中点箝位三电平单极电流模块的制作方法

本发明属于电力电子技术和电力输配电领域，特别涉及一种中点箝位三电平单极电流模块。

背景技术：

模块化多电平变流器因具有电流谐波特性好、有功无功解耦控制、模块化设计、便于实现故障容错运行等优点，在高压大功率电力变换场合，如柔性直流输电、高压无功补偿、电机变频驱动等领域得到了广泛运用。

模块化多电平变流器的运行特性取决于内部模块的电路结构。传统的半桥模块结构具有损耗较小、成本较低的优势，但由于无法提供负电平电压，因而无法在直流侧低电压下输送功率，也不能在直流侧短路故障后限制故障电流。此外，由半桥模块构成的桥臂其桥臂电压始终为正，因此不便于通过注入高频变化的桥臂电压来降低模块电容电压的波动幅度。

为提升模块化多电平变流器的工作性能，可以采用能够提供负电平的模块代替半桥模块。已有研究提出的能够提供负电平的模块包括：全桥模块、箝位双模块(CDSM,clamp-double sub-module)，(Marquardt,R.,"Modular Multilevel Converter:An universal concept for HVDC-Networks and extended DC-Bus-applications,"Power Electronics Conference(IPEC),2010International,vol.,no.,pp.502,507,21-24June 2010.)、单极电压模块(Jiangchao Qin；Saeedifard,M.；Rockhill,A.；Rui Zhou,"Hybrid Design of Modular Multilevel Converters for HVDC Systems Based on Various Submodule Circuits,"in Power Delivery,IEEE Transactions on,vol.30,no.1,pp.385-394,Feb.2015.)、对角桥模块(专利公开号CN105450045A)。

上述模块与半桥模块相比，全桥模块、箝位双模块和单极电压模块均需要采用更多数量的可控开关器件，成本增加较大。而对角桥模块采用的可控开关器件数量与半桥模块一致，成本增加较少。然而，对角桥模块中两个可控开关器件分布于模块的对角位置，因此其中的可控开关器件只能分别使用单个器件模块，而无法像半桥模块一样，采用集成度更高的双管模块，不利于模块的集成化设计。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服已有技术的不足之处，提出一种中点箝位三电平单极电流模块，该模块适于单极电流应用场合，较具有相同电平数目的其他模块所需的开关器件少，具有节约成本和结构紧凑等特点。

一种中点箝位三电平单极电流模块，其特征在于，包括四个全控开关器件、两个二极管单元、两个电容以及两个二极管；其中，第一全控开关器件的发射极与第二全控开关器件的集电极相连于第一点，第一全控开关器件的集电极与第一二极管单元的阳极相连作为该模块的第一端口；第三全控开关器件的发射极与第四全控开关器件的集电极相连于第二点，第四全控开关器件的发射极与第二二极管单元的阴极相连作为该模块的第二端口(B)；第一电容的阴极与第二电容的阳极相连于第三点；第一二极管单元的阴极、第三全控开关器件的集电极与第一电容的阳极相互连接，第二二极管单元的阳极、第二全控开关器件的发射极与第二电容的阴极相互连接，第一二极管的阳极、阴极分别接入第一点、第三点，第二二极管的阳极、阴极分别接入第三点、第二点；通过该模块的电流始终从第一端口流入、从第二端口流出，两端口间的电压差为该模块的端口电压。

所述第一电容和第二电容的额定工作电压相同，记为U_dc；第一、第二、第三、第四全控开关器件以及第一、第二二极管均采用额定工作电压为U_dc的开关器件；第一、第二二极管单元均分别采用额定电压为2U_dc的一个二极管，或者均分别由两个额定工作电压均为U_dc的二极管串联构成。

通过控制相应全控开关器件的导通与关断，使所述模块的端口电压的额定值在±2U_dc、±U_dc和0中的任意两者间切换。

本发明的特点及有益效果：

本发明提出的一种中点箝位三电平单极电流模块，是一种只允许单一方向电流通过的单相中点箝位三电平电压源模块，适于单电流方向应用场合：

本发明与可通过双向电流的中点箝位三电平电压源模块比较，所使用的全控开关器件可节省1/2；

本发明可构成仅通过单极电流的模块化多电平变流器，当输出相同正电平数目时，本发明使用的全控开关器件与半桥模块相同，并且仅通过附加少量二极管即可提供与正电平数目相同的负电平，有助于改善变流器在低电压和低频运行下直流电压的性能，并增加了变流器的直流故障闭锁能力；

