CN106154086A - 一种具有拓扑切换能力的mmc动态模拟子模块单元 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有拓扑切换能力的MMC动态模拟子模块单元，包括至少一个直流支撑电容、均压电阻、旁路开关、四个功率半导体元件、四个二极管、三个转换开关和二次控制保护单元。此MMC动态模拟子模块单元可以通过转换开关控制及功率半导体导通闭锁实现一个换流阀子模块单元在半桥型、全桥型以及类全桥型拓扑结构之间的切换，满足MMC动态模拟试验中针对不同子模块单元拓扑进行动态模拟试验的需求，避免动模重复建设成本，降低MMC动态模拟试验平台整体投资和工作量，提高试验平台工作效率，具有很高的灵活性和通用性。本发明还公开一种由此MMC动态模拟子模块单元级联组成的MMC动态模拟换流器。
Description
技术领域
本发明属于动态模拟试验领域，具体地说是一种具有拓扑切换能力的MMC动态模拟子模块单元。
背景技术
模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)通过若干个子模块单元同向顺序级联实现高压大容量输出，不需要开关器件的直接串联，避免了器件直接串联对一致触发性的要求，此外还具有开关频率低、扩展性好、输出电压波形质量高、运行损耗低等诸多优点，因此广泛应用于柔***、直流输电场合，目前在海岛及城市负荷密集区供电、背靠背联网以及可再生能源并网等领域获得广泛应用，拥有巨大的发展前景。
MMC动态模拟试验平台使用小功率的MMC动态模拟子模块单元代替实际工程中大功率的子模块单元，模拟模块化多电平换流器的工作状态，以验证实际工程的控制保护策略、阀基电子控制***的控制策略等关键技术，是目前研究模块化多电平换流器的重要技术手段。
工程中常用的子模块单元拓扑结构有半桥结构、全桥结构、类全桥结构等，然而，目前搭建的MMC动态模拟试验平台普遍存在MMC动态模拟子模块单元拓扑单一、不易灵活调节等缺点，无法在一个子模块单元内实现多种拓扑结构的变换，当模拟子模块单元拓扑发生变化时，无法满足动态模拟试验的需求，需要重新搭建新的MMC动态模拟试验平台。如果针对不同子模块单元拓扑结构分别搭建动态模拟试验平台，会造成工作量巨大且建设成本高昂，同时MMC动态模拟试验平台的工作效率低下。因此，具有多种典型拓扑切换能力的MMC动态模拟子模块单元具有重要的意义。
发明内容
针对上述技术问题，本发明所要解决的技术问题是提供一种具有拓扑切换能力的MMC动态模拟子模块单元，本发明能够满足MMC动态模拟试验中针对不同子模块单元拓扑进行动态模拟试验的需求，降低MMC动态模拟试验平台建设成本和工作量，提高试验平台工作效率，具有很高的灵活性和通用性。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种具有拓扑切换能力的MMC动态模拟子模块单元，包括至少一个直流支撑电容、均压电阻、旁路开关、四个功率半导体元件、四个二极管、三个转换开关和二次控制保护单元。其中，均压电阻与所有直流支撑电容相互并联。
第一功率半导体元件的发射极与第二功率半导体的集电极相联，第一功率半导体元件集电极及其反并联二极管阴极与电容正端相联，第二功率半导体元件发射极及其反并联二极管阳极与电容负端相联；
第三功率半导体元件的发射极与第四功率半导体的集电极相联，第三功率半导体元件集电极及其反并联二极管阴极与第三转换开关的一端相联，第四功率半导体元件发射极及其反并联二极管阳极与电容负端相联；
旁路开关一端联接于第一功率半导体元件和第二功率半导体元件的桥臂中点，另一端与第一转换开关、第二转换开关的一端相联；
第一转换开关一端联接电容负端，另一端与旁路开关和第二转换开关的一端相联；第二转换开关一端联接于第三功率半导体元件和第四功率半导体元件的桥臂中点，另一端与旁路开关和第一转换开关的一端相联；第三转换开关一端联接于第一功率半导体元件的集电极，另一端联接于第三功率半导体元件的集电极。
