谐振变换器及其开关模块、直流输电系统的制作方法

1.本技术涉及电力传输领域，尤其涉及一种谐振变换器及其开关模块、直流输电系统。


背景技术：

2.直流(hvdc)输电技术始于20世纪20年代，目前已经经历了三次技术革新。相比于传统的交流输配电技术，新型直流输配电技术以其独特的优势在大容量远距离输电、直流智能微电网、高速轨道交通以及海洋观测站等领域有着广阔的应用前景。直流变换器是直流输配电领域的关键技术之一。模块化多电平变换器技术因其高可靠性和低损耗的优点在直流输电领域得到越来越多的应用。
3.目前，模块化多电平变换器的开关模块作为实现将直流电转换为正弦或余弦波交流电的关键零部件，多个开关模块串联使用，利用阶梯波逼近正弦波的原理，每个变换器中存在多个开关模块。
4.但是，现有技术中开关模块一般是焊接在电路板上的，在变换器安装之后，如果任意一个开关模块出现了不可逆的损坏，将会导致整个变换器不能正常工作，即现有技术中模块化多电平变换器无法在有限个数的开关模块出现故障时仍然正常工作，容错率低，导致直流输电系统可靠性差，安全性较低。


技术实现要素：

5.本技术提供一种谐振变换器及其开关模块、直流输电系统，以解决现有技术中模块化多电平变换器的开关模块损坏时无法维持正常工作，导致直流输电系统可靠性差，安全性较低的技术问题。
6.第一方面，本技术提供一种谐振变换器的开关模块，包括：
7.第一开关管、第二开关管、电容以及旁开模块，第一开关管与第二开关管串联组成半桥臂结构，电容的正极与第一开关管的输入端相连，电容的负极与第二开关管的输出端相连，第一开关管的输出端为开关模块的高电位端，第二开关管的输出端为开关模块的低电位端；
8.旁开模块的输入端与高电位端连接，旁开模块的输出端与低电位端连接，旁开模块用于控制开关模块与模块化多电平谐振变换器中的连接开关状态。
9.在一种可能的设计中，旁开模块包括第三开关管，第三开关管的输入端与高电位端连接，第三开关管的输出端与低电位端连接。
10.可选的，开关模块还包括：续流模块；续流模块的输入端与高电位端相连，续流模块的输出端与电容的正极相连，续流模块用于给电容提供续流回路。
11.在一种可能的设计中，续流模块包括续流二极管，续流二极管的输入端与高电位端相连，续流二极管的输出端与电容的正极相连。
12.可选的，续流二极管包括至少两个并联的二极管，二极管的输入端与高电位端相
连，二极管的输出端与电容的正极相连。
13.可选的，第一开关管包括至少两个并联的功率开关管。
14.可选的，第二开关管包括至少两个并联的功率开关管。
15.可选的，第三开关管包括至少两个并联的功率开关管。
16.可选的，功率开关管包括：绝缘栅双极型晶体管igbt以及金属
‑
氧化物半导体场效应晶体管mosfet。
17.第二方面，本技术提供一种谐振变换器，包括：
18.均压模块、上桥臂模块、下桥臂模块、振荡模块、变压器以及整流模块；
19.均压模块包括串联的第一均压电容与第二均压电容；
20.上桥臂模块与下桥臂模块串联；
21.振荡模块的第一端连接在第一均压电容与第二均匀电容之间，振荡模块的第二端连接在上桥臂模块与下桥臂模块之间，并且振荡模块与变压器串联；
22.整流模块与变压器的副级连接；
23.上桥臂模块和/或下桥臂模块包括至少一个第一方面中任意一种可能的开关模块。
24.在一种可能的设计中，上桥臂模块和/或下桥臂模块还包括：桥臂电感。
25.可选的，振荡模块包括lc振荡电路，上桥臂模块、下桥臂模块、振荡电路以及变压器构成llc振荡电路结构，或者桥臂电感、振荡电路以及变压器构成llc振荡电路结构。
26.可选的，上桥臂模块和/或下桥臂模块中至少包括两个串联开关模块，串联开关模块的数量大于或等于模块化多电平谐振变换器正常工作时所需要的串联开关模块数量。
27.第三方面，本技术提供一种直流输电系统，包括：
28.输电端、低压用电端以及上述第二方面任意一种可能的谐振变换器，输电端输出的直流电经过谐振变换器降压后，谐振变换器输出低压直流电给低压用电端供电。
