一种电力电子换流器的功率单元模块的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种电力电子换流器的功率单元模块，包括T形功率子模块、直流电容和限流电抗器；T形功率子模块的三个支路均设置有全控型器件组；直流电容并联在水平支路两端；限流电抗器并联在竖直支路上的全控型器件组的两端；T形功率子模块中水平支路上的全控型器件组同向设置；竖直支路的全控型器件组通过电力电子器件集电极与水平支路的连接点相连。与现有技术相比，本实用新型提供的一种电力电子换流器的功率单元模块，能够切除双向的故障电流，响应速度快、选择性好。
【专利说明】一种电力电子换流器的功率单元模块
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种功率单元模块，具体涉及一种电力电子换流器的功率单元模块。
【背景技术】
[0002]柔性直流输电技术和灵活交流输电技术在智能电网建设和新能源发电领域中发挥着日益重要的作用；由于电力系统中短路故障是最为严重的非正常工况，因此确保柔性直流输电和灵活交流输电的正常运行，需要通过电力电子换流器清除短路故障；基于原理划分，换流流器处理短路故障电流包括:
[0003]①:利用换流器交直流侧其他设备(如交、直流断路器)隔离故障点；
[0004]其中，直流断路器在高压直流领域尚未得到广泛认可和应用；交流断路器由于机械开关响应较慢，最快动作时间为40-60ms，很难响应电力电子系统毫秒级的快速暂态过程，而且多次开断会缩短交流断路器的寿命。例如，现有技术中柔性直流输电工程借助交流断路器切断故障电流时，每次直流侧故障都会造成柔性直流输电系统停运，严重响应了系统可用率。
[0005]②:利用换流器自身控制实现故障电流的清除；
[0006]电力电子换流器通常由一个或多个功率子模块组合而成，因此换流器的性能直接取决于所采用的功率子模块的性能。现有技术中柔性直流输电领域的电力电子换流器一般采用两电平换流器或模块化多电平换流器等。其中，两电平换流器主要采用全桥型拓扑；模块化多电平换流器采用的功率单元包括全桥型子模块、半桥型子模块或箝位双子模块等多种功率子模块:
[0007]当换流器直流侧发生短路故障时，全桥型子模块(同两电平换流器)能够通过闭锁切断双方向的电流，但是它需要双倍数量的半导体器件，投资过大；半桥型子模块，由于其与IGBT器件反并联的二级管会构成故障点与交流系统直接相连的能量馈流回路且无法控制，因此不具备直流电流闭锁能力；箝位双子模块，采用的半导体器件虽然比全桥型子模块结构少，但由于自身拓扑结构的特点，系统在闭锁后箝位双子模块的电容会反复充电，切断短路电流所需的时间要比全桥型长，故障电流控制效果并不理想。
[0008]因此，由于无法有效地限制短路电流，现有的基于全控器件的大功率电力电子换流器在系统故障时极易发生过流闭锁或跳闸，严重降低了装置的可用率和电力系统的安全稳定水平。提供一种新型功率单元模块确保电力电子换流器具有清除故障的能力显得尤为重要。
【发明内容】
[0009]为了满足现有技术的需要，本实用新型提供了一种电力电子换流器的功率单元模块，所述功率单元模块包括T形功率子模块、直流电容和限流电抗器；所述T形功率子模块的三个支路均设置有全控型器件组；所述直流电容并联在水平支路两端；所述限流电抗器并联在竖直支路上的全控型器件组的两端。
[0010]优选的，所述全控型器件组包括串联连接的电力电子器件；所述电力电子器件采用IGBT、IGCT和GTO中的任意一种；
[0011]优选的，所述电力电子器件的集电极和发射极之间反向并联一个二极管；
[0012]优选的，所述T形功率子模块中水平支路上的全控型器件组同向设置；所述竖直支路的全控型器件组通过电力电子器件集电极与所述水平支路的连接点相连；
[0013]优选的，所述功率单元模块串联时，通过T形功率子模块中竖直支路的电力电子器件发射极与另一个T形功率子模块中水平支路的电力电子器件发射极依次相连；
[0014]优选的，所述T形功率子模块中通过电力电子器件集电极连接竖直支路的水平支路和所述竖直支路之间并联一个旁路开关。
[0015]与最接近的现有技术相比，本实用新型的优异效果是:
[0016]1、本实用新型技术方案中，基于电力电子器件的T形功率子模块能够切除双向的故障电流，从而保证采用本实用新型提供的功率单元模块的电力电子换流器有效的清除双向故障电流；
[0017]2、本实用新型技术方案中，T形功率子模块采用电力电子器切断故障电流，响应速度快、选择性好；
[0018]3、本实用新型提供的一种电力电子换流器的功率单元模块，电力电子器件数量少，便于电力电子换流器进行模块化设计。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]下面结合附图对本实用新型进一步说明。
[0020]图1是:全桥型子模块结构图；
[0021]图2是:半桥型子模块结构图；
[0022]图3是:箝位双子模块结构图；
[0023]图4是:换流器直流侧短路时的故障电路图；
[0024]图5是:本实用新型实施例中一种电力电子换流器的功率单元模块结构图；
[0025]图6是:本实用新型实施例中全控型器件组结构图；