与全桥模块，单极电压模块和箝位双模块相比，当输出相同电平数目时，本发明采用的全控开关器件数目更少，是全桥模块的1/2，是单极电压模块和箝位双模块的2/3，成本相对更低；

本发明提出的中点箝位三电平单极电流模块可输出双极性三电平电压，与输出相同正负电平数目的两个对角桥模块相比，中点箝位三电平单极电流模块采用的全控开关器件可以采用集成度更高的双管模块，更易于实现模块的集成化设计，结构更为紧凑。

附图说明

图1是本发明的中点箝位三电平单极电流模块结构图，其中图1(a)是基于逆阻型全控开关器件(如GTO、IGCT等)的模块结构图，图1(b)是基于逆导型全控开关器件(如IGBT)的模块结构图；

图2是本发明的二极管单元结构图，图2(a)、(b)是二极管单元D₁结构图，图2(c)、(d)是二极管单元D₂结构图

图3是由n个本发明所述中点箝位三电平单极电流模块相互串联构成的单极电流变流链的示意图。

图4是由本发明所述中点箝位三电平单极电流模块构成的模块化多电平变流器示意图。

具体实施方式

本发明提出的中点箝位三电平单极电流模块，结合附图和具体实施例对其结构和功能说明如下：

本发明提出的中点箝位三电平单极电流模块，其结构如图1(a)所示，包括四个全控开关器件T₁、T₂、T₃、T₄、两个二极管单元D₁、D₂、两个电容C₁、C₂以及两个二极管D₃、D₄；其中，T₁的发射极与T₂的集电极相连于E点，T₁的集电极与D₁的阳极相连，作为中点箝位三电平单极电流模块的一个端口A；T₃的发射极与T₄的集电极相连于F点，T₄的发射极与D₂的阴极相连，作为中点箝位三电平单极电流模块的另一个端口B；C₁的阴极与C₂的阳极相连于O点；D₁的阴极、T₃的集电极与C₁的阳极相互连接，D₂的阳极、T₂的发射极与C₂的阴极相互连接，D₃的阳极接入E点、D₃的阴极接入O点，D₄的阳极接入O点、D₄的阴极接入F点。

其中，C₁正极与负极之间的电压差为U_dc1，C₂正极与负极之间的电压差为U_dc2，通过中点箝位三电平单极电流模块的电流i_SM，其方向始终从端口A流入，从端口B流出，端口A、B之间的电压差为中点箝位三电平单极电流模块的端口电压u_SM。

电容C₁与电容C₂的额定工作电压彼此相同，即U_dc1＝U_dc2＝U_dc；T₁、T₂、T₃、T₄、D₃、D₄均采用适于额定工作电压为U_dc的开关器件；D₁、D₂可分别采用额定工作电压为2U_dc的一个二极管，也可分别由两个额定工作电压均为U_dc的二极管串联构成。二极管单元D₁可由1个二极管D₁₁构成，见图2(a)，D₁₁的阴极为D₁的阴极，D₁₁的阳极为D₁的阳极，D₁₁的额定工作电压为2U_dc；D₁也可由二极管D₁₁和D₁₂串联构成，见图2(b)，D₁₁的阴极作为D₁的阴极，D₁₁的阳极与D₁₂的阴极相连，D₁₂的阳极作为D₁的阳极，D₁₁、D₁₂的额定工作电压均为U_dc。二极管单元D₂可由1个二极管D₂₁构成，见图2(c)，D₂₁的阴极为D₂的阴极，D₂₁的阳极为D₂的阳极，D₂₁的额定工作电压为2U_dc；D₂也可由二极管D₂₁和D₂₂串联构成，见图2(d)，D₂₁的阴极作为D₂的阴极，D₂₁的阳极与D₂₂的阴极相连，D₂₂的阳极作为D₂的阳极，D₂₁、D₂₂的额定工作电压均为U_dc。

所述全控开关器件T₁、T₂、T₃、T₄可采用逆阻型全控电力电子开关器件，典型如集成门极换流晶闸管(IGCT)或门极可关断晶闸管(GTO)，全控开关器件内部不包括续流二极管，对应中点箝位三电平单极电流模块的结构图如图1(a)。

