CN104901570A - 模块化多电平换流器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模块化多电平换流器，包括至少一个由第一桥臂和第二桥臂构成的相单元；第一桥臂和第二桥臂均包括储能子模块和电抗器；第一桥臂中的储能子模块采用全桥子模块FBSM或类全桥子模块SFBSM；同时所述第二桥臂中的储能子模块采用半桥子模块HBSM；或者,第一桥臂中的储能子模块采用半桥子模块HBSM；同时所述第二桥臂中的储能子模块采用全桥子模块FBSM或类全桥子模块SFBSM，用于直流故障电流隔离。本发明相对全部采用半桥子模块的模块化多电平换流器，最优情况下可关断器件的数量仅需要增加了四分之一且相单元中仅有一个桥臂的开关损耗增加，在具有较高经济性的同时仍然具有直流线路故障隔离能力。

Description

模块化多电平换流器
技术领域
本发明属于电力电子领域，特别涉及模块化多电平换流器。
背景技术
模块化多电平换流器是近几年备受关注的一种新型适用于高压应用场合的换流器，它采用子模块级联的方式，通过分别控制每个子模块的状态，可以使换流器输出的交流电压逼近正弦波，从而降低输出电压中的谐波含量，它的出现解决了两电平电压源换流器存在的串联均压问题，具有广阔的应用前景。
采用半桥子模块为基本功率单元的模块化换流器在发生直流双极短路故障后，由于二极管的续流效应，不能依靠自身快速控制实现直流故障自清除。采用全桥子模块为基本功率单元的模块化换流器能够实现直流双极短路故障清除，但IGBT的数量增加了一倍，造价和开关损耗均较大。为了减少造价，一种换流器及其控制方法(专利申请阶段，申请公布号：201310179826.4)提出了采用类全桥拓扑结构的换流器，IGBT的数量也需要增加了一半，造价相对全桥子模块减少，但开关损耗仍较大。
为了实现较高的经济性，换流器的造价及运行损耗是重要的考核指标，因此有必要提出一种造价及运行损耗均较优，同时具有直流双极短路故障清除能力的换流器。
发明内容
本发明的目的，在于提供模块化多电平换流器，本模块化多电平换流器造价及运行损耗均较优，同时具有直流双极短路故障清除能力。
为了达成上述技术目的，本发明采用的技术方案是：模块化多电平换流器，包括至少一个相单元,所述相单元包括第一桥臂和第二桥臂；
所述第一桥臂一端为第一直流端点P,另一端用于连接交流端点；
所述第二桥臂一端为第二直流端点N,另一端也用于连接交流端点；
所述第一桥臂包括至少两个储能子模块和至少一个电抗器,所述储能子模块和电抗器相串联；
所述第二桥臂包括至少两个储能子模块和至少一个电抗器,所述储能子模块和电抗器相串联；
所述第一桥臂和第二桥臂采用下述两种方案之一:
i)所述第一桥臂中的储能子模块采用全桥子模块FBSM或类全桥子模块SFBSM，用于直流故障电流隔离；同时所述第二桥臂中的储能子模块采用半桥子模块HBSM；
ii)或者,所述第一桥臂中的储能子模块采用半桥子模块HBSM；同时所述第二桥臂中的储能子模块采用全桥子模块FBSM或类全桥子模块(SFBSM)，用于直流故障电流隔离。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述相单元为三个,分别为第一相单元、第二相单元和第三相单元；
所述第一相单元的第一桥臂的另一端与交流端点A连接，第一相单元的第二桥臂的另一端也与交流端点A连接；
所述第二相单元的第一桥臂的另一端与交流端点B连接，第二相单元的第二桥臂的另一端也与交流端点B连接；
所述第三相单元的第一桥臂的另一端与交流端点A连接，第三相单元的第二桥臂的另一端也与交流端点C连接。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述第一桥臂或第二桥臂还包括串联接入的至少一个阻尼模块DSM；所述阻尼模块DSM由可关断器件、二极管、电阻并联组成；所述可关断器件二极管反向并联,电阻R和可关断器件并联；
第一桥臂中所述阻尼模块DSM的二极管的阴极指向交流端点；第二桥臂中所述阻尼模块DSM的二极管的阳极指向交流端点。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述阻尼模块DSM还包括与电阻并联的用于保护可关断器件的避雷器。
