一种变流器的制作方法

本发明涉及电气技术领域，具体涉及一种变流器。

背景技术：

随着传统能源的短缺和环境恶化问题的不断加剧，世界各国已经认识到能源的利用与开发必须从传统能源向绿色可再生能源等清洁能源过渡。近年来，风能、太阳能等新能源技术得到了快速发展，但由于其具有间歇性、不稳定性等特点，使得接纳超大规模新能源的传统技术受到越来越多的限制，必须采用新的技术、装备和电网结构来满足未来能源格局的深刻变化。而基于常规直流及柔性直流的多端直流输电系统和直流电网技术是解决这一问题的有效技术手段之一。

传统的模块化多电平变流器都是基于电容子模块结构，通过对换流站输出电压进行控制进而控制输出电流。

针对现有技术中，基于电容子模块结构的模块化多电平变流器需要首先对换流站输出电压进行控制才能进一步控制输出电流，而不能直接对换流站输出电流进行控制的问题，还未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种变流器，以解决现有技术中基于电容子模块结构的模块化多电平变流器需要首先对换流站输出电压进行控制才能进一步控制输出电流，而不能直接对换流站输出电流进行控制的问题。

根据一个方面，本发明实施例提供了一种变流器，包括：三个桥臂电路，其中，每个所述桥臂电路之间两两并联连接，每个所述桥臂电路均包括串联连接的上桥臂电路和下桥臂电路，并且每个所述桥臂电路的上桥臂电路的一端连接至正直流母线，每个所述桥臂电路的下桥臂电路的一端连接至负直流母线，每个所述桥臂电路的上桥臂电路与下桥臂电路的连接点作为所述变流器的输出端，所述上桥臂电路和所述下桥臂电路中的至少一个包括至少一个并联连接的相同的子单元，每个所述子单元包括电感和两组双向开关，其中，所述电感和所述两组双向开关两两之间并联连接，每组双向开关均包括两个串联连接的双向开关。

可选地，所述输出端连接至外界三相电网或者变压器。

可选地，所述变流器还包括：串联连接的至少一个电容，所述至少一个电容串联连接在所述正直流母线与所述负直流母线之间。

可选地，所述两组双向开关中的第一组双向开关中的两个双向开关的连接点作为所述子单元的第一引出端子，第二组双向开关中的两个双向开关的连接点作为所述子单元的第二引出端子。

可选地，所述上桥臂电路中的至少一个所述子单元的第一引出端子连接在一起作为所述上桥臂电路的一端，所述上桥臂电路中的至少一个所述子单元的第二引出端子连接在一起作为所述上桥臂电路的另一端。

可选地，所述下桥臂电路中的至少一个所述子单元的第一引出端子连接在一起作为所述下桥臂电路的一端，所述下桥臂电路中的至少一个所述子单元的第二引出端子连接在一起作为所述下桥臂电路的另一端。

可选地，多个所述双向开关中的至少一个包括带反并联二极管的晶体管。

可选地，所述晶体管为绝缘栅双极型晶体管。

可选地，所述双向开关包括多个所述晶体管，相邻两个所述晶体管中一个晶体管的集电极连接至另一个晶体管的发射极；多个所述晶体管的基极连接在一起作为所述双向开关的控制端。

可选地，所述双向开关包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管和所述晶体管，其中，所述第一二极管的阳极连接至所述第二二极管的阴极，所述第三二极管的阳极连接至所述第四二极管的阴极，所述第一二极管的阴极和所述第三二极管的阴极连接至所述晶体管的集电极，所述第二二极管的阳极和所述第四二极管的阳极连接至所述晶体管的发射极，所述晶体管的基极作为所述双向开关的控制端。

通过本发明，采用一种变流器包括：三个桥臂电路，其中，每个桥臂电路之间两两并联连接，每个桥臂电路均包括串联连接的上桥臂电路和下桥臂电路，并且每个桥臂电路的上桥臂电路的一端连接至正直流母线，每个桥臂电路的下桥臂电路的一端连接至负直流母线，每个桥臂电路的上桥臂电路与下桥臂电路的连接点作为变流器的输出端，上桥臂电路和下桥臂电路中的至少一个包括至少一个并联连接的相同的子单元，每个子单元包括电感和两组双向开关，其中，电感和两组双向开关两两之间并联连接，每组双向开关均包括两个串联连接的双向开关。解决了现有技术中基于电容子模块结构的模块化多电平变流器需要首先对换流站输出电压进行控制才能进一步控制输出电流，而不能直接对换流站输出电流进行控制的问题，实现了直流输电与电感储能一体，更适应风能太阳能等出力随机波动的能源接入电网；换流站容量升级时，可以保证直流电压不变，增加子单元数量即可增大直流电流输送能力；适用于具有大电流低电压的超导直流输电系统。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的变流器的一个电路图；

