一種單向電流型模塊化多電平換流器的制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種單向電流型模塊化多電平換流器，屬于電力電子功率變換領域。該換流器的每一相包括上橋臂和下橋臂，每個橋臂分別由N個相同的子模塊級聯構成，每相的上橋臂下端和下橋臂上端各通過一個電感連接在一起，兩電感連接點為該相的交流母線，所有相的上橋臂上端連接在一起成為直流正母線，所有相的下橋臂下端連接在一起成為直流負母線，其特征在于，所述的子模塊采用單向電流型子模塊。本實用新型的子模塊具有正、0、負三種電壓輸出狀態(tài)，因此具有清除直流側暫時性短路故障的能力和從正額定值至負額定值的直流電壓輸出能力，可以以更低成本實現基于架空線的柔性直流輸電系統(tǒng)和實現常規(guī)?柔性混合直流系統(tǒng)的功率雙向傳輸能力。
【專利說明】
一種單向電流型模塊化多電平換流器
技術領域
[0001] 本實用新型屬于電力電子功率變換領域，特別涉及一種單向電流型模塊化多電平 換流器。
【背景技術】
[0002] 柔性直流輸電已經成為目前最有潛質的新型電力傳輸方式。由于模塊化多電平換 流器具有公共直流端，且有易拓展、有功無功可解耦控制、諧波特性優(yōu)秀、開關器件損耗小 等特點，十分適用于柔性直流輸電系統(tǒng)。目前模塊化多電平換流器根據所用的子模塊類型 主要可以分為半橋型、全橋型、半橋-全橋混合型和若干種箝位型幾類。在不同類型的模塊 化多電平換流器中，半橋型模塊化多電平換流器具有最低的成本，每個子模塊僅需要兩個 開關管和兩個二極管，但半橋型模塊化多電平換流器的直流電壓輸出范圍較窄，并且不具 有清除直流側暫時性短路故障的能力。全橋型模塊化多電平換流器具有從正額定值至負額 定值的直流電壓輸出范圍，也可以清除直流側暫時性短路故障，但所需的開關管和二極管 數目兩倍于半橋型模塊化多電平換流器;即使是半橋-全橋混合型模塊化多電平換流器，所 需的開關管和二極管數目仍然1.5倍于半橋型模塊化多電平換流器。各種箝位型模塊化多 電平換流器的設計目標一般均為在增加較少的開關管的條件下實現清除直流側暫時性短 路故障的能力，但仍然需要增加開關管，一般所需的開關管數目至少1.25倍于半橋型模塊 化多電平換流器，仍然會帶來明顯的成本增加。 【實用新型內容】
[0003] 本實用新型的目的是針對現有的全橋和箝位型模塊化多電平換流器成本高、半橋 型模塊化多電平換流器不具備直流側故障清除能力的缺點，提出一種單向電流型模塊化多 電平換流器，采用輸出電流單向、輸出電壓雙向的子模塊結構，使得換流器在保持與半橋型 換流器相似的成本下，獲得直流側暫時性短路故障清除能力和從正額定值至負額定值的直 流電壓輸出能力。
[0004] 本實用新型提出的一種單向電流型模塊化多電平換流器，換流器的每一相包括上 橋臂和下橋臂，每個橋臂分別由N個相同的單向電流型子模塊級聯構成，每相的上橋臂下端 和下橋臂上端各通過一個電感連接在一起，電感中點成為該相的交流母線，所有相的上橋 臂上端連接在一起成為直流正母線，所有相的下橋臂下端連接在一起成為直流負母線，其 特征在于，所述的上橋臂和下橋臂分別由N個單向電流型子模塊依次順序級聯而成，所述的 單向電流型子模塊由第一開關、第二開關、第一二極管、第二二極管、第三二極管、第四二極 管、直流電容組成;所述的第一開關的集電極、第一二極管的陰極、第三二極管的陽極相互 連接后構成單向電流型子模塊的第一端子;所述的第一開關的發(fā)射極、第一二極管的陽極、 第四二極管的陽極和直流電容的負極相互連接;所述的第二開關的集電極、第二二極管的 陰極、第三二極管的陰極和直流電容的正極相互連接;所述的第二開關的發(fā)射極、第二二極 管的陽極和第四二極管的陰極相互連接構成單向電流型子模塊的第二端子。
[0005] 為了達到上述目的，本實用新型的技術方案是：
[0006] -種單向電流型模塊化多電平換流器，換流器的每一相包括上橋臂和下橋臂，每 個橋臂分別由N個相同的子模塊級聯構成，每相的上橋臂下端和下橋臂上端各通過一個電 感連接在一起，電感中點成為該相的交流母線，所有相的上橋臂上端連接在一起成為直流 正母線，所有相的下橋臂下端連接在一起成為直流負母線，其特征在于所述的上橋臂和下 橋臂分別由N個單向電流型子模塊依次順序級聯而成，N為任意不小于1的整數。
