用于功率单向传输场合的送端多电平变流器的制作方法

本发明涉及电力技术领域，特别是涉及一种用于功率单向传输场合的送端多电平变流器。

背景技术：

模块化多电平变流器具有谐波特性良好、便于实现模块化冗余化设计、有功无功控制灵活等优点，已成为柔性直流输电场合中换流站的首选拓扑结构。

传统的模块化多电平变流器拓扑多采用半桥子模块作为子模块，能够实现有功功率的双向传输，但不具备直流故障的自阻断能力。在某些应用场合，如风电、光伏汇集并网场合，以及水电输送场合中，直流线路的潮流往往是单一方向的，此时变流器不需要具备双向功率传输功能。针对这种功率单向传输的场合，传统的做法通过在直流线路上串联二极管阀组实现直流线路故障的自阻断，但当直流线路出线路低电压时，采用这一方案的变流器将无法继续传输功率。此外，采用这一方案只能阻断功率受端变流器的直流短路故障，而无法实现功率送端变流器的直流故障阻断。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种作为功率送端的模块化多电平变流器。

一种用于功率单向传输场合的送端多电平变流器，包括：

A相单元、B相单元和C相单元，每个相单元包括依次串联的上桥臂、上电抗器、下电抗器和下桥臂，所述上桥臂的正极端为对应相直流侧出线正极端，所述下桥臂的负极端为对应相直流侧出线负极端，每一相的所述上电抗器与所述下电抗器连接作为对应相的交流侧出线端；三个相单元的直流侧出线正极端连接在一起，形成变流侧的直流侧正极；三个相单元的直流侧出线负极端连接在一起，形成变流器的直流侧负极；

所述上桥臂和所述下桥臂分别包括多个串联的子模块，所述子模块包括第一直流电容器、第二直流电容器、第一可控开关器件、第二可控开关器件、第三可控开关器件、第一续流二极管、第二续流二极管、第三续流二极管、第一箝位二极管、第二箝位二极管、第三箝位二极管和第四箝位二极管；

所述第一可控开关器件、第二可控开关器件、第三可控开关器件的集电极分别与所述第一续流二极管、第二续流二极管、第三续流二极管的阴极相连，所述第一可控开关器件、第二可控开关器件、第三可控开关器件的发射极分别与所述第一续流二极管、第二续流二极管、第三续流二极管的阳极相连；所述第一可控开关器件的发射极与第一箝位二极管的阴极相连，作为子模块的正极端；所述第一箝位二极管的阳极与第一直流电容器的负极、第三可控开关器件的发射极以及第四箝位二极管的阴极相连，所述第一可控开关器件的集电极与第三箝位二极管的阴极以及第一直流电容器的正极相连，所述第三箝位二极管的阳极与第三可控开关器件的集电极、第二直流电容器的正极以及第二箝位二极管的阴极相连，所述第二直流电容器的负极与第四箝位二极管的阳极以及第二可控开关器件的发射极相连，所述第二可控开关器件的集电极与第二箝位二极管的阳极相连，作为子模块的负极端。

在其中一个实施例中，每个桥臂中串联的子模块的数量N需满足N≥U_lm/(2U_c)，其中，U_lm为交流侧线电压幅值，U_c为子模块中直流电容器的额定电压。

在其中一个实施例中，所述第一可控开关器件、第二可控开关器件和第三可控开关器件的栅极与控制电路连接，通过控制电路控制所述第一可控开关器件、第二可控开关器件和第三可控开关器件的状态使所述子模块输出对应电平；

当所述第一可控开关器件、第二可控开关器件和第三可控开关器件全部关断时，所述子模块输出电压为-1电平；

当所述第一可控开关器件导通，所述第二可控开关器件和第三可控开关器件关断时，或所述第二可控开关器件导通，所述第一可控开关器件和第三可控开关器件关断时，或所述第一可控开关器件和所述第二可控开关器件导通，所述第三可控开关器件关断时，所述子模块输出电压为0电平；

