本發(fā)明屬于模塊化多電平變流器技術領域，具體涉及一種消除低頻電壓波動的模塊化多電平變流器。

背景技術：

隨著大功率電力電子變換裝置的廣泛應用,多電平變換技術得到快速發(fā)展。模塊化多電平變流器(Modular Multilevel Converter,MMC)是一種新穎的多電平電壓源換流器，自2000年初其提出來以來，由于其模塊化的特征，易于拓展、便于裝配，且可以獲得高質量輸出和高電壓等級，因而MMC是近年研究熱點，在中高壓應用領域具有明顯的優(yōu)勢。

目前,MMC已廣泛應用在高壓直流輸電(High Voltage Direct Current,HVDC)領域，多條線路已投入運營，如Trans Bay Cable工程，±200kV，400MW，每橋臂有200子模塊。；除此之外,在中壓電機拖動中，MMC也擁有著巨大的潛力。相較于傳統(tǒng)H橋級聯(lián)(Cascaded H-bridge,CHB)結構,MMC應用于電機驅動時無須采用昂貴且龐大的移相變壓器，僅利用同一個直流母線即可向三相交流側提供能量。

然而在電機驅動場合時，MMC會面臨嚴重的子模塊電容電壓波動問題，尤其是在低頻工作時。根據(jù)分析可知，MMC子模塊電容電壓中的基波波動與輸出電流成正比，與基波頻率成反比。因此，當基波頻率很低尤其是在電機的啟動階段，MMC子模塊中會產(chǎn)生巨大的電容電壓波動，將嚴重影響系統(tǒng)正常運行，甚至導致系統(tǒng)崩潰。低頻電壓波動問題已成為MMC帶大負載轉矩的交流傳動系統(tǒng)的巨大障礙。目前已有多種基于高頻共模電壓及環(huán)流注入的控制方法，其思想為向橋臂電流和輸出電壓中分別注入高頻環(huán)流和同頻率的共模電壓，通過其相互作用，在MMC橋臂間產(chǎn)生額外的能量流動，抵消電壓波動。但這種方法會增大橋臂電流應力，同時注入的共模電壓會對電機產(chǎn)生不利影響，仍然難以滿足MMC帶大轉矩負載起動及低頻運行的需求。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供一種消除低頻電壓波動的模塊化多電平變流器，能夠消除模塊化多電平變流器在低頻電氣拖動中子模塊的電壓波動，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

為了達到上述目的，本發(fā)明包括三項模塊化多電平變流器單相拓撲，每個模塊化多電平變流器單相拓撲均包括若干上橋臂子模塊、DAB模塊和下橋臂子模塊，上橋臂子模塊和下橋臂子模塊均包括若干MMC子模塊，DAB模塊包括DAB功率變換單元，上橋臂子模塊MMC子模塊通過與其對應的DAB功率變換單元連接相對應的下橋臂子模塊的MMC子模塊，上橋臂子模塊中相鄰的MMC子模塊相連接，下橋臂子模塊相鄰的MMC子模塊相連接，上橋臂子模塊中首端的MMC子模塊和下橋臂子模塊中首端的MMC子模塊均通過對應的電抗器和半橋子模塊后連接輸出端，上橋臂子模塊中末端的MMC子模塊連接母線正端，下橋臂子模塊中末端的MMC子模塊連接母線負端。

所述DAB功率變換單元采用雙有源橋DAB模塊，DAB功率變換單元包括四個端口，并具有能量雙向流動功能。

所述半橋子模塊包括兩個全控型器件組成的半橋，兩個半橋的直流側并聯(lián)有電容器組。

所述DAB功率變換單元包括高頻DC/AC功率變換器、高頻變壓器和高頻AC/DC的功率變換器，高頻DC/AC功率變換器的輸出端連接高頻變壓器的輸入端，高頻變壓器的輸出端連接高頻AC/DC的功率變換器的交流端。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1、本發(fā)明能夠實現(xiàn)消除模塊化多電平變流器在低頻拖動時子模塊的低頻電壓波動，每相上下橋臂中對應編號子模塊連接同一個DAB功率變換單元，DAB功率變換單元在對應模塊中傳遞波動能量，可實現(xiàn)上下橋臂對應子模塊功率平衡；

2、本發(fā)明可全部模塊化，可靠性高，便于維護調試；

3、本發(fā)明無需像傳統(tǒng)電壓波動控制方法一樣注入高頻共模電壓，控制計算簡單，同時降低對電機不利影響；

4、本發(fā)明無需在橋臂中注入諧波環(huán)流成分，降低橋臂電壓應力及損耗。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中模塊化多電平變流器單相拓撲結構框圖；

圖2為本發(fā)明的立體結構圖；

圖3為本發(fā)明中半橋子模塊結構圖；

圖4為本發(fā)明中雙有源橋DAB變流器單元的電路結構圖；

圖5為傳統(tǒng)MMC輸出三相電流波形；

圖6為傳統(tǒng)MMCA相8個直流側電壓波形；

圖7為本發(fā)明的MMC輸出三相電流波形；

圖8為本發(fā)明的MMC A相8個直流側電壓波形。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明做進一步說明。