作为本发明进一步改进的技术方案，当相单元正常运行时,所述阻尼模块DSM中的可关断器件一直处于开通状态。
作为本发明进一步改进的技术方案，当检测到直流故障发生时，所有可关断器件立刻关断。
本发明的相单元中，一个桥臂的储能子模块使用具有直流故障电流隔离能力的全桥子模块(FBSM)或类全桥子模块(SFBSM)、另一个桥臂的储能子模块全部采用半桥子模块(HBSM)，相对采用半桥子模块的模块化多电平换流器，最优情况下可关断器件的数量仅需要增加了四分之一且相单元中仅有一个桥臂的开关损耗增加，在具有较高经济性的同时仍然具有直流线路故障隔离能力。
本发明的有益效果为：
(1)采用本发明提供的换流器的桥臂中不存在半桥子模块与具有直流故障电流隔离能力的子模块混合的情况，避免了具有直流故障电流隔离能力的子模块在阀侧接地故障时可能出现的过电压问题；
(2)最优情况下，相对完全基于半桥子模块的模块化多电平换流器，可关断器件的数量仅需要增加了四分之一，且正常运行时仅有一个桥臂的开关损耗增加。
(3)采用本发明提供的换流器相单元的第一或第二桥臂全部采用半桥子模块时仍具有直流故障隔离能力；
附图说明
图1是本发明提供的三相换流器的一个实施例的结构示意图。
图2a是半桥子模块(HBSM)结构示意图之一。
图2b是半桥子模块(HBSM)结构示意图之二。
图3是全桥子模块(FBSM)结构示意图。
图4a是类全桥子模块(SFBSM)结构示意图之一。
图4b是类全桥子模块(SFBSM)结构示意图之二。
图5是阻尼模块(DSM)拓扑结构图。
图6是本发明提供的包含阻尼模块的换流器相单元结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及具体实施例，对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
本模块化多电平换流器，包括至少一个相单元,所述相单元包括第一桥臂和第二桥臂；所述第一桥臂一端为第一直流端点P,另一端用于连接交流端点；所述第二桥臂一端为第二直流端点N,另一端也用于连接交流端点；所述第一桥臂包括至少两个储能子模块和至少一个电抗器,所述储能子模块和电抗器相串联；所述第二桥臂包括至少两个储能子模块和至少一个电抗器,所述储能子模块和电抗器相串联；所述第一桥臂和第二桥臂采用下述两种方案之一:i)所述第一桥臂中的储能子模块采用全桥子模块FBSM或类全桥子模块SFBSM，用于直流故障电流隔离；同时所述第二桥臂中的储能子模块采用半桥子模块HBSM；ii)或者,所述第一桥臂中的储能子模块采用半桥子模块HBSM；同时所述第二桥臂中的储能子模块采用全桥子模块FBSM或类全桥子模块(SFBSM)，用于直流故障电流隔离。
作为优选方案，所述相单元为三个,分别为第一相单元、第二相单元和第三相单元；所述第一相单元的第一桥臂的另一端与交流端点A连接，第一相单元的第二桥臂的另一端也与交流端点A连接；所述第二相单元的第一桥臂的另一端与交流端点B连接，第二相单元的第二桥臂的另一端也与交流端点B连接；所述第三相单元的第一桥臂的另一端与交流端点A连接，第三相单元的第二桥臂的另一端也与交流端点C连接。所述第一桥臂或第二桥臂还包括串联接入的至少一个阻尼模块DSM；所述阻尼模块DSM由可关断器件、二极管、电阻并联组成；所述可关断器件二极管反向并联,电阻R和可关断器件并联；第一桥臂中所述阻尼模块DSM的二极管的阴极指向交流端点；第二桥臂中所述阻尼模块DSM的二极管的阳极指向交流端点。所述阻尼模块DSM还包括与电阻并联的用于保护可关断器件的避雷器。当相单元正常运行时,所述阻尼模块DSM中的可关断器件一直处于开通状态。当检测到直流故障发生时，所有可关断器件立刻关断。
本实施例中第一桥臂和第二桥臂中的电抗器和储能子模块可以任何数量的配比在任何位置串联,既电抗器可以为1个、2个、3个,或者更多，可以按照任意的排列顺序进行串联；例如电抗器可以串联在桥臂的任一端,或者串联在桥臂的两端，甚至每个储能子模块间通过电抗器连接或者将电抗器作为子模块的一部分，总之电抗器可以在桥臂中的任何位置，只要串联在桥臂中且等效的电抗值等于设计值就可以，由于电抗器对位置没有限制，减少了空间布局对换流器设计的限制。
