一种基于mmc电路拓扑的高压子模块的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于MMC电路拓扑的高压子模块，包括直流支撑电容器、功率开关器件和叠层母排；直流支撑电容器的引出端子包括两排端子，两排端子非对称布置在直流支撑电容器中外壳的出线处；功率开关器件包括安装在同一个散热器上的两个开关器件；叠层母排、引出端子和开关器件均布置在同一平面上。与现有技术相比，本发明提供的一种基于MMC电路拓扑的高压子模块，采用叠层母排连接方式，回路杂散电感小，冲击尖峰小，结构紧凑，高可靠性；电容器引出端子不对称，可有效减小外接叠层母排尺寸，实现低成本；开关器件安装在同一散热器上，且只有一进一出散热管路水接头，管路故障风险小。
【专利说明】
一种基于MMC电路拓扑的高压子模块
技术领域
[0001 ]本发明涉及MMC高压子模块结构设计技术领域，具体涉及一种基于MMC电路拓扑的高压子模块。
【背景技术】
[0002]模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter，MMC)在电力行业受到了越来越广泛的应用。MMC拓扑结构秉承了 H桥级联结构模块化的优点，通过功率单元的级联实现多电平输出，可采用单一交流电源或单一直流电源供电，且不需要多绕组变压器;通过调整子模块的串联个数可以适应电压及功率等级的变化，并且可以扩展到任意电平输出。其灵活性好;输出电平数多，输出电压非常平滑且接近理想正弦波形，可有效减小电磁干扰(EMI)和输出波形的总谐波畸变率(THD)，网侧不需要大容量交流滤波器;无需可关断器件串联，技术门槛较低;开关器件的开关频率低，开关损耗小，装置运行效率高;将能量分散存储于各子模块电容中，故障穿越能力强，可靠性高;在柔性直流输电中通过公共直流母线连接，有功功率和无功功率可以在三相间交换，并能够在三相不平衡情况下持续运行。
[0003]基于模块化多电平换流器极大的促进了高压直流输电技术的发展(MMC-HVDC)，近年来在柔性直流工程中得到了大量应用，充分展示了该类型拓扑的技术优点。MMC技术也可用于交流系统，可构成MMC-UPFC(统一潮流控制器)、MMC-SSSC(静止同步串联补偿器)、MMC-STATC0M(静止同步补偿器)等多种新型灵活交流输电(FACTS)装置，也可用于直流融冰、变频，是一种具有多种用途、应用前景广阔、应用市场潜力大的换流器拓扑结构。其中，MMC-HVDC的主电路拓扑如图7所示，MMC高压子模块电路拓扑如图8所示。
[0004]由该主电路拓扑图可知，换流器包含有6个桥臂，每个桥臂都由N个完全相同的子模块和I个换流电抗串联构成。对应的上、下桥臂组成一个相单元，3个完全相同的相单元并联连接公共直流端。通常两个MMC-HVDC结构的换流器直流侧背靠背方式连接。与系统串联应用，可改变系统的有功及无功潮流大小，在此过程中，需要与系统进行有功或无功交换；与系统并联应用，可向另一侧换流器提供有功功率，并维持直流侧电压恒定，同时，并联的换流器还可以和系统交换无功功率，维持系统节点电压恒定。
[0005]为了保证公共直流母线电压的稳定，每个相单元中处于投入状态的子模块数必须维持恒定。通过改变每相投入的m个子模块在该相上、下桥臂间的数量分配关系，可以得到m+1个电平的输出电压。
[0006]MMC高压子模块为换流器的关键部件，每个子模块主要由2个反并联的IGBT和续流二极管、I个直流电容构成半桥结构的换流单元，上管导通时子模块处于投入状态，下管导通时子模块处于切除(电子旁路)状态。通过状态的切换，可以实现对子模块输出电压的控制。直流母线并联有泄放电阻，实现子模块退出时直流电容电压的泄放。在子模块的输出端并联有单极快速机械开关，可以迅速将故障的子模块旁路退出。在子模块输出端还并联有单向晶闸管，在公共直流母线短路故障时可实现快速分流，最大限度地保障子模块的安全。
