[发明专利]基于全桥子模块的三端口模块化多电平变流器及调制方法

说明书

本发明提供了一种基于全桥子模块的三端口模块化多电平变流器及调制方法，包括：多个并联的相单元；每个所述相单元包括多个串联的桥臂，每个所述桥臂包括：全桥子模块和桥臂电感，所述全桥子模块和所述桥臂串联。本发明所提出的拓扑能够满足同等电压水平的交直流电网之间的有效互联。本发明所提出的拓扑根据平衡端口的不同选择，具有两种控制模式。本发明提出改进型最近电平逼近调制方法，能够降低开关频率，适用于中高电压等级场景应用。

技术领域

本发明涉及高压输电领域与电力电子变流器设计和控制领域，具体地，涉及一种基于全桥子模块的三端口模块化多电平变流器及调制方法。

背景技术

随着电力电子技术的发展，直流输电网和直流配电网将在未来电网中占据重要地位，交直流混合电网成为未来电网的重要形态。具有多交直流端口的高压变流器是交直流混合电网的重要电能转换设备。

目前，多端口高压变流器主要有以下几种方案：二端口变流器级联；多边形拓扑；模块化多电平变流器桥臂拓展。

二端口变流器级联通常使用两种基本的二端口变流器，分别是模块化多电平换流器，实现DC-AC变换；含高频变压器的双有源全桥通过输入并联输出，通过输入串联输出并联实现DC-DC变换。通过该两种基本二端口变流器的级联，可以构造更多输出端口。其典型方案如图1和图2所示。但是该方案需要使用大量的开关器件，成本较高；功率等级变换多，效率较低。

多边形拓扑以六边形为代表，将子模块串联构成的桥臂首尾相连，构成六边形结构，桥臂连接点引出可以构成两组三相交流输出端口，其典型方案如图3所示。如果采用九边型拓扑，则可以构成三组三相交流输出端口。该方案控制难度较大，运行可靠性较低，且缺乏直流端口。

如果将模块化多电平电路直流侧串联，可以构造出自耦结构的多直流端口变流器，其典型方案如图4所示。但是，该方案缺乏可以独立控制的交流端口。

此外，将传统模块化多电平电路的桥臂进行扩展，是一种较为可行的多端口电路设计思路，其典型方案如图5所示。但是，现有桥臂扩展方案，由于桥臂扩展结构不统一，数学模型和控制设计均较为复杂。

综上所述，现有高压多端口变流器，均存在拓扑结构复杂，控制难度高的缺点。

文献“林卫星，文劲宇，程时杰.多端口直流直流自耦变压器.中国电机工程学报，2015，35(03)：727-734.”提出了一种自耦式电力电子变压器。但是该文献所提出的拓扑仅包含不同电压等级的直流端口，不能提供多样化的交流端口。与之相比，本发明提出的拓扑具有同等电压水平的1个直流和2个交流端口。

文献“张波，丘东元，付坚.新型多端高压变换器拓扑构造和分析.电源学报，2015，13(006)：69-76.”提出一族基于桥臂拓展的多端口高压变换器拓扑。但是，所提出的拓扑均使用半桥子模块，导致直流电压与输出交流电压之间为倍数关系；中间桥臂均未使用桥臂电感，导致数学模型较为复杂；使用载波移相调制，难以实现高压应用。与之相比，本发明各桥臂均选用全桥子模块，交直流端口额定电压处在同一水平，且直流端口也能够连续调节；各桥臂使用子模块+桥臂电感的统一结构，有利于控制设计；提出了适用于本发明拓扑的最近电平逼近调制方法，适用于高压场景。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于全桥子模块的三端口模块化多电平变流器及调制方法。

根据本发明提供的一种基于全桥子模块的三端口模块化多电平变流器，包括：多个并联的相单元；

每个所述相单元包括多个串联的桥臂，每个所述桥臂包括：全桥子模块和桥臂电感，所述全桥子模块和所述桥臂串联。

优选地，所述相单元的数量为三个，构成三相变流器。

优选地，每个所述相单元包括三个串联的桥臂。

优选地，相邻两个桥臂之间的连接点分别引出作为交流端口。