一种模块化多电平换流器的制作方法

本实用新型涉及电力电子领域，具体而言，涉及一种模块化多电平换流器。

背景技术：

模块化多电平换流器是一种具有多电平拓扑结构的新型变换器，它通过将多个子模块级联的方式，可以叠加输出很高的电压，并且还具有输出谐波少、模块化程度高、开关损耗性低等特点。随着高压直流输电的普及，模块化多电平换流器在电力系统中具有广泛的应用前景以及研发价值。

发明人在研究过程中发现，现有的模块化多电平换流器因为其模块化封装性而无法进行内部故障检测，不便于对模块化多电平换流器进行更深入的分析研究。

针对上述模块化多电平换流器因封装性而无法进行内部故障检测的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型实施例的目的在于提供一种模块化多电平换流器，以方便直接的实现模块化多电平换流器的内部故障检测。

本实用新型实施例提供了一种模块化多电平换流器，其中，该模块化多电平换流器为三相六桥臂结构，每个桥臂均包括一个桥臂模型和与该桥臂模型串联的桥臂电抗器；其中，桥臂模型包括三个端口，三个端口中的第一端口通过桥臂电抗器与该桥臂模型相对的另一个桥臂模型连接，第二端口通过母线与外部系统连接，第三端口与模块化多电平换流器的外部故 障设置电路连接。

本实用新型实施例提供了第一种可能的实施方式，其中，上述桥臂模型至少包括两个级联的子模块。

结合第一种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第二种可能的实施方式，其中，上述第三端口设置于桥臂模型中任意两个级联的子模块之间。

本实用新型实施例提供了第三种可能的实施方式，其中，上述桥臂模型由第三端口划分为端口上方故障区和端口下方故障区。

结合第三种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第四种可能的实施方式，其中，上述端口下方故障区为模块化多电平换流器的控制器提供采集电流值。

本实用新型实施例提供了第五种可能的实施方式，其中，上述桥臂模型为一个具有三个外端口的封装整体。

本实用新型实施例提供了第六种可能的实施方式，其中，上述外部故障设置电路包括接地故障电路、短路故障电路和断路故障电路。

本实用新型实施例提供了第七种可能的实施方式，其中，上述六个桥臂模型分别选用不同种类的处理器板卡并行检测。

结合第七种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第八种可能的实施方式，其中，上述处理器板卡为实时数字仿真器RTDS处理器。

本实用新型实施例提供了第九种可能的实施方式，其中，上述桥臂电抗器为电感元件。

本实用新型实施例提供的一种模块化多电平换流器，在三相六桥臂的基础上，于六个桥臂所包括的各个桥臂模型均设置有三个端口，其中，桥臂模型的第一端口通过桥臂电抗器与该桥臂模型相对的另一个桥臂模型连 接，第二端口通过母线与外部系统连接，第三端口与外部故障设置电路连接。与现有技术中因桥臂模型完全封装而不便于进行内部故障检测的模块化多电平换流器相比，本实施例的模块化多电平换流器中的各个桥臂模型通过设置有第三端口，可以与外部故障设置电路连接，进而对模块化多电平换流器进行相关的故障检测，使得对模块化多电平换流器的故障检测更加方便直接。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本实用新型实施例所提供的一种模块化多电平换流器的结构示意图；

图2示出了本实用新型实施例所提供的一种模块化多电平换流器中桥臂模型的内部结构示意图；

图3示出了本实用新型实施例所提供的桥臂模型中的一种子模块结构示意图。

主要元件符号说明：

1—桥臂模型 2—桥臂电抗器 11—第一端口

12—第二端口 13—第三端口 14—端口上方故障区

15—端口下方故障区

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

考虑到现有的模块化多电平换流器因为其模块化封装性而无法进行内部故障检测，本实用新型实施例提供了一种模块化多电平换流器。下面通过实施例进行描述。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

实施例1

参见图1所示的一种模块化多电平换流器的结构示意图，该模块化多电平换流器为三相六桥臂结构，每个桥臂均包括一个桥臂模型1和与该桥臂模型1串联的桥臂电抗器2；其中，桥臂模型1包括三个端口，具体请参见图1中右侧虚线圆圈中示意的桥臂模型1的外部结构。上述三个端口中的第一端口11通过桥臂电抗器与桥臂模型相对的另一个桥臂模型连接，第二端口12通过母线与外部系统连接，第三端口13与模块化多电平换流器的外部故障设置电路连接。

为了能够更清楚的展示桥臂模型1的结构，具体的，请参见图2所示 的桥臂模型1的内部结构示意图，其中，每个桥臂模型1内部均由n个子模块串联而成，第三端口13可设置于子模块之间。