[0007]MMC-HVDC工程应用中，输电电压高、容量大、谐波含量低，因此高压子模块级联数量多。高压子模块能否安全、可靠的工作对于成套装置的正常运行起着决定性的作用，这就必须要良好的控制其开关器件的电气应力和散热。
[0008]高压子模块在正常运行过程中，主要应力有电压、电流、电压变化率、电流变化率、温度。其工作状态有截止、开通、导通、关断。当开关处于导通状态时，其上无电压应力，只有正向电流和反向电流通过。截止时，开关中无正向电流和反向电流通过，由于开关中反并联二极管具有单向导电性，因此开关截止时只承受正向电压。由于续流二极管上PN结反向恢复电荷的存在，续流二极管完全进入阻断状态之前会出现一个很大的反向恢复电压过冲和反向恢复电流。因此开关器件在开通时将会出现一明显的电流尖峰，但不会出现电压尖峰。开关器件集电极和发射极之间的端电压UCE和集电极电流iC如图9所示。
[0009]开关器件在关断时，电流的变化率作用在高压子模块主电路杂散电感上，会形成电压尖峰，这个电压尖峰和开关器件的电流变化率和回路杂散电感成正比例。开关器件在关断过程中的集电极和发射极之间的端电压uCE和集电极电流ic如图9所示。
[0010]由图9和图10可以看到开关过程中会引起较大的电气应力和损耗，严重时可能超出开关器件的电气应力，引起炸机的严重后果。虽然电压、电流过冲引起的di/dt、dv/dt可以通过调整门极驱动电路Vce进行改变，但这是以加大开关损耗为代价的。高压子模块中过高的di/dt、dv/dt与主电路的连接方式和杂散电感偏大有直接关系。
[0011 ]综上，需要提供一种能够良好控制了杂散参数，能有效减小开关过程中的过冲和损耗的MMC高压子模块结构。
【发明内容】
[0012]为了满足现有技术的需要，本发明提供了一种基于MMC电路拓扑的高压子模块。
[0013]本发明的技术方案是:
[0014]所述高压子模块包括直流支撑电容器、功率开关器件和叠层母排;所述直流支撑电容器通过该叠层母排与功率开关器件连接；
[0015]所述直流支撑电容器的引出端子包括两排端子，所述两排端子非对称布置在直流支撑电容器中外壳的出线处；
[0016]所述功率开关器件包括安装在同一个散热器上的两个开关器件；
[0017]所述叠层母排、所述引出端子和所述开关器件均布置在同一平面上。
[0018]本发明提供的一个优选实施例为:所述叠层母排包括叠层布置的直流正排、直流负排和交流排；
[0019]所述直流正排，用于连接所述直流支撑电容的正极与一个所述开关器件；
[0020]所述直流负排，用于连接所述直流支撑电容的负极与另一个所述开关器件，并作为所述高压子模块的一个交流端口；
[0021]所述交流排，用于两个所述开关器件相互连接，并作为所述高压子模块的另一个交流端口。
[0022]本发明提供的一个优选实施例为:
[0023]所述直流支撑电容的正极通过该直流正排与一个开关器件的集电极相连；
[0024]所述直流支撑电容的负极通过该直流负排与另一个开关器件的发射极相连；
[0025]所述一个开关器件的发射极与所述另一个开关器件的集电极通过该交流排相连。
[0026]本发明提供的一个优选实施例为:所述高压子模块包括控制单元;所述控制单元包括通信子单元和故障监测子单元；
[0027]所述通信单元，用于接收换流阀控制器下发的控制信号，并向其发送所述高压子模块的状态信息；
[0028]所述故障监测子单元，用于监测所述高压子模块是否发生过压、欠压和过温故障，并向所述换流阀控制器发送报警信号。
[0029]本发明提供的一个优选实施例为:所述高压子模块包括功率开关驱动器;所述功率开关驱动器包括驱动单元、短路保护单元、欠压保护单元和有源钳位保护电路；
[0030]所述驱动单元，用于驱动所述功率开关器件；
[0031]所述短路保护单元，用于在所述功率开关器件发生短路故障后的预置时间内对其进行短路保护；
[0032]所述欠压保护单元，用于所述功率开关驱动器在供电电源出现欠压时，对所述功率开关器件进行保护；
