[发明专利]一种基于MMC的混合电容电压型双子模块串联拓扑结构

权利要求书

1.一种基于MMC的混合电容电压型双子模块串联拓扑结构，其特征在于，包含：

第一半桥子模块，其设置有第一开关单元(T₁)、第二开关单元(T₂)和第一电容(C₁)；所述第一开关单元(T₁)与所述第二开关单元(T₂)正向串联后，再与所述第一电容(C₁)并联；

第二半桥子模块，其设置有第三开关单元(T₃)、第四开关单元(T₄)和第二电容(C₂)；所述第三开关单元(T₃)与所述第四开关单元(T₄)正向串联后，再与所述第二电容(C₂)并联；所述第一电容(C₁)和所述第二电容(C₂)的参数不同；

第五开关单元(T₅)，所述第一半桥子模块与所述第五开关单元(T₅)反向串联后，再与所述第二半桥子模块正向串联；

第六二极管(D)，其一端与所述第一半桥子模块连接，另一端与所述第二半桥子模块连接；

所述第一电容(C₁)的电容参考值设为C，所述第一电容(C₁)的电容电压参考值为0.5U_C；所述第二电容(C₂)的电容参考值为0.5C，所述第二电容(C₂)的电容电压参考值为U_C；

该拓扑结构包含四种工作状态，分别为第一工作状态、第二工作状态、第三工作状态和第四工作状态；

其中，第一工作状态时，第一开关单元(T₁)和第四开关单元(T₄)关断，第二开关单元(T₂)和第三开关单元(T₃)导通；第一工作状态时，第一电容(C₁)和第二电容(C₂)均被旁路，子模块对外电压为零；

第二工作状态时，第二开关单元(T₂)和第四开关单元(T₄)关断，第一开关单元(T₁)和第三开关单元(T₃)导通；第二工作状态时，第一电容(C₁)串联到电路中，第二电容(C₂)被旁路，子模块对外电压为0.5U_C；

第三工作状态时，第一开关单元(T₁)和第三开关单元(T₃)关断，第二开关单元(T₂)和第四开关单元(T₄)导通；第三工作状态时，第二电容(C₂)串联到电路中，第一电容(C₁)被旁路，子模块对外电压为U_C；

第四工作状态时，第二开关单元(T₂)和第三开关单元(T₃)关断，第一开关单元(T₁)和第四开关单元(T₄)导通；第四工作状态时，第一电容(C₁)和第二电容(C₂)均被串联到电路中，子模块对外电压为1.5U_C；

所述第一工作状态包含第一工作模式和第五工作模式；

其中，所述第一工作模式中包含：当电流从第一半桥子模块的中点进入子模块，流经第二开关单元(T₂)、第五开关单元(T₅)、第三开关单元(T₃)并且从第二半桥子模块的中点流出；

所述第五工作模式中包含：电流从第二半桥子模块的中点进入子模块，流经第三开关单元(T₃)、第五开关单元(T₅)、第二开关单元(T₂)并且从第一半桥子模块的中点流出；

所述第二工作状态包含第二工作模式和第六工作模式；

其中，第二工作模式中包含：电流从第一半桥子模块的中点进入，流经第一开关单元(T₁)、第一电容(C₁)、第五开关单元(T₅)和第三开关单元(T₃)，从第二半桥子模块的中点流出，对第一电容(C₁)进行充电；

所述第六工作模式中包含：电流从第二半桥子模块的中点进入，流经第三开关单元(T₃)、第五开关单元(T₅)、第一电容(C₁)和第一开关单元(T₁)，从第一半桥子模块的中点流出，第一电容(C₁)放电；

所述第三工作状态包含第三工作模式和第七工作模式；

其中，所述第三工作模式中包含：电流从第一半桥子模块的中点进入，流经第二开关单元(T₂)、第五开关单元(T₅)、第二电容(C₂)和第四开关单元(T₄)，从第二半桥子模块的中点流出，对第二电容(C₂)进行充电；

所述第七工作模式中包含：电流从第二半桥子模块的中点进入，流经第四开关单元(T₄)、第二电容(C₂)、第五开关单元(T₅)和第二开关单元(T₂)，从第一半桥子模块的中点流出，第二电容(C₂)放电；

