一种单向电流型模块化多电平换流器的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种单向电流型模块化多电平换流器，属于电力电子功率变换领域。该换流器的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，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，其特征在于，所述的子模块采用单向电流型子模块。本实用新型的子模块具有正、0、负三种电压输出状态，因此具有清除直流侧暂时性短路故障的能力和从正额定值至负额定值的直流电压输出能力，可以以更低成本实现基于架空线的柔性直流输电系统和实现常规?柔性混合直流系统的功率双向传输能力。
【专利说明】
一种单向电流型模块化多电平换流器
技术领域
[0001] 本实用新型属于电力电子功率变换领域，特别涉及一种单向电流型模块化多电平 换流器。
【背景技术】
[0002] 柔性直流输电已经成为目前最有潜质的新型电力传输方式。由于模块化多电平换 流器具有公共直流端，且有易拓展、有功无功可解耦控制、谐波特性优秀、开关器件损耗小 等特点，十分适用于柔性直流输电系统。目前模块化多电平换流器根据所用的子模块类型 主要可以分为半桥型、全桥型、半桥-全桥混合型和若干种箝位型几类。在不同类型的模块 化多电平换流器中，半桥型模块化多电平换流器具有最低的成本，每个子模块仅需要两个 开关管和两个二极管，但半桥型模块化多电平换流器的直流电压输出范围较窄，并且不具 有清除直流侧暂时性短路故障的能力。全桥型模块化多电平换流器具有从正额定值至负额 定值的直流电压输出范围，也可以清除直流侧暂时性短路故障，但所需的开关管和二极管 数目两倍于半桥型模块化多电平换流器;即使是半桥-全桥混合型模块化多电平换流器，所 需的开关管和二极管数目仍然1.5倍于半桥型模块化多电平换流器。各种箝位型模块化多 电平换流器的设计目标一般均为在增加较少的开关管的条件下实现清除直流侧暂时性短 路故障的能力，但仍然需要增加开关管，一般所需的开关管数目至少1.25倍于半桥型模块 化多电平换流器，仍然会带来明显的成本增加。 【实用新型内容】
[0003] 本实用新型的目的是针对现有的全桥和箝位型模块化多电平换流器成本高、半桥 型模块化多电平换流器不具备直流侧故障清除能力的缺点，提出一种单向电流型模块化多 电平换流器，采用输出电流单向、输出电压双向的子模块结构，使得换流器在保持与半桥型 换流器相似的成本下，获得直流侧暂时性短路故障清除能力和从正额定值至负额定值的直 流电压输出能力。
[0004] 本实用新型提出的一种单向电流型模块化多电平换流器，换流器的每一相包括上 桥臂和下桥臂，每个桥臂分别由N个相同的单向电流型子模块级联构成，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，电感中点成为该相的交流母线，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，其 特征在于，所述的上桥臂和下桥臂分别由N个单向电流型子模块依次顺序级联而成，所述的 单向电流型子模块由第一开关、第二开关、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极 管、直流电容组成;所述的第一开关的集电极、第一二极管的阴极、第三二极管的阳极相互 连接后构成单向电流型子模块的第一端子;所述的第一开关的发射极、第一二极管的阳极、 第四二极管的阳极和直流电容的负极相互连接;所述的第二开关的集电极、第二二极管的 阴极、第三二极管的阴极和直流电容的正极相互连接;所述的第二开关的发射极、第二二极 管的阳极和第四二极管的阴极相互连接构成单向电流型子模块的第二端子。
[0005] 为了达到上述目的，本实用新型的技术方案是：