当所述第一可控开关器件和所述第三可控开关器件导通，所述第二可控开关器件关断时，或所述第二可控开关器件和所述第三可控开关器件导通，所述第一可控开关器件关断时，所述子模块输出电压为+1电平；

当所述第一可控开关器件、所述第二可控开关器件和第三可控开关器件全部导通时，所述子模块输出电压为+2电平。

在其中一个实施例中，当桥臂中子模块个数为M时，对应桥臂能够输出的电平数包括：-M，-M+1，-M+2，…，0，1，2，…，2M-1，2M。

在其中一个实施例中，所述上桥臂和所述下桥臂中，前一个子模块的负极端与后一个子模块的正极端相连，第一个子模块的正极端为该桥臂的正极端，最后一个子模块的负极端为该桥臂的负极端。

在其中一个实施例中，所述上桥臂负极端与所述上电抗器的一端相连，所述上电抗器的另一端与所述下电抗器的一端连接作为对应相的交流侧出线端，所述下电抗器的另一端与所述下桥臂的正极端相连。

在其中一个实施例中，每个相单元的所述上桥臂和所述下桥臂的子模块的数量相同。

在其中一个实施例中，所述第一可控开关器件、第二可控开关器件和第三可控开关器件为IGBT或MOSFET。

上述的用于功率单向传输场合的送端多电平变流器，子模块中第二可控开关器件的集电极与第二箝位二极管的阳极相连，作为子模块的负极端，第一可控开关器件的发射极与第一箝位二极管的阴极相连，作为子模块的正极端，由于二极管具有单向导电性，因而子模块中电流方向为单一方向，只能从负极端流向正极端，因而在模块化多电平变流器内部的电流方向从负极端流向正极端，在模块化多电平变流器外部从正极端流向负极端，正好形成一个回路，因而模块化多电平变流器能够做为功率送端变流器在直流线路故障时进行故障阻断。通过多个子模块构成直流电压和直流电流均为单极性的多电平变流器，且直流电压能够在较大范围运行，因此在功率单向输送的场合中，模块化多电平变流器作为功率送端能够以较低成本实现直流线路的故障阻断，也可以在直流线路低电压故障时尽可能保持功率输送。

附图说明

图1为一个实施例的用于功率单向传输场合的送端多电平变流器的结构示意图；

图2为图1所示的多电平变流器的内部结构示意图；

图3为图2所示的相单元结构中的桥臂的结构示意图；

图4为图3所示的子模块的结构示意图。

具体实施方式

如图1和图2所示，一种用于功率单向传输场合的送端多电平变流器，包括：A相单元、B相单元和C相单元。每个相单元包括依次串联的上桥臂、上电抗器、下电抗器和下桥臂。具体的，A相单元包括依次串联的A相上桥臂、A相上电抗器、A相下电抗器和A相下桥臂。B相单元包括依次串联的B相上桥臂、B相上电抗器、B相下电抗器和B相下桥臂。C相单元包括依次串联的C相上桥臂、C相上电抗器、C相下电抗器和D相下桥臂。

每一相的上桥臂的正极端为对应相直流侧出线正极端，下桥臂的负极端为对应相直流侧出线负极端，每一相的上电抗器与下电抗器连接作为对应相的交流侧出线端，变流器各相的交流侧出线端用于分别与交流侧电网各相连接。三个相单元的直流侧出线正极端连接在一起，形成变流侧的直流侧正极，三个相单元的直流侧出线负极端连接在一起，形成变流器的直流侧负极。

如图3和图4所示，上桥臂和下桥臂包括多个串联的子模块，子模块包括第一直流电容器C₁、第二直流电容器C₂、第一可控开关器件T₁、第二可控开关器件T₂、第三可控开关器件T₃、第一续流二极管D₁、第二续流二极管D₂、第三续流二极管D₃、第一箝位二极管D_C1、第二箝位二极管D_C2、第三箝位二极管D_C3和第四箝位二极管D_C4。