29.本技术提供了一种谐振变换器及其开关模块、直流输电系统，通过开关模块中的旁开模块控制开关模块是否接入到谐振变换器的桥臂结构中，以此利用多个开关模块的冗余安装布置，使得谐振变换器在一个或几个开关模块出现故障时，能够在不影响正常工作的情况下直接切换备用的开关模块，替换掉损坏的开关模块。解决了现有技术中模块化多电平变换器的开关模块损坏时无法维持正常工作，导致直流输电系统可靠性差，安全性较低的技术问题，达到了保证谐振变换器的容错率，提高谐振变换器使用寿命，提高直流输电网络系统安全性的技术效果。
附图说明
30.为了更清楚地说明本技术或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1为本技术提供的第一种mmc开关模块sm的结构示意图；
32.图2为本技术提供的第二种mmc开关模块sm的结构示意图；
33.图3为本技术提供的第三种mmc开关模块sm的结构示意图；
34.图4为本技术提供的第四种mmc开关模块sm的结构示意图；
35.图5a
‑
5d为本技术提供的mmc开关模块sm中电流回路示意图；
36.图6为本技术提供的一种mmc模块化多电平谐振变换器的结构示意图；
37.图7为本技术提供的另一种mmc模块化多电平谐振变换器的结构示意图；
38.图8为本技术提供的高压直流输电系统的结构示意图。
具体实施方式
39.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术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技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，包括但不限于对多个实施例的组合，都属于本技术保护的范围。
40.本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
41.下面对本技术实施例所涉及到的专业术语进行解释介绍。
42.mmc(modular multilevel converter，模块化多电平变换器)：是一种新型的多电平变换器结构，它继承了级联式多电平结构的优点，并用充电电容来代替独立电源，克服了二电平，三电平难以再向多电平发展的不足，同时也降低了每个开关模块所需要承担的应力，包括电压和/或电流。mmc由多个结构相同的子模块(sub
‑
module,sm)级联构成。子模块的结构可以分为半h桥型、全h桥型和双箝位型子模块型三种。其中，以半h桥型子模块在目前工程中应用最为普遍，但是其不具备直流故障穿越能力，需要依靠交流断路器实现故障电流的切除。
43.lc谐振电路：是包含一个电感(用字母l表示)和一个电容(用字母c表示)串联连接在一起的电路。该电路可以用作电谐振器，储存电路共振时振荡的能量。谐振也称为共振。
44.llc谐振电路：是一种通过控制开关频率(频率调节)来实现输出电压恒定的谐振电路，包含两电感(用字母lr和lm表示)和电容(用字母c表示)和。它的优点是：实现变压器原边两个主开关管(如mos管)的零电压开通(zvs)和副边整流二极管的零电流关断(zcs)，通过软开关技术，可以降低电源的开关损耗，提高功率变换器的效率和功率密度。
45.相比于传统的交流输配电技术，新型直流输配电技术(高压直流(hvdc)输电技术)以其独特的优势在大容量远距离输电、直流智能微电网、高速轨道交通以及海洋观测站等领域有着广阔的应用前景。高压直流变换器是直流输配电领域的关键技术之一。模块化多电平谐振变换器mmc技术因其高可靠性和低损耗的优点在高压直流输电领域得到越来越多的应用。
46.目前，现有技术中模块化多电平变换器的开关模块sm作为实现将直流电转换为正
弦或余弦波交流电的关键零部件，多个开关模块sm以串联的方式级联使用，利用多个充电电容产生阶梯波来逼近正弦波，每个变换器中存在多个开关模块sm。而开关模块sm的数量等于阶梯波数或者说是电平数。
