【摘 要】
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模块化多电平变换器（Modular Multilevel Converter,MMC）具有波形质量好、模块化程度高等优势。电容作为MMC子模块中最大的储能元件,降低子模块电容电压波动对提高MMC功率密度,实现MMC轻型化具有重要意义。在降低子模块电容电压波动的方案中,飞跨电容MMC（Flying-Capacitor MMC,FC-MMC）以其良好的性能得到了广泛的关注。利用SiC MOSFET低开
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目“基于SiC器件的高功率密度MMC子模块关键技术研究”（项目批准号为:51977093）； 湖北省自然科学基金重点类项目“高功率密度MMC子模块关键技术研究”（项目批准号为:2019CFA049）；
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模块化多电平变换器（Modular Multilevel Converter,MMC）具有波形质量好、模块化程度高等优势。电容作为MMC子模块中最大的储能元件,降低子模块电容电压波动对提高MMC功率密度,实现MMC轻型化具有重要意义。在降低子模块电容电压波动的方案中,飞跨电容MMC（Flying-Capacitor MMC,FC-MMC）以其良好的性能得到了广泛的关注。利用SiC MOSFET低开关损耗特性和Si IGBT低导通损耗特性,本文开展了对结合SiC器件与Si器件,具有低损耗特性的FC-MMC的研究。首先,本文介绍了FC-MMC的拓扑以及运行特性,分析了FC-MMC降低电容电压波动的原理,并建立了FC-MMC的数学模型。进一步,结合SiC MOSFET与Si IGBT的特点,提出了一种采用混合器件的改进型FC-MMC方案,并介绍了改进型方案的拓扑及工作原理。该方案通过调制策略将开关动作集中在SiC子模块以降低开关损耗和提升工作效率,并通过新型均压方案实现了SiC子模块与Si子模块之间的电容电压平衡。然后,本文提出了改进型FC-MMC的损耗分析方法。根据Si子模块和SiC子模块的开关动作表征,分析了两种子模块在导通和投切时的损耗产生机理,结合Si IGBT和SiC MOSFET的器件特性,得到了改进型FC-MMC的开关损耗与导通损耗表达式。并对改进型FC-MMC进行了损耗计算,验证了改进方案的低损耗特性。最后,本文搭建了改进型FC-MMC仿真模型,通过仿真验证了改进方案的稳态特性与动态特性。在此基础上,本文利用仿真模型进行了损耗计算,验证了损耗理论分析的正确性。仿真结果表明改进型FC-MMC方案可充分利用SiC MOSFET开关损耗低和Si IGBT导通损耗低的优势,在抑制子模块电容电压波动的同时显著降低系统损耗。此外,本文通过单相FC-MMC实验平台验证了所提调制策略的有效性。
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