功率子单元、三相mmc拓扑结构及换流器的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供一种功率子单元，其包括n个依次串联的子模块和与该n个子模块反向并联的晶闸管V1，且n为大于或等于3的整数；子模块i包括绝缘栅双极型晶体管Ti1及与其反向并联的二极管Di1、绝缘栅双极型晶体管Ti2及与其反向并联的二极管Di2、电容Ci和开关Ki，绝缘栅双极型晶体管Ti1的集电极与电容Ci的一端相连，发射极与绝缘栅双极型晶体管Ti2的集电极相连，绝缘栅双极型晶体管Ti2的发射极与电容Ci的另一端相连，开关Ki的两端分别与绝缘栅双极型晶体管Ti2的集电极和发射极相连，且i依次取1，2，...，n。相应地，提供一种三相MMC拓扑结构和换流器。本实用新型所述功率子单元的价格低廉且结构简单。
【专利说明】功率子单元、三相MMC拓扑结构及换流器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及柔性直流输电【技术领域】，具体涉及一种用于构成MMC拓扑结构的功率子单元、三相MMC拓扑结构及换流器。
【背景技术】
[0002]在柔性直流输电【技术领域】，采用电压源型换流器(VSC，Voltage SourceConverter)的柔性直流输电系统可以独立、快速地控制所传输的直流电的有功功率和无功功率，极大地增强了直流输电的灵活性，并成为实现区域电网互联，大型风电场及交流弱电网分别与主网之间稳定联结的最有潜质的电力传输方式。随着电力电子技术的不断发展，高电压、大容量的换流器成为柔性直流输电系统的核心设备，其拓扑结构可分为两电平拓扑结构、三电平拓扑结构和MMC(Modular Multilevel Converter,即模块化多电平换流器)拓扑结构等。其中，MMC拓扑结构因具备开关频率低、损耗小等优点，已被广泛应用于直流输电系统。
[0003]目前，用于构成MMC拓扑结构的子模块主要有H-MMC(半桥子模块)、F-MMC(全桥子模块)和C-MMC(箝位双子模块)三种。其中，半桥子模块因具有结构简单、功率器件少、控制算法易于实现、损耗小和系统效率高等优势在采用MMC拓扑结构的换流器中得到广泛应用。如图1所示，现有的半桥子模块包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT, Insulated GateBipolar Transistor) Tl及与其反向并联的二极管Dl、绝缘栅双极型晶体管T2及与其反向并联的二极管D2，和电容Cl，绝缘栅双极型晶体管Tl的集电极与电容Cl的一端相连，绝缘栅双极型晶体管Tl的发射极与绝缘栅双极型晶体管Τ2的集电极相连，绝缘栅双极型晶体管Τ2的发射极与电容Cl的另一端相连。基于半桥子模块的换流器在发生直流母线相间短路故障时，不具有自清除短路电流故障的能力，为了解决这一问题，需要在每个半桥子模块中接入晶闸管V0，具体地，在每个半桥子模块的绝缘栅双极型晶体管Τ2的集电极和发射极之间接入晶闸管W，从而在发生直流母线相间短路故障时触发导通晶闸管VO进行续流，保护功率器件的安全。
[0004]但是，每个半桥子模块中接入的晶闸管VO无法采用通用的功率器件，只能采用特殊制造的功率器件。这是因为，通用晶闸管的导通电压高于与绝缘栅双极型晶体管反向并联的二极管的导通压降，当直流母线发生相间短路故障时，短路电流会在第一时刻从与绝缘栅双极型晶体管Τ2反向并联的二极管D2中流过，二极管D2导通后会使得晶闸管VO两端的电压钳位在I?2个伏特电压范围内，在这种情况下，晶闸管VO无法被触发导通并进行短路电流的续流；同时，由于短路电流非常大，当短路电流流过二极管D2时，在很短时间内会烧坏与二极管D2反向并联的绝缘栅双极型晶体管Τ2，从而造成功率器件的损失，给柔性直流输电系统的稳定性带来很大风险。然而，目前特殊制造的晶闸管的价格昂贵，相当于同等电压和功率等级的通用晶闸管的3?4倍，使得采用MMC拓扑结构的换流器的成本极高。因此，如何降低采用MMC拓扑结构的换流器的成本，成为本领域亟待解决的问题之一。实用新型内容