[0033]所述有源钳位保护电路，用于在所述功率开关器件中集电极与发射极之间的电压值超过钳位电压时对所述门极进行控制，以抑制所述集电极与发射极之间的电压值。
[0034]本发明提供的一个优选实施例为:所述散热器仅包括一对冷却介质管路。
[0035]本发明提供的一个优选实施例为:所述散热器采用铝镁合金散热器。
[0036]本发明提供的一个优选实施例为:所述叠层母排采用截面为一字型的叠层母排。
[0037]本发明提供的一个优选实施例为:所述叠层母排包括导电层和绝缘层;所述导电层的厚度为2mm。
[0038]本发明提供的一个优选实施例为:所述开关器件包括IGBT。
[0039]与最接近的现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0040]1、本发明提供的一种基于MMC电路拓扑的高压子模块，采用叠层母排连接方式，回路杂散电感小，冲击尖峰小，结构紧凑，高可靠性；
[0041]2、本发明提供的一种基于MMC电路拓扑的高压子模块，电容器引出端子不对称，可有效减小外接叠层母排尺寸，实现低成本；
[0042]3、本发明提供的一种基于MMC电路拓扑的高压子模块，开关器件安装在同一散热器上，且只有一进一出散热管路水接头，管路故障风险小；
[0043]4、本发明提供的一种基于MMC电路拓扑的高压子模块，安装占用空间小，组装、维护简单、方便。
【附图说明】
[0044]图1:本发明实施例中一种基于MMC电路拓扑的高压子模块结构示意图；
[0045]图2:本发明实施例中一种基于MMC电路拓扑的高压子模块主电路连接示意图；
[0046]图3:本发明实施例中直流支撑电容器俯视图；
[0047]图4:本发明实施例中直流支撑电容器侧视图；
[0048]图5:本发明实施例中功率开关器件布置不意图；
[0049]图6:本发明实施例中叠层母排结构示意图；
[0050]图7:MMC-HVDC主电路拓扑图；[0051 ] 图8:MMC高压子模块电路拓扑图；
[0052 ]图9:开关器件开通波形图；
[0053]图10:开关器件关断波形图；
[0054]其中，1:直流支撑电容器；11:电容器正极端子；12:电容器负极端子；2:散热器；21:散热器入水管；22:散热器出水管；3:下管IGBT; 31:下管IGBT的集电极;32:下管IGBT的发射极;33:下管IGBT的驱动器;4:交流排;5:直流负排;6:直流正排;7:上管IGBT; 71:上管IGBT的集电极;72:上管IGBT的发射极;73:上管IGBT的驱动器;8:叠层母排。
【具体实施方式】
[0055]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，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作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。
[0056]下面分别结合附图，对本发明实施例提供的一种基于MMC电路拓扑的高压子模块进行说明。
[0057]图1为本发明实施例中一种基于MMC电路拓扑的高压子模块结构示意图，如图所示，本实施例中高压子模块包括直流支撑电容器1、功率开关器件和叠层母排8，直流支撑电容器I通过该叠层母排8与功率开关器件连接。其中，
[0058]直流支撑电容器I的引出端子包括两排端子，两排端子非对称布置在直流支撑电容器I中外壳的出线处。
[0059]功率开关器件包括安装在同一个散热器上的两个开关器件。本实施例中开关器件包括IGBT，散热器2仅包括一对冷却介质管路，避免了开关器件分别安装在各自的散热器上时，冷却介质管路的外接头数量多的缺陷，使得漏水的风险降低了一半。如图1所示，将设置在散热器2左侧的定义为下管IGBT3，设置其右侧的定义为上管IGBT7。
[0060]叠层母排8、引出端子和功率开关器件均布置在同一平面上，避免电容器I和功率开关器件连接铜排采用折弯方式引起的连接电感增大而造成电压尖峰和损耗加大，为使用叠层母排8创造条件，并可以使叠层母排8小型化，降低母安排成本。