进一步的，本实施例中以三个相单元，即三相模块化多电平换流器为例，图1是本模块化多电平换流器一个实施例的结构示意图,包括三个相单元分别为第一相单元、第二相单元和第三相单元，对应的交流端点分别为端点A、B和C，三个相单元的第一直流端点短接为端点P，三个相单元的第二直流端点短接为端点N。
第一相单元还包含第一桥臂a1和第二桥臂a2,第一相单元的第一桥臂a1包含相互串联的多个储能子模块分别为子模块a11、子模块a12至子模块a1n，以及与多个储能子模块串联的电抗器La1，电抗器La1一端与第一直流端点P连接，另一端与子模块a11的端口X1连接，子模块a11、子模块a12至子模块a1n的不同端口相互连接后，子模块a1n的端口X2与交流端点A联结；第一相单元的第二桥臂a2包含相互串联的多个储能子模块分别为子模块a21、子模块a22至子模块a2n，以及与多个储能子模块串联的电抗器La2，电抗器La2一端与第二直流端点N连接，另一端与子模块a2n的端口X2连接，子模块a21、子模块a22至子模块a2n的不同端口相互连接后，子模块a11的端口X1与交流端点A联结。所述第一桥臂a1的子模块a11、子模块a12至子模块a1n均为储能子模块，采用如附图3所示的全桥子模块、或如附图4a或4b所示的类全桥子模块SFBSM，用于直流故障电流隔离，所述第二桥臂a2的子模块a21、子模块a22至子模块a2n均为储能子模块，采用如附图2a或2b所示的半桥子模块HBSM；或者所述第一桥臂a1的子模块a11、子模块a12至子模块a1n均为储能子模块，采用如附图2a或2b所示的半桥子模块HBSM，所述第二桥臂a2的子模块a21、子模块a22至子模块a2n均为储能子模块，采用如附图3所示的全桥子模块、或如附图4a或4b所示的类全桥子模块SFBSM，用于直流故障电流隔离。
相同的，第二相单元还包含第一桥臂b1和第二桥臂b2,第二相单元的第一桥臂b1包含相互串联的多个储能子模块分别为子模块b11、子模块b12至子模块b1n，以及与多个储能子模块串联的电抗器Lb1，电抗器Lb1一端与第一直流端点P连接，另一端与子模块b11的端口X1连接，子模块b11、子模块b12至子模块b1n的不同端口相互连接后，子模块b1n的端口X2与交流端点B联结；第二相单元的第二桥臂b2包含相互串联的多个储能子模块分别为子模块b21、子模块b22至子模块b2n，以及与多个储能子模块串联的电抗器Lb2，电抗器Lb2一端与第二直流端点N连接，另一端与子模块b2n的端口X2连接，子模块b21、子模块b22至子模块b2n的不同端口相互连接后，子模块b11的端口X1与交流端点B联结。所述第一桥臂b1的子模块b11、子模块b12至子模块b1n均为储能子模块，采用如附图3所示的全桥子模块、或如附图4a或4b所示的类全桥子模块SFBSM，用于直流故障电流隔离，所述第二桥臂b2的子模块b21、子模块b22至子模块b2n均为储能子模块，采用如附图2a或2b所示的半桥子模块HBSM；或者所述第一桥臂b1的子模块b11、子模块b12至子模块b1n均为储能子模块，采用如附图2a或2b所示的半桥子模块HBSM，所述第二桥臂b2的子模块b21、子模块b22至子模块b2n均为储能子模块，采用如附图3所示的全桥子模块、或如附图4a或4b所示的类全桥子模块SFBSM，用于直流故障电流隔离。
相同的，第三相单元还包含第一桥臂c1和第二桥臂c2,第三相单元的第一桥臂c1包含相互串联的多个储能子模块分别为子模块c11、子模块c12至子模块c1n，以及与多个储能子模块串联的电抗器Lc1，电抗器Lc1一端与第一直流端点P连接，另一端与子模块c11的端口X1连接，子模块c11、子模块c12至子模块c1n的不同端口相互连接后，子模块c1n的端口X2与交流端点C联结；第三相单元的第二桥臂c2包含相互串联的多个储能子模块分别为子模块c21、子模块c22至子模块c2n，以及与多个储能子模块串联的电抗器Lc2，电抗器Lc2一端与第二直流端点N连接，另一端与子模块c2n的端口X2连接，子模块c21、子模块c22至子模块c2n的不同端口相互连接后，子模块c11的端口X1与交流端点C联结。所述第一桥臂c1的子模块c11、子模块c12至子模块c1n均为储能子模块，采用如附图3所示的全桥子模块、或如附图4a或4b所示的类全桥子模块SFBSM，用于直流故障电流隔离，所述第二桥臂c2的子模块c21、子模块c22至子模块c2n均为储能子模块，采用如附图2a或2b所示的半桥子模块HBSM；或者所述第一桥臂c1的子模块c11、子模块c12至子模块c1n均为储能子模块，采用如附图2a或2b所示的半桥子模块HBSM，所述第二桥臂c2的子模块c21、子模块c22至子模块c2n均为储能子模块，采用如附图3所示的全桥子模块、或如附图4a或4b所示的类全桥子模块SFBSM，用于直流故障电流隔离。