[0005]本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术中所存在的上述缺陷，提供一种能够实现短路电流的续流的同时，又能在很大程度上降低成本的用于构成MMC拓扑结构的功率子单元、三相MMC拓扑结构及换流器。
[0006]解决本实用新型技术问题所采用的技术方案是:
[0007]所述功率子单元用于构成MMC拓扑结构，其包括η个依次串联的子模块和与该η个子模块反向并联的晶闸管VI，且η为大于或等于3的整数；子模块i包括绝缘栅双极型晶体管Til及与其反向并联的二极管Dil、绝缘栅双极型晶体管Ti2及与其反向并联的二极管Di2、电容Ci和开关Ki，绝缘栅双极型晶体管Til的集电极与电容Ci的一端相连，绝缘栅双极型晶体管Til的发射极与绝缘栅双极型晶体管Ti2的集电极相连，绝缘栅双极型晶体管Ti2的发射极与电容Ci的另一端相连，开关Ki的两端分别与绝缘栅双极型晶体管Τ?2的集电极和发射极相连，且i依次取1，2，...，η。
[0008]优选地，子模块j的绝缘栅双极型晶体管Tj2的集电极与相邻前一个子模块(j_l)的绝缘栅双极型晶体管T (j-1) 2的发射极相连，子模块j的绝缘栅双极型晶体管Tj2的发射极与相邻后一个子模块(j+Ι)的绝缘栅双极型晶体管T (j+1) 2的集电极相连，且j依次取 2，3，...， (η-1)；
[0009]晶闸管Vl的阳极与第η个子模块的绝缘栅双极型晶体管Τη2的发射极相连，阴极与第I个子模块的绝缘栅双极型晶体管Τ12的集电极相连。
[0010]优选地,所述功率子单元包括的子模块的数量η还需满足:
[0011]所述功率子单元包括的子模块的数量η还需满足:
[0012]ROUNDUP (?/?, O)彡 η 彡 ROUNDDOffN(U3/U4,0) (I)
[0013]式(I)中，U1为晶闸管Vl的导通电压值，U2为各个子模块中的二极管的导通压降值，U3为晶闸管Vl的额定电压值，U4为各个子模块中的电容的电压值。
[0014]或者,所述功率子单元包括的子模块的数量η还需满足:
[0015]ROUNDUP (?/?, O) +1 彡 η 彡 ROUNDDOffN (U3/U4,0) (2)
[0016]式(2)中，U1为晶闸管Vl的导通电压值，U2为各个子模块中的二极管的导通压降值，U3为晶闸管Vl的额定电压值，U4为各个子模块中的电容的电压值。
[0017]优选地，所述功率子单元还包括晶闸管驱动控制器，所述功率子单元包括的η个子模块均具有控制器，
[0018]各个子模块控制器用于在检测到故障状态时输出保护信号至晶闸管驱动控制器；
[0019]所述晶闸管驱动控制器用于根据各个子模块控制器输出的保护信号判断是否输出驱动信号至晶闸管Vl的控制端，从而导通或关断晶闸管VI。
[0020]进一步优选地，所述晶闸管驱动控制器用于在η个子模块控制器中的任意一个或多个子模块控制器输出保护信号时，输出驱动信号至晶闸管Vi的控制端。
[0021]或者，所述晶闸管驱动控制器用于在η个子模块控制器均输出保护信号时，输出驱动信号至晶闸管Vl的控制端。
[0022]优选地，所述晶闸管驱动控制器包括供电电源、逻辑与芯片电路、光耦隔离电路和驱动放大电路，
[0023]所述供电电源分别与逻辑与芯片电路、光耦隔离电路和驱动放大电路相连，用于提供电能；
[0024]所述逻辑与芯片电路和η个子模块控制器相连，用于接收η个子模块控制器输出的保护信号，并将该η路保护信号转换为一路有效保护信号后输出至光耦隔离电路；