图2是根据本发明实施例的上桥臂电路或者下桥臂电路示意图；

图3是根据本发明实施例的变流器的另一个电路图；

图4是根据本发明实施例的变流器的再一个电路图；

图5是根据本发明实施例的双向开关的一个电路图；

图6是根据本发明实施例的双向开关的另一个电路图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

在本实施例中提供了一种变流器，图1是根据本发明实施例的变流器的一个电路图；如图1所示，包括：三个桥臂电路，其中，每个桥臂电路之间两两并联连接，每个桥臂电路均包括串联连接的上桥臂电路和下桥臂电路，并且每个桥臂电路的上桥臂电路的一端连接至正直流母线，每个桥臂电路的下桥臂电路的一端连接至负直流母线，每个桥臂电路的上桥臂电路与下桥臂电路的连接点作为变流器的输出端。

图2是根据本发明实施例的上桥臂电路或者下桥臂电路示意图，如图2所示，上桥臂电路和下桥臂电路中的至少一个包括至少一个并联连接的相同的子单元，每个子单元包括电感和两组双向开关，其中，电感和两组双向开关两两之间并联连接，每组双向开关均包括两个串联连接的双向开关。

从子单元的结构角度来看，该子单元的近似结构有两种，一种是由一个电容和四个开关组成，一种是由一个电流源和四个开关组成，一种是由电压源和四个开关构成。

子单元一般应用在电压型模块化多电平变流器，将子单元应用在模块化多电平电流型变流器主要难度在于各子单元内部储能电感的能量补充与能量均衡比较困难。因此现有技术中并没有将“子单元”应用于模块化多电平电流型变流器中。

其中，由电流源和四个开关构成的子单元可以并联作为电流型变流器使用。但是缺点在于每个子单元内都需要一个能够持续输出能量的电流源。由电压源和四个开关构成的子单元可以串联作为电压型变流器使用，缺点也在于每个子单元内都需要一个能够持续输出能量的电压源。由电容和四个开关构成的子单元串联起来之后也可以作为电压型变流器使用，但是电容需要额外补充能量。在现有技术中设计了多种能够给电容补充能量的电容和四个开关构成的子单元串联结构，例如模块化多电平变流器。由电感和四个开关构成的子单元并联起来虽然也可以作为电压源变流器，但是电感同样需要补充能量。目前没有适合的能够使电感能量获得补充的变流器电路结构。本发明可选实施例将由电感和四个开关构成的子模块连接成上述结构时，不仅使其能够作为电源对外输出交流电，并且能够通过每相得换流或者直流电压给这种子单元内的电感补充能量。

通过上述模块化多电平电流型变流器，通过控制多个双向开关中的一些开关的导通或者关闭，可以直接对换流站输出电流进行控制，无需对电压进行控制，因此直流母线电压相对较低，绝缘要求低，此外无需并网电感。

在一个可选实施例中，上桥臂与下桥臂的连接点连接至外界三相电网或者变压器，从可以进一步为用户提供电源。

如图2所示，两组双向开关中的第一组双向开关中的两个双向开关的连接点作为子单元的第一引出端子，第二组双向开关中的两个双向开关的连接点作为该子单元的第二引出端子。上桥臂电路中的至少一个子单元的第一引出端子连接在一起作为上桥臂电路的一端，上桥臂电路中的至少一个子单元的第二引出端子连接在一起作为上桥臂电路的另一端。下桥臂电路中的至少一个子单元的第一引出端子连接在一起作为下桥臂电路的一端，下桥臂电路中的至少一个子单元的第二引出端子连接在一起作为下桥臂电路的另一端。

图3是根据本发明实施例的变流器的另一个电路图，如图3所示，该变流器还包括串联连接的至少一个电容，至少一个电容串联连接在正直流母线与所述负直流母线之间。

在一个具体的可选实施例中，如图4所示，模块化多电平电流型变流器由A相上桥臂，B相上桥臂，C相上桥臂，A相下桥臂，B相下桥臂，C相下桥臂和直流侧电容组成。

其中，直流侧电容由第一分裂电容(1)和第二分裂电容(2)串联组成。第一分裂电容的阳极与正直流母线连接(3)，第二分裂电容的阴极与负直流母线连接(4)。

A相上桥臂由第一子单元第二子单元一直到第N子单元并联组成，每个子单元由储能电感(10)和四个双向半导体开关(11,12,13,14)组成。第一双向半导体开关(11)和第三双向半导体开关(13)连接点作为子单元第一引出端子，第二双向半导体开关(12)和第四双向半导体开关(14)连接点作为子单元第二引出端子。A相上桥臂的所有子单元并联，所有子单元的第一引出端子与正直流母线连接，所有子单元的第二引出端子与A相上桥臂与下桥臂的连接点(5)连接。