參見圖1至圖4，本發(fā)明包括三項模塊化多電平變流器單相拓撲，每個模塊化多電平變流器單相拓撲均包括若干上橋臂子模塊、DAB模塊和下橋臂子模塊，上橋臂子模塊和下橋臂子模塊均包括若干MMC子模塊，DAB模塊包括DAB功率變換單元，上橋臂子模塊MMC子模塊通過與其對應的DAB功率變換單元連接相對應的下橋臂子模塊的MMC子模塊，上橋臂子模塊中相鄰的MMC子模塊相連接，下橋臂子模塊相鄰的MMC子模塊相連接，上橋臂子模塊中首端的MMC子模塊和下橋臂子模塊中首端的MMC子模塊均通過對應的電抗器和半橋子模塊后連接輸出端，上橋臂子模塊中末端的MMC子模塊連接母線正端，下橋臂子模塊中末端的MMC子模塊連接母線負端。

DAB功率變換單元采用雙有源橋DAB模塊，DAB功率變換單元包括四個端口，并具有能量雙向流動功能，DAB功率變換單元包括高頻DC/AC功率變換器、高頻變壓器和高頻AC/DC的功率變換器，高頻DC/AC功率變換器的輸出端連接高頻變壓器的輸入端，高頻變壓器的輸出端連接高頻AC/DC的功率變換器的交流端。

半橋子模塊包括兩個全控型器件組成的半橋，兩個半橋的直流側并聯(lián)有電容器組。

本發(fā)明中的能量變化為：

直流輸入由MMC公共直流側供能，MMC交流側連接三相交流傳動系統(tǒng)，拖動電機；DAB模塊傳遞MMC同相上下橋臂對應子模塊中能量，抵消電壓波動。

實施例1

采用如圖1所述的拓撲結構，包括傳統(tǒng)的雙星型半橋MMC以及雙有源橋DAB模塊，DAB功率變換單元包括四個端口，具有能量雙向流動功能；

具體的MMC子模塊為兩只全控型器件組成的半橋，其結構如圖3所示為SM代表的半橋。兩個半橋的直流側的兩個端線間并聯(lián)一定容量的電容器組；

功率變換器的級聯(lián)數(shù)目由輸入電壓等級和所選用的電力電子器件水平所決定，如：直流側電壓為11kV，選用開關器件1.7kV/400A的IGBT并設定直流側為1.1kV時，每橋臂需要10個變換器級聯(lián)。

DAB功率變換單元分為三個組成部分：作為高頻DC/AC功率變換器、高頻變壓器和高頻AC/DC的功率變換器；高頻DC/AC功率變換器將輸入的直流電壓調制成1kHz以上的高頻交流信號(具體頻率需根據(jù)系統(tǒng)所采用的開關器件確定)，之后通過高頻變壓器傳遞到高頻AC/DC變換器交流端，最終高頻AC/DC變換器則將高頻變壓器輸出的高頻交流信號還原為直流。高頻變壓器主要起到電壓變換和電氣隔離的作用；當連接不同的MMC子模塊直流側電容，必須采用電氣隔離；

DAB功率變換單元分為三組，對應MMC系統(tǒng)三相；每組包括N個獨立的DAB功率變換單元，每個DAB功率變換單元的兩個端口分別連接MMC同相上下橋臂對應編號子模塊電容，從而形成MMC相內上下橋臂間子模塊的能量流動通路；

實施例1中的拓撲結構高度模塊化，便于設計、生產(chǎn)、安裝、調試和維護，可以根據(jù)不同的功率等級及控制目地而靈活應用。

為驗證本發(fā)明，圖5至圖8給出了本發(fā)明的仿真效果。仿真模型為一個三相逆變系統(tǒng)，直流側電壓4KV，子模塊電容電壓1KV，每個橋臂中有4個子模塊，每相共8個子模塊，對應4個DAB功率變換單元。變流器設定輸出頻率隨時間遞增，從0s系統(tǒng)啟動到1s，頻率從0Hz-10Hz線性增加。

圖5為傳統(tǒng)MMC輸出三相電流波形。圖6為傳統(tǒng)MMCA相8個直流側電壓波形。圖7為具有消除低頻電壓波動能力的MMC輸出三相電流波形。圖8為具有消除低頻電壓波動能力的MMC A相8個直流側電壓波形。如圖5，6所示，在DAB功率變換單元未啟用時，變流器輸出電流有較大畸變且子模塊電壓存在極大的波動，影響系統(tǒng)運行。圖7，8為DAB功率變換單元使能后系統(tǒng)輸出特性，如圖所示，電流波形改善明顯且子模塊電容電壓維持在額定值，其低頻波動得到消除。上述仿真結果表明本發(fā)明能夠良好地實現(xiàn)消除模塊化多電平變流器的低頻電壓波動。