阅读说明：本技术 一种基于双向准z源的模块化多电平变换器子模块拓扑结构及其工作方法 (Modular multilevel converter submodule topological structure based on bidirectional quasi-Z source and working method thereof ) 是由 徐坤山 臧凤启 黄家才 曾元静 李本元 盛云龙 史建军 黄亚洲 赵贤林 于 2020-06-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于双向准Z源的模块化多电平变换器子模块拓扑结构及其工作方法,包括半桥电路,所述半桥电路和双向准Z源电路电连接。本发明降低了子模块电容电压值,减小了电容尺寸；子模块本身具有子模块电压控制能力,子模块电容电压波动可被控制的很小；加入了直通状态,降低了直通故障的概率,提高了结构可靠性。(The invention discloses a modular multilevel converter submodule topological structure based on a bidirectional quasi-Z source and a working method thereof. The invention reduces the voltage value of the sub-module capacitor and reduces the size of the capacitor; the sub-modules have sub-module voltage control capability, and the voltage fluctuation of the sub-module capacitor can be controlled very little; and a direct connection state is added, so that the probability of direct connection faults is reduced, and the structural reliability is improved.)

一种基于双向准Z源的模块化多电平变换器子模块拓扑结构 及其工作方法

技术领域

本发明属于大功率变换器拓扑结构技术领域，具体涉及一种基于双向准Z源的模块化多电平变换器子模块拓扑结构及其工作方法。

背景技术

模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)被广泛应用于柔性直流输电系统、电能质量治理、储能、中高压电力传动等领域，并被认为是最具发展前景的中高压大功率变换器。半桥子模块因其结构和控制简单、成本最低，是MMC中应用最广泛的子模块拓扑结构。但是该结构子模块电容电压高、波动大，由子模块电压波动等于电容电压波动，导致环流交流分量较大，需采用环流抑制策略抑制环流交流分量，增加了控制复杂度。另外，若半桥子模块的两个开关管因为驱动受到干扰等因素而非正常直通，电容的短路电流会损毁开关管及电容等器件。

针对子模块电容电压波动较大的问题，现有研究大都采用改进的控制策略来减小电容电压波动，但是抑制能力有限。针对直通问题，有文献提出了基于钳位和能量转移电路的MMC可直通子模块拓扑，但是该拓扑元件较多，损耗较大，且承担储能作用的电容电压过高。现有技术中尚无同时从子模块电容电压过高、减小子模块电压波动和提高拓扑可靠性三个方面提出一个全面的解决方案。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于双向准Z源的模块化多电平变换器子模块拓扑结构及其工作方法，降低了子模块电容电压值，减小了子模块电压波动，提高了结构可靠性。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于双向准Z源的模块化多电平变换器子模块拓扑结构，包括半桥电路，所述半桥电路和双向准Z源电路电连接。

一种基于双向准Z源的模块化多电平变换器子模块拓扑结构的工作方法，包括以下步骤：

模块化多电平变换器子模块输出的正弦调制波M₁和直通调制波M₂分别与三角载波C比较产生开关信号CM₁和CM₂；

第一NPN功率开关管S₁的开关信号等于CM₁异或CM₂；第二NPN功率开关管S₂的开关信号为CM₁取反；开关管Q₁的开关信号为CM₂取反；

当第一NPN功率开关管S₁和开关管Q₁同时导通且第二NPN功率开关管S₂关断时，模块化多电平变换器子模块处于投入状态；

当第二NPN功率开关管S₂和开关管Q₁同时导通且第一NPN功率开关管S₁关断时，模块化多电平变换器子模块处于切除状态；

当第一NPN功率开关管S₁和第二NPN功率开关管S₂同时导通且开关管Q₁关断时，模块化多电平变换器子模块处于直通状态。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