图2a和图2b所示的为两种具有类似结构的半桥子模块，所述半桥子模块包括带反并联二极管的可关断器件11、13和储能元件C1，其中，可关断器件11与二极管12反向并联，可关断器件13与二极管14反向并联；对于可关断器件11、13来说，其可采用单个可控开关器件，如IGBT、IGCT、MOSFET或GTO等全控器件，如本文提供实施例中均以IGBT为例，也可采用由至少两个可控开关器件串联构成的结构。所述反向并联为二极管的阳极与可关断器件的阴极连接，所述二极管的阴极与所述可关断器件阳极连接。
在图2a中，当所述可关断器件11、13为IGBT时，所述可关断器件11的发射极与可关断器件13的集电极连接，且该连接点作为储能子模块的第一端点X1，所述可关断器件11的集电极经由储能元件C1连接可关断器件13的发射极；可关断器件13的发射极作为储能子模块的第二端点X2。
在图2b中，当所述可关断器件为IGBT时，可关断器件13的发射极与可关断器件11的集电极连接，且该连接点作为储能子模块的第二端点X2，所述可关断器件11的发射极经由储能元件C连接可关断器件13的集电极；可关断器件13的集电极作为储能子模块的第一端点X1。
图3所示为全桥子模块的结构示意图，所述全桥子模块包括带反并联二极管的可关断器件21、23、25、27和储能元件C2，其中，可关断器件21与二极管22反向并联，可关断器件23与二极管24反并联，可关断器件25与二极管26反并联,可关断器件27与二极管28反向并联；对于可关断器件21、23、25、27来说，其可采用单个可控开关器件，如IGBT、IGCT、MOSFET或GTO等全控器件，如本文提供实施例中均以IGBT为例，也可采用由至少两个可控开关器件串联构成的结构。
在图3中，可关断器件21的发射极与可关断器件23的集电极连接，且该连接点作为全桥子模块的第一端点X1，所述可关断器件21的集电极经由储能元件C2连接可关断器件23的发射极；所述可关断器件21的集电极还连接可关断器件27的集电极，所述可关断器件27的发射极连接可关断器件25的集电极，且该连接点作为全桥子模块的第二端点X2；所述可关断器件25的发射极连接至可关断器件23的发射极。
图4a和图4b所示为两种具有类结构的类全桥子模块的结构示意图，所述类全桥子模块包括带反并联二极管的可关断器件31、33、35，二极管37和储能元件C3，其中，可关断器件31与二极管32反并联，可关断器件33与二极管34反向并联，可关断器件35与二极管36反向并联；对于可关断器件31、33、35来说，其可采用单个可控开关器件，如IGBT、IGCT、MOSFET或GTO等全控器件，如本文提供实施例中均以IGBT为例，也可采用由至少两个可控开关器件串联构成的结构。
图4a所示的类全桥子模块中，可关断器件31的发射极与可关断器件33的集电极连接，且该连接点作为类全桥子模块的第一端点X1，所述可关断器件31的集电极经由储能元件C连接可关断器件33的发射极；所述可关断器件31的集电极还连接二极管37的阴极，所述二极管37的阳极连接可关断器件35的集电极，且该连接点作为类全桥子模块的第二端点X2；所述可关断器件35的发射极连接至可关断器件33的发射极。
在图4b所示的类全桥子模块中，可关断器件35的发射极连接二极管37的阴极，且该连接点作为类全桥子模块的第一端点X1，所述可关断器件35的集电极经由储能元件C3连接二极管37的阳极；所述可关断器件35的集电极还连接可关断器件33的集电极，所述可关断器件33的发射极连接可关断器件31的集电极，且该连接点作为类全桥子模块的第二端点X2，所述可关断器件31的发射极连接至二极管37的阳极。
图5所示为阻尼模块DSM拓扑结构图，由可关断器件S1、与S1反并联的二极管D1、电阻R和避雷器M并联组成，二极管D1的阴极为阻尼模块DSM的第一连接端点X1，二极管D1的阳极为阻尼模块DSM的第二连接端点X2。
