【所屬領域】
電力電子裝備、新能源技術
【痛點問題】
基于模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter, MMC）的柔性直流輸配電技術具有控制靈活、動態(tài)響應快、弱網連接能力強、便于多端運行等顯著優(yōu)勢，已成為直流輸配電領域的優(yōu)選方案，是我國可再生能源大規(guī)模開發(fā)利用的重要手段。未來隨著可再生能源開發(fā)利用逐步深入，海上光伏、海上風電等特定場合的對換流閥的體積與重量要求較為苛刻，需要MMC實現輕型化。然而，傳統MMC普遍采用硅絕緣柵雙極型晶體管（Silicon Insulated Gate Bipolar Transistor, Si IGBT）作為功率器件，受制于Si材料的物理極限，Si IGBT性能已接近理論上限，使得MMC子模塊數目無法降低、開關頻率難以提升，制約了裝置體積、重量的縮減。
近年來，以碳化硅（Silicon Carbide, SiC）為代表的寬禁帶半導體器件發(fā)展迅猛，其中碳化硅金屬氧化物半導體場效應晶體管（Silicon Carbide Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, SiC MOSFET）相比于Si IGBT阻斷電壓更高、開關速度更快、開關損耗更小。將MMC中的Si IGBT替換為SiC MOSFET，有利于MMC縮減裝置體積、提高控制帶寬、優(yōu)化傳輸效率。
因此，本團隊聚焦SiC MOSFET在MMC中的應用的機遇與挑戰(zhàn)，首先基于基礎的半橋MMC結構，將Si IGBT直接替換為SiC MOSFET，針對SiC MMC存在的器件結溫不均問題和電磁干擾加劇問題分別提出了對應的優(yōu)化調制方法。另一方面，針對全SiC MMC成本高、導通損耗大的問題，本團隊提出Si/SiC器件混合型子模塊和Si/SiC子模塊混合型換流器，以進一步優(yōu)化裝置的效率及經濟性。
【成果介紹】
本成果提出了一種含SiC器件的模塊化多電平換流器及其優(yōu)化控制系統。針對前述痛點問題，本成果對應給出了以下解決方案：
1. 針對SiC MMC子模塊器件結溫分布不均的問題，提出了一種基于SiC MOSFET雙向導電特性的子模塊器件結溫均衡方法。團隊借鑒Si子模塊器件損耗分析方法，建立了SiC子模塊損耗分析模型。在此基礎上，根據SiC MOSFET溝道是否雙向導電，將SiC MOSFET分為單極工作和雙極工作兩種模式，并對比了兩種模式的器件損耗分布情況。進一步地，引入可自適應調節(jié)的閾值參數控制兩種模式的自主切換，從而實現器件損耗的均衡。
2. 針對SiC器件高阻斷電壓、高開關速度的特性導致MMC電磁干擾增加的問題，提出了多種適用于SiC MMC的共模電壓抑制方法。團隊建立了MMC共模電壓分析模型，并分析了SiC器件的應用對MMC共模電壓特性的影響。在此基礎上，揭示了基于最近零共模電壓矢量的共模電壓抑制方法的實現原理，并分析了其劣化輸出電能質量的缺陷。進一步地，基于開關矢量分析法，提出了多種改進型的共模電壓抑制方法，可在實現零共模電壓調制的同時抑制電容電壓波動并提高輸出電能質量。
3. 針對全SiC子模塊成本高、導通損耗大的問題，提出了多種Si/SiC器件混合型子模塊方案（包含全橋子模塊方案、投切電容型子模塊（CS-SFB）方案）。通過優(yōu)化子模塊調制方法，使SiC半橋高頻工作、Si半橋低頻工作，實現了器件的優(yōu)勢互補。
4. 針對由全SiC子模塊組成的單一器件型MMC成本高、導通損耗大的問題，提出了Si/SiC子模塊混合型MMC換流器方案。團隊分析了全SiC MMC隨著增壓擴容成本、損耗持續(xù)增高的缺陷。然后，通過改變單一器件MMC各子模塊結構相同、功能一致的架構特性，將少量SiC塑形子模塊和多個Si承壓子模塊串接，構成了Si/SiC子模塊混合型MMC。在此基礎上，優(yōu)化了換流器調制方法，在實現子模塊電容電壓均衡的同時使SiC子模塊高頻運行、Si子模塊低頻運行，提升了器件的利用效率。
圖1 6kW CS-SFB混合型MMC
圖2 10kW Si子模塊/SiC子模塊混合型MMC
【技術優(yōu)勢】
基于SiC器件的MMC在未來具有廣闊的市場應用前景，本團隊所研發(fā)的含SiC器件的模塊化多電平換流器及其優(yōu)化控制系統相對于競品方案，具有如下優(yōu)勢：
