飞跨电容三电平单极电流模块的制作方法

本发明涉及电力电子技术技术领域，特别涉及一种飞跨电容三电平单极电流模块。

背景技术：

功率模块是大功率多电平变流器的基础单元，包括级联多电平变流器，模块化多电平变流器等变流器中均包括大量的功率模块单元。以级联多电平变流器、模块化多电平变流器为代表的多电平变流器，因具有电流谐波特性好、有功无功解耦控制、模块化设计、便于实现故障容错运行等优点，在高压大功率电力变换场合，如柔性直流输电、大容量动态无功补偿、电能质量治理、电机变频驱动等领域得到了广泛运用。

以模块化多电平变流器为例，其运行特性取决于其功率模块的电路结构。传统的半桥模块结构具有损耗较小、成本较低的优势，但由于无法提供负电平电压，因而无法在直流侧低电压下输送功率，也不能在变流器发生直流侧短路故障后限制故障电流。此外，由半桥模块构成的桥臂其桥臂电压始终为正，因此不便于通过注入高频变化的桥臂电压来降低模块电容电压的波动幅度。

为提升模块化多电平变流器的工作性能，可以采用能够提供负电平的模块代替半桥模块。已有研究提出的能够提供负电平的模块包括：全桥模块、箝位双模块(CDSM,clamp-double sub-module)，(Marquardt,R.,"Modular Multilevel Converter:An universal concept for HVDC-Networks and extended DC-Bus-applications,"Power Electronics Conference(IPEC),2010 International,vol.,no.,pp.502,507,21-24 June 2010.)、单极电压模块(Jiangchao Qin；Saeedifard,M.；Rockhill,A.；Rui Zhou,"Hybrid Design of Modular Multilevel Converters for HVDC Systems Based on Various Submodule Circuits,"in Power Delivery,IEEE Transactions on,vol.30,no.1,pp.385-394,Feb.2015.)、对角桥模块(专利公开号CN105450045A)。

上述功率模块与半桥模块相比，在获得相同电平数目的前提下，全桥模块、箝位双模块和单极电压模块均需要采用更多数量的可控开关器件，成本增加较大。而对角桥模块采用的可控开关器件数量与半桥模块一致，成本增加较少。然而，对角桥模块中两个可控开关器件分布于模块的对角位置，因此其中的可控开关器件只能分别使用单个器件模块，而无法像半桥模块一样，采用集成度更高的双管模块，不利于模块的集成化设计。并且，每增加一个对角桥模块，变流器的总电平数只增加两个，在高压应用领域需要大量的对角桥模块，附属设备及设备整体使用空间体积较大，结构不够紧凑。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种飞跨电容三电平单极电流模块，具有成本低、结构紧凑的优点。