所述全控开关器件T₁、T₂、T₃、T₄亦可采用逆导型全控电力电子开关器件，典型如绝缘门极双极型晶体管(IGBT)，每个全控开关器件内部包括一个续流二极管，续流二极管的阳极与全控开关器件的发射极相连，续流二极管的阴极与全控开关器件的集电极相连，对应中点箝位三电平单极电流模块的结构图如图1(b)，其中T₁内部的续流二极管为D_1e、T₂内部的续流二极管为D_2e、T₃内部的续流二极管为D_3e、T₄内部的续流二极管为D_4e。

本发明提出的中点箝位三电平单极电流模块只能流通从A端口流向B端口的电流，当T₁、T₂、T₃和T₄均关断时，模块端口电压u_SM近似等于2U_dc；当T₁导通、T₂、T₃和T₄关断，或T₄导通、T₁、T₂和T₃关断时，模块端口电压u_SM近似等于U_dc；当T₂关断、T₁、T₃和T₄导通，或T₃关断、T₁、T₂和T₄导通时，模块端口电压u_SM近似等于-U_dc；当T₁、T₂、T₃和T₄均导通时，模块端口电压u_SM近似等于-2U_dc；当T₁、T₂导通、T₃、T₄关断，或T₁、T₂关断、T₃、T₄导通，或T₁、T₄导通，T₂、T₃关断时，模块端口电压u_SM近似等于0。

将本发明提出的中点箝位三电平单极电流模块多个相互串联，可构成单极电流变流链10。如图3所示，是由n(n为大于1的自然数)个中点箝位三电平单极电流模块串联构成的单极电流变流链10，其中第一个箝位中点三电平单极电流模块M₁的A端口作为变流链的一个端点H₁，M₁的B端口接入第二个箝位中点三电平单极电流模块M₂的A端口，第k(k＝1,2，…，n-1)个箝位中点三电平单极电流模块M_k的B端口接入第k+1个箝位中点三电平单极电流模块M_k+1的A端口，第n个箝位中点三电平单极电流模块M_n的B端口作为单极电流变流链的另一个端点H₂；H₁与H₂之间的电压差为单极电流变流链10的端口电压U_SM。

在所述单极电流变流链10中，流经电流i_SM的方向始终从H₁端流向H₂端，其中流经第k个中点箝位三电平单极电流模块M_k的电流方向，始终从M_k的A端口流入，从B端口流出。令第k个(k＝1,2，…，n-1)中点箝位三电平单极电流模块的端口电压为u_SMk，如前所述，控制M_k中全控开关器件T₁、T₂、T₃、T₄的关断和导通状态，可使得M_k的端口电压u_SMk近似等于±2U_dc、±U_dc、0共计五种电平；相应地，n个中点箝位三电平单极电流模块中每个模块的端口电压均可得到上述五种电平；由于n个中点箝位三电平单极电流模块相互串联，该变流链的端口电压U_SM为n个中点箝位三电平单极电流模块端口电压之和，故该变流链的端口电压U_SM能够形成近似±2n·U_dc、±(2n-1)·U_dc、±(2n-2)·U_dc、±3U_dc、±2U_dc、±U_dc、0，共4n+1个电平。

作为中点箝位三电平单极电流模块和单极电流变流链10的一种应用实施例，由单极电流变流链10可进一步构成模块化多电平变流器。

如图4所示，所述模块化多电平变流器30、40通常由结构相同的三相A,B,C及直流侧正极DC+、直流侧负极DC-构成；每相均由上、下两个相同桥臂串联构成，每个桥臂均由1台滤波电抗器L与1个单极电流变流链10或1个中点箝位三电平单极电流模块相互串联构成；各相上桥臂正极端P+作为该相直流侧正极端，各相下桥臂负极端N-作为该相直流侧负极端；变流器各相的直流侧正极端共同连接形成变流器的直流侧正极DC+，变流器各相的直流侧负极端共同连接形成变流器的直流侧负极DC-；每相上桥臂负极端P-与下桥臂正极端N+的连接点分别为每相交流侧端Ac,Bc,Cc；Ac,Bc,Cc分别与交流电压每相线端Ag,Bg,Cg连接。

模块化多电平变流器30的每个桥臂电流i_SM的方向，与桥臂中的变流链10或单极电流模块的电流方向相同，始终从桥臂正极端P+流向桥臂负极端N-，变流器30的功率始终从直流侧流向交流侧；模块化多电平变流器40的每个桥臂电流i_SM的方向，与桥臂中的变流链10或单极电流模块的电流方向相反，始终从桥臂负极端N-流向桥臂正极端P+，40的功率始终从交流侧流向直流侧。

模块化多电平变流器30、40亦可用结构相同的两相构建或一般而言可以多相构建。