[0025]所述光耦隔离电路用于对该路有效保护信号进行隔离变换后输出至驱动放大电路；
[0026]所述驱动放大电路用于对经过隔离变换后的有效保护信号进行放大处理后输出驱动信号至晶闸管Vl的控制端。
[0027]本实用新型还提供一种三相MMC拓扑结构，包括三个相单元，每个相单元均包括上桥臂和下桥臂，每个相单元的上桥臂和下桥臂均包括依次串联的电抗器和多个子单元，所述子单元采用上述功率子单元。
[0028]本实用新型还提供一种换流器，所述换流器采用上述三相MMC拓扑结构。
[0029]有益效果:
[0030]本实用新型所述功率子单元将η个子模块串联后再与晶闸管反向并联，使得直流母线发生相间短路故障时各个子模块中串联的二极管导通，这些串联的二极管的导通压降值同时又施加在晶闸管的两端，使得采用通用功率器件的晶闸管在接收到驱动信号后也能快速地触发导通，并使得绝大部分短路电流从其中流过，从而实现了短路电流的续流，进而保护了 IGBT等功率器件，因此与现有技术中必须采用特殊制造功率器件的晶闸管的方案相比，在能实现短路电流的续流的同时，又能在很大程度上降低成本，结构也比较简单，易于实现。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]图1为现有技术中半桥子模块与晶闸管连接的结构示意图；
[0032]图2为本实用新型实施例中子模块的结构示意图；
[0033]图3为本实用新型实施例中功率子单元的结构示意图；
[0034]图4为本实用新型实施例中功率子单元的控制逻辑示意图；
[0035]图5为图4中晶闸管驱动控制器的结构示意图；
[0036]图6为本实用新型实施例中三相MMC拓扑结构的示意图。
【具体实施方式】
[0037]为使本领域技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细描述。
[0038]实施例:
[0039]本实施例提供一种功率子单元，其用于构成MMC拓扑结构，包括η个依次串联的子模块和与该η个子模块反向并联的晶闸管Vl ( S卩，该η个子模块串联后再与晶闸管Vl反向并联)，且η为大于或等于3的整数；子模块i包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT，InsulatedGate Bipolar Transistor) Til及与其反向并联的二极管Dil、绝缘栅双极型晶体管Ti2及与其反向并联的二极管Di2、电容Ci和开关Ki，绝缘栅双极型晶体管Til的集电极与电容Ci的一端相连，绝缘栅双极型晶体管Til的发射极与绝缘栅双极型晶体管Ti2的集电极相连，绝缘栅双极型晶体管Ti2的发射极与电容Ci的另一端相连，开关Ki的两端分别与绝缘栅双极型晶体管Ti2的集电极和发射极相连，且i依次取l，2，...，n。本实施例中，所述晶闸管Vl采用现有通用的晶闸管，而其它功率器件和电子元件也分别采用现有通用的功率器件和电子元件，且功率子单元中包括的所有绝缘栅双极型晶体管、所有二极管、所有电容和所有开关的结构及参数分别相同。
[0040]为了实现该η个子模块的串联，如图2所示，每个子模块i还包括两路独立的功率出线端子，分别为与绝缘栅双极型晶体管Ti2的集电极相连的功率出线端子Ail和与绝缘栅双极型晶体管Ti2的发射极相连的功率出线端子Ai2，且子模块i的功率出线端子Ai2和相邻后一个子模块(i+1)的功率出线端子A(i+1) I相连，i依次取1，2，...，n，从而形成图3所示的功率子单元。