本发明的第二个目的在于提出一种单极电流变流链。

本发明的第三个目的在于提出一种模块化多电平变流器。

为了实现上述目的，本发明第一方面的实施例公开了一种飞跨电容三电平单极电流模块，由第一并联支路、第二并联支路和第二电容C₂构成，其中，所述第一并联支路包括：第一全控开关器件T₁、第二全控开关器件T₂、第一二极管D₁、第二二极管D₂和第一电容C₁，所述第二并联支路包括：全控开关器件单元T₃、二极管单元D₃，其中，所述T₁的发射极与T₂的集电极相连，所述T₁的集电极与D₂的阳极相连于所述飞跨电容三电平单极电流模块的一个端口A，D₁的阳极与D₂的阴极相连，D₁的阴极作为第一并联支路的阳极，T₂的发射极作为第一并联支路的阴极，第一电容C₁的阳极分别与D₁的阳极和D₂的阴极相连，C₁的阴极分别与T1的发射极及T2的集电极相连，T₃的发射极与D₃的阴极连接于所述飞跨电容三电平单极电流模块的另一个端口B，D₃的阳极作为第二并联支路的阴极，T₃的集电极作为第二并联支路的阳极，所述第一并联支路的阳极、第二并联支路的阳极与第二电容C₂的阳极相互连接，所述第一并联支路的阴极、第二并联支路的阴极与第二电容C₂的阴极相互连接；或者，所述T₁的发射极与T₂的集电极相连，T₂的发射极与D₁的阴极连接于所述飞跨电容三电平单极电流模块的另一个端口B，D₁的阳极与D₂的阴极相连，D₂的阳极作为所述第一并联支路的阴极，T₁的集电极作为所述第一并联支路的阳极，第一电容C₁的阳极分别与T₁的发射极与T₂的集电极相连接，所述C₁的阴极分别与D₁的阳极与D₂的阴极相连，T₃的集电极与D₃的阳极连接于所述飞跨电容三电平单极电流模块的一个端口A，D₃的阴极作为第二并联支路的阳极，T₃的发射极作为第二并联支路的阴极，所述第一并联支路的阳极、第二并联支路的阳极与第二电容C₂的阳极相互连接，所述第一并联支路的阴极、第二并联支路的阴极与第二电容C₂的阴极相互连接。

另外，根据本发明上述实施例的飞跨电容三电平单极电流模块还可以具有如下附加的技术特征：

在一些示例中，所述第一电容C₁的额定工作电压U_dc近似为所述第二电容C₂的额定工作电压的一半，所述T₁、T₂、D₁、D₂均采用适于额定工作电压为U_dc的开关器件。

在一些示例中，所述全控开关器件单元T₃包括一个或多个全控开关器件，其中，所述多个全控开关器件串联连接。

在一些示例中，所述二极管单元D₃包括一个或多个二极管，其中，所述多个二极管串联连接。

在一些示例中，所述T₁、T₂、T₃为逆阻型全控电力电子开关器件。

在一些示例中，所述T₁、T₂、T₃为逆导型全控电力电子开关器件，其中，每个所述逆导型全控电力电子开关器件均包括一个续流二极管，每个所述续流二极管的阳极与对应逆导型全控电力电子开关器件的发射极相连，每个续流二极管的阴极与对应逆导型全控电力电子开关器件的集电极相连。

在一些示例中，通过所述飞跨电容三电平单极电流模块的电流i_SM的方向始终从所述端口A流入，并从所述端口B流出。

在一些示例中，所述端口A与端口B之间存在所述的飞跨电容三电平单极电流模块的端口电压u_SM，当所述T₁、T₂、T₃均关断时，所述飞跨电容三电平单极电流模块的端口电压u_SM近似等于2U_dc；当所述T₁、T₂、T₃均导通时，所述飞跨电容三电平单极电流模块的端口电压u_SM近似等于-2U_dc；当所述T₁导通且T₂、T₃关断，或所述T₂导通且T₁、T₃关断时，所述飞跨电容三电平单极电流模块的端口电压u_SM近似等于U_dc；当所述T₁关断且T₂、T₃导通，或所述T₂关断且T₁、T₃导通时，所述飞跨电容三电平单极电流模块的端口电压u_SM近似等于-U_dc；当所述T₁、T₂导通且T₃关断，或所述T₁、T₂关断且T₃导通时，所述飞跨电容三电平单极电流模块的端口电压u_SM近似等于0。

根据本发明实施例的飞跨电容三电平单极电流模块，适于单电流方向应用场合，使用的全控开关器件数目较少，因此成本低；且所采用的全控开关器件可以采用集成度更高的双管模块，更易于实现模块的集成化设计，因此结构更为紧凑。

为了实现上述目的，本发明第二方面的实施例还提出了一种单极电流变流链，包括一个或多个串联的飞跨电容三电平单极电流模块，所述飞跨电容三电平单极电流模块为本发明上述第一方面实施例所述的飞跨电容三电平单极电流模块。

