一种模块化多电平换流器及其换流阀模块单元的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种换流阀模块单元，包括至少一个直流支撑电容、均压电阻、四个功率半导体开关模块、旁路开关和二次控制保护单元，其中，均压电阻与所有直流支撑电容相互并联；第一、二功率半导体开关模块顺序串联，再与直流支撑电容并联；第三、四功率半导体开关模块顺序串联再与直流支撑电容并联；所述旁路开关与第二功率半导体开关模块并联；所述换流阀模块单元还包括功率二极管，所述功率二极管的阳极连接第二功率半导体开关模块的负端，阴极连接第一功率半导体开关模块的负端。此种结构可解决目前柔性输电中传输功率受到器件制约、设备效率较低、故障时保护可靠性差的问题。本发明还公开一种模块化多电平换流器。
【专利说明】一种模块化多电平换流器及其换流阀模块单元
【技术领域】
[0001]本发明属于柔性直流输电领域，特别涉及一种换流阀模块单元及其构成的模块化多电平换流器。
【背景技术】
[0002]柔性直流输电系统的核心是基于全控器件的电压源变流器。多电平技术是实现高压大容量电压源变流器的优选方案。相对于二电平换流器，多电平换流器可以使用低压器件实现高电压等级输出，而并不需要开关器件的直接串联。近几年来，模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter, MMC)的出现使多电平换流器在柔性直流输电领域也得到了成功的应用。
[0003]模块化多电平换流器的换流阀采用模块化设计，由若干个结构完全相同的基本单元子模块串联构成，每一个子模块称为换流阀模块单元，通过增加换流阀中的串联子模块个数和电流水平，可以应用于不同的电压及功率等级场合。但由于全控型可关断器件的发展受到半导体技术发展的局限，其通流能力跟不上大容量换流阀的发展水平，所以换流阀的传输功率受到开关器件的局限。
[0004]不同于传统电压源换流器，模块化多电平换流器拓扑中，续流二极管的电流应力很大，而通常用的开关管反并的续流二极管损耗较大，从而造成整个换流阀的效率偏低。
[0005]换流器在实际运行中，会发生由于系统故障、直流侧接地故障等原因引起的模块下管IGBT模块中的续流二极管过流。为了保护换流阀IGBT模块中的续流二极管，通常在换流阀模块的下管IGBT模块两端并联一个旁路晶闸管。旁路晶闸管的通态电阻小于IGBT模块中的续流二极管的通态电阻，故障时，触发导通旁路晶闸管可以对IGBT模块中的续流二极管故障电流进行分流，从而保护IGBT模块中的续流二极管不致损坏。但由于旁路晶闸管并联在下管IGBT模块中的续流二极管两端，旁路晶闸管导通时需要满足正向电压大于门槛电压，即IGBT续流二极管的电流保护点很高，在故障时续流二极管有一定损坏几率。
[0006]并且，旁路晶闸管需要脉冲触发，而且有过零关断的特性，这造成对IGBT模块中的续流二极管的过流保护具有一定不确定性。
[0007]鉴于以上分析，本发明人对换流阀模块单元的结构进行研究改进，本案由此产生。
【发明内容】
[0008]本发明的目的，在于提供一种换流阀模块单元，其可解决目前柔性输电中传输功率受到器件制约、设备效率较低、故障时保护可靠性差的问题。
[0009]本发明的另一目的，在于提供一种模块化多电平换流器，其可提高输电功率，设备效率高，故障保护可靠性高。
[0010]为了达成上述目的，本发明的解决方案是:
[0011]一种换流阀模块单元，包括至少一个直流支撑电容、均压电阻、四个功率半导体开关模块、旁路开关和二次控制保护单元，其中，均压电阻与所有直流支撑电容相互并联；
[0012]第一功率半导体开关模块的负端连接第二功率半导体开关模块的正端，所述第一功率半导体开关模块的正端连接直流支撑电容的正极，而第二功率半导体开关模块的负端连接直流支撑电容的负极；第三功率半导体开关模块的负端连接第四功率半导体开关模块的正端，所述第三功率半导体开关模块的正端连接直流支撑电容的正极，而第四功率半导体开关模块的负端连接直流支撑电容的负极；所述旁路开关的一端分别连接第一、三功率半导体开关模块的负端，另一端分别连接第二、四功率半导体开关模块的负端；
[0013]二次控制保护单元分别连接旁路开关的控制端和第一至四功率半导体开关模块的控制端；
[0014]所述换流阀模块单元还包括功率二极管，所述功率二极管的阳极连接第二功率半导体开关模块的负端，阴极连接第一功率半导体开关模块的负端。