A相下桥臂同样由N个子单元并联组成，所有子单元的第一引出端子与A相上桥臂与下桥臂的连接点(5)连接，所有子单元的第二引出端子与负直流母线连接。

B相上桥臂、C相上桥臂与A相上桥臂的组成以及连接方式相同，B相下桥臂、C相下桥臂与A相下桥臂的组成以及连接方式相同(图4中未示出)。

A相上桥臂与下桥臂的连接点(5)、B相上桥臂与下桥臂的连接点(6)、C相上桥臂与下桥臂的连接点(7)作为换流站的引出端子与外界三相电网或变压器连接。

在启动时将所有子单元的第一双向半导体开关(11)和第四双向半导体开关(14)导通，通过直流母线对子单元储能电感(10)进行充电，建立子单元储能电感初始电流I。在每相引出端子(5、6、7)处电流为零时，通过将所有子单元的第一双向半导体开关(11)和第四双向半导体开关(14)导通也可以对子单元储能电感进行充电，或通过将所有子单元的第二双向半导体开关(12)和第三双向半导体开关(13)导通，对所有子单元储能电感进行放电。通过上述调节将子单元储能电感电流维持在I附近。

当控制某个子单元的第一双向半导体开关(11)和第二双向半导体开关(12)导通时，该子单元从电路中切除。当控制某个子单元的第三双向半导体开关(13)和第四双向半导体开关(14)导通时，该子单元也从桥臂电路中切除。

当控制一相桥臂中所有子单元的第一双向半导体开关(11)和第二双向半导体开关(12)导通时，该桥臂整体阻断，流过该桥臂电流为零。

当A相引出端子(5、6、7)处电流给定值大于零时，使A相下桥臂整体阻断，控制A相上桥臂从桥臂电路中投入和切除的子单元数量，即可控制A相引出端子(5、6、7)处电流跟踪给定值。

当A相引出端子(5、6、7)处电流给定值小于零时，使A相上桥臂整体阻断，控制A相下桥臂从桥臂电路中投入和切除的子单元数量，即可控制A相引出端子(5、6、7)处电流跟踪给定值。

B相桥臂电路和C相桥臂电路的控制方法与A相桥臂电路相相同。

根据四个双向开关的不同组合，能够使对应的子单元外电流特性不同，例如假设电感储能模块电流为I_L。当11和14导通时，子单元9对应的外电流特性为I_L。当12和13导通时，子单元9对应的外电流特性为-I_L。当11和12导通、或者13和14导通时，子单元9对应的外电流特性为0。其中A相上桥臂的电流等于A相上桥臂各子单元外电流特性之和。通过控制A相上桥臂各子单元外电流特性，即可控制A相上桥臂最终电流。采用同样的方法可控制A相下桥臂电流。A相上桥臂减去A相下桥臂电流即可得到A相输出多电平交流电流。

在一个可选实施例中，多个双向开关中的至少一个包括带反并联二极管的晶体管。具体的，上述晶体管可以为绝缘栅双极型晶体管。

上述双向开关的电路形式可以包括很多种，下面对此进行举例说明。在一个可选实施例中，双向开关包括带反并联二极管和多个二极管组；其中，带反并联二极管与多个二极管组并联连接，二极管组包括多个二极管，相邻的两个二极管的一个二极管的阳极连接至另一个二极管的阴极，多个二极管组的阴极连接至带反并联二极管的集电极，多个二极管组的阳极连接至带反并联二极管的发射极，第一个二极管组中的相邻两个二极管的阳极和阴极的连接点作为双向开关的一端，最后一个二极管组的相邻两个二极管的阳极和阴极的连接点作为该双向开关的另一端。图5是根据本发明实施例的双向开关的一个电路图，如图5所示，双向开关由四个二极管31-34和一个带反并联二极管的IGBT35组成，带反并联二极管的IGBT35的集电极与二极管31和二极管32的阴极连接，带反并联二极管的IGBT35的发射极与二极管33和二极管34的阳极连接。二极管31的阳极与二极管33的阴极连接作为双向开关的一端，二极管32的阳极与二极管34的阴极连接作为双向开关的一另一端。

在另一个可选实施例中，双向开关包括多个所述晶体管，相邻两个晶体管中一个晶体管的集电极连接至另一个晶体管的发射极，多个晶体管的基极连接在一起作为双向开关的控制端。图6是根据本发明实施例的双向开关的另一个电路图，如图6所示，双向开关由两个带反并联二极管的IGBT36和37组成，36的集电极与37的发射极连接，36的发射极与37的集电极作为双向开关的两端引出。

综上所述，通过本发明提供的变流器，将直流输电与电感储能设置为一体，更适应风能太阳能等出力随机波动的能源接入电网；换流站容量升级时，可保证直流电压不变，增加子单元数量即可增大直流电流输送能力；适用于具有大电流低电压的超导直流输电系统。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。