根据本发明实施例的单极电流变流链，由一个或多个飞跨电容三电平单极电流模块串联构成，具有成本低、结构紧凑的优点。

为了实现上述目的，本发明第三方面的实施例还提出了一种模块化多电平变流器，包括本发明上述第二方面实施例所述的单极电流变流链。

根据本发明实施例的模块化多电平变流器，由飞跨电容三电平单极电流模块构成，仅通过单极电流，当输出相同正电平数目时，所使用的全控开关器件与半桥模块相同，可提供与正电平数目相同的负电平，有助于改善变流器在低电压和低频运行下直流电压的性能，并增加了变流器的直流故障闭锁能力。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据一个本发明实施例的飞跨电容三电平单极电流模块的电路结构图；

图2是根据本发明另一个实施例的飞跨电容三电平单极电流模块的电路结构图；

图3是根据本发明一个实施例的基于逆阻型全控开关器件单元结构图；

图4是根据本发明一个实施例的基于逆导型全控开关器件单元结构图；

图5是根据本发明一个实施例的二极管单元的结构图；

图6是根据本发明一个实施例的单极电流变流链的示意图；以及

图7是根据本发明一个实施例的模块化多电平变流器示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，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，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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”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，可以是两个元件内部的连通。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。

以下结合附图描述根据本发明实施例的飞跨电容三电平单极电流模块、单极电流变流链及模块化多电平变流器。

图1是根据本发明一个实施例的飞跨电容三电平单极电流模块的电路结构图。如图1所示，本发明实施例的飞跨电容三电平单极电流模块由第一并联支路、第二并联支路和第二电容C₂构成，其中，第一并联支路包括：第一全控开关器件T₁、第二全控开关器件T₂、第一二极管D₁、第二二极管D₂和第一电容C₁，第二并联支路包括：全控开关器件单元T₃、二极管单元D₃。

更为具体地，图1(a)是本发明一个实施例的基于逆阻型全控开关器件的飞跨电容三电平单极电流模块的电路结构图。图1(b)是本发明另一个实施例的基于逆阻型全控开关器件的飞跨电容三电平单极电流模块的电路结构图。

具体地，如图1(a)所示，T₁的发射极与T₂的集电极相连于图1(a)中的E点，T₁的集电极与D₂的阳极相连于飞跨电容三电平单极电流模块的一个端口A，D₁的阳极与D₂的阴极相连于图1(a)中的F点，D₁的阴极作为第一并联支路的阳极，T₂的发射极作为第一并联支路的阴极，第一电容C₁的阳极分别与D₁的阳极和D₂的阴极相连，也即第一电容C1的阳极接入F点，C₁的阴极分别与T1的发射极及T2的集电极相连，也即C₁的阴极接入E点，T₃的发射极与D₃的阴极连接于飞跨电容三电平单极电流模块的另一个端口B，D₃的阳极作为第二并联支路的阴极，T₃的集电极作为第二并联支路的阳极，第一并联支路的阳极、第二并联支路的阳极与第二电容C₂的阳极相互连接，第一并联支路的阴极、第二并联支路的阴极与第二电容C₂的阴极相互连接。或者，

如图1(b)所示，T₁的发射极与T₂的集电极相连于图1(b)中的E点，T₂的发射极与D₁的阴极连接于飞跨电容三电平单极电流模块的另一个端口B，D₁的阳极与D₂的阴极相连于图1(b)中的F点，D₂的阳极作为第一并联支路的阴极，T₁的集电极作为第一并联支路的阳极，第一电容C₁的阳极分别与T₁的发射极与T₂的集电极相连接，也即第一电容C1的阳极接入E点，C₁的阴极分别与D₁的阳极与D₂的阴极相连，也即C₁的阴极接入F点，T₃的集电极与D₃的阳极连接于飞跨电容三电平单极电流模块的一个端口A，D₃的阴极作为第二并联支路的阳极，T₃的发射极作为第二并联支路的阴极，第一并联支路的阳极、第二并联支路的阳极与第二电容C₂的阳极相互连接，第一并联支路的阴极、第二并联支路的阴极与第二电容C₂的阴极相互连接。