47.但是，现有技术中开关模块sm一般是焊接在电路板上的，在变换器安装之后，如果任意一个开关模块出现了不可逆的损坏，将会导致整个变换器不能正常工作，即现有技术中模块化多电平变换器无法在有限个数的开关模块出现故障时仍然正常工作，容错率低，导致高压直流输电系统可靠性差，安全性较低。
48.为解决上述问题，本技术提出了一种新型的模块化多电平变换器的开关模块，该开关模块具备旁开模块，利用旁开模块来控制开关模块是否接入到谐振变化器中，这样就可以在谐振变换器中布置比正常工作所需的开关模块数要多的开关模块，多出来的这部分冗余开关模块就可以作为后备，当一部分开关模块损坏时，这部分后备的开关模块就可以通过旁开模块接入到谐振变换器的工作电路中，顶替损坏的开关模块，而损坏的开关模块也可以通过旁开模块切除出谐振变换器的工作电路，以保障谐振变换器不会受到该损坏开关模块的影响。
49.图1为本技术提供的第一种mmc开关模块sm的结构示意图。如图1所示，该开关模块包括：第一开关管101、第二开关管102、电容103以及旁开模块104，第一开关管101与第二开关管102串联组成半桥臂结构，电容103的正极与第一开关管101的输入端相连，电容103的负极与第二开关管102的输出端相连，第一开关管101的输出端为开关模块的高电位端，第二开关管102的输出端为开关模块的低电位端；
50.旁开模块104的输入端与高电位端连接，旁开模块104的输出端与低电位端连接，旁开模块104用于控制开关模块与模块化多电平谐振变换器中的连接开关状态。
51.需要说明的是，第一开关管101与第二开关管102包括功率开关管以及与其反向并联的二极管。在一种可能的设计中，功率开关管以及与其反向并联的二极管集成在一个单独的元器件中。电容103包括至少一个独立封装的电容元器件。
52.可选的，为了降低对功率开关管的耐流值要求，上述第一开关管101和/或第二开关管102可以是多个(至少两个)功率开关管并联组成的。为了降低对功率开关管的耐压值要求，上述第一开关管101和/或第二开关管102可以是多个(至少两个)功率开关管串联组成的。可以理解的是，为了使得开关模块的使用范围能够适应多种耐压和耐流值的要求，也可以是多个功率开关管混联，通过动态控制部分功率开关管常开或者常闭来动态变换成并联或串联的结构。
53.本实施例提供了一种谐振变换器的开关模块，通过开关模块中的旁开模块控制开关模块是否接入到谐振变换器的桥臂结构中，以此利用多个开关模块的冗余安装布置，使得谐振变换器在一个或几个开关模块出现故障时，能够在不影响正常工作的情况下直接切换备用的开关模块，替换掉损坏的开关模块。解决了现有技术中模块化多电平变换器的开关模块损坏时无法维持正常工作，导致高压直流输电系统可靠性差，安全性较低的技术问题，达到了保证谐振变换器的容错率，提高谐振变换器使用寿命，提高直流高压输电网络系统安全性的技术效果。
54.在一种可能的设计中，旁开模块104包括第三开关管，第三开关管的输入端与高电位端连接，第三开关管的输出端与低电位端连接。
55.图2为本技术提供的第二种mmc开关模块sm的结构示意图。如图2所示，该开关模块包括：第一开关管201、第二开关管202、电容203以及第三开关管204，第一开关管201与第二开关管202串联组成半桥臂结构，电容203的正极与第一开关管201的输入端相连，电容203的负极与第二开关管202的输出端相连，第一开关管201的输出端为开关模块的高电位端，第二开关管202的输出端为开关模块的低电位端；
56.第三开关管204的输入端与高电位端连接，第三开关管204的输出端与低电位端连接，第三开关管204用于控制开关模块与模块化多电平谐振变换器中的连接开关状态。
57.上述实施例中第三开关管204为旁开模块104最为简单的实现结构，本领域技术人员可以根据实际情况为第三开关管并联其它的元器件，如反向并联二极管以避免第三开关管中的二极管出现损坏时无法实现旁开模块的控制接入与否的功能的情况。
58.可选的，第一开关管201，和/或第二开关管202，和/或第三开关管204包括至少两个并联的功率开关管。