本实施例中的模块化多电平换流器所具有的六个桥臂模型1内部结构均如图2所示，在此不再重复说明。此外，每相中的桥臂模型1上下对称，且每个桥臂模型1具有三个端口，其中，第三端口13可以直接与外部故障设置电路连接，从而使得研究人员对模块化多电平换流器的故障检测更加方便直接。

为了实现桥臂模型1的功能，桥臂模型1所包括的上述子模块拓扑结构有多种，其中最典型的有两类，一类为全桥单元并联直流电容结构，另一类为半桥单元并联直流电容结构，在此以半桥单元并联直流电容结构为例进行说明。

请参见图3所示的一种子模块结构示意图，其中，桥臂模型1中的每个半桥子模块均由两个IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)串联(具体请参见图中的T1和T2)和一个直流储能电容C并联构成，此外，每个IGBT均各自并联一个二极管D。通过控制IGBT的通断可使子模块工作在不同的状态。具体的，子模块的工作状态可归类为三种，即锁闭状态，投入状态和切除状态。通过不同子模块各自的工作状态的叠加来使模块化多电平换流器实现预设的换流效果。

进一步，可将上述每个子模块视为一个可控电压源，通过控制两个IGBT的通断，使得子模块的端口输出电压在0和电容电压VC之间切换，从而实现将子模块从相应桥臂中投入或切除的效果，进而在模块化多电平换流器的交流输出端来合成多电平的电压波形。即通过控制子模块的工作状态来使输出端在不同时刻产生不同电平，进一步实现对输出电压的调制并采用合适的控制策略来获得所需的交流电压。可以根据实际情况选取子模块的其它结构，均可参照相关技术实现，在此不再赘述。

通过上述子模块的结构，使得桥臂模型1能够输出所需的多电平电压波形，更好的实现变换器的功能。

为了控制桥臂上的功率传输、滤波和抑制交流侧电流波动，需要在每相上下桥臂间串入桥臂电抗器2。此外，该桥臂电抗器2还可以用于抑制三相桥臂间环流和抑制短路时桥臂电流上升过快。

具体的，上述桥臂电抗器2可以为电感元件，可以根据模块化多电平换流器所在的实际应用环境来选取电感元件的电感值。通过在桥臂上串联桥臂电抗器2，可以更好的抑制桥臂环流、平稳桥臂电流值并对桥臂上的功率传输产生良好的控制效果。

为了对模块化多电平换流器进行相关的故障检测实验，需要在模块化多电平换流器的桥臂模型1中设置可以与外界故障设置电路相连接的故障点。因而上述桥臂模型1至少包括两个级联的子模块(即上述子模块的数量n大于等于2)，由此可以将第三端口13设置于桥臂模型1中任意两个级联的子模块之间。

其中，第三端口13的位置即为故障点的位置，该第三端口13的设置可以采取人工设置故障点的方式，也可以采取自动设置的方式，根据实际情况进行选取，在此不再赘述。通过在子模块之间设置第三端口13，可以将桥臂模型1与外部故障设置电路连接，进而将故障引入至桥臂模型1中以对模块化多电平换流器进行相关的故障检测和故障研究。

通过上述在桥臂模型1上设置第三端口13引入故障的方式，可以方便直接的实现模块化多电平换流器的内部故障检测，而不受模块化多电平换流器封装性的限制。

考虑到引入故障后，桥臂模型1内部相对于故障点不同位置的子模块受到的故障影响不同，因而在确定桥臂模型1中故障点位置后，利用该故障点将桥臂模型1中的众多级联子模块分为上下两部分，其中，故障点上 部分的多个级联子模块所流经的电流值和分担的电压值、功率等与流经故障点下部分的多个级联子模块的电流值和分担的电压值、功率等均不同。为了后续对相关值的区分与应用，因而可再参见图2所示的桥臂模型的内部结构示意图，其中，桥臂模型1由第三端口13划分为端口上方故障区14和端口下方故障区15，采用划分区域的方式使得在进行相关故障实验时，便于分区研究。

因上述故障点将桥臂模型1划分为端口上方故障区14和端口下方故障区15，而端口上下方故障区流经的电流不同；具体的，端口下方故障区15为模块化多电平换流器的控制器提供采集电流值，从而为控制器提供在故障情况下模块化多电平换流器的运行信息，便于控制器更好的对模块化多电平换流器进行调控。

为了使上述模块化多电平换流器高度集成化，桥臂模型1可以为一个具有三个外端口的封装整体，从而使该模块化多电平换流器的结构更精简，接线更简单。

考虑到要对模块化多电平换流器进行内部故障检测试验，从而设置第三端口13与外部故障设置电路相连接，其中，外部故障设置电路包括接地故障电路、短路故障电路和断路故障电路。具体故障电路的实现方式可以参照相关技术实现，在此不再赘述。

通过在不同的位置上连接不同类型的故障电路，来检测模块化多电平换流器在出现不同故障时的运行结果，从而在真实情况中，当模块化多电平换流器出现故障时，反推故障点的位置以及故障的类型，进而使研究人员对模块化多电平换流器能够进行更好的研究与应用。