[0026]图7是:本实用新型实施例中T形子模块闭锁状态示意图；
[0027]图8是:本实用新型实施例中T形子模块工作状态示意图；
[0028]图9是:本实用新型实施例中T形子模块切除状态示意图；
[0029]图10是:本实用新型实施例中T形子模块限流状态示意图；
[0030]图11是:本实用新型实施例中基于功率单元模块的电力电子换流器结构图。
【具体实施方式】
[0031]下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
[0032]如图1-3分别示出了柔性直流输电领域中通常采用的电力电子换流器的功率单元结构，包括全桥型子模块结构、半桥型子模块结构和箝位双子模块结构；如图4所示当换流器直流侧发生短路故障时，全桥型子模块通过闭锁切断双方向的电流，但需要双倍数量的半导体器件，投资过大；半桥型子模块中由于与电力电子器件反并联的二极管会构成故障点与交流系统直接相连的能量馈流回路且无法控制，因此不具备直流电流闭锁能力；箝位双子模块在闭锁后其电容会反复充电，短路电流切除时间较长，因此故障电流控制效果不理想。
[0033]为克服现有技术中电力电子换流器不能有效清除故障电流的缺陷，本实用新型提供了一种如图5所示的电力电子换流器的功率单元模块；
[0034]本实施例中电力电子换流器的功率单元包括T形功率子模块、直流电容C和限流电抗器L ；T形功率子模块包括两个水平支路和一个竖直支路；Τ形功率子模块的三个支路均设置有全控型器件组；直流电容C并联在两个水平支路两端；限流电抗器L并联在竖直支路上的全控型器件组的两端。
[0035]T形功率子模块包的具体结构为:
[0036]①:如图6所示，三条支路上的全控型器件组均包括N个串联连接的电力电子器件，N至少为I ;电力电子器件采用IGBT、IGCT和GTO中的任意一种；本实施例中全控型器件组分别包括一个电力电子器件，如图5所示，水平支路分别为电力电子器件T1和T2,竖直支路为电力电子器件T3;
[0037]②:电力电子器件的集电极和发射极之间反向并联一个二极管，如图5所示，电力电子器件T1两端反并联二极管D1,电力电子器件T2两端反并联二极管D2,电力电子器件T3两端反并联二极管D3 ；
[0038]③:两个水平支路上的全控型器件组均为同向设置；竖直支路的全控型器件组通过电力电子器件的集电极与两个水平支路的连接点相连，如图5所示，电力电子器件T3的集电极与电力电子器件T1和电力电子器件T2的连接点相连。
[0039]④:Τ形功率子模块中通过电力电子器件集电极连接竖直支路的水平支路和竖直支路之间并联一个旁路开关，如图5所示，电力电子器件T3的发射极与电力电子器件T2的发射极之间并联一个旁路开关Km。
[0040]采用本实用新型提供的功率单元模块连接构成如图11所示的模块化电力电子换流器时，若功率单元模块进行串联，则通过T形功率子模块中竖直支路的电力电子器件发射极与另一个T形功率子模块中水平支路的电力电子器件发射极依次相连；两个如图5所示功率单元模块串联连接时，一个功率单元模块的A端与另一个功率单元模块的B端连接。
[0041]本实用新型提供的电力电子器件的功率单元模块的具体工作过程为:
[0042]电力系统直流侧正常工作或出现短路故障时，图11中T形功率子模块的电力电气器件由所述电力电子器件的驱动电路进行开通或关断，从而分别进行充电、放电、旁路和限流；
[0043]下表示出了电力电子器件的工作状态示例:
[0044]
【权利要求】
1.一种电力电子换流器的功率单元模块，其特征在于，所述功率单元模块包括T形功率子模块、直流电容和限流电抗器；所述T形功率子模块的三个支路均设置有全控型器件组；所述直流电容并联在水平支路两端；所述限流电抗器并联在竖直支路上的全控型器件组的两端。
2.如权利要求1所述的一种电力电子换流器的功率单元模块，其特征在于，所述全控型器件组包括串联连接的电力电子器件；所述电力电子器件采用IGBT、IGCT和GTO中的任意一种。
3.如权利要求2所述的一种电力电子换流器的功率单元模块，其特征在于，所述电力电子器件的集电极和发射极之间反向并联一个二极管。
4.如权利要求1所述的一种电力电子换流器的功率单元模块，其特征在于，所述T形功率子模块中水平支路上的全控型器件组同向设置；所述竖直支路的全控型器件组通过电力电子器件集电极与所述水平支路的连接点相连。
5.如权利要求1所述的一种电力电子换流器的功率单元模块，其特征在于，所述功率单元模块串联时，通过T形功率子模块中竖直支路的电力电子器件发射极与另一个T形功率子模块中水平支路的电力电子器件发射极依次相连。
6.如权利要求1所述的一种电力电子换流器的功率单元模块，其特征在于，所述T形功率子模块中通过电力电子器件集电极连接竖直支路的水平支路和所述竖直支路之间并联一个旁路开关。
【文档编号】H02M1/32GK203859676SQ201420282327
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年5月29日 优先权日:2014年5月29日
【发明者】赵东元, 邱宇峰, 李卫国 申请人:国家电网公司, 国网智能电网研究院