所述第四工作状态包含第四工作模式和第八工作模式；

其中，所述第四工作模式中包含：电流从第一半桥子模块的中点进入，流经第一开关单元(T₁)、第一电容(C₁)、第五开关单元(T₅)、第二电容(C₂)和第四开关单元(T₄)，从第二半桥子模块的中点流出，对第一电容(C₁)和第二电容(C₂)进行充电；

所述第六工作模式中包含：电流从第二半桥子模块的中点进入，流经第四开关单元(T₄)、第二电容(C₂)、第五开关单元(T₅)、第一电容(C₁)和第一开关单元(T₁)，从第一半桥子模块的中点流出，第一电容(C₁)和第二电容(C₂)放电；

所述第一开关单元(T₁)包括第一IGBT管和第一二极管；所述第一IGBT管与所述第一二极管反并联，所述第一二极管的负极与所述第一IGBT管的集电极相连，所述第一二极管的正极与所述第一IGBT管的发射极相连；

所述第二开关单元(T₂)包括第二IGBT管和第二二极管；所述第二IGBT管与所述第二二极管反并联，所述第二二极管的负极与所述第二IGBT管的集电极相连，所述第二二极管的正极与所述第二IGBT管的发射极相连；

所述第一IGBT管的发射极与所述第二IGBT管的集电极相连，第一电容(C₁)的正极与所述第一二极管的负极相连，第一电容(C₁)的负极与所述第二二极管的正极相连；

所述第三开关单元(T₃)包括第三IGBT管和第三二极管；所述第三IGBT管与所述第三二极管反并联，所述第三二极管的负极与所述第三IGBT管的集电极相连，所述第三二极管的正极与所述第三IGBT管的发射极相连；

所述第四开关单元(T₄)包括第四IGBT管和第四二极管，所述第四IGBT管与所述第四二极管反并联，所述第四二极管的负极与所述第四IGBT管的集电极相连，所述第四二极管的正极与所述第四IGBT管的发射极相连；

所述第三IGBT管的发射极与所述第四IGBT管的集电极相连，所述第二电容(C₂)的正极与所述第三二极管的负极相连，所述第二电容(C₂)的负极与所述第四二极管的正极相连；

所述第五开关单元(T₅)包括第五IGBT管和第五二极管，所述第五IGBT管与所述第五二极管反并联，所述第五二极管的负极与所述第五IGBT管的集电极相连，所述第五二极管的正极与所述第五IGBT管的发射极相连；

所述第二IGBT管的发射极和所述第五IGBT管的发射极相连，所述第五IGBT管的集电极与所述第三IGBT管的集电极相连；

所述第六二极管(D)的正极与所述第四IGBT管的发射极相连，所述第六二极管(D)的负极与所述第一IGBT管的集电极相连；

该拓扑结构为单相七电平MMC拓扑结构；

所述单相七电平MMC拓扑结构设有上桥臂和下桥臂，所述上桥臂包括第一子模块(SM₁)、第二子模块(SM₂)和上桥臂电感，所述下桥臂包括第三子模块(SM₃)、第四子模块(SM₄)和下桥臂电感；

其中，第一子模块(SM₁)、第二子模块(SM₂)、上桥臂电感、第三子模块(SM₃)、第四子模块(SM₄)和下桥臂电感依次串联，并与直流电压源相连，构成回路；

每个子模块的电压分别设为U_sm1、U_sm2、U_sm3和U_sm4，上桥臂和下桥臂电压分别为U_pa和U_na，O点为零电压点，交流侧a点电压为U_a，稳态运行时，直流侧电压为U_dc，设定的约束条件为下式中的电压方程：

在任意时刻，MMC桥臂投入子模块电压和均保持不变，每个子模块产生四种电压，MMC在a点产生7种电压：

u_a＝0,±0.5u_C,±u_C,±1.5u_C。

2.如权利要求1所述的基于MMC的混合电容电压型双子模块串联拓扑结构，其特征在于，

上桥臂电压(U_pa)为第一子模块电压(U_SM1)和第二子模块电压(U_SM2)之和，下桥臂电压(U_na)为第三子模块电压(U_SM3)和第四子模块电压(U_SM4)之和。