一种单向电流型模块化多电平换流器的制作方法

本发明涉及直流输电
技术领域：
，具体为一种单向电流型模块化多电平换流器。
背景技术：
：柔性直流输电技术是一种基于电压源换流器的新型的高压直流输电技术，是通过控制电压源换流器中全控型电力电子器件的开通和关断，改变输出电压的相角和幅值，可实现对交流侧有功功率和无功功率的控制，达到功率输送和稳定电网等目的。具有扩展性好、谐波畸变率小、开关频率低、开关损耗小、模块化结构易于封装等优点。可使当前交直流输电技术面临的诸多问题迎刃而解，为输电方式变革和构建未来电网提供了一个崭新的解决方案。而目前影响柔性直流输电发展的一个重要因素是其成本及系统损耗，目前柔性直流输电技术多采用基于半桥子模块的模块化多电平换流器技术，具有双向传输功率的能力。但在很多输电场合，直流电流仅需单向流动，为了适应单向功率传输的场合，现有技术中针对单向功率传输采用的模块化多电平换流器的拓扑结构，如图1和图2所示：图1为现有技术中单向整流型全桥子模块拓扑，主要由2个igbt、2个二极管与一个直流电容组成，全控型电力电子器件t1、t2均导通时，子模块输出电压为vc；t1、t2均关断时，子模块输出电压为‐vc；t1导通、t2关断或t1关断、t2导通时，子模块输出电压为0。其输出状态如表1所示：表1单向整流型全桥子模块开通状态图2为现有技术中单向逆变型全桥子模块拓扑，结构与单向整流型全桥子模块较为相似，也是由2个igbt、2个二极管与一个直流电容组成，只是每个桥臂的全控型电力电子器件和二极管位置相互进行了调换。全控型电力电子器件t1、t2均关断时，子模块输出电压为vc；t1、t2均导通时，子模块输出电压为‐vc；t2导通、t1关断或t2关断、t1导通时，子模块输出电压为0。表2单向逆变型全桥子模块开通状态虽然现有技术已经有相关的拓扑结构可满足直流电流单向传输的需求，但是系统成本及损耗仍然需要进一步降低及优化，所以不断探索和研究新的拓扑结构是解决目前所存在问题的关键。技术实现要素：针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种单向电流型模块化多电平换流器，该换流器中的系统子模块采用单向电流型的拓扑结构，该拓扑结构相对现有技术，减小了电力电子开关管和二极管数量，大大的降低了换流器的成本及系统损耗，有效的提升了系统效率及可靠性。为了达到上述目的，本发明采用以下方案：一种单向电流型模块化多电平换流器，采用三相全桥的拓扑结构，每一相包括上桥臂和下桥臂，每个桥臂分别由n个相同的子模块级联构成，n为任意不小于1的整数，每相的上桥臂下端和下桥臂上端各通过一个电感连接在一起，两电感连接点为该相的交流母线，所有相的上桥臂上端连接在一起成为直流正母线，所有相的下桥臂下端连接在一起成为直流负母线，上桥臂和下桥臂中级联的子模块采用单向电流型子模块；所述单向电流型子模块包括3个全控型电力电子器件t1、t2、t3，3个二极管d1、d2、d3和2个直流电容c1、c2；第一全控型电力电子器件t1的集电极或发射极与第一二极管d1的相串接后与第一直流电容c1相并联，第一全控型电力电子器件t1与第一二极管d1串联接点为单向电流型子模块的正输出端；相应的第三全控型电力电子器件t3的发射极或集电极与第三二极管d3的相串接后与第二直流电容c2相并联，第三全控型电力电子器件t3的发射极与第三二极管d3串联接点为单向电流型子模块的负输出端；第一直流电容c1与第二直流电容c2一正负极分别与第二全控型电力电子器件t2的集电极及发射极连接，第一直流电容c1与第二直流电容c2另一正负极之间连接第二二极管d2。优选的，所述第一全控型电力电子器件t1的集电极与第一二极管d1的阳极相串接，且串联接点为单向电流型子模块的正输出端，所述第一直流电容c1与相串联的第一全控型电力电子器件t1和第一二极管d1相并联，其第一直流电容c1的正极与第一二极管d1的阳极相连接，第一直流电容c1的负极与第一全控型电力电子器件t1的发射极相连接；所述第三全控型电力电子器件t3的发射极与第三二极管d3的阴极相串接，且串联接点为单向电流型子模块的负输出端，所述第二直流电容c2与相串联的第三全控型电力电子器件t3和第三二极管d3相并联，其第二直流电容c2的负极与第三二极管d3的阳极相连接，第二直流电容c2的正极与第三全控型电力电子器件t3的集电极相连接；第二二极管d2的阳极与阴极分别与第一直流电容c1的负极以及第二直流电容