考虑到如果只使用一个处理器，则处理信息的速度较慢，为了能够在短时间内处理大规模的模块化多电平换流器，本实施例中六个桥臂模型1可以分别选用不同种类的处理器板卡并行检测，通过将上述六个桥臂模型1 分配到不同的处理器板卡进行并行处理，从而加快了处理器对模块化多电平换流器的处理速度，也便于应用到具有众多数量子模块的大规模的模块化多电平换流器中。

在具体实现时，上述处理器板卡为RTDS(Real Time Digital Simulator，实时数字仿真器)处理器。其中，RTDS处理器在硬件上是采用高速DSP(Digital Signal Processor，数字信号处理器)芯片和并行处理结构以完成连续实时运行所需的快速运算。基于DSP的强大计算能力，RTDS能够实时计算电力系统状态并输出到工作站，并能够测试电力系统的装备或网络反应。

本实施例中的通过在模块化多电平换流器中设置具有三个端口的桥臂模型1，且三个端口中的第三端口13可以直接与外部故障设置电路连接，从而使得研究人员对模块化多电平换流器的故障检测更加方便直接。

应当注意的是，本实施例所提供的一种模块化多电平换流器在具体实现时，可以采用具有上述功能的模块或单元实现，这些模块或单元可以是物理上分开的或者物理上集成的，也可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例的目的。

实施例2

基于上述实施例1中所提供的模块化多电平换流器的实际构造，本实施例将上述实施例1中的模块化多电平换流器应用在终端上进行仿真，其中，该终端包括计算机、上位机等。具体的，对于上述模块化多电平换流器的仿真可以在实时数字仿真器RTDS所提供的开发环境CBuilder平台上进行。

本实施例所提供的仿真，其实现原理及产生的技术效果和前述实施例相同，为简要描述，本实施例部分未提及之处，可参考前述实施例中相应内容。

在上述CBuilder平台上搭建三相六桥臂结构的模块化多电平换流器仿真模型时，每个桥臂均包括一个桥臂模型和与该桥臂模型串联的桥臂电抗器；具体的，每个桥臂模型为一个具有三个端点的封装模型，其中的两个端点用于接入仿真系统；第三端点则设定为故障点，用于通过该端点引入诸如接地、短路或断路故障。

在实际实施时，桥臂模型在CBuilder平台上搭建时可以定义一个故障点位置参数变量，该故障点位置参数变量用于设置故障点在子模块之间的位置。当对桥臂模型中的子模块进行上下故障区分组时，可直接使用上述变量。当然，也可以由人工自主设置故障点的位置，以确定桥臂模型的第三端点。

上述第三端点将桥臂模型划分为端口上方故障区和端口下方故障区，为了得到准确的仿真结果，需要对桥臂模型进行等效。具体的，可以首先将每个子模块等效，建立各个子模块的戴维南等效模型，其次将属于同一故障区中的各个子模块的戴维南等效模型进行代数叠加，进而得到端口上方故障区和端口下方故障区的戴维南等效模型。应当注意的是，不同故障区中流经的电流不同，因此在建立各个故障区的等效模型时应采用各自故障区中子模块流经的电流值，并将端口下方故障区所流经的电流值作为参数提供至模块化多电平换流器的控制器；此外，CBuilder平台要求开发的电力系统模型为诺顿等效模型，因此还需要将上述故障区的戴维南等效模型转化为诺顿等效模型，具体的模型等效过程以及转换过程可参照相关技术实现，在此不再赘述。

在桥臂模型中确定故障点位置(即第三端口位置)时，可直接将第三端口与仿真系统中的故障模型相连接，该故障模型包括接地故障、短路故障和断路故障等，通过在不同的位置上连接不同类型的故障模型，以检测模块化多电平换流器在出现不同故障时的运行结果，从而在真实情况中模块化多电平换流器出现故障时，反推故障点的位置以及故障的类型，实现 对模块化多电平换流器更好的研究与应用。

为了能够在短时间内处理大规模的模块化多电平换流器，可以分别选用不同种类的处理器板卡对六个桥臂模型同时进行检测，其中，处理器板卡的分配方式可以选择自动选取，也可以选择自动分配方式。通过将上述六个桥臂模型分配到不同的处理器板卡进行并行处理，从而加快了处理器对模块化多电平换流器的处理速度，也便于应用到具有众多数量子模块的大规模的模块化多电平换流器中。

通过上述仿真方式，可以将实施例1中所提供的模块化多电平换流器在计算机上仿真模拟，有助于提前预测实际的模块化多电平换流器在接受故障检测时的运行效果，为研究人员通过对模块化多电平换流器进行内部故障仿真提供了更便利的研究条件。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。