一种桥臂电抗带互感的模块化多电平换流器的制作方法

本发明涉及一种桥臂电抗带互感的模块化多电平换流器，属于电力变换技术领域。

背景技术：

自从模块化多电平换流器的拓扑结构被提出以来，获得了人们的广泛关注，其采用模块化设计，工程技术难度低，电压等级很容易扩展，采用多电平技术，其交流侧电压畸变小，从而可以省去交流滤波器，因此，模块化多电平换流器在柔性直流输电中获得了广泛的应用。当模块化多电平换流器接入电网时，其桥臂电抗器有三个作用：1.对于直流侧来说，上下桥臂的电抗器串联连接，当直流侧发生故障时，用以限制故障电流的上升率；2.对于交流侧来说，上下桥臂的电抗器并联连接，接入模块化多电平换流器与电网之间，作为连接电抗器；3.限制相单元之间的环流电流。

但是当模块化多电平换流器为无源系统供电时，其交流侧等效电抗相当于电源的内电抗，在运行过程中，会消耗较大的无功功率，因此，如果能够减小交流侧的等效电抗，那么在为相同功率的负载供电时，其模块化多电平换流器的容量就会有所降低。但是同时要保证直流侧的等效电抗基本维持不变。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种桥臂电抗带互感的模块化多电平换流器，在已有技术的基础上，使上桥臂电抗器与下桥臂，对于交流侧来说，互感会使上桥臂电感与下桥臂电感相互抵消，从而使交流侧的等效电感减小；对于直流侧来说，互感会使上桥臂电感与下桥臂电感相互增强，从而使直流侧的等效电感增大。

本发明提出的桥臂电抗带互感的模块化多电平换流器，包括第一换流臂、第二换流臂、第三换流臂、第四换流臂、第五换流臂、第六换流臂、第一电感、第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第五电感和第六电感；所述的第一换流臂、第三换流臂和第五换流臂的正极端连接到一起，作为桥臂电抗带互感的模块化多电平换流器的直流正极端；第二换流臂、第四换流臂和第六换流臂的负极端连接到一起，作为桥臂电抗带互感的模块化多电平换流器的直流负极端；第一换流臂的负极端与第一电感L₁的上端相连，第三换流臂的负极端与第三电感L3的上端相连，第五换流臂的负极端与第五电感L5的上端相连，第二换流臂的正极端与第二电感L2的下端相连，第四换流臂的正极端与第四电感L4的下端相连，第六换流臂的正极端与第六电感L6的下端相连；第一电感L1的下端与第二电感L2的上端相连，作为桥臂电抗带互感的模块化多电平换流器的交流侧A端，第三电感L3的下端与第四电感L4的上端相连，作为桥臂电抗带互感的模块化多电平换流器的交流侧B端，第五电感L5的下端与第六电感L6的上端相连，作为桥臂电抗带互感的模块化多电平换流器的交流侧C端；第一电感L1与第二电感L2之间有互感，互感大小为M，第一电感L1的上端和第二电感L2的上端为同名端，第三电感L3与第四电感L4之间有互感，互感大小为M，第三电感L3的上端和第四电感L4的上端为同名端，第五电感L5与第六电感L6之间有互感，互感大小为M，第五电感L5的上端和第六电感L6的上端为同名端。

上述模块化多电平换流器中，所述的第一换流臂、第二换流臂、第三换流臂、第四换流臂、第五换流臂和第六换流臂，分别由多个功率模块相互串联而成，相互串联的多个功率模块形成换流臂的一个正极端和一个负极端。

上述第一换流臂、第二换流臂、第三换流臂、第四换流臂、第五换流臂和第六换流臂中的功率模块为半桥型功率模块，包括第一直流电容C1、第一半导体开关T1、第二半导体开关T2、第一续流二极管D1和第二续流二极管D2；所述的第一半导体开关T1的集电极、第一续流二极管D1的负极和第一直流电容C1的正极相互连接；所述的第以半导体开关T1的发射极、第一续流二极管D1的正极、第二半导体开关T2的集电极和第二续流二极管D2的负极相互连接，作为半桥型功率模块的正极端；所述的第二半导体开关T2的发射极、第二续流二极管D2的正极和第一直流电容C1的负极相连，作为半桥型功率模块的负极端。

