[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

摘要

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。 1

主权项

1.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，其特征在于：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；所述DC/DC变换器的高频变压部分是一个高频变压器T，后级部分由一个H桥电路和一个直流电容组成；所述DC/DC变换器的前级部分采用全桥结构，与第一子模块连接的DC/DC变换器的前级部分的直流侧接第一子模块的端口C和端口D端口，与第二子模块连接的DC/DC变换器的前级部分的直流侧接第二子模块的端口G和端口H；或者，所述DC/DC变换器的前级部分采用改进型二极管钳位结构，包括五个带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管T10、T11、T12、T13、T14和两个二极管D1、D2，T10的集电极与第一子模块的C端或第二子模块的G端相连接，T10的发射极、D1的阴极与T11的集电极相连接，D1的阳极、T14的发射极、D2的阴极与变压器T的一端相连接，T14的集电极与第一子模块的I端或第二子模块的J端相连接，T11的发射极与T12的集电极和高频变压器T的另一端相连接，T12的发射极与D2的阳极、T13的集电极相连接，T13的发射极与第一子模块的D端或第二子模块的H端相连接，其中，在电力电子变压器正常工作时，T14一直处于导通的状态；电力电子变压器发生高压侧直流故障时，T14的触发信号被封锁；所述的带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管T10、T11、T12、T13和T14的集电极分别与各自的续流二极管的阴极相连接，所述的带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管T10、T11、T12、T13和T14的发射极分别与各自的续流二极管的阳极相连接；或者，所述DC/DC变换器的前级部分采用改进型T型三电平结构，包括三个带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管T15、T16、T19和一个由T17和T18组成的反向阻断绝缘栅双极型晶体管，T15的集电极和第一子模块的C端或第二子模块的G端相连接，T15的发射极、T16的集电极、T17的集电极、T18的发射极与高频变压器T的一端相连接，T17的发射极、T18的集电极、T19的发射极与高频变压器T的另一端相连接，T19的集电极与第一子模块的I端或第二子模块的J端相连接，T16的发射极与第一子模块的D端或第二子模块的H端相连接；所述的带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管T15、T16、T17、T18和T19的集电极分别与各自的续流二极管的阴极相连接，所述的带有反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管T15、T16、T17、T18和T19的发射极分别与各自的续流二极管的阳极相连接；其中T19在电力电子变压器正常工作时一直处于导通的状态，发生高压侧直流故障时T19的触发信号被封锁；模块化多电平变换器的调制比m≤2，m＝2vm/Vdc；单个电容电压的控制过程如下：首先，测量并采集a相上每一个电容的电压值vcap1‑vap(2X+2Y)以及vcan1‑van(2X+2Y)，然后求这些电压值的平均值vave，通过电压环的PI调节后，与测量得到的环流iza进行比较，比较的差值经过电流环的PI调节后作为平均电压的调制信号分量vaA，每一个电容实际测量的电压值与设定值的vc*的差值经过PI调节后，根据电容所在的桥臂电流的方向来决定是对模块进行充电还是放电而产生调制信号分量，如第一个模块中第一个半桥模块的调制分量vaBp1，根据vaA，vaBp1，模块所在桥臂的直流和交流信号参考量来产生调制信号，从而产生每个模块所需的PWM信号；DC/DC变换器由分级独立控制下的直流输出级并联均流控制电路进行控制，控制该电力电子变压器的功率流动，引入一个电压外环和12(X+Y)个电流内环；DC/DC变换器并联输出侧的实际值Udc2与输出直流电压指令值Udc*的差值经过PI调节后得到各个DAB变换器输出电流的指令值I*；由于各DC/DC变换器的实际输出电流iox1，……，iox(12X+12Y)中含有高频分量，需要使用低通滤波器滤除后得到其平均值Iox1，……，Iox(12X+12Y)；最终，实际平均输出电流与指令输出电流的差值通过PI调节后得出各DC/DC变换器的原、副边模块之间的移相比dx1，……，dx(12X+12Y)，根据各DC/DC变换器前级的不同方案以及不同的工程需要，调制方式可能不同；电力电子变压器低压侧的逆变器由基于对称分量法和电流解耦的控制电路进行控制，控制该电力电子变压器低压交流端口的输出；工作原理为：将低压侧逆变器交流侧负载的电压和电流分别分解为正序，负序和零序分量，然后分别对电压和电流的正序分量和负序分量进行PARK变换，其中变换后的电压D、Q部分分别与给定值进行比较，所得结果经过PI调节后分别与相应的电流D、Q部分相加，所得结果再进行正序分量的反PARK变换以及负序分量的反PARK变换，变换结果相加后作为调制信号，经过调制算法产生驱动控制信号。