[0007] 所述的單向電流型子模塊由第一開關、第二開關、第一二極管、第二二極管、第三 二極管、第四二極管、直流電容組成;所述的第一開關的集電極、第一二極管的陰極、第三二 極管的陽極相互連接后構成單向電流型子模塊的第一端子;所述的第一開關的發(fā)射極、第 一二極管的陽極、第四二極管的陽極和直流電容的負極相互連接;所述的第二開關的集電 極、第二二極管的陰極、第三二極管的陰極和直流電容的正極相互連接;所述的第二開關的 發(fā)射極、第二二極管的陽極和第四二極管的陰極相互連接構成單向電流型子模塊的第二端 子。
[0008] 本實用新型的有益效果為:本實用新型提出的單向電流型模塊化多電平換流器， 可以在相對于半橋型換流器不增加開關管、每個子模塊僅增加兩個僅用于不控充電階段的 小容量二極管的前提下，獲得清除直流側暫時性短路故障的能力和從正額定值至負額定值 的直流電壓輸出能力，可以以更低成本實現基于架空線的柔性直流輸電系統(tǒng)和實現常規(guī)-柔性混合直流系統(tǒng)的功率雙向傳輸能力。
【附圖說明】
[0009] 圖1是本實用新型提出的單向電流型模塊化多電平換流器的結構示意圖。
[0010] 圖2是本實用新型的單向電流型子模塊的結構示意圖。
[0011] 圖3、圖4、圖5和圖6是本實用新型的單向電流型子模塊的四種電壓輸出狀態(tài)的示 意圖。
【具體實施方式】
[0012] 本實用新型提出的單向電流型模塊化多電平換流器，其結構如圖1所示，換流器的 每一相包括上橋臂和下橋臂，每個橋臂分別由N個相同的子模塊級聯構成，每相的上橋臂下 端和下橋臂上端各通過一個電感L連接在一起，每相的兩個電感L的連接點為該相的交流母 線八〇]^(^^01，所有相的上橋臂上端連接在一起成為直流正母線00+，所有相的下橋臂下 端連接在一起成為直流負母線DC-，其特征在于，所述的上橋臂和下橋臂分別由N個子模塊 為N個單向電流型子模塊級聯構成，N可以取值為任意不小于1的整數;具體可以由換流器橋 臂額定輸出電壓與子模塊額定電壓的比值關系確定。例如，如果橋臂額定電壓為U arm，子模 塊電壓為Usm，N的取值可以為：
[0014] 其中INTO為取整函數。
[0015]所述的單向電流型子模塊結構如圖2所示，由第一開關S1、第二開關S2、第一二極 管Dl、第二二極管D2、第三二極管D3、第四二極管D4、直流電容C組成;所述的第一開關S1的 集電極、第一二極管Dl的陰極、第三二極管D3的陽極相互連接后構成單向電流型子模塊的 第一端子Tl;所述的第一開關Sl的發(fā)射極、第一二極管Dl的陽極、第四二極管D4的陽極和直 流電容C的負極相互連接;所述的第二開關S2的集電極、第二二極管D2的陰極、第三二極管 D3的陰極和直流電容C的正極相互連接;所述的第二開關S2的發(fā)射極、第二二極管D2的陽極 和第四二極管D4的陰極相互連接構成單向電流型子模塊的第二端子T2。
[0016] 以下結合附圖，詳細介紹本實用新型的工作原理和工作過程：
[0017] 通過選擇合適的換流器額定交流端口線電壓和合適的橋臂環(huán)流使得換流器運行 狀態(tài)下橋臂電流總是從各子模塊的第一端子Tl端口流入、第二端子T2端口流出。例如對于 額定直流端口電壓為Ud。、額定有功功率為P、額定容量為S的換流器，換流器額定交流端口線 電壓U a。需要滿足：
[0019]設換流器直流端口電流為id。、三相交流電流分別為iu、iv、i w，電流正方向如圖1所 示，設：
[0021]則三相橋臂的環(huán)流可以設置為：
[0023] 在換流器的橋臂電流控制中，將上述iuc、ivc、iwc分別作為三相橋臂的環(huán)流參考值， 環(huán)流電流正方向均為從正極母線流向負極母線。
[0024] 在滿足上述換流器額定交流端口線電壓和合適的橋臂環(huán)流的情況下，換流器運行 狀態(tài)下橋臂電流總是從各子模塊的第一端子Tl端口流入、第二端子T2端口流出。設子模塊 內直流電容上的直流電壓為E，對于電流總是從各子模塊的第一端子Tl端口流入、第二端子 T2端口流出的情況，子模塊的控制方式和電壓輸出狀態(tài)如下：
