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专利号: 2021104597685
申请人: 燕山大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-06-16
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于四有源桥的MMC‑SST拓扑,其特征在于:包括模块化多电平变换器结构、半桥与电容结构、全桥结构、隔离型四绕组高频变压器、三相桥臂和公共母线,所述全桥结构和半桥与电容结构组成隔离子模块,所述隔离型四绕组高频变压器与全桥结构作为高频链路将横向三个子模块互联在原边侧,原边侧变比为1:1:1;隔离型四绕组变压器的副边侧通过全桥结构形成低压直流母线,所述横向三个隔离子模块与隔离型四绕组高频变压器及全桥结构共同过组成新型组合模块单元;所述三相桥臂中每相桥臂均分为上桥臂和下桥臂,每相上桥臂均包括n个隔离子模块和上桥臂电感Lg1、Lg3、Lg5,每相下桥臂均包括n个隔离子模块和下桥臂电感Lg2、Lg4、Lg6。

2.根据权利要求1所述的一种基于四有源桥的MMC‑SST拓扑,其特征在于:所述隔离子模块包括第一功率开关管Q1、第二功率开关管Q2、第一电容CC、第三功率开关管Q3、第四功率开关管Q4、第五功率开关管Q5、第六功率开关管Q6,所述四绕组高频变压器T1包括第一绕组N1、第二绕组N2、第三绕组N3、第四绕组N4;所述第一功率开关管Q1的集电极与第三功率开关管Q3的集电极及第五功率开关管Q5的集电极相连;所述第二功率开关管Q2的发射极与第四功率开关管Q4的发射极及第六功率开关管Q6的发射极相连;所述第一功率开关管Q1的发射极与第二功率开关管Q2的集电极相连;所述第三功率开关管Q3的发射极与第四功率开关管Q4的集电极相连;所述第五功率开关管Q5的发射极与第六功率开关管Q6的集电极相连;所述第一电容Ci的一端与第一功率开关管Q1的集电极连接,所述第一电容CC的另一端与第二功率开关管Q2的发射极连接;所述第一绕组N1的同名端连接到横向同一位置三个隔离子模块中A相的隔离子模块第三功率开关管Q3以及第四功率开关管Q4所组成的桥臂中点,所述第一绕组N1的异名端连接到该隔离子模块第五功率开关管Q5以及第六功率开关管Q6所组成的桥臂中点;所述第二绕组N2的同名端连接到横向同一位置三个隔离子模块中B相的隔离子模块第三功率开关管Q3以及第四功率开关管Q4所组成的桥臂中点,所述第二绕组N2的异名端连接到该隔离子模块第五功率开关管Q5以及第六功率开关管Q6所组成的桥臂中点;所述第三绕组N3的同名端连接到横向同一位置三个隔离子模块中C相的隔离子模块第三功率开关管Q3以及第四功率开关管Q4所组成的桥臂中点,所述第三绕组N3的异名端连接到该隔离子模块第五功率开关管Q5以及第六功率开关管Q6所组成的桥臂中点;所述第四绕组N4的同名端与全桥结构中第三功率开关管Q3以及第四功率开关管Q4所组成的桥臂中点连接,所述第四绕组N4的异名端连接到第五功率开关管Q5以及第六功率开关管Q6所组成的桥臂中点;所述第一、第二、第三绕组位于隔离型四绕组高频变压器的原边侧,第四绕组位于副边侧。

3.根据权利要求2所述的一种基于四有源桥的MMC‑SST拓扑,其特征在于:所述每相上桥臂第一个隔离子模块的第一功率开关管Q1与第二功率开关管Q2组成的中点与中压直流母线的正极相连;所述第二功率开关管Q2的发射极与下一隔离子模块的第一功率开关管Q1的发射极相连;所述上桥臂电感Lg1、Lg3、Lg5的一端与每相上桥臂的最后一个隔离子模块的第二功率开关管Q2的发射极连接,三相上桥臂电感Lg1、Lg3、Lg5的另一端分别连接中压交流母线的a相、b相、c相;三相下桥臂电感Lg2、Lg4、Lg6的一端分别与中压交流母线的a相、b相、c相连接,三相下桥臂电感Lg2、Lg4、Lg6的另一端与每相下半桥臂第一个隔离子模块的第一功率开关管Q1的发射极连接;每相下半桥臂隔离子模块的第二功率开关管Q2的发射极与下一隔离子模块的第一功率开关管Q1的发射极相连;下半桥臂最后一个隔离子模块的第二功率开关管Q2的发射极与中压直流母线的负极相连;所有与第四绕组连接的全桥并联第二电容CO结构的输出端级联形成低压直流母线。