二次控制保护单元分别联接四个功率半导体元件、三个转换开关以及旁路开关的控制端。
一种由如前任一所述的一种具有拓扑切换能力的MMC动态模拟子模块单元为基本单元组成的MMC动态模拟换流器，包含若干个MMC动态模拟子模块单元，定义第一功率半导体元件和第二功率半导体元件的桥臂中点引出作为该MMC动态模拟子模块单元的第一端，定义旁路开关、第一转换开关及第二转换开关的联接端引出作为该MMC动态模拟子模块单元的第二端，将若干个MMC动态模拟子模块单元的第一端与相邻MMC动态模拟子模块单元的第二端同向顺序级联组成MMC动态模拟换流器。
本发明所述一种具有拓扑切换能力的MMC动态模拟子模块单元，与现有技术相比，具有以下有益效果：可以通过转换开关控制及功率半导体导通闭锁实现一个子模块单元在半桥型、全桥型以及类全桥型拓扑结构之间的切换，满足MMC动态模拟试验中针对不同子模块单元拓扑结构进行动态模拟试验的需求，避免动模重复建设成本，降低MMC动态模拟试验平台整体投资和工作量，提高试验平台工作效率，具有很高的灵活性和通用性。
附图说明
图1是本发明的电气原理图。
图2是本发明切换的半桥型结构示意图。
图3是本发明切换的的全桥型结构示意图。
图4是本发明切换的类全桥型结构示意图。
图5是本发明MMC动态模拟子模块单元组成的模块化多电平换流器示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
本发明提供一种具有拓扑切换能力的MMC动态模拟子模块单元，多个子模块单元同向顺序级联可以构成MMC动态模拟换流器，通过转换开关控制及功率半导体导通闭锁实现一个换流阀子模块单元在半桥型、全桥型以及类全桥型拓扑结构之间的切换，满足MMC动态模拟试验中针对不同子模块单元拓扑进行动态模拟试验的需求。
如图1所示，本发明所述一种具有拓扑切换能力的MMC动态模拟子模块单元，包括直流支撑电容C、均压电阻R、第一功率半导体元件T1、第二功率半导体元件T2、第三功率半导体元件T3、第四功率半导体元件T4、第一个二极管D1、第二个二极管D2、第三个二极管D3、第四个二极管D4、旁路开关K1、第一转换开关S1、第二转换开关S2、第三转换开关S3和二次控制保护单元KZ，其中支撑电容C包含一个电容或者至少两个相互并联的电容，均压电阻R与所有直流支撑电容相互并联。
二次控制保护单元KZ分别联接四个功率半导体元件、三个转换开关以及旁路开关的控制端。
本发明一种具有拓扑切换能力的MMC动态模拟子模块单元，可以通过转换开关控制及功率半导体导通闭锁实现一个MMC动态模拟子模块单元在半桥型、全桥型以及类全桥型拓扑结构之间的切换，满足MMC动态模拟试验中针对不同子模块单元拓扑结构进行动态模拟试验的需求。
本发明所述MMC动态模拟子模块单元的拓扑切换主要包括三种典型结构：半桥型结构、全桥型结构、类全桥型结构。以下将结合说明书附图及具体实施实例，对技术方案进行详细说明。
实施例一：半桥型拓扑结构。
如图2所示，第一转换开关S1闭合，第二转换开关S2断开，第三转换开关S3断开，此时第三功率半导体元件T3、第四功率半导体元件T4、第三个二极管D3、第四个二极管D4不接入电路，子模块单元为半桥型拓扑结构。
实施例二：全桥型拓扑结构。
如图3所示，第一转换开关S1断开，第二转换开关S2闭合，第三转换开关S3闭合，此时所有元器件接入电路，子模块单元为全桥型拓扑结构。
实施例三：类全桥型拓扑结构。
如图4所示，第一转换开关S1断开，第二转换开关S2闭合，第三转换开关S3闭合，此时所有元器件接入电路，正常运行时，第三功率半导体元件T3保持关断状态，不流过电流，可以从电路中缺省掉，只有反并联的第三个二极管流过电流，子模块单元为类全桥型拓扑结构。