[0025] 1)當開關Sl關斷、S2關斷，如圖3所示，子模塊端口 Tl與T2間的電壓為E;
[0026] 2)當開關Sl導通、S2關斷，如圖4所示，子模塊端口 Tl與T2間的電壓為0;
[0027] 3)當開關Sl關斷、S2導通，如圖5所示，子模塊端口 Tl與T2間的電壓為0;
[0028] 4)當開關Sl導通、S2導通，如圖6所示，子模塊端口 Tl與T2間的電壓為-E;
[0029]如上所述，子模塊的端口可以輸出Ε、0、-Ε三種電壓狀態(tài)。
[0030]對于將N個所述子模塊端口的Tl和T2端子依次級聯構成的一個橋臂，橋臂的電壓 狀態(tài)就可以在NXE、"UhCK-E…-NXE之間變化。
[0031]本實用新型的一個實施例中，如圖1所示，模塊化多電平換流器包括U、V和W三相， 每相由兩個橋臂和兩個電感構成，上橋臂下端和下橋臂上端各通過一個電感連接在一起， 電感中點為此相交流出線，上橋臂上端為直流正出線，下橋臂下端為直流負出線。通過控制 各橋臂的子模塊端口的輸出電壓狀態(tài)，可以分別控制交流出線電壓和直流出線電壓。換流 器的額定直流電壓為160kV，額定有功功率為IOOMff，額定容量為111. 8MVA，則換流器的額定 交流線電壓選擇為146kV，額定橋臂電壓選擇為234kV，額定橋臂電流有效值為318.4A。考慮 單個子模塊額定電壓為1.8kV，則每個橋臂包含130個子模塊。子模塊中SI、S2、D3、D4需要選 擇容量與子模塊容量相當的器件，例如對于本實施例1.8kV/318.4A的子模塊考慮安全裕度 后選擇額定電壓電流為3300V/600A的開關器件。根據圖1可以看出，換流器運行狀態(tài)下橋臂 電流總是從各子模塊的第一端子Tl端口流入、第二端子T2端口流出，因此在換流器運行狀 態(tài)下橋臂電流并不會流過二極管Dl和D2,因此二極管D1、D2并不需要承受運行狀態(tài)下的橋 臂電流，二極管D1、D2的額定電流則可以只根據啟動過程中不控整流充電階段的電流選擇。 例如啟動過程中不控整流充電電流最大值為30A，則Dl、D2可以選擇額定電壓電流為3300V/ 60A的器件。
[0032]由于本實用新型的換流器的子模塊具有正、0、負三種電壓輸出狀態(tài)，因此本實用 新型的換流器具有清除直流側暫時性短路故障的能力和從正額定值至負額定值的直流電 壓輸出能力，同時相對于半橋型換流器不增加開關管、每個子模塊僅增加兩個僅用于不控 充電階段的小容量二極管，可以以更低成本實現基于架空線的柔性直流輸電系統(tǒng)和實現常 規(guī)-柔性混合直流系統(tǒng)的功率雙向傳輸能力。
【主權項】
1. 一種單向電流型模塊化多電平換流器，該換流器的每一相包括上橋臂和下橋臂，每 個橋臂分別由N個相同的子模塊級聯構成，每相的上橋臂下端和下橋臂上端各通過一個電 感連接在一起，兩電感連接點為該相的交流母線，所有相的上橋臂上端連接在一起成為直 流正母線，所有相的下橋臂下端連接在一起成為直流負母線，其特征在于，所述的子模塊采 用單向電流型子模塊，N為任意不小于1的整數； 所述的單向電流型子模塊由第一開關、第二開關、第一二極管、第二二極管、第三二極 管、第四二極管、直流電容組成;所述的第一開關的集電極、第一二極管的陰極、第三二極管 的陽極相互連接后構成單向電流型子模塊的第一端子;所述的第一開關的發(fā)射極、第一二 極管的陽極、第四二極管的陽極和直流電容的負極相互連接;所述的第二開關的集電極、第 二二極管的陰極、第三二極管的陰極和直流電容的正極相互連接;所述的第二開關的發(fā)射 極、第二二極管的陽極和第四二極管的陰極相互連接構成單向電流型子模塊的第二端子。
【文檔編號】H02M7/483GK205490217SQ201620133368
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年2月22日
【發(fā)明人】楊文博, 宋強, 劉文華
【申請人】清華大學