其中，结合图1(a)和图1(b)所示，在本发明的一个实施例中，第一电容C₁正极与负极之间的电压差为U_dc1，第二电容C₂正极与负极之间的电压差为U_dc2。基于此，第一电容C₁的额定工作电压U_dc近似为第二电容C₂的额定工作电压的一半，即U_dc1＝U_dc2/2＝U_dc；T₁、T₂、D₁、D₂均采用适于额定工作电压为U_dc的开关器件。进一步地，例如，T₃可采用额定工作电压为2U_dc的一个全控开关器件，也可由两个额定工作电压均为U_dc的全控开关器件串联构成；D₃可采用额定工作电压为2U_dc的一个二极管，也可由两个额定工作电压均为U_dc的二极管串联构成。

在本发明的一个实施例中，全控开关器件单元T₃包括一个或多个全控开关器件，其中，多个全控开关器件串联连接。当T₃包括一个全控开关器件时，这一个全控开关器件的额定工作电压为2U_dc，当T₃包括多个全控开关器件时，这多个全控开关器件的额定工作电压总和为2U_dc。作为具体的示例，例如，结合图3和图4所示，全控开关器件单元T₃例如可由1个全控开关器件T₃₁构成，见图3(a)和图4(a)，此时，T₃₁的集电极为T₃的集电极，T₃₁的发射极为T₃的发射极，T₃₁的额定工作电压为2U_dc。另一方面，T₃也可由全控开关器件T₃₁和T₃₂串联构成，见图3(b)和图4(b)，此时，T₃₁的集电极作为T₃的集电极，T₃₁的发射极与T₃₂的集电极相连，T₃₂的发射极作为T₃的发射极，T₃₁、T₃₂的额定工作电压均为U_dc。

在本发明的一个实施例中，二极管单元D₃包括一个或多个二极管，其中，多个二极管串联连接。当D₃包括一个二极管时，这一个二极管的额定工作电压为2U_dc，当D₃包括多个二极管时，这多个二极管的额定工作电压总和为2U_dc。作为具体的示例，例如，结合图5所示，二极管单元D₃例如可由1个二极管D₃₁构成，见图5(a)，此时D₃₁的阴极为D₃的阴极，D₃₁的阳极为D₃的阳极，D₃₁的额定工作电压为2U_dc。另一方面，D₃也可由二极管D₃₁和D₃₂串联构成，见图5(b)，此时D₃₁的阴极作为D₃的阴极，D₃₁的阳极与D₃₂的阴极相连，D₃₂的阳极作为D₃的阳极，D₃₁、D₃₂的额定工作电压均为U_dc。

在本发明的一个实施例中，T₁、T₂、T₃可以为逆阻型全控电力电子开关器件。结合上述的示例，换言之，例如，全控开关器件T₁、T₂、T₃₁、T₃₂可采用逆阻型全控电力电子开关器件，典型如集成门极换流晶闸管(IGCT)或门极可关断晶闸管(GTO)，并且，逆阻型全控电力电子开关器件内部不包括续流二极管。基于逆阻型全控电力电子开关器件的飞跨电容三电平单极电流模块的结构见图1(a)和图1(b)所示。

在本发明的另一个实施例中，T₁、T₂、T₃也可以为逆导型全控电力电子开关器件，其中，每个逆导型全控电力电子开关器件均包括一个续流二极管，每个续流二极管的阳极与对应逆导型全控电力电子开关器件的发射极相连，每个续流二极管的阴极与对应逆导型全控电力电子开关器件的集电极相连。结合上文的示例，换言之，例如，全控开关器件T₁、T₂、T₃₁、T₃₂也可采用逆导型全控电力电子开关器件，典型如绝缘门极双极型晶体管(IGBT)。每个逆导型全控电力电子开关器件内部包括一个续流二极管，续流二极管的阳极与全控开关器件的发射极相连，续流二极管的阴极与全控开关器件的集电极相连。具体地，基于逆导型全控电力电子开关器件的飞跨电容三电平单极电流模块的结构见图2(a)和图2(b)所示，其中T₁内部的续流二极管为D_1e、T₂内部的续流二极管为D_2e、T₃₁内部的续流二极管为D_31e，T₃₂内部的续流二极管为D_32e。

