一种电平数翻倍的混合型MMC及其调制方法

技术领域

本发明涉及电力电子变换技术领域，尤其指一种电平数翻倍的混合型MMC及其调制方法。

背景技术

近年来，模块化多电平变换器（Modular Multilevel Converter，MMC）由于输出谐波含量低、模块化程度高和可扩展性强等优点，在直流输电、固态变压器和可再生能源集成等领域中得到了广泛应用。

适用于MMC的调制方式主要有载波移相PWM调制（Carrier Phase Shifting PWM，CPS-PWM）和最近电平逼近调制（Nearest Level Modulation, NLM）。在高压直流应用领域中，MMC子模块高达数百个。因此，使用开关频率较低的NLM调制即可输出理想正弦电流。然而，对于10kV及以下中压直流配电网中的应用，MMC桥臂子模块较少。若仍采用NLM调制技术，较少的电平输出会产生低次电压谐波。应用CPS-PWM调制技术可以减小MMC输出的电压谐波和电流畸变。然而，桥臂中每个子模块输出电压都经高频PWM调制生成，装置总损耗较大。

为提高MMC在中压直流配电网中的装置效率和输出性能，现有研究提出使用性能更优的宽禁带半导体器件（如SiC MOSFET）。全SiC器件的MMC配合使用CPS-PWM调制技术，提高装置输出性能的同时减小运行损耗。但是，现有商业应用的SiC器件耐压水平较低，且成本约为Si器件的五倍以上，高成本制约了其在变换器中的大规模应用，尤其是器件数量较多的MMC。

发明内容

为了兼顾装置效率、输出性能以及装置成本，本发明提供一种电平数翻倍的混合型MMC及其调制方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种电平数翻倍的混合型MMC，其包括三相桥臂，每相桥臂包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和下桥臂均包括N个依次连接的HSM模块，从每相上桥臂和下桥臂之间引出后分别连接一个FSM模块，所述FSM模块的输出端为混合型MMC的交流输出侧，所述HSM模块为采用Si IGBT器件构成的半桥变换器，所述FSM模块为采用SiC MOSFET器件构成的全桥变换器。

进一步地，所述HSM模块的直流侧并联有电容

再进一步地，所述HSM模块为采用上开关管

更进一步地，所述FSM模块为采用第一开关管

为了解决上述技术问题，本发明还采用如下技术方案：

一种电平数翻倍的混合型MMC的调制方法，其所述HSM模块采用电平翻倍的NLM调制输出阶梯波电压

进一步地，所述HSM模块采用电平翻倍的NLM调制输出阶梯波电压

1）输出上桥臂阶梯波电压

先根据式(1)中的上桥臂调制电压参考值以及公式(2)计算出上桥臂每一时刻所需投入输出

(1)

(2)

式中，

再计算上桥臂阶梯波电压

(3)

2）输出下桥臂阶梯波电压

先根据式(1)中的下桥臂调制电压参考值以及公式(4)计算出下桥臂每一时刻所需投入输出

(4)

再计算下桥臂阶梯波电压

(5)

3）计算并输出阶梯波电压

(6)。

再进一步地，所述FSM模块采用PWM调制输出整形电压

将FSM模块输出电压参考值

(7)

1）当

2）当

本发明提供了一种电平数翻倍的混合型MMC（简称HMMC）及其调制方法。该所提HMMC仅在传统的全Si IGBT器件的MMC交流侧添加三个由SiC MOSFET器件构成的FSM模块，输出性能即可接近全SiC MOSFET器件的MMC，另外，本发明所提HMMC中SiC MOSFET器件的电压为

附图说明

图1为本发明所涉电平数翻倍的混合型MMC的拓扑结构示意图；

图2为本发明所涉HMMC上桥臂HSM模块调制原理图；

图3为本发明所涉HMMC下桥臂HSM模块调制原理图；

图4为本发明所涉HMMC中a相桥臂中点输出的阶梯波电压的波形图；

图5为本发明所涉HMMC的FSM模块调制原理图；

图6为本发明实施方式中HMMC的a相桥臂中点输出的阶梯波电压仿真波形图；

图7为本发明实施方式中HMMC的a相FSM模块输出的整形电压仿真波形图；

图8为本发明实施方式中HMMC交流侧输出电压仿真波形图；

图9为本发明实施方式中HMMC交流侧输出电压谐波分析图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

一、电平数翻倍的混合型MMC(Hybrid MMC，HMMC)

如图1所示，本发明提供的HMMC包括三相桥臂，每相桥臂包括上桥臂和下桥臂，上桥臂和下桥臂均包括N个依次连接的HSM模块，从每相上桥臂和下桥臂之间引出后分别连接一个FSM模块。

其中，HSM模块为采用上开关管

另外，FSM模块为采用第一开关管

图1中

二、电平数翻倍的混合型MMC的调制方法

HMMC的调制方法包括对HSM模块的调制和对FSM模块的调制。以

1、HSM模块调制原理

HSM模块采用电平翻倍的NLM调制，使桥臂中点对o点可输出2N+1个阶梯波电压。HMMC每一相都包含上下两个桥臂，上桥臂调制电压参考值、下桥臂调制电压参考值的表达式为：

(1)

式中，

上桥臂N个HSM模块调制原理如图2所示，具体调制过程为：计算每一时刻所需投入输出

(2)

式中，

当计算投入的HSM模块数量

(3)

下桥臂N个HSM模块的调制原理如图3所示，调制过程与上桥臂相同，先计算每一时刻所需投入输出

(4)

再计算下桥臂阶梯波电压

(5)

通过上桥臂和下桥臂HSM模块独立调制，结合式(6)可得桥臂中点输出阶梯波电压

(6)

以

2、FSN模块调制原理

FSM模块采用PWM调制，输出高频的整形电压

(7)

FSM模块输出电压参考值

1）当

2）当

由FSM模块调制分析可知，第一开关管

三、仿真分析

为更好证明本发明所提HMMC及其调制方法的有效性，以下结合仿真实例进行验证。按照图1所示HMMC，在MATLAB/Simulink中搭建仿真模拟平台，仿真参数如表1所示。

如图6所示为HMMC中

图7所示为

图8所示为HMMC

由此可见，本发明所提调制方法能在保证HMMC输出电压波形质量前提下，控制SiCMOSFET器件输出高频PWM波，以减少Si IGBT器件开关动作次数，减小装置开关损耗。

上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

为了让本领域普通技术人员更方便地理解本发明相对于现有技术的改进之处，本发明的一些附图和描述已经被简化，并且为了清楚起见，本申请文件还省略了一些其他元素，本领域普通技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本发明的内容。