[发明专利]基于混合型模块化多电平变换器的四端口电力电子变压器

说明书

本发明公开了一种基于混合型模块化多电平变换器的四端口电力电子变压器，由基于混合型模块化多电平变换器（Modular Multilevel Converter,MMC）、DC/DC变换器、逆变器构成，每个DC/DC变换器分为前级部分、高频变压部分、后级部分。本发明与现有电力电子变压器相比，由MMC模块和所接DC/DC电路前级共同完成直流故障穿越且所使用的器件少；MMC模块与DC/DC电路分别承担直流电压控制和功率控制；可对模块中的单个电容电压单独控制或两个电容电压同时进行控制；具有高压直流、高压交流、低压直流和低压交流四个端口，适合应用于多种类多电压等级的高压大功率场合，特别是应用于能源互联网中，如作为能量路由器等。

技术领域

本发明涉及基于混合型模块化多电平变换器的四端口电力电子变压器。

背景技术

传统的多电平拓扑结构，如基于H桥级联的电力电子变压器，因为H桥级联结构本身都没有高压直流侧，所以该种电力电子变压器也没有高压直流端口。但是随着电力和能源需求的不断扩大，更高效、更节能的输电和用电技术也成为当今电力技术革新的重要方向，使得高压直流输电、直流配电网以及微网等领域逐渐进入大家研究的视野，从而出现了如MMC等相关技术，MMC的出现使得高压直流相关应用变得更可实现和应用，也更符合直流相关技术的发展。基于MMC型的电力电子变压器具有了高压直流端口，使得其与高压直流电网的直接接入成为可能。但是最常见的基于半桥模块的MMC型电力电子变压器并不具有直流故障穿越能力，且所用器件较多，成本高昂，因此对其模块的改进是十分有必要的，否则可靠性很低，难以适应工程的实际应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：现有的电子电力变压器结构复杂、成本高、谐波含量高、使用效果差、且无法满足多电源场合下的应用需求。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：基于混合型模块化多电平变换器的四端口电力电子变压器，包括混合型的模块化多电平变换器、DC/DC变换器和逆变器；所述DC/DC变换器包括前级部分、高频变压部分和后级部分，前级部分的交流侧连接高频变压部分的原边，高频变压部分的副边连接后级部分的交流侧；所述逆变器为三相四桥臂逆变器；所述模块化多电平变换器为三相，每相两个桥臂，每个桥臂包括X个第一子模块、Y个第二子模块和一个电感；X+Y≥N，所述N为模块化多电平变换器正常工作时需要模块的最少数量；所述第一子模块包括两个串联的半桥结构，包含直流电容C1、直流电容C2，四个带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管T1、T2、T3和T4；所述T1、T2、T3和T4的集电极分别与各自的续流二极管的阴极相连接，所述T1、T2、T3和T4的发射极分别与各自的续流二极管的阳极相连接；所述的T1的发射极和T2的集电极相连接并作为第一子模块的交流端口A，T1的集电极与C1的正极相连接并作为第一子模块的正极端口C，T2的发射极、C1的负极、T4的集电极和C2的正极相连接并作为第一子模块的端口I，所述的T4的发射极和T3的集电极相连接并作为第一子模块的交流端口B，T3的发射极与C2的负极相连接并作为第一子模块的负极端口D；所述第一子模块的正极端口C、负极端口D分别与该模块直流侧所接DC/DC变换器前级的正极端口、负极端口相连接；所述第二子模块包含直流电容C3、直流电容C4、五个带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管T5、T6、T7、T8和T9；所述T5、T6、T7、T8和T9的集电极分别与各自的续流二极管的阴极相连接，所述T5、T6、T7、T8和T9的发射极分别与各自的续流二极管的阳极相连接；所述第二子模块中的T5的发射极和T6的集电极相连接作为第二子模块的交流端口E，T5的集电极与C3的正极相连接并作为第二子模块的正极端口G，T6的发射极、T9的发射极与C3的负极相连接，T7的发射极和T8的集电极相连接并作为第二子模块的交流端口F，T7的集电极、T9的集电极与C4的正极相连接并作为第二子模块的端口J，T8的发射极与C4的负极相连接并作为第二子模块的负极端口H；所述第二子模块的正极端口G、负极端口H分别与该模块直流侧所接DC/DC变换器前级的正极端口、负极端口相连接；不考虑冗余情况时，X+Y＝N，(2X+2Y)Vc＝Vdc，vm＝(2X+2Y)Vc，其中Vdc为高压直流侧电压，Vc为每个直流电容电压，vm为高压交流侧相电压幅值，考虑冗余情况时，X+Y≥N；当模块化多电平变换器具有直流故障穿越能力且不考虑冗余的情况，同一相内，X个第一子模块、Y个第二子模块和电感依次串联构成该相上桥臂，电感、Y个第二子模块和X个第一子模块依次串联构成该相下桥臂，同相内的上桥臂和下桥臂连接的中点为该相电力电子变压器的高压交流接口；三个上桥臂的正极端连接在一起作为电力电子变压器的高压直流端口的正极P，三个下桥臂的负极端连接在一起作为电力电子变压器的高压直流端口的负极N，每个第一子模块和第二子模块的直流侧均与DC/DC变换器的前级相连；所述模块化多电平变换器中的各个子模块直流侧均各自连接一个DC/DC变换器，每个DC/DC变换器的前级直流侧与模块化多电平变换器中每个模块串联的直流电容的正、负极相连接，所有DC/DC变换器的后级直流侧的正、负极分别并联后与逆变器的直流侧的正、负极相连接。