在本发明的一个实施例中，结合图1和图2所示，通过飞跨电容三电平单极电流模块的电流i_SM的方向始终从端口A流入，并从端口B流出。端口A与端口B之间存在飞跨电容三电平单极电流模块的端口电压u_SM，也就是说，端口A、B之间的电压差为飞跨电容三电平单极电流模块的端口电压u_SM。具体地，当T₁、T₂、T₃均关断时，飞跨电容三电平单极电流模块的端口电压u_SM近似等于2U_dc；当T₁、T₂、T₃均导通时，飞跨电容三电平单极电流模块的端口电压u_SM近似等于-2U_dc；当T₁导通且T₂、T₃关断，或T₂导通且T₁、T₃关断时，飞跨电容三电平单极电流模块的端口电压u_SM近似等于U_dc；当T₁关断且T₂、T₃导通，或T₂关断且T₁、T₃导通时，飞跨电容三电平单极电流模块的端口电压u_SM近似等于-U_dc；当T₁、T₂导通且T₃关断，或T₁、T₂关断且T₃导通时，飞跨电容三电平单极电流模块的端口电压u_SM近似等于0。

综上，本发明上述实施例的飞跨电容三电平单极电流模块，是一种只允许单一方向电流通过的单相飞跨电容三电平电压源模块，适于单电流方向应用场合。其与可通过双向电流的飞跨电容三电平电压源模块比较，所使用的全控开关器件可节省1/2；与全桥模块、单极电压模块和箝位双模块相比，当输出相同电平数目时，本发明采用的全控开关器件数目更少，是全桥模块的1/2，是单极电压模块和箝位双模块的2/3，成本相对更低，因此，本发明具有成本低的优点。另一方面，本发明可输出双极性三电平电压，与输出相同正负电平数目的两个对角桥模块相比，本发明采用的全控开关器件可以采用集成度更高的双管模块，更易于实现模块的集成化设计，结构更为紧凑，因此具有结构紧凑的优点。

根据本发明实施例的飞跨电容三电平单极电流模块，适于单电流方向应用场合，使用的全控开关器件数目较少，因此成本低；且所采用的全控开关器件可以采用集成度更高的双管模块，更易于实现模块的集成化设计，因此结构更为紧凑。

本发明的进一步实施例还提出了一种单极电流变流链。

具体地，本发明实施例的单极电流变流链包括一个或多个串联的飞跨电容三电平单极电流模块，该飞跨电容三电平单极电流模块例如为本发明上述实施例所描述的飞跨电容三电平单极电流模块。换言之，将一个或多个本发明上述实施例所描述的飞跨电容三电平单极电流模块相互串联，即可得到单极电流变流链。

以图6所示为例，是由2n(n为自然数且n≥1)个飞跨电容三电平单极电流模块串联构成的单极电流变流链10。其中包括n个如图1(a)所示的飞跨电容三电平单极电流I型模块和n个如图1(b)所示的飞跨电容三电平单极电流II型模块。其中第一个飞跨电容三电平单极电流I型模块的A端口作为变流链10的一个端点P，其B端口接入第一个飞跨电容三电平单极电流II型模块M₂的A端口，第一个飞跨电容三电平单极电流II型模块的B端口，接入第二个飞跨电容三电平单极电流I型模块的A端口，…，第k(k＝1,2，…，n-1)个飞跨电容三电平单极电流I型模块M_k的B端口接入第k个飞跨电容三电平单极电流II型模块的A端口，…，第n个飞跨电容三电平单极电流II型模块的B端口作为单极电流变流链10的另一个端点N；P与N之间的电压差为单极电流变流链10的端口电压U_SM。

