臂电流；开，闭；、闭，、开；；旁路、充电；：桥臂电流；开，闭；、闭，、开；；旁路、充电；：桥臂电流；开，闭；、闭，、开；；、旁路；
：桥臂电流；开，闭；、闭，、开；；、放电；：桥臂电流；开，闭；、闭，、开；；旁路、放电；：桥臂电流；开，闭；、闭，、开；；旁路、放电；：桥臂电流；开，闭；、闭，、开；；、旁路；：桥臂电流；闭，开；、闭，、开；；、放电；：桥臂电流；闭，开；、闭，、开；；旁路、放电；：桥臂电流；闭，开；、闭，、开；；旁路、放电；：桥臂电流；闭，开；、闭，、开；；、旁路；：桥臂电流；闭，开；、闭，、开；；、充电；：桥臂电流；闭，开；、闭，、开；；旁路、充电；：桥臂电流；闭，开；、闭，、开；；旁路、充电；：桥臂电流；闭，开；、闭，、开；；、旁路。
[0010]优选的，所述高频子模块的均压方法如下：1）由式(3)计算与高频子模块同桥臂的低频子模块需要投入的数量；2）将当前时刻与上一时刻计算的进行比较，若未发生变化，则重新计算；若发生变化，则先后进入高频子模块整体均压和内部均压判断模式；3）整体均压：若且，则高频子模块工作于模式；若且，则判断和的关系，若，则高频子模块工作于模式，若，则高频子模块工作于模式；
若且，则高频子模块工作于模式；若且，则判断和的关系，若，则本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.多指标综合优化的混合型多电平变换器，为三相结构，每一相上有一个上桥臂以及连接在上桥臂下方的下桥臂，所述上桥臂和下桥臂均包括高频子模块、桥臂电感和级联的多个低频子模块，其特征在于：所述高频子模块包括四个SiC MOSFET器件、、、和两个Si IGBT器件、和两个电容、；由、构成一个半桥变换器，、构成另外一个半桥变换器；的发射极和的集电极相连，从该连接点引出形成高频子模块的第一端口；的发射极和的集电极相连，从该连接点引出形成高频子模块的第二端口；的正极与的集电极相连，负极与的发射极相连；的正极与的集电极相连，负极与的发射极相连；的集电极与的正极相连，的发射极与的负极相连；的集电极与的正极相连，的发射极与的负极相连；所述低频子模块包括两个Si IGBT器件、和一个电容；由、构成一个半桥变换器；的发射极与的集电极相连，从该连接点引出作为低频子模块的第一端口；从的发射极引出作为低频子模块的第二端口；电容的正极与的集电极相连，负极与的发射极相连；在每一相上桥臂中，所述高频子模块的第一端口与第一个低频子模块的第一端口连接，位于中间的低频子模块的第一端口、第二端口分别与其上方的低频子模块、下方的低频子模块连接，最后一个低频子模块的第二端口与桥臂电感连接；每一相下桥臂与其同相的上桥臂结构对称，且从每一相上桥臂与下桥臂之间引出形成混合型多电平变换器的输出端口。2.根据权利要求1所述的多指标综合优化的混合型多电平变换器的调控方法，其特征在于：所述低频子模块采用最近电平逼近调制输出工频阶梯波，所述高频子模块采用单极性脉冲宽度调制输出高频整形波。3.根据权利要求2所述的多指标综合优化的混合型多电平变换器的调控方法，其特征在于：所述低频子模块采用最近电平逼近调制输出工频阶梯波时：先定义混合型多电平变换器的输出电压为： (1)其中，表示混合型多电平变换器的三相；为输出电压幅值；为角频率；再根据基尔霍夫电压定律，确定上桥臂或下桥臂的调制波表示为：
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(2)其中，为混合型多电平变换器高压直流侧电压；接着由式(2)得到上桥臂或下桥臂低频子模块需要投入的数量为： (3)其中，为低频子模块直流侧电容电压，为向下取整函数；最后，确定上桥臂或下桥臂所有低频子模块一起输出的阶梯波电压为： (4)。4.根据权利要求3所述的多指标综合优化的混合型多电平变换器的调控方法，其特征在于：所述高频子模块采用单极性脉冲宽度调制输出高频整形波时：先确定上桥臂或下桥臂高频子模块的调制波，其为同桥臂的调制波与阶梯波电压的差值，如下式： (5)接着根据得到的调制波确定高频子模块输出的高频整形波，即：1）若，则高频子模块中一个半桥变换器旁路，另一个半桥变换器输出0至的高频整形波；2）若，则高频子模块中一个半桥变换器常通输出，另一个半桥变换器输出0至的高频整形波，高频子模块等效输出至的高频整形波；3）若，则高频子模块中一个半桥变换器旁路，另一个半桥变换器输出至0的高频整形波；4）若，则高频子模块中一个半桥变换器常通输出，另一个半桥变换器输出至0的高频整形波，高频子模块等效输出至的高频整形波。5.根据权利要求4所述的多指标综合优化的混合型多电平变换器的调控方法，其特征
在...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯玉超，郭祺，涂春鸣，王鑫，肖凡，黄泽钧，任鹏，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：