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

本发明专利技术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。

Modular Multilevel Topology and Control Method Based on Coupled Inductance Dual-step-down Submodule

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术属于高压大功率电力电子
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
专利技术目的：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：本专利技术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，Udc/N，2Udc/N三个电平，其中Udc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：(1)对系统共模分量采用电压电流双闭环控制，即系统共模电压作为电压外环控制对象，系统共模电流作为电流内环控制对象，采用比例积分控制器，通过控制共模电流的直流分量来调节外部直流系统对子模块单元的功率注入，确定在使得子模块共模电压维持在系统共模电压给定值2Udc/N时的系统共模调制信号mcm；其中Udc为外部直流系统中直流电压源输出电压值的一半；(2)以系统差模分量为控制对象，设计相应的电流环，通过比例谐振控制器减小输出稳态误差，提高动态响应性能，得到系统差模调制信号mdm；(3)以耦合电感双降压型子模块的共模电流为控制对象，设计相应的电流环，采用比例积分控制器以提供合适的直流偏置，保证系统始终运行在电流连续工况，该闭环控制以子模块的共模电流调制信号m0j作为输出；(4)对系统共模调制信号mcm，系统差模调制信号mdm和子模块的共模电流调制信号m0j进行组合得到各子模块的调制信号；(5)对模块化多电平拓扑结构采用载波移相策略，使得将步骤(4)中得到的各子模块的调制信号与各子模块的载波进行比较，将比较后的脉冲作为每个子模块的开关信号。进一步地，步骤(1)具体包括如下子步骤：(11)将系统共模电压给定值2Udc/N经比例积分控制器进行调节，得到系统共模电流给定值；(12)检测系统共模电流实际值，将给定值与实际值相减得到共模电流误差值，经电流内环比例积分控制器调节得到第一电感电压值；(13)将Udc与第一电感电压值相减，除以系统级PWM增益并经过延时环节后得到系统共模调制信号mcm；其中所述系统级PWM增益等于N*Udc_cm，Udc_cm为系统共模电压值。进一步地，步骤(2)具体包括如下子步骤：(21)将目标输出的差模电流峰值乘以sin(2πfot)，其中fo为调制波频率，得到系统差模电流给定值；(22)检测系统差模电流实际值，将给定值与实际值相减得到共模电流误差值，经比例谐振控制器调节得到第二电感电压值；(23)将交流侧电压Ug与第二电感电压值相减，除以所述系统级PWM增益N*Udc_cm后经过延时环节后得到系统差模调制信号mdm。进一步地，步骤(3)具体包括如下子步骤：(31)将系统共模电流给定值和目标输出的交流电流峰值相加，乘以0.5K，得到子模块共模电流给定值；其中K为耦合电感直流偏置所需的裕度；(32)检测子模块共模电流实际值，将给定值与实际值相减得到共模电流误差值，经比例积分控制器调节得到第三电感电压值；(33)将第三电感电压值除以子模块级PWM增益经过延时环节后得到子模块的共模调制信号m0j；其中所述子模块级PWM增益等于Udc_cm，Udc_cm为系统共模电压值。进一步地，步骤(4)中，将mcm+mdm+m0u的结果作为上桥臂子模块中第一IGBT的调制信号，将mcm+mdm-m0u作为上桥臂子模块中第二IGBT的调制信号，将mcm-mdm+m0l作为下桥臂子模块中第一IGBT的调制信号，将mcm-mdm-m0l作为下桥臂子模块中第二IGBT的调制信号。有益效果：与现有技术相比，本专利技术将多电平逆变器作为子模块，使得2N个模块单元的模块化多电平逆变器输出4N+1个电平，改善了输出电能质量。子模块拓扑采用耦合电感双降压型逆变器，克服了传统半桥模块的桥臂直通问题，运行效率得到提高。此外，针对该拓扑结构，本专利技术提出有效的控制策略，包括对系统共模电压的电压环控制，对系统共模电流和差模电流的电流环控制以及对子模块共模电流的电流环控制，大大提高了拓扑的动态性能。总之，本专利技术的子模块不存在桥臂直通问题，无需设置死区，大大减小了电压畸变率。2N个子模块输出4N+1个电平，使得输出电压更加逼近正弦波，系统的有效性和可靠性大大提高。同时，本专利技术对所提出的拓扑进行电压电流环控制，调节直流侧和交流侧的功率平衡，提高系统的稳定性。附图说明图1是模块化多电平拓扑结构图；图2(a)是本专利技术拓扑结构的系统级共模电流控制方法示意图；图2(b)是本专利技术拓扑结构的系统级差模电流控制方法示意图；图3(a)是本专利技术拓扑结构的上桥臂的耦合电感双降压型子模块共模电流控制方法示意图；图3(b)是本专利技术拓扑结构的下桥臂的子模块共模电流控制方法示意图；图4(a)和4(b)是当开关频率为5kHz时系统响应仿真波形。具体实施方式以下是结合附图对本专利技术进行详细说明。如图1的左侧所示，本专利技术的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包括：两组完全相本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一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，其特征在于，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所述耦合电感与所述第二组子模块中第一个子模块的首端相连；所述耦合电感的中点与外部交流系统的正极相连；所述外部直流系统包括直流电压源，所述直流电压源在电压中点处引出并与所述外部交流系统的负极相连；所述直流电压源的电压中点处和所述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。

【技术特征摘要】
1.一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，其特征在于，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所述耦合电感与所述第二组子模块中第一个子模块的首端相连；所述耦合电感的中点与外部交流系统的正极相连；所述外部直流系统包括直流电压源，所述直流电压源在电压中点处引出并与所述外部交流系统的负极相连；所述直流电压源的电压中点处和所述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。2.根据权利要求1所述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，其特征在于，所述外部交流系统包括交流电压源和滤波电感。3.根据权利要求1所述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，其特征在于，所述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。4.根据权利要求1所述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，其特征在于，每一子模块输出0，Udc/N，2Udc/N三个电平，其中Udc为所述外部直流系统中直流电压源输出电压值的一半。5.一种根据权利要求1-4中任一者所述的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，其特征在于，包括如下步骤：(1)对系统共模电压和电流采用电压电流双闭环控制，即系统共模电压作为电压外环控制对象，系统共模电流作为电流内环控制对象，采用比例积分控制器，通过控制共模电流的直流分量来调节外部直流系统对子模块单元的功率注入，确定在使得子模块共模电压维持在系统共模电压给定值2Udc/N时的系统共模调制信号mcm；其中Udc为所述外部直流系统中直流电压源输出电压值的一半；(2)以系统差模电流为控制对象，设计相应的电流环，通过比例谐振控制器减小输出稳态误差，提高动态响应性能，得...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙毅超，吕丹，丁楠木，王琦，
申请(专利权)人：南京师范大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32