[0041]具体地，如图3所示，子模块j的绝缘栅双极型晶体管Tj2的集电极与相邻前一个子模块(j-Ι)的绝缘栅双极型晶体管T (j-1) 2的发射极相连，子模块j的绝缘栅双极型晶体管Tj2的发射极与相邻后一个子模块(j+Ι)的绝缘栅双极型晶体管T (j+1) 2的集电极相连，且j依次取2，3，...，(η-1)，例如，子模块2的绝缘栅双极型晶体管T22的集电极与相邻前一个子模块I的绝缘栅双极型晶体管T12的发射极相连，子模块2的绝缘栅双极型晶体管T22的发射极与相邻后一个子模块3(图3中未示出)的绝缘栅双极型晶体管T32的集电极相连，以此类推；
[0042]晶闸管Vl的阳极与第η个子模块的绝缘栅双极型晶体管Τη2的发射极相连，阴极与第I个子模块的绝缘栅双极型晶体管Τ12的集电极相连。
[0043]为了在直流母线发生相间短路故障时使晶闸管Vl更易于导通，优选地，所述功率子单元包括的子模块的数量η还需满足:
[0044]ROUNDUP(?/?,O)彡 η 彡 ROUNDDOffN(U3/U4,0) (I)
[0045]式(I)中，U1为晶闸管Vl的导通电压值，U2为各个子模块中的二极管的导通压降值，U3为晶闸管Vl的额定电压值，U4为各个子模块中的电容的电压值。
[0046]需要说明的是,ROUNDUP(number,num_digits)函数为向上舍入函数，用于远离零值，向上舍入数字，其中，Number为需要向上舍入的任意实数，Num_digits为舍入后的数字的小数位数，当Num_digits = O时,表示向上舍入到最接近的整数,例如,若U1 = 7V, U2 =2V，则 ROUNDUP (?/?, O) = ROUNDUP (3.5,0) = 4 ；
[0047]ROUNDDOffN(number, num_digits)函数为向下舍入函数，用于靠近零值，向下舍入数字，其中，Number为需要向下舍入的任意实数，Num_digits为舍入后的数字的小数位数，当Num_digits = O时，表示向下舍入到最接近的整数，例如，若U3 = 750V, U4 = 4V，则ROUNDD0WN(U3/U4,0) = ROUND DOWN(187.5,0) = 187。
[0048]一般地，晶闸管Vl (即现有通用晶闸管)的导通电压值U1的取值范围为5?10V，各个子模块中的二极管(即现有通用二极管)的导通压降值U2的取值范围为I?2V，可见，单个二极管的导通压降施加在现有通用晶闸管两端时(即现有技术的方案)，即使晶闸管的控制端接收到驱动信号(也可称为触发导通信号)，也无法导通并进行短路电流的续流。而本实施例中，若以晶闸管Vl的型号为SKT491，IGBT的型号为IKW75N60T为例(该型号的IGBT自带反向并联的二极管)，通过查询数据手册可知，晶闸管Vl的导通电压值U1 = 5V，与IGBT反向并联的二极管的导通压降值U2 = 2V，则依据公式(I)可计算得出η彡ROUNDUP (U1/U2,0) = ROUNDUP (2.5,0) = 3，也就是说，每个子单元至少包括3个子模块，若取η = 3，则该3个子模块串联后再与晶闸管Vl反向并联，使得各个子模块中的二极管Di2依次串联后再与晶闸管Vl反向并联，则当直流母线发生相间短路故障时，各个子模块中的二极管Di2串联导通，其导通压降之和施加在晶闸管Vl的两端，即6V施加在晶闸管Vl的两端，大于晶闸管Vl的导通电压值5V，使得晶闸管Vl的控制端在接收到驱动信号后能够快速导通，从而进行短路电流的续流，并使得绝大部分短路电流从其中流过，进而保护了 IGBT等功率器件。
[0049]此外，为了增加晶闸管Vl的导通电压裕量，提高设计的可靠性，在公式⑴得出的子模块数量(即η值)的最小值的基础上再增加一个子模块，也就是说，所述功率子单元包括的子模块的数量η还需满足:
[0050]ROUNDUP (?/?, O) +1 彡 η 彡 ROUNDDOffN (U3/U4,0) (2)
[0051]式⑵中，U1为晶闸管Vl的导通电压值，U2为各个子模块中的二极管的导通压降值，U3为晶闸管Vl的额定电压值，U4为各个子模块中的电容的电压值。