4.根据权利要求2所述的一种基于四有源桥的MMC‑SST拓扑,其特征在于:所述模块化多电平变换器结构的子模块输入电流包含直流分量与交流分量,交流部分主要包括基频、2倍频分量,在三端口MMC‑SST拓扑上、下桥臂纵向隔离子模块之间,波动电流中基频分量if1‑ua、if1‑ub、if1‑uc与if1‑da、if1‑db、if1‑dc相位相反,2倍频分量if2‑ua、if2‑ub、if2‑uc与if2‑da、if2‑db、if2‑dc相位相同,在横向隔离子模块之间,基频分量呈三相正序,2倍频分量呈三相负序,具有三相对称特性。

5.根据权利要求4所述的一种基于四有源桥的MMC‑SST拓扑,其特征在于:对四有源桥结构建立等效模型,隔离型高频变压器原边侧三个绕组端口电压分别等效为电压源uaa'、ubb'、ucc',变压器绕组漏感分别为Lpa、Lpb、Lpc;副边侧变压器绕组漏感为Ls,电压等效为uss';

由于波动功率具备三相对称性,能够在变压器原边侧实现相互抵消,同时桥臂中2倍频循环电流可实现完全消除。

6.一种基于四有源桥的MMC‑SST拓扑的控制方法,其特征在于:采用包括MMC级半桥与电容结构的AC/DC转换控制和高频隔离级的混合同步与移相控制,所述半桥与电容结构控制采用abc坐标下独立电压电流的双闭环控制,所述双闭环控制包括输出直流电压外环控制和交流侧电流内环控制且调制方式采用载波移相脉宽调制技术调制策略,所述混合移相控制是在四绕组变压器的原边侧三个全桥结构采用给定占空比的同步开环PWM调制,原边侧与副边侧之间采用移相控制。

7.根据权利要求6所述的一种基于四有源桥的MMC‑SST拓扑的控制策,其特征在于:所述MMC级的AC/DC转换控制的具体步骤如下:*

1)将直流侧输出电压给定值U MVDC减去实际电压输出值UMVDC,经过PI调节器的输出值与输入电流在d轴的分量id作差,经过PI调节后的输出值与输入电压在d轴的分量相加后减去输入电流在q轴的分量iq与ωL相乘后的输出值实现对id的前馈解耦;

*

2)输出电流在q轴分量的给定值iq减去实际输入电流在q轴的分量iq,经过PI调节后的输出值与输入电压在q轴的分量相加后减去输入电流在d轴的分量id与ωL相乘后的输出值实现对iq的前馈解耦;

* * *

3)将步骤1)和步骤2)的解耦值经dq/abc变换得到三相调制波ea 、eb 、ec ,三相调制波经过载波移相调制策略得到半桥与电容结构的驱动信号Qsm。

8.根据权利要求6所述的一种基于四有源桥的MMC‑SST拓扑的控制方法,其特征在于:所述第三功率开关管Q3和第四功率开关管Q4驱动信号QHFL互补,第四功率开关管Q4和第五功率开关管Q5驱动信号相同,第三功率开关管Q3和第六功率开关管Q6驱动信号相同,原边侧三个绕组所连接的隔离子模块中全桥结构驱动同步,均为频率为f、占空比D固定为50%的驱动信号。所述隔离型四绕组高频变压器与全桥结构组成的高频链路原边侧控制均为频率与占空比固定的开环PWM调制。

9.根据权利要求6所述的一种基于四有源桥的MMC‑SST拓扑的控制方法,其特征在于:所述隔离型四绕组高频变压器的原边侧与副边侧之间的控制采用移相控制,副边侧的驱动*

信号滞后于原边侧的角度为移相角 将低压直流母线电压给定值ULVDC减去低压直流母线电压实际值ULVDC,经PI调节器得到移相角 经过限幅控制得到控制信号,经混合同步与移相控制的PWM调制,得到第四绕组连接的全桥结构的驱动信号。