[0006] -种单向电流型模块化多电平换流器，换流器的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，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，电感中点成为该相的交流母线，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，其特征在于所述的上桥臂和下 桥臂分别由N个单向电流型子模块依次顺序级联而成，N为任意不小于1的整数。
[0007] 所述的单向电流型子模块由第一开关、第二开关、第一二极管、第二二极管、第三 二极管、第四二极管、直流电容组成;所述的第一开关的集电极、第一二极管的阴极、第三二 极管的阳极相互连接后构成单向电流型子模块的第一端子;所述的第一开关的发射极、第 一二极管的阳极、第四二极管的阳极和直流电容的负极相互连接;所述的第二开关的集电 极、第二二极管的阴极、第三二极管的阴极和直流电容的正极相互连接;所述的第二开关的 发射极、第二二极管的阳极和第四二极管的阴极相互连接构成单向电流型子模块的第二端 子。
[0008] 本实用新型的有益效果为:本实用新型提出的单向电流型模块化多电平换流器， 可以在相对于半桥型换流器不增加开关管、每个子模块仅增加两个仅用于不控充电阶段的 小容量二极管的前提下，获得清除直流侧暂时性短路故障的能力和从正额定值至负额定值 的直流电压输出能力，可以以更低成本实现基于架空线的柔性直流输电系统和实现常规-柔性混合直流系统的功率双向传输能力。
【附图说明】
[0009] 图1是本实用新型提出的单向电流型模块化多电平换流器的结构示意图。
[0010] 图2是本实用新型的单向电流型子模块的结构示意图。
[0011] 图3、图4、图5和图6是本实用新型的单向电流型子模块的四种电压输出状态的示 意图。
【具体实施方式】
[0012] 本实用新型提出的单向电流型模块化多电平换流器，其结构如图1所示，换流器的 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，每相的上桥臂下 端和下桥臂上端各通过一个电感L连接在一起，每相的两个电感L的连接点为该相的交流母 线八〇]^(^^01，所有相的上桥臂上端连接在一起成为直流正母线00+，所有相的下桥臂下 端连接在一起成为直流负母线DC-，其特征在于，所述的上桥臂和下桥臂分别由N个子模块 为N个单向电流型子模块级联构成，N可以取值为任意不小于1的整数;具体可以由换流器桥 臂额定输出电压与子模块额定电压的比值关系确定。例如，如果桥臂额定电压为U arm，子模 块电压为Usm，N的取值可以为：
[0014] 其中INTO为取整函数。
[0015]所述的单向电流型子模块结构如图2所示，由第一开关S1、第二开关S2、第一二极 管Dl、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、直流电容C组成;所述的第一开关S1的 集电极、第一二极管Dl的阴极、第三二极管D3的阳极相互连接后构成单向电流型子模块的 第一端子Tl;所述的第一开关Sl的发射极、第一二极管Dl的阳极、第四二极管D4的阳极和直 流电容C的负极相互连接;所述的第二开关S2的集电极、第二二极管D2的阴极、第三二极管 D3的阴极和直流电容C的正极相互连接;所述的第二开关S2的发射极、第二二极管D2的阳极 和第四二极管D4的阴极相互连接构成单向电流型子模块的第二端子T2。
[0016] 以下结合附图，详细介绍本实用新型的工作原理和工作过程：
[0017] 通过选择合适的换流器额定交流端口线电压和合适的桥臂环流使得换流器运行 状态下桥臂电流总是从各子模块的第一端子Tl端口流入、第二端子T2端口流出。例如对于 额定直流端口电压为Ud。、额定有功功率为P、额定容量为S的换流器，换流器额定交流端口线 电压U a。需要满足：
[0019]设换流器直流端口电流为id。、三相交流电流分别为iu、iv、i w，电流正方向如图1所 示，设：
[0021]则三相桥臂的环流可以设置为：
[0023] 在换流器的桥臂电流控制中，将上述iuc、ivc、iwc分别作为三相桥臂的环流参考值， 环流电流正方向均为从正极母线流向负极母线。