上述第一换流臂、第二换流臂、第三换流臂、第四换流臂、第五换流臂和第六换流臂中的功率模块也可以为全桥型功率模块，包括第二直流电容C2、第三半导体开关T3、第四半导体开关T4、第五半导体开关T5、第六半导体开关T6、第三续流二极管D3、第四续流二极管D4、第五续流二极管D5和第六续流二极管D6；所述的第三半导体开关T3的集电极、第三续流二极管D3的负极、第五半导体开关T5的集电极、第五续流二极管D5的负极和第二直流电容C2的正极相互连接；所述的第四半导体开关T4的发射极、第四续流二极管D4的正极、第六半导体开关T6的发射极、第六续流二极管D6的正极和第二直流电容C2的负极相互连接；所述的第三半导体开关T3的发射极、第三续流二极管D3的正极、第四半导体开关T4的集电极和第四续流二极管D4的负极相互连接后作为全桥型功率模块的正极端；所述的第五半导体开关T5的发射极、第五续流二极管D5的正极、第六半导体开关T6的集电极、第六续流二极管D6的负极相连，作为全桥型功率模块的负极端。

本发明提出的桥臂电抗带互感的模块化多电平换流器，其优点是：

1、本发明的桥臂电抗带互感的模块化多电平换流器，由于交流侧等效电感大幅减小，使模块化多电平换流器在给无源系统供电时，其内电抗大幅减小，从而减小了内电抗的无功消耗，从而在给相同功率的负荷供电时，可以使模块化多电平换流器提供的功率减小，所以，模块化多电平换流器的成本降低了，损耗减小了，体积也有所减少。

2、本发明的桥臂电抗带互感的模块化多电平换流器与普通的模块化多电平换流器相比，桥臂电抗器由6个，减少到了3个，每个电抗器的体积也有所减小，从而降低了成本、体积和损耗。

3、本发明的桥臂电抗带互感的模块化多电平换流器与普通的模块化多电平换流器相比，其体积更小，在空间狭小的应用场景中，有较大的优势，比如海上风电场的海上换流站。

4、本发明的桥臂电抗带互感的模块化多电平换流器，对于直流侧以及相单元之间，其等效电抗较大，与普通的模块化多电平换流器并无区别，仍然可以限制直流侧故障电流的上升率，可以限制相单元间的环流电流。

附图说明

图1是本发明的桥臂电抗带互感的模块化多电平换流器的电路原理图。

图2是1所示的模块化多电平换流器中换流臂的电路原理图。

图3是图2所示的换流臂中功率模块的一种电路原理图。

图4是图2所示的换流臂中功率模块的另一种电路原理图。

具体实施方式

本发明提出的桥臂电抗带互感的模块化多电平换流器，其电路原理图如图1所示，包括第一换流臂、第二换流臂、第三换流臂、第四换流臂、第五换流臂、第六换流臂、第一电感、第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第五电感和第六电感；所述的第一换流臂、第三换流臂和第五换流臂的正极端连接到一起，作为桥臂电抗带互感的模块化多电平换流器的直流正极端；第二换流臂、第四换流臂和第六换流臂的负极端连接到一起，作为桥臂电抗带互感的模块化多电平换流器的直流负极端；第一换流臂的负极端与第一电感(L₁)的上端相连，第三换流臂的负极端与第三电感(L₃)的上端相连，第五换流臂的负极端与第五电感(L₅)的上端相连，第二换流臂的正极端与第二电感(L₂)的下端相连，第四换流臂的正极端与第四电感(L₄)的下端相连，第六换流臂的正极端与第六电感(L₆)的下端相连；第一电感(L₁)的下端与第二电感(L₂)的上端相连，作为桥臂电抗带互感的模块化多电平换流器的交流侧A端，第三电感(L₃)的下端与第四电感(L₄)的上端相连，作为桥臂电抗带互感的模块化多电平换流器的交流侧B端，第五电感(L₅)的下端与第六电感(L₆)的上端相连，作为桥臂电抗带互感的模块化多电平换流器的交流侧C端；第一电感(L₁)与第二电感(L₂)之间有互感，互感大小为M，第一电感(L₁)的上端和第二电感(L₂)的上端为同名端，第三电感(L₃)与第四电感(L₄)之间有互感，互感大小为M，第三电感(L₃)的上端和第四电感(L₄)的上端为同名端，第五电感(L₅)与第六电感(L₆)之间有互感，互感大小为M，第五电感(L₅)的上端和第六电感(L₆)的上端为同名端。