59.需要说明的是，功率开关管包括：绝缘栅双极型晶体管igbt以及金属
‑
氧化物半导体场效应晶体管mosfet。
60.本实施例提供了一种谐振变换器的开关模块，通过开关模块中的旁开模块即第三开关管，控制开关模块是否接入到谐振变换器的桥臂结构中，以此利用多个开关模块的冗余安装布置，使得谐振变换器在一个或几个开关模块出现故障时，能够在不影响正常工作的情况下直接切换备用的开关模块，替换掉损坏的开关模块。解决了现有技术中模块化多电平变换器的开关模块损坏时无法维持正常工作，导致高压直流输电系统可靠性差，安全性较低的技术问题，达到了保证谐振变换器的容错率，提高谐振变换器使用寿命，提高直流高压输电网络系统安全性的技术效果。
61.在一种可能的设计中，为了在第一开关管的体二极管(即与功率开关管反向并联的二极管或者是功率开关管中含有的体二极管)损坏时，仍然能够为电容充电，或者是减小体二极管中的电流，以降低第一开关管的功率损耗，减少第一开关管的发热量，在开关模块中给第一开关管并联一个续流模块，具体如图3所示。
62.图3为本技术提供的第三种mmc开关模块sm的结构示意图。如图3所示，该开关模块包括：第一开关管301、第二开关管302、电容303、旁开模块304以及续流模块305，第一开关管301与第二开关管302串联组成半桥臂结构，电容303的正极与第一开关管301的输入端相连，电容303的负极与第二开关管302的输出端相连，第一开关管301的输出端为开关模块的高电位端，第二开关管302的输出端为开关模块的低电位端；
63.旁开模块304的输入端与高电位端连接，旁开模块304的输出端与低电位端连接，旁开模块304用于控制开关模块与模块化多电平谐振变换器中的连接开关状态；
64.续流模块305的输入端与高电位端相连，续流模块的输出端与电容303的正极相连，续流模块用于给电容303提供续流回路。
65.可选的，续流模块305包括续流二极管，续流二极管的输入端与高电位端相连，续流二极管的输出端与电容的正极相连。具体如图4所示。
66.图4为本技术提供的第四种mmc开关模块sm的结构示意图。如图4所示，该开关模块包括：第一开关管401、第二开关管402、电容403、第三开关管404以及续流二极管405，第一开关管401与第二开关管402串联组成半桥臂结构，电容403的正极与第一开关管401的输入
端相连，电容403的负极与第二开关管402的输出端相连，第一开关管401的输出端为开关模块的高电位端，第二开关管402的输出端为开关模块的低电位端；
67.第三开关管404的输入端与高电位端连接，第三开关管404的输出端与低电位端连接，第三开关管404用于控制开关模块与模块化多电平谐振变换器中的连接开关状态；
68.续流二极管405的输入端与高电位端相连，续流二极管的输出端与电容403的正极相连，续流二极管用于给电容403提供续流回路。
69.可选的，为降低每个续流二极管的耐流值要求，续流二极管包括至少两个并联的二极管，二极管的输入端与高电位端相连，二极管的输出端与电容的正极相连。同理，若要降低耐压值要求，续流二极管包括至少两个串联的二极管。可以理解的是，本技术也可以包括至少三个二极管串并联混联的情况。
70.为了具体说明，旁开模块和续流模块的具体作用，下面结合图5a
‑
5d来具体说明其工作原理及效果。
71.在mmc谐振变换器正常工作时，开关模块只能够处于投入或切除状态，而闭锁状态在正常工作时是不允许出现的。而当开关模块由于外在因素造成不可恢复故障的情况下，如第二开关管损坏，可通过旁开模块实现开关模块从整个mmc谐振变换器系统中快速、可靠地切除，实现开关模块冗余备用，无需通过停机进行开关模块的替换，同时，当开关模块故障导致第一开关管损坏时，系统可通过续流模块进行续流，增加了系统的容错能力。
72.图5a
‑
5d为本技术提供的mmc开关模块sm中电流回路示意图。如图5a
‑
