[发明专利]基于耦合电感双降压型子模块的模块化多电平拓扑结构及其控制方法

说明书

本发明公开了一种基于耦合电感双降压型子模块的模块化多电平拓扑结构及其控制方法。该拓扑结构的上下桥臂各自包括N个能输出三电平的耦合电感双降压型子模块，避免了传统半桥子模块的桥臂直通和死区导致的输出电压畸变，有效提高了变换器的输出电能质量和功率密度。在单相拓扑中，上下桥臂的远端作为变换器的公共直流端；上下桥臂各自的子模块经串联和耦合电感相连，其中点引出接外部交流系统。此外，在上述拓扑结构的控制方法中，电压环用于调节共模电压，电流环用于调节共模和差模电流，另附加用于控制子模块共模电流的电流环，以获得一定的直流偏置，使子模块保持电流连续工况，提高了拓扑结构的动态性能并保证其安全、可靠运行。

技术领域

本发明属于高压大功率电力电子技术领域，主要涉及一种基于耦合电感双降压型子模块的模块化多电平拓扑结构及其控制方法。

背景技术

模块化多电平变换器具有公共直流接口，容错能力强，输出电压逼近正弦波，实现能量的双向流动和四象限运行等一系列优点，因而被广泛应用于高压直流输电系统，静止无功补偿器，统一潮流控制器，中高压电机驱动和有源滤波器等等一系列高压大功率场合。

但是，传统的模块化多电平变换器以半桥结构作为子模块，具有桥臂直通的缺点，即当桥臂上下两个开关管同时导通时，直流侧电容器被短路，造成系统故障。为了克服上述缺点，需要引入死区，确保前一个开关完全关断后再开通与其互补的开关，但是死区同时也带来了窄脉冲，导致输出交流电压畸变，降低电能质量，这种影响在开关频率较高时尤为严重，因此需要进一步改进模块化多电平拓扑来抑制死区带来的畸变问题。

发明内容

发明目的：针对现有的技术存在的上述问题，提供基于耦合电感双降压型子模块的模块化多电平拓扑结构及其控制方法。

技术方案：本发明的基于耦合电感双降压型子模块的模块化多电平拓扑结构包括：两组完全相同的耦合电感双降压型子模块和耦合电感；每组子模块包括N个首尾相连的子模块；第一组子模块中第一个子模块的首端与外部直流系统的正极相连，第二组子模块中第N个子模块的尾端与外部直流系统的负极相连；第一组子模块中第N个子模块的尾端经由耦合电感与第二组子模块中第一个子模块的首端相连；耦合电感的中点与外部交流系统的正极相连；外部直流系统包括直流电压源，直流电压源在电压中点处引出并与外部交流系统的负极相连；直流电压源的电压中点处和外部交流系统的负极接地；每一子模块包括并联电容、两个绝缘栅双极型晶体管IGBT、两个续流二极管VD和一个子模块耦合电感；每一子模块的首尾端之间有三条并联支路；并联电容位于第一并联支路中，第一IGBT和第一VD串联形成第二并联支路，第二IGBT和第二VD串联形成第三并联支路；第二和第三并联支路相互反接且各自中点分别与子模块耦合电感的两端相连；子模块的输入端口跨接在首尾两端，输出端口跨接在子模块耦合电感的中点和尾端。

进一步地，外部交流系统包括交流电压源和滤波电感。

进一步地，外部直流系统中的直流电压源通过共模电流向子模块发出功率，外部交流系统通过差模电流吸收子模块存储的功率，实现能量的双向流动；其中，共模电流只在变换器内部或者外部直流系统侧流动，而不流经外部交流系统；差模电流的大小为外部交流系统侧输出电流的一半。

进一步地，每一子模块输出0，U_dc/N，2U_dc/N三个电平，其中U_dc为外部直流系统中直流电压源输出电压值的一半。

上述基于耦合电感双降压型子模块的模块化多电平变换器拓扑结构的控制方法包括如下步骤：