上述模块化多电平换流器中的第一换流臂、第二换流臂、第三换流臂、第四换流臂、第五换流臂和第六换流臂，其结构相同，电路原理图如图2所示，分别由多个功率模块相互串联而成，相互串联的多个功率模块形成换流臂的一个正极端和一个负极端。

构成上述换流臂的功率模块可以为半桥型功率模块，其电路原理图如图3所示，包括第一直流电容C1、第一半导体开关T1、第二半导体开关T2、第一续流二极管D1和第二续流二极管D2；所述的第一半导体开关(T1)的集电极、第一续流二极管(D1)的负极和第一直流电容C1的正极相互连接；所述的第以半导体开关(T1)的发射极、第一续流二极管(D1)的正极、第二半导体开关(T2)的集电极和第二续流二极管(D2)的负极相互连接，作为半桥型功率模块的正极端；所述的第二半导体开关(T2)的发射极、第二续流二极管(D2)的正极和第一直流电容(C1)的负极相连，作为半桥型功率模块的负极端。

构成上述换流臂的功率模块也可以为全桥型功率模块，其电路原理图如图4所示，包括第二直流电容(C2)、第三半导体开关(T3)、第四半导体开关(T4)、第五半导体开关(T5)、第六半导体开关(T6)、第三续流二极管(D3)、第四续流二极管(D4)、第五续流二极管(D5)和第六续流二极管(D6)；所述的第三半导体开关(T3)的集电极、第三续流二极管(D3)的负极、第五半导体开关(T5)的集电极、第五续流二极管(D5)的负极和第二直流电容C2的正极相互连接；所述的第四半导体开关(T4)的发射极、第四续流二极管(D4)的正极、第六半导体开关(T6)的发射极、第六续流二极管(D6)的正极和第二直流电容(C2)的负极相互连接；所述的第三半导体开关(T3)的发射极、第三续流二极管(D3)的正极、第四半导体开关(T4)的集电极和第四续流二极管(D4)的负极相互连接后作为全桥型功率模块的正极端；所述的第五半导体开关(T5)的发射极、第五续流二极管(D5)的正极、第六半导体开关(T6)的集电极、第六续流二极管(D6)的负极相连，作为全桥型功率模块的负极端。

以下介绍本发明桥臂电抗带互感的模块化多电平换流器的工作原理：

从交流侧看，桥臂电抗带互感的模块化多电平换流器的等效电抗相当于上桥臂电抗的漏感与下桥臂电抗的漏感并联连接，从而大幅降低了交流侧的等效电抗，同时，从直流侧看，桥臂电抗带互感的模块化多电平换流器的等效电抗相当于上桥臂电抗、下桥臂电抗以及2倍的互感相加，因此，其直流侧等效电抗较大，可用于限制直流侧故障电流以及桥臂之间的环流电流。

桥臂电抗带互感的模块化多电平换流器的交流侧A相内电感为：

桥臂电抗带互感的模块化多电平换流器的交流侧B相内电感为：

桥臂电抗带互感的模块化多电平换流器的交流侧C相内电感为：

桥臂电抗带互感的模块化多电平换流器的直流侧A相内电感为：

L_A＝L₁+L₂+2M

桥臂电抗带互感的模块化多电平换流器的直流侧B相内电感为：

L_B＝L₃+L₄+2M

桥臂电抗带互感的模块化多电平换流器的直流侧C相内电感为：

L_C＝L₅+L₆+2M