[0061]图2为本发明实施例中一种基于MMC电路拓扑的高压子模块主电路连接示意图，如图所示，本实施例中直流支撑电容器I与功率开关器件的具体连接关系为:
[0062]直流支撑电容I的正极端子11通过该直流正排6与一个功率开关器件的集电极相连，直流支撑电容I的负极端子12通过该直流负排5与另一个功率开关器件的发射极相连，一个功率开关器件的发射极与另一个功率开关器件的集电极通过该交流排4相连。如图所示，本实施例中正极端子11通过直流正排6与下管IGBT集电极31连接，负极端子12通过直流负排5与上管IGBT集电极71连接，下管IGBT发射极32通过交流排4与上管IGBT发射极72连接。
[0063]图3为本发明实施例中直流支撑电容器的俯视图，图4为本发明实施例中直流支撑电容器的侧视图，如图所示，本实施例中直流支撑电容器I中引出端子的两排端子采用非对称的布置在电容器外壳的出线位置，便于与叠层母排8连接。其中引出端子包括正极端子11和负极端子12。
[0064]图5为本发明实施例中开关器件布置示意图，如图所示，本实施例中两个功率开关器件安装在同一个散热器2上，避免了功率开关器件分别安装在各自的散热器上时，冷却介质管路的外接头数量多的缺陷，使得漏水的风险降低了一半，提高了高压子模块的可靠性，同时避免了因功率开关器件分别安装在各自的散热器上，无法利用叠层母排8来减小杂散电感和降低损耗的技术问题。本实施例中散热器2采用铝镁合金制成的散热器。
[0065]图6为本发明实施例中叠层母排的结构示意图，如图所示，本实施例中叠层母排8采用截面为一字型的叠层母排，包括叠层布置的直流正排6、直流负排5和交流排4。其中，
[0066]直流正排6，用于连接直流支撑电容I的正极与一个功率开关器件。
[0067]直流负排5，用于连接直流支撑电容I的负极与另一个功率开关器件，并作为高压子模块的一个交流端口。
[0068]交流排4，用于两个功率开关器件相互连接，并作为高压子模块的另一个交流端
□ O
[0069]同时，本实施例中叠层母排8由导电层和绝缘层组成，其导电层采用紫铜T2材质，各导电层厚度为2mm，各导电层间耐压AC7000Vrsm，局放起始电压AC3000Vrsm测试小于15pc。
[0070]本实施例中叠层母排8具有高可靠性和高安全性、结构简洁紧凑、低阻抗和功率损耗小、发热量小、易散热，可利用较小空间实现大电流、高电压元器件之间的连接。由于其正负母排电流方向相反，可实现紧密耦合，通过相互间的互感可消除杂散电感量，可以有效的减小开关器件的过冲尖峰，对高压子模块的安全可靠工作和降低损耗有积极的意义。
[0071 ]本发明提供的一种基于MMC电路拓扑的高压子模块还包括控制单元和功率开关驱动器。其中，
[0072]1、控制单元
[0073]本实施例中控制单元包括通信子单元和故障监测子单元:
[0074]通信单元，用于与换流阀的控制器进行通讯，接收换流阀下发的控制信号，并向其发送高压子模块的状态信息。本实施例中状态信息可以包括高压子模块的温度信息或者电压信息或者电流信息。
[0075]故障监测子单元，用于监测高压子模块是否发生过压、欠压和过温故障，当发生故障时向换流阀控制器发送报警信号。
[0076]2、功率开关驱动器
[0077]本实施例中功率开关驱动器包括驱动单元、短路保护单元和有源钳位保护电路:
[0078]驱动单元，用于驱动功率开关器件。即本实施例中控制单元接收换流阀下发的控制信号后对其进行解析，得到功率开关器件的驱动信号。驱动单元依据该驱动信号对功率开关器件进行驱动。
[0079]短路保护单元，用于在功率开关器件发生短路故障后的预置时间内对其进行短路保护。例如预置时间可以为10uS，则发生故障后的1uS内短路保护单元动作对功率开关器件进行短路保护。
[0080]欠压保护单元，用于功率开关驱动器在供电电源出现欠压时，对功率开关器件进行保护。例如功率开关驱动器在供电电源由15V下降到12V时，对功率开关器件进行保护；