在单极电流变流链10中，流经电流i_SM的方向始终从P端流向N端，其中流经第k个飞跨电容三电平单极电流模块的电流方向，始终从其A端口流入，从B端口流出。令第k个(k＝1,2，…，n-1)飞跨电容三电平单极电流模块的端口电压为u_SMk，如前所述，控制第k个飞跨电容三电平单极电流模块中全控开关器件T₁、T₂、T₃的关断和导通状态，可使得该模块的端口电压u_SMk近似等于±2U_dc、±U_dc、0共计五种电平；相应地，n个飞跨电容三电平单极电流模块中每个模块的端口电压均可得到上述五种电平；由于n个飞跨电容三电平单极电流模块相互串联，该变流链的端口电压U_SM为n个飞跨电容三电平单极电流模块端口电压之和，故该变流链10的端口电压U_SM能够形成近似±2n·U_dc、±(2n-1)·U_dc、±(2n-2)·U_dc、±3U_dc、±2U_dc、±U_dc、0，共4n+1个电平。

需要说明的是，本发明实施例的单极电流变流链的具体实现方式与本发明实施例的飞跨电容三电平单极电流模块的具体实现方式类似，具体请参见飞跨电容三电平单极电流模块部分的描述，为了减少冗余，此处不再赘述。

综上，根据本发明实施例的单极电流变流链，由一个或多个飞跨电容三电平单极电流模块串联构成，具有成本低、结构紧凑的优点。

本发明的进一步实施例还提出了一种模块化多电平变流器，包括本发明上述实施例所描述的单极电流变流链。

具体地说，基于前述的示例，作为中点箝位三电平单极电流模块和单极电流变流链10的一种应用实施例，由单极电流变流链10可进一步构成模块化多电平变流器。

如图7所示，模块化多电平变流器(30、40)通常由结构相同的三相A,B,C及直流侧正极DC+、直流侧负极DC-构成；每相均由上、下两个相同桥臂串联构成，每个桥臂均由1台滤波电抗器L与1个单极电流变流链10或1个中点箝位三电平单极电流模块相互串联构成；各相上桥臂正极端P+作为该相直流侧正极端，各相下桥臂负极端N-作为该相直流侧负极端；变流器各相的直流侧正极端共同连接形成变流器的直流侧正极DC+，变流器各相的直流侧负极端共同连接形成变流器的直流侧负极DC-；每相上桥臂负极端P-与下桥臂正极端N+的连接点分别为每相交流侧端Ac,Bc,Cc；Ac,Bc,Cc分别与交流电压每相线端Ag,Bg,Cg连接。

模块化多电平变流器30的每个桥臂电流i_SM的方向，与桥臂中的变流链10或单极电流模块的电流方向相同，始终从桥臂正极端P+流向桥臂负极端N-，变流器30的功率始终从直流侧流向交流侧；模块化多电平变流器40的每个桥臂电流i_SM的方向，与桥臂中的变流链10或单极电流模块的电流方向相反，始终从桥臂负极端N-流向桥臂正极端P+，40的功率始终从交流侧流向直流侧。

需要说明的是，模块化多电平变流器(30、40)亦可用结构相同的两相构建或一般而言可以多相构建。

综上，根据本发明实施例的模块化多电平变流器，由飞跨电容三电平单极电流模块构成，仅通过单极电流，当输出相同正电平数目时，所使用的全控开关器件与半桥模块相同，可提供与正电平数目相同的负电平，有助于改善变流器在低电压和低频运行下直流电压的性能，并增加了变流器的直流故障闭锁能力。

另外，根据本发明实施例的模块化多电平变流器的其它构成以及作用对于本领域的普通技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。