c2的正极相联接，第二全控型电力电子器件t2的集电极以及发射极分别于第一直流电容c1的正极以及第二直流电容c2的负极相联接；优选的，所述第一全控型电力电子器件t1的发射极与第一二极管d1的阴极相串接，且串联接点为单向电流型子模块的正输出端，所述第一直流电容c1与相串联的第一全控型电力电子器件t1和第一二极管d1相并联，其第一直流电容c1的负极与第一二极管d1的阳极相连接，第一直流电容c1的正极与第一全控型电力电子器件t1的集电极相连接；所述第三全控型电力电子器件t3的集电极与第三二极管d3的阳极相串接，且串联接点为单向电流型子模块的负输出端，所述第二直流电容c2与相串联的第三全控型电力电子器件t3和第三二极管d3相并联，其第二直流电容c2的正极与第三二极管d3的阴极相连接，第二直流电容c2的负极与第三全控型电力电子器件t3的发射极相连接；第二全控型电力电子器件t2的发射极以及集电极分别于第一直流电容c1的负极以及第二直流电容c2的正极相联接，第二二极管d2的阴极与阳极分别与第一直流电容c1的正极以及第二直流电容c2的负极相联接。本发明具有以下有益的技术优势：本发明与现有技术相比，在成本上更具有优势，从实现相同电平数的情况下，现有技术采用的一个全桥子模块可以输出一个电平，而本发明提出的子模块可以输出两个电平，等效为两个单向的全桥子模块，而要达到本发明同样的技术效果，现有技术需要两个单向全桥子模块才能实现，那么总共需要4个全控型电力电子器件、4个二极管和2个直流电容，而本发明只需要3个全控型电力电子器件、3个二极管和2个直流电容，所以比现有技术所使用的器件更少，对于可靠性上也有一定程度的提升，也节省了成本。本发明应用于单向电流型模块化多电平换流器中，具有阻断直流故障电流功能的子模块拓扑结构，适用于桥臂电流单向的应用场合。该新型拓扑结构通过对电子器件合理的设计，在满足同样需求的情况下，减小了系统中电力电子开关管和二极管数量，所以该新型拓扑结构可大大的降低系统成本、减少系统损耗、提升系统的可靠性。附图说明图1为现有技术中单向整流型全桥子模块拓扑图2为现有技术中单向逆变型全桥子模块拓扑图3为本发明的系统框图图4为新型逆变型单向级联型子模块拓扑图5为新型整流型单向级联型子模块拓扑图6为新型逆变型单向交错级联子模块拓扑图7为新型整流型单向交错级联子模块拓扑具体实施方式下面将结合实施例对本发明技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都应属于本发明保护的范围。参考图3所示，本发明的单向电流型模块化多电平换流器采用三相全桥的拓扑结构，每一相包括上桥臂和下桥臂，每个桥臂分别由n个相同的子模块级联构成，n为任意不小于1的整数，每相的上桥臂下端和下桥臂上端各通过一个电感连接在一起，两电感连接点为该相的交流母线，所有相的上桥臂上端连接在一起成为直流正母线，所有相的下桥臂下端连接在一起成为直流负母线，所述上桥臂和下桥臂中级联的子模均块采用单向电流型子模块。单向电流型子模块的适用条件是必须满足桥臂电流是单向的，在不考虑环流的情况下，需满足下式：其中uac为交流线电压有效值，s为视在功率，udc为直流电压，p为有功功率。图4为逆变型单向级联型子模块拓扑，包括3个全控型电力电子器件t1、t2、t3、3个二极管d1、d2、d3和2个直流电容c1、c2；第一全控型电力电子器件t1的集电极与第一二极管d1的阳极相串接，且串联接点为单向电流型子模块的正输出端，所述第一直流电容c1与相串联的第一全控型电力电子器件t1和第一二极管d1相并联，其第一直流电容c1的正极与第一二极管d1的阳极相连接，第一直流电容c1的负极与第一全控型电力电子器件t1的发射极相连接，所述第三全控型电力电子器件t3的发射极与第三二极管d3的阴极相串接，且串联接点为单向电流型子模块的负输出端。第二直流电容c2与相串联的第三全控型电力电子器件t3和第三二极管d3相并联，其第二直流电容c2的负极与第三二极管d3的阳极相连接，第二直流电容c2的正极与第三全控型电力电子器件t3的集电极相连接，第二二极管d2的阳极与阴极分别与第一直流电容c1的负极以及第二直流电容c2的正极相联接；第二全控型电力电子器件t2的集电极以及发射极分别于第一直流电容c1的正极以及第二直流电容c2的负极相联接。单向电流型子模块输出电平与各全控型电力电子器件开关状态如表3所示。