进一步地，上述双向准Z源电路包括第一电感L₁、第二电感L₂、第一电容C₀、第二电容C₁和第三电容C₂和开关管Q₁，所述第一电容的正极与所述第一电感的一端连接，所述第一电感的另一端分别与所述开关管的发射极和第三电容的负极连接，所述开关管的集电极分别与所述第二电容的正极和所述第二电感的一端连接，所述第二电感的另一端分别与所述第三电容的正极和所述半桥电路上管的集电极连接，所述第一电容的负极分别与所述第二电容的负极和所述半桥电路下管的发射极连接。

进一步地，上述半桥电路包括第一NPN功率开关管S₁和第二NPN功率开关管S₂。

进一步地，上述开关管Q₁集成有反并联二极管D₁；所述第一NPN功率开关管S₁和第二NPN功率开关管S₂分别集成有反并联二极管。

进一步地，上述直通调制波M₂通过比例积分控制方法获取，具体步骤为：

模块化多电平变换器子模块电压参考值与U_C1和U_C2之和相减作为比例积分的输入并进行比例积分运算，得到比例积分值；

由1减去比例积分值，得到直通调制波M₂。

本发明的有益效果是：

本发明提供的一种基于双向准Z源的模块化多电平变换器子模块拓扑结构及其工作方法降低了子模块电容电压值，减小了电容尺寸；子模块本身具有子模块电压控制能力，子模块电容电压波动可被控制的很小；加入了直通状态，降低了直通故障的概率，提高了结构可靠性。

附图说明

图1为本发明的拓扑结构示意图。

图2为本发明的基于半桥子模块的模块化多电平变换器结构示意图。

图3为本发明的调制方式工作原理示意图。

图4为本发明的子模块控制框图。

图5为本发明的仿真波形图。

具体实施方式

现在结合附图1-5对本发明作进一步详细的说明。

需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图2所示，在本发明的其中一个实施例中，模块化多电平变换器每相由上下两个桥臂通过两个桥臂电感连接而成，每个桥臂包含N个子模块，每个子模块拓扑结构包括半桥电路和双向准Z源电路。

如图1所示，在本发明的其中一个实施例中，本发明的子模块拓扑结构包括半桥电路和双向准Z源电路。半桥电路由两个含有反并联二极管的NPN功率开关管S₁和S₂组成；双向准Z源电路由两个电感L₁和L₂、三个电容C₀、C₁和C₂以及一个集成反并联二极管D₁的开关管Q₁组成。电容C₀的正极连接电感L₁，L₁另一端连接开关管Q₁的发射极和C₂的负极，Q₁的集电极连接C₁的正极和电感L₂，L₂另一端连接电容C₂的正极和半桥电路上管S₁的集电极，电容C₀的负极连接电容C₁和半桥电路下管S₂的发射极。

如图3和图4所示，在本发明的其中一个实施例中，子模块输出的正弦调制波M₁和直通调制波两个调制波M₁分别与三角载波C比较产生开关信号CM₁和CM₂。S₁开关信号等于CM₁异或CM₂，S₂开关信号为CM₁取反，开关管Q₁信号为CM₂取反。当S₁和Q₂同时导通、S₂关断时，根据子模块输入电流的方向，子模块处于投入状态。当S₂和Q₂同时导通、S₁关断时，子模块处于切除状态。当S₁和S₂同时导通、Q₂关断时，子模块处于直通状态；子模块直通状态控制采用比例积分(PI)控制策略：子模块电压参考值与U_C1和U_C2的和进行相减作为PI的输入，然后由1减去经过PI运算后得到的数值得到M₂，再与载波C进行比较得出开关信号；子模块投切状态由得到的正弦参考调制波M₁与载波C进行比较得出开关信号。

如图5所示，子模块的额定电压为250V，从仿真波形图中可以看出，U_C0、U_C1和U_C2的电压分别160V、205V和45V上下波动，表明电容电压稳定，电容电压值大大减小。U_C1+U_C2的值在250V上下波动，说明子模块电压稳定，且波动值也大大小于电容电压波形值。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。