[0081]有源钳位保护电路，用于在功率开关器件中集电极与发射极之间的电压值超过钳位电压时对门极进行控制，以抑制集电极与发射极之间的电压值。
[0082]本发明实施例中一种基于MMC电路拓扑的高压子模块，采用叠层母排8连接方式，回路杂散电感小，冲击尖峰小，结构紧凑，高可靠性;电容器引出端子不对称，可有效减小外接叠层母排尺寸，实现低成本;开关器件安装在同一散热器上，且只有一进一出散热管路水接头，管路故障风险小;安装占用空间小，组装、维护简单、方便。
[0083]显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
【主权项】
1.一种基于MMC电路拓扑的高压子模块，其特征在于，所述高压子模块包括直流支撑电容器、功率开关器件和叠层母排;所述直流支撑电容器通过该叠层母排与功率开关器件连接； 所述直流支撑电容器的引出端子包括两排端子，所述两排端子非对称布置在直流支撑电容器中外壳的出线处； 所述功率开关器件包括安装在同一个散热器上的两个开关器件； 所述叠层母排、所述引出端子和所述开关器件均布置在同一平面上。2.如权利要求1所述的一种基于MMC电路拓扑的高压子模块，其特征在于，所述叠层母排包括叠层布置的直流正排、直流负排和交流排； 所述直流正排，用于连接所述直流支撑电容的正极与一个所述开关器件； 所述直流负排，用于连接所述直流支撑电容的负极与另一个所述开关器件，并作为所述高压子模块的一个交流端口； 所述交流排，用于两个所述开关器件相互连接，并作为所述高压子模块的另一个交流端口。3.如权利要求2所述的一种基于MMC电路拓扑的高压子模块，其特征在于， 所述直流支撑电容的正极通过该直流正排与一个开关器件的集电极相连； 所述直流支撑电容的负极通过该直流负排与另一个开关器件的发射极相连； 所述一个开关器件的发射极与所述另一个开关器件的集电极通过该交流排相连。4.如权利要求1所述的一种基于MMC电路拓扑的高压子模块，其特征在于，所述高压子模块包括控制单元;所述控制单元包括通信子单元和故障监测子单元； 所述通信单元，用于接收换流阀控制器下发的控制信号，并向其发送所述高压子模块的状态信息； 所述故障监测子单元，用于监测所述高压子模块是否发生过压、欠压和过温故障，并向所述换流阀控制器发送报警信号。5.如权利要求1所述的一种基于MMC电路拓扑的高压子模块，其特征在于，所述高压子模块包括功率开关驱动器;所述功率开关驱动器包括驱动单元、短路保护单元、欠压保护单元和有源钳位保护电路； 所述驱动单元，用于驱动所述功率开关器件； 所述短路保护单元，用于在所述功率开关器件发生短路故障后的预置时间内对其进行短路保护； 所述欠压保护单元，用于所述功率开关驱动器在供电电源出现欠压时，对所述功率开关器件进行保护； 所述有源钳位保护电路，用于在所述功率开关器件中集电极与发射极之间的电压值超过钳位电压时对所述门极进行控制，以抑制所述集电极与发射极之间的电压值。6.如权利要求1所述的一种基于MMC电路拓扑的高压子模块，其特征在于，所述散热器仅包括一对冷却介质管路。7.如权利要求1所述的一种基于MMC电路拓扑的高压子模块，其特征在于，所述散热器采用铝镁合金散热器。8.如权利要求1所述的一种基于MMC电路拓扑的高压子模块，其特征在于，所述叠层母排采用截面为一字型的叠层母排。9.如权利要求1所述的一种基于MMC电路拓扑的高压子模块，其特征在于，所述叠层母排包括导电层和绝缘层;所述导电层的厚度为2mm。10.如权利要求1所述的一种基于MMC电路拓扑的高压子模块，其特征在于，所述开关器件包括IGBT。
【文档编号】H02H7/12GK105958806SQ201610377940
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月31日
【发明人】韩天绪, 王承明, 燕瀈, 常忠
【申请人】中电普瑞科技有限公司, 南京南瑞集团公司, 国家电网公司