5b所示，当开关模块工作在切除状态时，正常情况下，通过闭合开关模块中的第二开关管402实现开关模块中电容403的切除，但当第二开关管402中的功率器件(igbt或mosfet)损坏时(图5a虚线元器件)，可通过旁开模块实现子模块的切除，mmc谐振变换器其它开关模块的电容403充电时电流经过第三开关管404中的功率器件，开关模块电流工作回路如图5a所示。
73.当第二开关管402中的功率器件的体二极管或反向并联二极管损坏时(图5b虚线元器件)，mmc谐振变换器其它开关模块的电容403放电时电流经过第三开关管404的功率器件的体二极管或反向并联二极管，模块电流工作回路如图5b所示。
74.当开关模块工作在投入状态且电容403充电时，需要续流回路对开关模块电容进行充电。当第一开关管401中的功率器件的体二极管或反向并联二极管损坏时(图5c虚线元器件)损坏情况下，电流可经过续流二极管405对开关模块的电容403进行充电，如图5c所示。
75.当开关模块工作在投入状态且电容403放电时，需要续流回路对开关模块电容进行放电。当第一开关管401中的功率器件的体二极管或反向并联二极管损坏时(图5d虚线元器件)损坏情况下，电流可经过第一开关管401中的功率器件对开关模块的电容403进行放电，如图5d所示。
76.图6为本技术提供的一种mmc模块化多电平谐振变换器的结构示意图。如图6所示，该谐振变换器600，包括：
77.均压模块601、上桥臂模块602、下桥臂模块603、振荡模块604、变压器605以及整流模块606；
78.均压模块包括串联的第一均压电容6011与第二均压电容6012；
79.上桥臂模块602与下桥臂模块603串联；
80.振荡模块604的第一端连接在第一均压电容6011与第二均匀电容6012之间，振荡模块604的第二端连接在上桥臂模块602与下桥臂模块603之间，并且振荡模块604与变压器605串联；
81.整流模块606与变压器605的副级连接；
82.上桥臂模块602和/或下桥臂模块603包括至少一个上述各个mmc开关模块sm实施例中任意一种可能的开关模块sm。
83.图7为本技术提供的另一种mmc模块化多电平谐振变换器的结构示意图。如图7所示，该谐振变换器700，包括：
84.均压模块701、上桥臂模块702、下桥臂模块703、振荡模块704、变压器705以及整流模块706；
85.均压模块包括串联的第一均压电容7011与第二均压电容7012；
86.上桥臂模块702与下桥臂模块703串联；
87.上桥臂模块702包括：上桥臂电感lp以及多个开关模块sm；
88.下桥臂模块703包括：下桥臂电感ln以及多个开关模块sm；
89.振荡模块704的第一端连接在第一均压电容7011与第二均匀电容7012之间，振荡模块704的第二端连接在上桥臂模块702与下桥臂模块703之间，并且振荡模块704与变压器705串联；
90.整流模块706与变压器705的副级连接；
91.整流模块706为h桥整流模块；
92.振荡模块包括：lc振荡电路，上桥臂模块、下桥臂模块、振荡电路以及变压器构成llc振荡电路结构，或者桥臂电感、振荡电路以及变压器构成llc振荡电路结构。
93.需要说明的是，串联的开关模块sm的数量大于或等于mmc谐振变换器正常工作时所需要的串联开关模块数量。这样就能够实现谐振变换器中开关模块的冗余，在某个或某几个开关模块损坏时，无需停机更换，即可直接将冗余的开关模块替换损坏的开关模块，以提高谐振变换器的容错率和工作可靠性。
94.图8为本技术提供的高压直流输电系统的结构示意图。如图8所示，该高压直流输电系统包括：高压输电端801、低压用电端802以及谐振变换器803，高压输电端801可以理解为用于产生高压直流电的电路结构，低压用电端包括多个低压用电设备，高压输电端801与低压用电端802之间的地理位置相距较远，如几十公里或几百上千公里。谐振变换器803为图6或图7所示的任意一种可能的谐振变换器。
95.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的范围。