1. 解決了SiC器件應用于MMC后所產生的結溫不均及EMI問題，可全面提升裝置運行的安全性與可靠性；
2. 所提出的多種裝置拓撲充分考慮了SiC器件產業(yè)尚不成熟、成本較高的缺點，通過結構優(yōu)化，使得兼顧SiC器件低損耗優(yōu)勢的同時，減少了器件用量，保證效率提升的同時，極大降低了裝置成本，使得產品更具有市場競爭力。
【技術指標】
在團隊樣機及設定測試環(huán)境下，可實現以下參數指標：
1. 所提出的SiC子模塊結溫均衡方案最高可使SiC子模塊結溫不平衡度降低72.5%；
2. 所提出的SiC MMC共模電壓抑制方法可實現共模電壓抑制的同時，使交流側輸出電流THD和電容電壓波動分別降低23.8%和22.4%；
3. 所提出的Si/SiC器件混合型子模塊相比全SiC全橋子模塊在損耗和成本方面分別降低了16.3%和41.0%；
4. 所提出的Si子模塊/SiC子模塊混合型MMC相比全SiC MMC在損耗和成本分別降低31.0%和60.7%。
【資質榮譽】
1. 基于系列成果，獲批國家級項目1項，省部級項目1項，授權發(fā)明專利10項；
2. 基于相關項目方案，發(fā)表SCI一區(qū)論文5篇，EI論文6篇，相關論文獲評IEEE JESTPE一等獎（華人團隊首次獲獎）、電工技術學會優(yōu)秀論文、IEEE SSPEL最佳報告獎等多項獎項；方案樣機曾參評多項創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，獲電子設計國家級競賽一等1項、三等獎1項。
【技術成熟度】
本項目成果研究目前處于已有樣機階段。
【應用場景】
美國在SiC MMC的方案研發(fā)、產業(yè)推進上走在世界前列，采用10kV SiC MOSFET器件的MMC裝置獲評了美國能源部PowerAmerica年度最佳項目，目前相關產業(yè)化進程仍在推進。國內方面，國家電網、南方電網公司均已就SiC器件在電網換流器中的應用開展了大量驗證工作，其中雄安新區(qū)將建成采用國產6500V碳化硅器件的柔性變電站。
【市場前景】
SiC器件在中高壓大功器變換器中的大規(guī)模應用是大勢所趨。基于MMC的柔性直流輸配電技術是直流輸配電領域的優(yōu)選方案，也是我國可再生能源大規(guī)模開發(fā)利用的重要手段，SiC器件的應用符合MMC輕型化、高效率的發(fā)展需求，具有廣闊的市場前景。
本團隊全面解析了SiC器件的應用給MMC的運行、維護所帶來的問題并提出了對應的解決方案，其中所提出的裝置方案具有完全的自主產權，同時較美國能源部方案效率更高、成本更低，具有充分的競爭力。
【知識產權】
本成果已授權了多項中國發(fā)明專利，以下是部分專利展示：
序號 |
專利號或軟著號 |
名稱 |
1 |
ZL 202010276552.0 |
一種Si器件與SiC器件混合型MMC及其調制方法 |
2 |
ZL 202110072091.X |
一種設置有半電壓SiC子模塊的MMC的調制方法及MMC |
3 |
ZL 202110631491.X |
一種器件混合型MMC換流器及其控制方法、系統 |
4 |
ZL 202011129759.1 |
一種改進型飛跨電容MMC拓撲及其調制策略 |
5 |
ZL 201810104441.4 |
一種模塊化多電平變換器及其子模塊拓撲結構 |
6 |
ZL 202010385356.7 |
一種均衡SiC MOS MMC子模塊器件損耗的方法 |
7 |
ZL 202010845461.4 |
一種適用于SiC MMC的子模塊對地電壓跳變抑制方法及系統 |
8 |
ZL 202110851319.5 |
一種抑制MMC共模傳導EMI的控制方法、控制器及控制系統 |
9 |
ZL 202011254437.X |
一種快速MMC子模塊器件開路故障的檢測方法及系統 |
【合作方式】
專利許可、專利轉讓、作價投資、技術開發(fā)、面談等。
【團隊介紹】
本項成果由華中科技大學“高壓大功率特種電源”團隊開發(fā)，團隊含國家青年拔尖人才1名、國家海外優(yōu)青人才2名，累計出站博士后1人，培養(yǎng)博士研究生13人，碩士研究生40余人。
【聯系方式】
CG23032