第一可控开关器件T₁、第二可控开关器件T₂、第三可控开关器件T₃的集电极分别与第一续流二极管D₁、第二续流二极管D₂、第三续流二极管D₃的阴极相连，第一可控开关器件T₁、第二可控开关器件T₂、第三可控开关器件T₃的发射极分别与第一续流二极管D₁、第二续流二极管D₂、第三续流二极管的阳极D₃相连；第一可控开关器件T₁的发射极与第一箝位二极管D_C1的阴极相连，作为子模块的正极端；第一箝位二极管D_C1的阳极与第一直流电容器的负极、第三可控开关器件T₃的发射极以及第四箝位二极管D_C4的阴极相连，第一可控开关器件T₁的集电极与第三箝位二极管D_C3的阴极以及第一直流电容器C₁的正极相连，第三箝位二极管D_C3的阳极与第三可控开关器件T₃的集电极、第二直流电容器C₂的正极以及第二箝位二极管D_C2的阴极相连，第二直流电容器C₂的负极与第四箝位二极管D_C4的阳极以及第二可控开关器件T₂的发射极相连，第二可控开关器件T₂的集电极与第二箝位二极管D_C2的阳极相连，作为子模块的负极端；第一可控开关器件T₁、第二可控开关器件T₂和第三可控开关器件T₃的栅极分别与控制电路(图未示)连接。第一续流二极管D₁、第二续流二极管D₂、第三续流二极管D₃起保护作用，在对应的第一可控开关器件T₁、第二可控开关器件T₂和第三可控开关器件T₃导通时，防止对应的可控开关器件被击穿。

工作时，直流侧正极+P连接外部直流电路的正极，直流侧负极-N连接外部直流电路的负极，变流器A相的交流侧出线端与交流侧电网A相连接，变流器B相的交流侧出线端与交流侧电网B相连接，变流器C相的交流侧出线端与交流侧电网C相连接。

上述的用于功率单向传输场合的送端多电平变流器，子模块中第二可控开关器件的集电极与第二箝位二极管的阳极相连，作为子模块的负极端，第一可控开关器件的发射极与第一箝位二极管的阴极相连，作为子模块的正极端，由于二极管具有单向导电性，因而子模块中电流方向为单一方向，只能从负极端流向正极端，因而在模块化多电平变流器内部的电流方向从负极端流向正极端，在模块化多电平变流器外部从正极端流向负极端，正好形成一个回路，因而模块化多电平变流器能够做为功率送端变流器在直流线路故障时进行故障阻断。通过多个子模块构成直流电压和直流电流均为单极性的多电平变流器，且直流电压能够在较大范围运行，因此在功率单向输送的场合中，模块化多电平变流器作为功率送端能够以较低成本实现直流线路的故障阻断，也可以在直流线路低电压故障时尽可能保持功率输送。

具体的，上桥臂和下桥臂中，前一个子模块的负极端与后一个子模块的正极端相连，第一个子模块的正极端为该桥臂的正极端，最后一个子模块的负极端为该桥臂的负极端。

具体的，为保证电容电压波动幅度较小的同时降低成本，每个相单元的上桥臂和下桥臂的子模块的数量相同。

在另一个实施例中，第一可控开关器件T₁、第二可控开关器件T₂和第三可控开关器件T₃的栅极与控制电路(图未示)连接，通过控制电路控制第一可控开关器件T₁、第二可控开关器件T₂和第三可控开关器件T₃的状态使子模块输出对应电平。

具体的，当第一可控开关器件T₁、第二可控开关器件T₂和第三可控开关器件T₃全部关断时，子模块输出电压为-1电平。

当第一可控开关器件T₁、第二可控开关器件T₂和第三可控开关器件T₃全部关断时，电流从子模块的负极端，经第二箝位二极管Dc₂、一条支路经过第二直流电容器C₂、第四箝位二极管Dc₄、第一箝位二极管Dc₁流向子模块的正极端。另一支路经第三箝位二极管Dc₃、第一直流电容器C₁和第一箝位二极管Dc₁流向子模块的正极端，从而第一直流电容器C₁和第二直流电容器C₂并联，且电流从第一直流电容器C₁和第二直流电容器C₂的正极流向负极，与子模块的电流方向相反，子模块的输出电压为-1电平。