如图5所示，是本发明MMC动态模拟子模块单元组成的模块化多电平换流器示意图，包含若干个前述一种具有拓扑切换能力的MMC动态模拟子模块单元，定义所述的第一功率半导体元件T1和第二功率半导体元件T2的桥臂中点引出作为该MMC动态模拟子模块单元的第一端，定义所述旁路开关K1、第一转换开关S1及第二转换开关S2的联接端引出作为该MMC动态模拟子模块单元的第二端，将若干个MMC动态模拟子模块单元的第一端与相邻MMC动态模拟子模块单元的第二端同向顺序级联组成MMC动态模拟换流器。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，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。所属技术领域的普通技术人员应当理解到：对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明提出的技术思想和范围的任何修改或者等同替换均应涵盖在本发明权利要求的范围当中。
Claims (9)
1.一种具有拓扑切换能力的MMC动态模拟子模块单元，包括至少一个直流支撑电容、均压电阻、旁路开关、四个功率半导体元件、四个二极管和二次控制保护单元,连接方式为：第一功率半导体元件及其反并联二极管，与第二功率半导体元件及其反并联二极管构成串联结构；该串联结构再与直流支撑电容及均压电阻构成并联；第三功率半导体元件及其反并联二极管，与第四功率半导体元件及其反并联二极管构成串联结构；第四功率半导体元件的发射极与电容负相连接；旁路开关的一端联接于第一功率半导体元件的发射极；其特征在于，所述MMC动态模拟子模块单元还包括三个转换开关，第一转换开关一端联接直流支撑电容负端，另一端与旁路开关和第二转换开关的一端相联；第二转换开关一端联接于第三功率半导体元件的发射极，另一端与旁路开关和第一转换开关的一端相联；第三转换开关一端联接于第一功率半导体元件的集电极，另一端联接于第三功率半导体元件的集电极。
2.如权利要求1所述的一种具有拓扑切换能力的MMC动态模拟子模块单元，其特征在于：所述直流支撑电容包含一个电容或者至少两个相互并联的电容，均压电阻与所有直流支撑电容相互并联。
3.如权利要求1所述的一种具有拓扑切换能力的MMC动态模拟子模块单元，其特征在于：第一功率半导体元件的发射极与第二功率半导体的集电极相联，第一功率半导体元件集电极及其反并联二极管阴极与电容正端相联，第二功率半导体元件发射极及其反并联二极管阳极与电容负端相联。
4.如权利要求1所述的一种具有拓扑切换能力的MMC动态模拟子模块单元，其特征在于：第三功率半导体元件的发射极与第四功率半导体的集电极相联，第三功率半导体元件集电极及其反并联二极管阴极与第三转换开关的一端相联，第四功率半导体元件发射极及其反并联二极管阳极与电容负端相联。
5.如权利要求1所述的一种具有拓扑切换能力的MMC动态模拟子模块单元，其特征在于：MMC动态模拟子模块单元还包括旁路开关，旁路开关一端联接于第一功率半导体元件和第二功率半导体元件的桥臂中点，另一端与第一转换开关、第二转换开关的一端相联。
6.如权利要求1所述的一种具有拓扑切换能力的MMC动态模拟子模块单元，其特征在于：二次控制保护单元分别联接四个功率半导体元件、三个转换开关以及旁路开关的控制端。
7.如权利要求1所述的一种具有拓扑切换能力的MMC动态模拟子模块单元，其特征在于：由半桥拓扑切换为全桥或类全桥拓扑的方法为分开第一转换开关，同时合上第二转换开关和第三转换开关。
8.如权利要求1所述的一种具有拓扑切换能力的MMC动态模拟子模块单元，其特征在于：由全桥或类全桥拓扑切换为半桥拓扑的方法为合上第一转换开关，同时分开第二转换开关和第三转换开关。
9.一种以如权利要求1-8任一所述的一种具有拓扑切换能力的MMC动态模拟子模块单元为基本单元组成的MMC动态模拟换流器，其特征在于：包含若干个MMC动态模拟子模块单元，定义第一功率半导体元件和第二功率半导体元件的桥臂中点引出作为该MMC动态模拟子模块单元的第一端，定义旁路开关、第一转换开关及第二转换开关的联接端引出作为该MMC动态模拟子模块单元的第二端，将若干个MMC动态模拟子模块单元的第一端与相邻MMC动态模拟子模块单元的第二端同向顺序级联组成MMC动态模拟换流器。
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