[0052]此外，为了实现晶闸管Vl的驱动，如图4所示，所述功率子单元还包括晶闸管驱动控制器，所述功率子单元包括的η个子模块均具有控制器，各个子模块控制器用于在检测到故障状态(例如直流母线发生相间短路故障)时输出保护信号至晶闸管驱动控制器，需要说明的是，当直流母线发生相间短路故障时，各个子模块控制器均能够快速地检测到该故障状态并输出保护信号至晶闸管驱动控制器，这属于现有技术，不再赘述；所述晶闸管驱动控制器用于根据各个子模块控制器输出的保护信号判断是否输出驱动信号至晶闸管Vl的控制端，即，晶闸管驱动控制器内置判断条件，若各个子模块控制器输出的保护信号满足该判断条件，则输出驱动信号至晶闸管Vl的控制端，从而导通晶闸管VI，若各个子模块控制器输出的保护信号不满足该判断条件，则不输出驱动信号至晶闸管Vl的控制端，从而关断晶闸管VI。
[0053]所述晶闸管驱动控制器内置的判断条件可分为两种。
[0054]第一种判断条件为:η个子模块控制器中的任意一个或多个子模块控制器输出保护信号，这里的“多个”指的是大于I且小于η的整数。也就是说，所述晶闸管驱动控制器用于在η个子模块控制器中的任意一个或多个子模块控制器输出保护信号时，输出驱动信号至晶闸管Vl的控制端，否则，不输出驱动信号。
[0055]第二种判断条件为:η个子模块控制器均输出保护信号。也就是说，所述晶闸管驱动控制器用于在η个子模块控制器均输出保护信号时，输出驱动信号至晶闸管Vl的控制端，否则，不输出驱动信号。
[0056]本实施例中，可采用高电平信号表示子模块控制器输出保护信号，采用低电平信号表示子模块控制器不输出保护信号，则晶闸管驱动控制器接收到几个高电平信号就表明有几个子模块控制器输出了保护信号。
[0057]为了增强晶闸管导通的可靠性，本实施例中，所述晶闸管驱动控制器内置的判断条件米用第二种。
[0058]所述晶闸管驱动控制器可采用现有通用的具有逻辑计算及驱动功能的集成电路；或者，所述晶闸管驱动控制器可采用如图5所示的结构，其包括供电电源、逻辑与芯片电路、光耦隔离电路和驱动放大电路，
[0059]所述供电电源分别与逻辑与芯片电路、光耦隔离电路和驱动放大电路相连，用于提供电能；
[0060]所述逻辑与芯片电路和η个子模块控制器相连，用于接收η个子模块控制器输出的保护信号，并将该η路保护信号转换为一路有效保护信号后输出至光耦隔离电路，可见，只有在η个子模块均输出保护信号(高电平信号)时，逻辑“与”后才能输出有效保护信号(闻电平?目号);
[0061]所述光耦隔离电路用于对该路有效保护信号进行隔离变换后输出至驱动放大电路；
[0062]所述驱动放大电路用于对经过隔离变换后的有效保护信号进行放大处理后输出驱动信号至晶闸管Vl的控制端，该驱动信号即触发导通信号，用于导通晶闸管VI。
[0063]如图6所示，本实施例还提供一种三相MMC拓扑结构，其包括三个相单元，即图6中的A相单元、B相单元和C相单元，每个相单元均包括上桥臂和下桥臂，每个相单元的上桥臂和下桥臂均包括依次串联的电抗器L和多个子单元，所述子单元采用上述功率子单元。
[0064]本实施例还提供一种米用上述三相MMC拓扑结构的换流器。
[0065]可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，然而本实用新型并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本实用新型的保护范围。
【权利要求】
1.一种功率子单元，其用于构成MMC拓扑结构，其特征在于，所述功率子单元包括η个依次串联的子模块和与该η个子模块反向并联的晶闸管VI，且η为大于或等于3的整数；子模块i包括绝缘栅双极型晶体管Til及与其反向并联的二极管Dil、绝缘栅双极型晶体管Ti2及与其反向并联的二极管Di2、电容Ci和开关Ki，绝缘栅双极型晶体管Til的集电极与电容Ci的一端相连，绝缘栅双极型晶体管Til的发射极与绝缘栅双极型晶体管Ti2的集电极相连，绝缘栅双极型晶体管Ti2的发射极与电容Ci的另一端相连，开关Ki的两端分别与绝缘栅双极型晶体管Ti2的集电极和发射极相连，且i依次取1，2，...，η。
