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专利号: 202111354705X
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MMC的高频交流母线电能路由结构,其特征在于:包括中压变换级、高频隔离级和低压级;所述中压变换级为三相六桥臂结构的模块化多电平变换器,具有中压交流和直流端口;所述高频隔离级包括全桥结构和四绕组高频隔离变压器,所述四绕组高频变压器T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、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,原边侧三绕组变比为1:1:1,第四绕组与原边侧三绕组的变比根据应用情况确定;全桥结构级联在子模块之后,四绕组高频隔离变压器原边侧三绕组分别连接三相间横向三个全桥形成隔离组合单元,四绕组高频隔离变压器副边侧并联形成高频交流母线;所述低压级包括两绕组高频隔离变压器、同步单元和移相单元,同步单元为全桥结构,移相单元为电感和全桥结构,同步单元和移相单元均经两绕组高频隔离变压器接入高频交流母线,低压级的输出端分别为电压钳位型和功率可控型低压直流端口;所述高频隔离级的隔离组合单元包括三个全桥结构和一个四绕组高频隔离变压器,所述全桥结构包括第一功率开关管Q1、第二功率开关管Q2、第三功率开关管Q3、第四功率开关管Q4,所述子模块第一功率开关管S1的发射极与第二功率开关管S2的集电极相连;所述子模块第一电容C的一端与第一功率开关管S1的集电极连接,所述子模块第一电容C的另一端与第二功率开关管S2的发射极连接;所述子模块第一功率开关管S1的集电极与全桥第一功率开关管Q1的集电极及第三功率开关管Q3的集电极相连;所述子模块第二功率开关管S2的发射极与全桥第二功率开关管Q2的发射极及第四功率开关管Q4的发射极相连;所述全桥第一功率开关管Q1的发射极与第二功率开关管Q2的集电极相连;所述全桥第三功率开关管Q3的发射极与第四功率开关管Q4的集电极相连;所述第一绕组N1的同名端连接到横向同一位置三个全桥结构中A相全桥结构的第一功率开关管Qa1以及第二功率开关管Qa2所组成的桥臂中点,所述第一绕组N1的异名端连接到该全桥结构第三功率开关管Qa3以及第四功率开关管Qa4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全桥结构中B相全桥结构的第一功率开关管Qb1以及第二功率开关管Qb2所组成的桥臂中点,所述第二绕组N2的异名端连接到该全桥结构第三功率开关管Qb3以及第四功率开关管Qb4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全桥结构中C相全桥结构的第一功率开关管Qc1以及第二功率开关管Qc2所组成的桥臂中点,所述第三绕组N3的异名端连接到该全桥结构第三功率开关管Qc3以及第四功率开关管Qc4所组成的桥臂中点;所有四绕组高频隔离变压器的第四绕组并联形成高频交流母线。

2.根据权利要求1所述的一种基于MMC的高频交流母线电能路由结构,其特征在于:所述中压变换级模块化多电平变换器为三相六桥臂结构,每相桥臂均分为上桥臂和下桥臂,三相上桥臂分别包括n个子模块和上桥臂电感Lg1、Lg3、Lg5,三相下桥臂分别包括n个子模块和下桥臂电感Lg2、Lg4、Lg6;所述子模块包括第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第一电容C,所述每相上桥臂第一个子模块的第一功率开关管S1与第二功率开关管S2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S2的发射极与下一子模块的第一功率开关管S1的发射极相连;所述上桥臂电感Lg1、Lg3、Lg5的一端分别与每相上桥臂的最后一个子模块的第二功率开关管S2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的另一端分别与每相下半桥臂第一个子模块的第一功率开关管S1的发射极连接;每相下半桥臂子模块的第二功率开关管S2的发射极与下一组子模块的第一功率开关管S1的发射极相连;下半桥臂最后一个子模块的第二功率开关管S2的发射极与中压直流母线的负极相连。