[0024] 在满足上述换流器额定交流端口线电压和合适的桥臂环流的情况下，换流器运行 状态下桥臂电流总是从各子模块的第一端子Tl端口流入、第二端子T2端口流出。设子模块 内直流电容上的直流电压为E，对于电流总是从各子模块的第一端子Tl端口流入、第二端子 T2端口流出的情况，子模块的控制方式和电压输出状态如下：
[0025] 1)当开关Sl关断、S2关断，如图3所示，子模块端口 Tl与T2间的电压为E;
[0026] 2)当开关Sl导通、S2关断，如图4所示，子模块端口 Tl与T2间的电压为0;
[0027] 3)当开关Sl关断、S2导通，如图5所示，子模块端口 Tl与T2间的电压为0;
[0028] 4)当开关Sl导通、S2导通，如图6所示，子模块端口 Tl与T2间的电压为-E;
[0029]如上所述，子模块的端口可以输出Ε、0、-Ε三种电压状态。
[0030]对于将N个所述子模块端口的Tl和T2端子依次级联构成的一个桥臂，桥臂的电压 状态就可以在NXE、"UhCK-E…-NXE之间变化。
[0031]本实用新型的一个实施例中，如图1所示，模块化多电平换流器包括U、V和W三相， 每相由两个桥臂和两个电感构成，上桥臂下端和下桥臂上端各通过一个电感连接在一起， 电感中点为此相交流出线，上桥臂上端为直流正出线，下桥臂下端为直流负出线。通过控制 各桥臂的子模块端口的输出电压状态，可以分别控制交流出线电压和直流出线电压。换流 器的额定直流电压为160kV，额定有功功率为IOOMff，额定容量为111. 8MVA，则换流器的额定 交流线电压选择为146kV，额定桥臂电压选择为234kV，额定桥臂电流有效值为318.4A。考虑 单个子模块额定电压为1.8kV，则每个桥臂包含130个子模块。子模块中SI、S2、D3、D4需要选 择容量与子模块容量相当的器件，例如对于本实施例1.8kV/318.4A的子模块考虑安全裕度 后选择额定电压电流为3300V/600A的开关器件。根据图1可以看出，换流器运行状态下桥臂 电流总是从各子模块的第一端子Tl端口流入、第二端子T2端口流出，因此在换流器运行状 态下桥臂电流并不会流过二极管Dl和D2,因此二极管D1、D2并不需要承受运行状态下的桥 臂电流，二极管D1、D2的额定电流则可以只根据启动过程中不控整流充电阶段的电流选择。 例如启动过程中不控整流充电电流最大值为30A，则Dl、D2可以选择额定电压电流为3300V/ 60A的器件。
[0032]由于本实用新型的换流器的子模块具有正、0、负三种电压输出状态，因此本实用 新型的换流器具有清除直流侧暂时性短路故障的能力和从正额定值至负额定值的直流电 压输出能力，同时相对于半桥型换流器不增加开关管、每个子模块仅增加两个仅用于不控 充电阶段的小容量二极管，可以以更低成本实现基于架空线的柔性直流输电系统和实现常 规-柔性混合直流系统的功率双向传输能力。
【主权项】
1. 一种单向电流型模块化多电平换流器，该换流器的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，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，其特征在于，所述的子模块采 用单向电流型子模块，N为任意不小于1的整数； 所述的单向电流型子模块由第一开关、第二开关、第一二极管、第二二极管、第三二极 管、第四二极管、直流电容组成;所述的第一开关的集电极、第一二极管的阴极、第三二极管 的阳极相互连接后构成单向电流型子模块的第一端子;所述的第一开关的发射极、第一二 极管的阳极、第四二极管的阳极和直流电容的负极相互连接;所述的第二开关的集电极、第 二二极管的阴极、第三二极管的阴极和直流电容的正极相互连接;所述的第二开关的发射 极、第二二极管的阳极和第四二极管的阴极相互连接构成单向电流型子模块的第二端子。
【文档编号】H02M7/483GK205490217SQ201620133368
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年2月22日
【发明人】杨文博, 宋强, 刘文华
【申请人】清华大学