[0015]上述四个功率半导体开关模块均包括开关管及与其反向并联的续流二极管，且续流二极管的阴极为功率半导体开关模块的正端，续流二极管的阳极为功率半导体开关模块的负端。
[0016]一种由如前述的一种换流阀模块单元构成的模块化多电平换流器，包含至少两个换流阀模块单元，定义功率二极管的阴极引出作为该换流阀模块单元的第一端，定义功率二极管的阳极引出作为该换流阀模块单元的第二端，所有换流阀模块单元同向顺序串联。
[0017]采用上述方案后，本发明通过将功率二极管取代现有结构中的晶闸管，具有以下有益效果:
[0018](I)利用功率二极管对下管IGBT的续流二极管进行分流，利用功率二极管导通电阻小的优点，提高了换流器的效率；
[0019](2)利用功率二极管取代晶闸管，取消了晶闸管触发单元，在故障流过短路电流时，能可靠地保证功率二极管流过大部分短路电流，有效地保护了续流二极管；
[0020](3)无需晶闸管保护触发逻辑，控制策略简单，同时简化了模块单元二次控制板卡，避免了晶闸管无法触发的风险；
[0021](4)功率二极管采用水冷散热方式，配有散热器和压紧机构，可适应不同传输容量、不同短路电流工况下的应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是本发明一种换流阀模块单元的电气原理图；
[0023]图2是本发明一种换流阀模块单元在正向电流下的充电工况示意图；
[0024]图3是本发明一种换流阀模块单元在正向电流下的旁路工况示意图；
[0025]图4是本发明一种换流阀模块单元在负向电流下的放电工况示意图；
[0026]图5是本发明一种换流阀模块单元在负向电流下的旁路工况示意图；
[0027]图6是本发明一种换流阀模块单元在故障时的旁路工况示意图；
[0028]图7是本发明一种模块化多电平换流器在外部故障时流过的短路电流示意图；
[0029]图8是外部故障时流过模块单元的短路电流波形图；
[0030]其中，横坐标表示时间t，单位S，纵坐标表示短路电流Id，单位A。
【具体实施方式】
[0031]以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
[0032]本发明提供一种换流阀模块单元，是构成模块化多电平换流器的基本单元，多个模块单元电路通过级联可以适用于不同电压、不同功率的应用场合。
[0033]如图1所示，本发明一种换流阀模块单元，包括至少一个直流支撑电容Cl?Cn、均压电阻R1、第一功率半导体开关模块、第二功率半导体开关模块、第三功率半导体开关模块、第四功率半导体开关模块、旁路开关Kl和二次控制保护单元KZ1，其中，η为自然数，当η>1时，所述直流支撑电容相互同向并联连接，形成的并联电容组再与均压电阻Rl并联。
[0034]第一功率半导体开关模块包括开关管Tl及与其反向并联的续流二极管D1，第二功率半导体开关模块包括开关管T2及与其反向并联的续流二极管D2，第三功率半导体开关模块包括开关管T3及与其反向并联的续流二极管D3，第四功率半导体开关模块包括开关管T4及与其反向并联的续流二极管D4 ;其中，定义续流二极管的阴极为其所在功率半导体开关模块的正端，定义续流二极管的阳极为其所在功率半导体开关模块的负端；第一功率半导体开关模块的负端连接第二功率半导体开关模块的正端，所述第一功率半导体开关模块的正端连接单个直流支撑电容的正极或并联电容组的正极，而第二功率半导体开关模块的负端连接单个直流支撑电容的负极或并联电容组的负极；第三功率半导体开关模块的负端连接第四功率半导体开关模块的正端，所述第三功率半导体开关模块的正端连接单个直流支撑电容的正极或并联电容组的正极，而第四功率半导体开关模块的负端连接单个直流支撑电容的负极或并联电容组的负极；所述旁路开关Kl的一端分别连接第一、三功率半导体开关模块的负端，另一端分别连接第二、四功率半导体开关模块的负端。
[0035]二次控制保护单元KZl分别连接旁路开关Kl的控制端和第一至四功率半导体开关模块的控制端，用于实时监测和控制模块单元的电气量，并控制第一至四功率半导体开关模块中开关管的导通和关断。
[0036]本发明的改进点在于:所述换流阀模块单元还包括功率二极管D5，所述功率二极管D5的阳极连接第二功率半导体开关模块的负端，阴极连接第一功率半导体开关模块的负端。
[0037]在本实施例中，为了提高散热效率，功率二极管D5采用水冷散热方式
[0038]本发明一种换流阀模块单元，通过采用全控开关器件的并联，解决了模块化多电平换流器传输功率受限的问题，拓展了该拓扑的使用范围。
