[發明專利]適用于超低調制比應用的多重分叉的模塊化多電平變換器

有效

• 申請號: 201610018464.4
• 申請日: 2016-01-12
• 公開（公告）號: CN105515422B
• 公開（公告）日: 2018-04-06
• 發明（設計）人: 蔡旭;常怡然
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H02M7/483
• 分類號: H02M7/483;H02M7/497;H02M7/5395
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司31236
• 代理人: 徐紅銀,郭國中

技術領域

本發明涉及電力系統中柔性直流輸電、電力電子技術領域，具體地，涉及一種適用于超低調制比應用的多重分叉結構模塊化多電平變換器(MMC)。

背景技術

單分叉結構MMC(模塊化多電平變換器)如圖1所示，具有六個分叉結構的橋臂和兩個交流端口，該變換器適用于調制比較低的AC/DC電能變換應用場合，在采用半橋結構模塊作為子模塊時，其調制比要求小于0.5，能夠將低壓交流源連接至高壓直流源，但隨著調制比的減小，如在超低調制比(調制比小于0.1)應用場合，單分叉結構MMC面臨著損耗增加、電容量增加、開關器件容量增加等問題。

經檢索，“模塊組合多電平變換器的研究綜述”，中國電機工程學報，第33卷，第6期，2013。該文的技術要點是：傳統MMC的橋臂由子模塊串聯構成，常應用在調制比接近于1的場合，當調制比減小時，橋臂電流和電容電壓波動均會增大，導致需要選取較大的功率器件和較大子模塊電容。

檢索中還發現，中國專利申請號為CN201510435580.1、公開號為105024569A的發明專利，提供了一種適用于低調制比應用的分叉結構模塊化多電平變換器，但該發明的結構僅適用于調制比小于0.5的應用，其技術有進一步改善的空間。

發明內容

針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種適用于超低調制比應用的多重分叉的模塊化多電平變換器，減小了所需功率器件的額定電流，減小了整體功率器件容量和導通損耗，也減小了子模塊電容的總量。

為實現以上目的，本發明提供一種適用于超低調制比應用的多重分叉的多電平矩陣變換器，包括3組上橋臂和下橋臂，每組中的上橋臂與下橋臂呈對稱關系，并通過橋臂電感相互連接，連接處引出作為交流端口的連接點；上橋臂的頂端連接至正直流母線，下橋臂的底端連接至負直流母線；其中：上橋臂的一個串聯分支經過n重分叉后得到2ⁿ個子分支，下橋臂的一個串聯分支經過n重分叉后得到2ⁿ個子分支，上橋臂的子分支與下橋臂的對應子分支通過橋臂電感相連，n>1。

優選地，3組上下橋臂共引出3×2ⁿ個交流端口連接點，3×2ⁿ個連接點按照一定的相位順序連接至交流側三相電源，其相位順序為A相、B相、B相、C相、A相、A相、B相、B相、C相、A相…重復循環；由所述上橋臂構成的多重分叉的多電平矩陣變換器具有2ⁿ個三相交流端口(n>1)。

優選地，所述下橋臂與上橋臂結構呈對稱關系：在每個橋臂中，定義連接到直流母線的子分支為第一層分支，經過n重的分叉的子分支為第n層分支，則各層中各子分支產生的交流電壓滿足電壓合成需求，同時滿足能量平衡條件，以維持分支中的能量平衡。

優選地，所述上橋臂、下橋臂各產生1/2的直流側電壓，其中每層分支產生相同的直流電壓，各層總和為1/2的直流側電壓。

優選地，多重分叉結構MMC的交流側輸出電壓由各層分支共同控制得到，從而滿足電壓合成需求。

優選地，所述的滿足能量平衡條件，滿足如下公式：

式中：

m_dcln+1為對應子分支的直流電壓調制比，即子分支的產生直流電壓與變換器直流側電壓一半的比值；

為對應分支產生的交流電壓幅值；

為交流端口的合成電壓幅值；

為交流端口的功率因數角；

為對應分支交流電壓相對分支電流的相位角。

與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果：

1)適用于超低調制比的應用，本發明提供的n重分叉MMC(n>1)中的各子分支中的基頻交流電流為傳統MMC的1/2ⁿ，與現有技術相比，在超低調制比應用(調制比小于1/2ⁿ)中可以更有效地減小導通損耗；

2)由于分支基頻電流隨分叉次數n的增加(n>1)呈指數減小，功率器件所額定電流可以選取也大幅減小，使得整體功率器件整體容量得以減小。

3)變換器電容量取決于橋臂能量波動，即取決于橋臂中基頻電流的大小，對比現有技術，本發明的多重分叉MMC(n>1)隨分叉的增加能夠大幅減少橋臂電流基頻分量，因此能夠進一步減少變換器的電容使用量。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特征、目的和優點將會變得更明顯：