2.根据权利要求1所述的功率子单元，其特征在于， 子模块j的绝缘栅双极型晶体管Tj2的集电极与相邻前一个子模块(j-Ι)的绝缘栅双极型晶体管T (j-1) 2的发射极相连，子模块j的绝缘栅双极型晶体管Tj2的发射极与相邻后一个子模块(j+Ι)的绝缘栅双极型晶体管T (j+1) 2的集电极相连，且j依次取2，3，...，(η-1)； 晶闸管Vl的阳极与第η个子模块的绝缘栅双极型晶体管Τη2的发射极相连，阴极与第I个子模块的绝缘栅双极型晶体管Τ12的集电极相连。
3.根据权利要求1或2所述的功率子单元，其特征在于， 所述功率子单元包括的子模块的数量η还需满足:
ROUNDUP (U1ZU2,0)彡 η 彡 ROUNDDOffN(U3/U4,0) (I) 式(I)中，U1为晶闸管Vl的导通电压值，U2为各个子模块中的二极管的导通压降值，U3为晶闸管Vl的额定电压值，U4为各个子模块中的电容的电压值。
4.根据权利要求1或2所述的功率子单元，其特征在于， 所述功率子单元包括的子模块的数量η还需满足:
ROUNDUP (U1ZU2,0)+1 ^ n ^ ROUNDDOffN (U3/U4,0) (2) 式(2)中，U1为晶闸管Vl的导通电压值，U2为各个子模块中的二极管的导通压降值，U3为晶闸管Vl的额定电压值，U4为各个子模块中的电容的电压值。
5.根据权利要求1所述的功率子单元，其特征在于， 所述功率子单元还包括晶闸管驱动控制器，所述功率子单元包括的η个子模块均具有控制器， 各个子模块控制器用于在检测到故障状态时输出保护信号至晶闸管驱动控制器； 所述晶闸管驱动控制器用于根据各个子模块控制器输出的保护信号判断是否输出驱动信号至晶闸管Vl的控制端，从而导通或关断晶闸管VI。
6.根据权利要求5所述的功率子单元，其特征在于， 所述晶闸管驱动控制器用于在η个子模块控制器中的任意一个或多个子模块控制器输出保护信号时，输出驱动信号至晶闸管Vl的控制端。
7.根据权利要求5所述的功率子单元，其特征在于， 所述晶闸管驱动控制器用于在η个子模块控制器均输出保护信号时，输出驱动信号至晶闸管Vl的控制端。
8.根据权利要求7所述的功率子单元，其特征在于， 所述晶闸管驱动控制器包括供电电源、逻辑与芯片电路、光耦隔离电路和驱动放大电路， 所述供电电源分别与逻辑与芯片电路、光耦隔离电路和驱动放大电路相连，用于提供电能； 所述逻辑与芯片电路和η个子模块控制器相连，用于接收η个子模块控制器输出的保护信号，并将该η路保护信号转换为一路有效保护信号后输出至光耦隔离电路； 所述光耦隔离电路用于对该路有效保护信号进行隔离变换后输出至驱动放大电路；所述驱动放大电路用于对经过隔离变换后的有效保护信号进行放大处理后输出驱动信号至晶闸管Vl的控制端。
9.一种三相MMC拓扑结构，包括三个相单元，每个相单元均包括上桥臂和下桥臂，每个相单元的上桥臂和下桥臂均包括依次串联的电抗器和多个子单元，其特征在于，所述子单元采用权利要求1?8中任一项所述的功率子单元。
10.一种换流器，其特征在于，所述换流器采用权利要求9所述的三相MMC拓扑结构。
【文档编号】H02M7/49GK204103794SQ201420336146
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年6月20日 优先权日:2014年6月20日
【发明者】雒龙飞, 刘伟增, 张洁琼, 盛俊毅 申请人:特变电工新疆新能源股份有限公司, 特变电工西安柔性输配电有限公司