基于MMC的三級式變壓器拓撲結構分析概述參考近年來的電力電子變壓器相關論文可以看出，AC/DC/AC三級式電力電子變壓器為當前最為火熱的研究課題。典型的三級結構變壓器有模塊化多電平變換器結構和H橋級聯(lián)結構。級聯(lián)H橋各相僅有一個橋臂，橋臂組成也只有全橋結構的子模塊，連接電感一側接入電網(wǎng)，另一端與其他兩相呈星型接法，沒有直流側，無法接入直流電網(wǎng)，大多應用于無功補償?shù)葓龊?。而與之對應的模塊化多電平變流器（ModularMultilevelConverter,MMC）采用了子模塊級聯(lián)的方法，同時具有直流側以及交流側，該拓撲的優(yōu)秀性能使其適用于柔性直流輸電領域[16]。1.1三級式變壓器系統(tǒng)構架由于模塊化多電平變流器的種種優(yōu)點，本文選擇的研究對象為AC/DC/AC三級式變壓器中的模塊化多電平變換器結構，即基于MMC結構的三級式電子變壓器，拓撲結構圖如圖1.1。圖1.1基于MMC結構的三級式電子變壓器拓撲結構圖該拓撲結構圖為2010年左右由中國科學院電工研究所成功研制出的三相變壓器[17]-[18]。其中輸入整流級DC/AC采用模塊化多電平換流器MMC，共有三個相單元，每相包含上、下兩個橋臂，每個橋臂由n個子模塊串聯(lián)和等效電感、電阻組成；中間隔離級AC/AC采用多個雙有源橋DAB，其中輸入端相互串聯(lián)輸出端相互并聯(lián)；輸出逆變級AC/DC采用三相三橋臂逆變器。1.2基于MMC結構的三級式變壓器各級拓撲結構1.1.1輸入級MMC的基本結構MMC作為三級拓撲結構中的輸入級，具有整流功能，將交流輸入信號轉換為直流信號后輸入給隔離級，直接影響隔離級的輸出進而影響到輸出級的總輸出，因此MMC就成為了整個電力電子變壓器系統(tǒng)的關鍵。與其他結構拓撲相比，MMC具有結構簡單、損耗小、控制容易等優(yōu)點，現(xiàn)階段在高壓輸電等領域都有所應用[19]。圖1.2為MMC的基本拓撲結構。MMC的完整拓撲結構圖（b）MMC的單相拓撲結構圖（c）子模塊SM結構圖圖1.2輸入級MMC的結構圖如圖所示，MMC有三個相單元，端口a、b、c處接輸入交流電壓信號，以圖1.2（b）單相等效電路為例，每一相又可以分成上、下兩個橋臂，表示x相的輸入相電壓，為x相的輸入相電流，為x相的上橋臂電流，為下橋臂電流，為x相的上橋臂電壓，為下橋臂電壓，L為橋臂電感，R為橋臂等效阻抗。上、下橋臂各包含n個子模塊SM，組成成分包括兩個半導體功率器件IGBT(VT1、VT2)及其各自的反并聯(lián)二極管D1、D2和一個并聯(lián)的直流電容C，拓撲結構為如圖1.5（c）所示的半橋結構[19]，其中子模塊輸入電壓，子模塊電容電壓。MMC直流側的母線電壓由上、下共2n個子模塊的電容電壓合起來構成。根據(jù)子模塊SM上、下兩個IGBT的不同導通情況，SM有不同的工作狀態(tài)，同一種工作狀態(tài)下也有不同的電流回路，圖1.3為不同工作狀態(tài)下的不同電流回路[20]。（a）投入狀態(tài)（b）切除狀態(tài)（c）圖1.3子模塊SM工作狀態(tài)圖1.3（a）為子模塊投入狀態(tài)，此時子模塊上管（VT1和反并聯(lián)二極管D1）導通而下管（VT2和D2）關斷，電流流向為正時對電容充電，電流流向為負時對電容放電，子模塊輸出電壓為電容電壓；圖1.3（b）為子模塊切除狀態(tài)，VT1和D1關斷而VT2和D2導通，電容中沒有電流流過，子模塊不接入橋臂中，子模塊相當于被VT2和D2短路，輸出電壓；圖1.3（c）出現(xiàn)在故障或者剛啟動時，上、下兩管皆關斷，當電流流向如左圖所示時，對電容Ｃ充電，當電流的流動方向如圖（c）右圖時，此時子模塊電容Ｃ不接入電路。1.1.2隔離級DAB的基本結構隔離級連接輸入整流級和輸出逆變級，是進行DC/AC、電壓耦合、AC/DC的場所，采用雙有源橋（DualactivebridgeDAB）形式，它非常靈活，可以與輸入級直流輸出側相連的部分采用輸入端串聯(lián)連接，并與輸出級直流輸入測相連的部分采用輸出端并聯(lián)連接，使得擴展電壓和電流額定值變得容易，適用于各種應用[21]。圖1.4隔離級DAB結構圖DAB雙有源橋結構顧名思義由兩個結構完全一致的全橋（H1、H2）組成，以及一個電感L和一個變壓器，兩個全橋的結構完全相同，都由IGBT開關管和反并聯(lián)二極管構成[21]。其核心元件為變壓器，作用為將從整流級得到的高壓直流信號耦合為逆變級所需要的低壓直流信號。由圖1.4隔離級的拓撲結構圖可知，和分別為隔離級輸入側和輸出測的電壓，也是輸入級的輸出電壓和輸出級的輸入電壓，和分別為輸入測和輸出測的電流，高頻變壓器的使用使該變壓器具有電氣隔離的作用，變比為n1：n2，為經AC/DC環(huán)節(jié)后的輸入方波電壓，為耦合后的輸出方波。與MMC相類似，根據(jù)不同開關管的不同導通情況，DAB也可以分為不同的工作狀態(tài)。在特定的調制情況下也會有多種工作狀態(tài)，具體工作流程將在本文4.2節(jié)展開詳細介紹。1.1.3輸出級基本結構在當今電力電子技術發(fā)展史中逆變器有著非常廣泛的應用，因為其具有將直流信號逆變?yōu)榻涣餍盘柕墓δ芏蔀镸MC型PET的最后一級，交流輸入側接DAB的輸出級，直流輸出測直接連接負載。傳統(tǒng)的三相三橋臂逆變器為全橋逆變，不從直流母線電容中點取參考點，只有線電壓輸出，沒有中線也沒有相電壓，當給不對稱負載供電時只能通過輸出星三角隔離變壓器獲得相電壓和中線或對稱零線，或接入一個中性點形成一個變比為1：1的自耦變壓器（NeutralFormedTransformer,NFT），它雖然比星三角隔離變壓器的體積重量小，但當不對稱度越大時，其體積重量也越大。而在現(xiàn)實生活中，需要使用非線性負載的場所非常多，若想在不平衡負載的前提下實現(xiàn)對稱交流電壓的輸出，同時取消輸出變壓器，減小逆變器的體積重量，就需要改變逆變器的拓撲結構和控制方法[22]。在三相三橋臂逆變器的基礎上加入一個橋臂來形成中性點n，如圖1.5所示，就構成了可以生成三相四線輸出的三相半橋逆變，輸出既有線電壓也有相電壓。本文采用三相四橋臂逆變器作為輸出級,并對其結構的拓撲形式及控制方法進行研究分析[23]。圖1.5三相四橋臂輸出逆變器拓撲結構圖從圖1.5可以看出，三相四橋臂逆變器