3.根据权利要求1所述的一种基于MMC的高频交流母线电能路由结构,其特征在于:所述低压级的同步单元与移相单元经两绕组高频隔离变压器接入高频交流母线形成低压直流端口;所述同步单元包括第一功率开关管Qs1、第二功率开关管Qs2、第三功率开关管Qs3、第四功率开关管Qs4、第一电容Cs,所述第一功率开关管Qs1的发射极与第二功率开关管Qs2的集电极相连;所述第三功率开关管Qs3的发射极与第四功率开关管Qs4的集电极相连;所述第一功率开关管Qs1的集电极与第三功率开关管Qs3的集电极相连;所述第二功率开关管Qs2的发射极与第四功率开关管Qs4的发射极相连;所述第一电容Cs的一端连接至第三功率开关管Qs3的集电极,另一端连接至第四功率开关管Qs4的发射极;所述两绕组高频隔离变压器原边侧绕组两端接入高频交流母线,副边侧绕组一端接至同步单元第一、第二功率开关管Qs1、Qs2桥臂的中点,另一端连接至第三、第四功率开关管Qs3、Qs4桥臂的中点;所述移相单元包括第一功率开关管Qsc1、第二功率开关管Qsc2、第三功率开关管Qsc3、第四功率开关管Qsc4、第一电感L、第一电容Csc;所述第一功率开关管Qsc1的发射极与第二功率开关管Qsc2的集电极相连;

所述第三功率开关管Qsc3的发射极与第四功率开关管Qsc4的集电极相连;所述第一功率开关管Qsc1的集电极与第三功率开关管Qsc3的集电极相连;所述第二功率开关管Qsc2的发射极与第四功率开关管Qsc4的发射极相连;所述第一电容Csc的一端连接至第三功率开关管Qsc3的集电极,另一端连接至第四功率开关管Qsc4的发射极;所述第一电感L一端连接至第一功率开关管Qsc1与第二功率开关管Qsc2桥臂的中点,另一端连接至两绕组高频隔离变压器副边侧绕组的一端;所述两绕组高频隔离变压器原边侧绕组两端接入高频交流母线,副边侧绕组一端接至移相单元第一电感L,另一端连接至移相单元第三、第四功率开关管Qsc3、Qsc4桥臂的中点。

4.根据权利要求1所述的一种基于MMC的高频交流母线电能路由结构,其特征在于: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,MMC中上、下桥臂对应子模块的波动电流中基频分量if‑ua、if‑ub、if‑uc与if‑da、if1‑db、if‑dc相位相反,2倍频分量i2f‑ua、i2f‑ub、i2f‑uc与i2f‑da、i2f‑db、i2f‑dc相位相同,三相对应的子模块之间,基频分量呈正序,2倍频分量呈负序,具有三相对称特性;对高频交流母线结构建立等效模型,高频交流母线输入侧等效为三相受控电流源并联电容,变压器原边侧绕组漏感分别为Lla、Llb、Llc;副边侧及HFAC低压侧的电抗等效为Zreq;高频交流母线通过隔离组合单元为MMC三相子模块波动功率提供流动通道并等效为中性点,由于波动功率具有三相对称性,能够在高频交流母线处相互抵消,同时桥臂中2倍频循环电流实现自然消除。

5.一种权利要求1~4任一权利要求所述的基于MMC的高频交流母线电能路由结构的控制策略,其特征在于:包括中压变换级AC/DC转换控制、高频隔离级控制和高频交流母线低压输出端的控制;所述中压变换级AC/DC转换控制为采用闭环控制实现MMC的交直流变换,所述闭环控制包括直流侧控制和交流侧控制,所述直流侧控制采用直流电压控制或功率环控制,所述交流侧控制包括交流侧电流控制、交流侧电压控制或转矩转速控制;MMC调制方式采用载波调制方式或阶梯波调制方式,所述高频隔离级控制是对子模块级联的全桥结构采用给定占空比与频率的同步开环信号控制,所述高频交流母线低压输出端的控制包括电压钳位端口的同步控制与功率可控端口的移相控制。

6.根据权利要求5所述的一种基于MMC的高频交流母线电能路由结构的控制策略,其特征在于:所述高频隔离级控制的具体方法为隔离组合单元的全桥结构中第一功率开关管Q1和第二功率开关管Q2驱动信号互补,第一功率开关管Q1和第三功率开关管Q3驱动信号相同,第二功率开关管Q2和第四功率开关管Q4驱动信号相同,所有隔离组合单元中的各全桥结构驱动同步,均为频率为f、占空比D为50%的驱动信号,均采用开环PWM调制。

7.根据权利要求5所述的一种基于MMC的高频交流母线电能路由结构的控制策略,其特征在于:所述高频交流母线低压输出端的控制方案包括:

1)电压钳位型端口的同步单元采用同步控制,同步单元全桥采用和隔离组合单元中的全桥相同的开环PWM调制方式;

2)功率可控型端口的移相单元采用移相控制,移相单元全桥的驱动信号与隔离组合单元中全桥驱动信号存在一个移相角 将低压直流输出电压给定值ULdcr减去低压直流输出电压实际值ULdc,经PI调节器得到移相角 经过限幅控制得到控制信号,经PWM调制,得到移相单元全桥结构的驱动信号。