表3单向逆变型级联子模块工作状态t1t2t3输出电平0002vc001vc1010011-vc111-2vc图5为整流型单向级联型子模块拓扑，包括3个全控型电力电子器件t1、t2、t3、3个二极管d1、d2、d3和2个直流电容c1、c2；第一全控型电力电子器件t1的发射极与第一二极管d1的阴极相串接，且串联接点为单向电流型子模块的正输出端，所述第一直流电容c1与相串联的第一全控型电力电子器件t1和第一二极管d1相并联，其第一直流电容c1的负极与第一二极管d1的阳极相连接，第一直流电容c1的正极与第一全控型电力电子器件t1的集电极相连接。第三全控型电力电子器件t3的集电极与第三二极管d3的阳极相串接，且串联接点为单向电流型子模块的负输出端，所述第二直流电容c2与相串联的第三全控型电力电子器件t3和第三二极管d3相并联，其第二直流电容c2的正极与第三二极管d3的阴极相连接，第二直流电容c2的负极与第三全控型电力电子器件t3的发射极相连接。第二全控型电力电子器件t2的发射极以及集电极分别于第一直流电容c1的负极以及第二直流电容c2的正极相联接，第二二极管d2的阴极与阳极分别与第一直流电容c1的正极以及第二直流电容c2的负极相联接。所述单向整流型级联子模块的输出电平与各全控型电力电子器件开关状态如表4所示。表4单向整流型级联子模块工作状态t1t2t3输出电平0002vc010vc1010001-vc000-2vc图6为逆变型单向交错级联子模块拓扑，包括3个全控型电力电子器件t1、t2、t3、3个二极管d1、d2、d3和2个直流电容c1、c2；第一二极管d1的阳极与第一全控型电力电子器件t1的集电极与相串接，且串联接点为单向电流型子模块的正输出端，所述第一直流电容c1与相串联的第一二极管d1和第一全控型电力电子器件t1相并联，其第一直流电容c1的正极与第一二极管d1的阴极相连接，第一直流电容c1的负极与第一全控型电力电子器件t1的发射极相连接。第三全控型电力电子器件t3的发射极与第三二极管d3的阴极相串接，且串联接点为单向电流型子模块的负输出端，所述第二直流电容c2与相串联的第三全控型电力电子器件t3和第三二极管d3相并联，其第二直流电容c2的正极与第三全控型电力电子器件t3的集电极相连接，第二直流电容c2的负极与第三二极管d3的阳极相连接，第二二极管d2的阳极与阴极分别与第一直流电容c1的负极以及第二直流电容c2的正极相联接。第二全控型电力电子器件t2的集电极以及发射极分别于第一直流电容c1的正极以及第二直流电容c2的负极相联接。所述单向逆变型交错级联子模块的输出电平与各全控型电力电子器件开关状态如表5所示。表5单向逆变型交错级联子模块工作状态t1t2t3输出电平0002vc001vc1010011-vc111-2vc图7为整流型单向交错级联子模块拓扑，包括3个全控型电力电子器件t1、t2、t3、3个二极管d1、d2、d3和2个直流电容c1、c2。所述第一全控型电力电子器件t1的发射极与第一二极管d1的阴极相串接，且串联接点为单向电流型子模块的正输出端，所述第一直流电容c1与相串联的第一全控型电力电子器件t1和第一二极管d1相并联，其第一直流电容c1的正极与第一全控型电力电子器件t1的集电极相连接，第一直流电容c1的负极与第一二极管d1的阳极相连接。第三二极管d3的阳极与第三全控型电力电子器件t3的集电极相串接，且串联接点为单向电流型子模块的负输出端，所述第二直流电容c2与相串联的第三全控型电力电子器件t3和第三二极管d3相并联，其第二直流电容c2的正极与第三二极管d3的阴极相连接，第二直流电容c2的负极与第三全控型电力电子器件t3的发射极相连接第二全控型电力电子器件t2的发射极以及集电极分别于第一直流电容c1的负极以及第二直流电容c2的正极相联接，第二二极管d2的阴极与阳极分别与第一直流电容c1的正极以及第二直流电容c2的负极相联接。所述单向整流型交错级联子模块的输出电平与各全控型电力电子器件开关状态如表6所示。表6单向整流型交错级联子模块工作状态t1t2t3输出电平0002vc010vc1010001-vc000-2vc以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属
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的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。当前第1页12