当第一可控开关器件T₁导通，第二可控开关器件T₂和第三可控开关器件T₃关断时，或第二可控开关器件T₂导通，第一可控开关器件T₁和第三可控开关器件T₃关断时，或第一可控开关器件T₁和第二可控开关器件T₂导通，第三可控开关器件T₃关断时，子模块输出电压为0电平。

以第一可控开关器件T₁导通，第二可控开关器件T₂和第三可控开关器件T₃关断为例，当第一可控开关器件T₁导通，第二可控开关器件T₂和第三可控开关器件T₃关断时，由于第一可控开关器件T₁导通，第一箝位二极管Dc₁和第四箝位二极管Dc₄的阴极与负极输入端连接，第一箝位二极管Dc₁和第四箝位二极管Dc₄反向截止，因此，电流从子模块的负极端经第二箝位二极管Dc₂电流、第三箝位二极管Dc₃和第一可控开关器件T₁流向子模块的正极端，第一直流电容器C₁和第二直流电容器C₂未导通，子模块的输出决压为0电平。

当第一可控开关器件T₁和第三可控开关器件T₃导通，第二可控开关器件T₂关断时，或第二可控开关器件T₂和第三可控开关器件T₃导通，第一可控开关器件T₁关断时，子模块输出电压为+1电平。

以第一可控开关器件T₁和第三可控开关器件T₃导通，第二可控开关器件T₂关断为例进行说明，第一可控开关器件T₁和第三可控开关器件T₃导通，第二可控开关器件T₂关断时，由于第一可控开关器件T₁和第二可控开关器件T₂导通，第一箝位二极管Dc₁和第四箝位二极管Dc₄的阴极与负极输入端连接，第一箝位二极管Dc₁和第四箝位二极管Dc₄反向截止，电流从子模块的负极端经第二箝位二极管Dc₂电流、第三箝位二极管Dc₃、第一直流电容器C₁和第一可控开关器件T₁流向子模块的正极端，其中，电流从第一直流电容器C₁的负极流向正极，与子模块的电流方向相同，子模块输出电压为+1电平。

当第一可控开关器件T₁、第二可控开关器件T₂和第三可控开关器件T₃全部导通时，子模块输出电压为+2电平。

此时，由于第一可控开关器件T₁、第二可控开关器件T₂和第三可控开关器件T₃全部导通，第一箝位二极管Dc₁和第三箝位二极管Dc₃反向截止，电流从子模块的负极端经第二可控开关器件T₂、第二直流电容器C₂、第三可控开关器件T₃、第二直流电容器C₂和第二可控开关器件T₁流向子模块的正极端。其中，第一直流电容器C₁和第二直流电容器C₂串联，且电流从第一直流电容器C₁和第二直流电容器C₂的负极流向正极，与子模块的电流方向相同，子模块输出电压为+2电平。

因此，当桥臂中子模块个数为M时，对应桥臂能够输出的电平数包括：-M，-M+1，-M+2，…，0，1，2，…，2M-1，2M。

在具体的实施方式中，第一可控开关器件、第二可控开关器件和第三可控开关器件可采用IGBT或MOSFET的任意一种。

在正常工作时，通过适当的电流控制策略，例如d-q电流解耦控制策略，可以获得每个桥臂的参考电压。通过适当的调制策略，例如最近电平逼近策略，可以由参考电压计算得到桥臂输出的电平数。再通过排序均压策略，可以计算得到每个子模块所需输出的电平数，最后根据上述的子模块输出电平数与开关器件的对应关系，可以确定每个子模块中开关器件的开关状态。当变流器在故障状况下需要闭锁时，将所有开关器件关断，即可实现故障电流的快速清除。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。