[0039]其工作状态共有五种:
[0040](I)正向电流充电状态:如图2所示，续流二极管Dl和D3导通，直流支撑电容充电；
[0041](2)正向电流旁路状态:如图3所示，开关管T2和T4导通，直流支撑电容无电流流过；
[0042](3)负向电流放电状态:如图4所示，开关管Tl和T3导通，直流支撑电容放电；
[0043](4)负向电流旁路状态:如图5所示，功率二极管D5、续流二极管D2和D4导通，直流支撑电容无电流流过；
[0044](5)故障旁路状态:如图6所示，电流从旁路开关Kl流过，属于故障状态，旁路开关Kl合闸机械保持，模块单元内部的二次控制保护单元全部退出运行。
[0045]模块化多电平换流器实际工作时，图2和图5所示状态为主要工况，也是决定换流器效率和元件热设计的关键，通常商业用的IGBT为标准设计，其续流二极管的通流能力一般较弱，在图5的工况下如果只有续流二极管D2和D4导通时，元件的损耗大，热应力大，造成换流器系统效率低，可靠性低的问题；本发明采用并联功率二极管的方法，使得大部分电流流过通流性能很好的二极管，平衡了模块单元内部的热应力，提高了换流器的效率，具有很好的效果。
[0046]如图7所示，是本发明一种模块化多电平换流器的电路图，包含至少两个前述换流阀模块单元，在每个换流阀模块单元中，定义功率二极管D5的阴极引出作为该换流阀模块单元的第一端，定义功率二极管D5的阳极引出作为该换流阀模块单元的第二端，各换流阀模块单元的第一端连接其前一个换流阀模块单元的第二端，该换流阀模块单元的第二端连接其后一个换流阀模块单元的第一端，所有换流阀模块单元顺序串联。
[0047]在外部故障时，续流二极管D2和D4将流过峰值达数千安培的电流Id，如图8所示，对应前文所述的负向电流旁路工况，如果采用并联晶闸管保护，则只有电流达到1000A以上晶闸管才可能有效触发，而且晶闸管的过零关断特性会造成晶闸管的驱动设计复杂、可靠性低；采用本发明提供的并联功率二极管保护，则实现短路电流自动均流，大部分电流流经保护元件功率二极管D5，有效地保护了 IGBT的续流二极管D2和D4。
[0048]以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围。所属【技术领域】的普通技术人员应当理解到:对本发明的【具体实施方式】进行修改或者等同替换，而未脱离本发明提出的技术思想和范围的任何修改或者等同替换均应涵盖在本发明权利要求的范围当中。
【权利要求】
1.一种换流阀模块单元，包括至少一个直流支撑电容、均压电阻、四个功率半导体开关模块、旁路开关和二次控制保护单元，其中，均压电阻与所有直流支撑电容相互并联； 第一功率半导体开关模块的负端连接第二功率半导体开关模块的正端，所述第一功率半导体开关模块的正端连接直流支撑电容的正极，而第二功率半导体开关模块的负端连接直流支撑电容的负极；第三功率半导体开关模块的负端连接第四功率半导体开关模块的正端，所述第三功率半导体开关模块的正端连接直流支撑电容的正极，而第四功率半导体开关模块的负端连接直流支撑电容的负极；所述旁路开关的一端分别连接第一、三功率半导体开关模块的负端，另一端分别连接第二、四功率半导体开关模块的负端； 二次控制保护单元分别连接旁路开关的控制端和第一至四功率半导体开关模块的控制端； 其特征在于: 所述换流阀模块单元还包括功率二极管，所述功率二极管的阳极连接第二功率半导体开关模块的负端，阴极连接第一功率半导体开关模块的负端。
2.如权利要求1所述的一种换流阀模块单元，其特征在于:所述四个功率半导体开关模块均包括开关管及与其反向并联的续流二极管，且续流二极管的阴极为功率半导体开关模块的正端，续流二极管的阳极为功率半导体开关模块的负端。
3.一种由如权利要求1或2所述的一种换流阀模块单元构成的模块化多电平换流器，其特征在于:包含至少两个换流阀模块单元，定义功率二极管的阴极引出作为该换流阀模块单元的第一端，定义功率二极管的阳极引出作为该换流阀模块单元的第二端，所有换流阀模块单元同向顺序串联。
【文档编号】H02M7/49GK104426405SQ201310408413
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年9月9日 优先权日:2013年9月9日
【发明者】谢晔源, 曹冬明, 刘为群, 方太勋, 田杰, 潘淳 申请人:南京南瑞继保电气有限公司, 南京南瑞继保工程技术有限公司