图6所示为包含阻尼模块的换流器相单元结构示意图，第一桥臂包括串联的电抗L1、一个阻尼模块DSM和多个类全桥子模块SFBSM1，电抗L1的一端连接第一直流端点P，电抗L1的另一端连接阻尼模块DSM的第一端口X1，阻尼模块DSM与多个类全桥子模块SFBSM1依次串联，即前一模块的第二端口X2与后一模块的第一端口X1连接，最后一个类全桥子模块SFBSM1的第二端口X2与交流端点A连接；第二桥臂包括串联的电抗L2、一个阻尼模块DSM’和多个半桥子模块HBSM1，电抗L2的一端连接第二直流端点N，电抗L2的另一端连接阻尼模块DSM的第二端口X2，阻尼模块DSM与多个半桥子模块HBSM1依次串联，即前一模块的第二端口X2与后一模块的第一端口X1连接，最后一个半桥子模块HBSM1的第一端口X1与交流端点A连接；第二直流端点N还与大地连接，这样第二直流端点P仅需要一根架空线/电缆即可与另一端换流器连接。
如图6所示的包含阻尼模块的换流器相单元，在直流线路发生接地故障时，闭锁阻尼模块DSM、类全桥子模块SFBSM1和阻尼模块DSM’中所有的开关器件，类全桥子模块SFBSM1的电容C提供反向电压抑制桥臂电流为零，在此过程中故障回路中的能量一部分被阻尼模块消耗，其余部分被类全桥子模块SFBSM1中的电容C吸收。
需要说明的是，如图6所示的包含阻尼模块的换流器相单元，任意一个类全桥子模块SFBSM1可由图3所示为全桥子模块或图4b所示的类全桥子模块SFBSM2；图6中第一桥臂和第二桥臂仅配置一个阻尼模块DSM，也可配置多个阻尼模块DSM完成相同的阻尼功能。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种模块化多电平换流器，包括至少一个相单元,所述相单元包括第一桥臂和第二桥臂；
所述第一桥臂一端为第一直流端点P,另一端用于连接交流端点；
所述第二桥臂一端为第二直流端点N,另一端也用于连接交流端点；
所述第一桥臂包括至少两个储能子模块和至少一个电抗器,所述储能子模块和电抗器相串联；
所述第二桥臂包括至少两个储能子模块和至少一个电抗器,所述储能子模块和电抗器相串联；
其特征在于所述第一桥臂和第二桥臂采用下述两种方案之一:
i)所述第一桥臂中的储能子模块采用全桥子模块FBSM或类全桥子模块SFBSM，用于直流故障电流隔离；同时所述第二桥臂中的储能子模块采用半桥子模块HBSM；
ii)或者,所述第一桥臂中的储能子模块采用半桥子模块HBSM；同时所述第二桥臂中的储能子模块采用全桥子模块FBSM或类全桥子模块(SFBSM)，用于直流故障电流隔离。
2.如权利要求1所述的模块化多电平换流器，其特征在于:
所述相单元为三个,分别为第一相单元、第二相单元和第三相单元；
所述第一相单元的第一桥臂的另一端与交流端点A连接，第一相单元的第二桥臂的另一端也与交流端点A连接；
所述第二相单元的第一桥臂的另一端与交流端点B连接，第二相单元的第二桥臂的另一端也与交流端点B连接；
所述第三相单元的第一桥臂的另一端与交流端点A连接，第三相单元的第二桥臂的另一端也与交流端点C连接。
3.如权利要求1或2所述的模块化多电平换流器，其特征在于:所述第一桥臂或第二桥臂还包括串联接入的至少一个阻尼模块DSM；所述阻尼模块DSM由可关断器件、二极管、电阻并联组成；所述可关断器件二极管反向并联,电阻R和可关断器件并联；
第一桥臂中所述阻尼模块DSM的二极管的阴极指向交流端点；第二桥臂中所述阻尼模块DSM的二极管的阳极指向交流端点。
4.如权利要求3所述的模块化多电平换流器，其特征在于:所述阻尼模块DSM还包括与电阻并联的用于保护可关断器件的避雷器。
5.如权利要求3所述的模块化多电平换流器，其特征在于:当相单元正常运行时,所述阻尼模块DSM中的可关断器件一直处于开通状态。
6.如权利要求3所述的模块化多电平换流器，其特征在于:当检测到直流故障发生时，所有可关断器件立刻关断。
CN201510351437.4A 2015-06-23 2015-06-23 模块化多电平换流器 Active CN104901570B (zh)

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