CN106301043A - 一种模块化多电平半桥换流器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模块化多电平半桥换流器，该换流器的每个桥臂均包括N个标准半桥子模块，每个标准半桥子模块包括第一开关和第二开关；每个上桥臂中从直流侧至交流侧方向的前N‑1个标准半桥子模块以及每个下桥臂中从交流侧至直流侧方向的前N‑1个标准半桥子模块均还包括第三开关；在上桥臂中，标准半桥子模块中的第三开关与相邻较低电位标准半桥子模块中的第一开关互补投切；在下桥臂中，标准半桥子模块中的第三开关与本模块中的第一开关互补投切。本发明无需降低额定电压调制比，大幅度提高了额定电压调制比，在相同交、直流额定电压下，减少了每个桥臂子模块数量，大大降低了成本，使开关损耗最小化，降低了对控制***实时计算的需求。

Description

一种模块化多电平半桥换流器
技术领域
本发明涉及换流器技术领域，特别是涉及一种模块化多电平半桥换流器。
背景技术
模块化多电平半桥换流器多应用于中高压领域，为了保证模块化多电平半桥换流器的正常运行，需要将模块化多电平中的子模块的电压均衡在额定电压附近。请参照图1和图2，其中，图1为现有技术中的一种模块化多电平半桥换流器的结构示意图，图2为图1提供的一种模块化多电平半桥换流器中的标准半桥子模块的结构示意图。标准半桥子模块由两个串联的开关和一个并联在串联的开关的两端的稳压电容构成，其中，一个开关包括一个IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)及其反并联二极管。
均压方案要求模块化多电平半桥换流器的六个桥臂在任意电角度下均有足够多的可供选择投入或者切除的标准半桥子模块。现有技术中会将模块化多电平半桥换流器的额定调制比选择在0.8-0.85之间，但由于额定调制比低，从而导致在标准半桥子模块的额定电压一定的情况下所需的标准半桥子模块的数量多，大大提高了换流器的成本。由于现有技术中模块化多电平半桥换流器不能实现自均压，对其采用的均压方案是通过将其每个桥臂上的标准半桥子模块分成多组，采取每组轮换导通的方式来实现均压，具体地，通过实时采集各标准半桥子模块的电容电压值，然后进行标准半桥子模块电压排序，再根据桥臂电流方向决定投入电容电压偏低还是偏高的子模块。
但这就导致现有均压方案的开关频率超过工频(注：工频开关频率即为开关在0.02秒内进行开和关的操作各一次)，一般约为两倍的工频，造成换流器的开关损耗增加。同时也要求控制***较短的周期来进行子模块电压监视和标准半桥子模块的轮换，这对实时测量和控制***的可靠性和运算能力有较高要求，在标准半桥子模块数量多的应用下，控制***的运算能力易成为瓶颈。
因此，如何提供一种解决上述技术问题的模块化多电平半桥换流器是本领域技术人员目前需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种模块化多电平半桥换流器,无需降低额定电压调制比，大幅度提高了额定电压调制比，在相同交、直流额定电压下，减少了每个桥臂子模块数量，大大降低了成本。另一方面，开关频率严格保持在工频，使开关损耗最小化。最后，由于换流器子模块实现了自然均压，简化了调制算法，降低了对控制***实时计算的需求。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种模块化多电平半桥换流器，所述模块化多电平半桥换流器的每个桥臂均包括N个标准半桥子模块，N为不小于2的整数，每个所述标准半桥子模块包括第一开关和第二开关，所述第一开关中IGBT的发射极与所述第二开关中IGBT的集电极连接；
每个上桥臂中从直流侧至交流侧方向的前N-1个标准半桥子模块以及每个下桥臂中从交流侧至直流侧方向的前N-1个标准半桥子模块均还包括第三开关，所述第三开关中IGBT的集电极与本模块中的第一开关中IGBT的集电极连接，所述第三开关中IGBT的发射极与相邻较低电位标准半桥子模块中的第一开关中IGBT的集电极连接；在所述上桥臂中，所述标准半桥子模块中的第三开关与相邻较低电位标准半桥子模块中的第一开关互补投切，在所述下桥臂中，所述标准半桥子模块中的第三开关与本模块中的第一开关互补投切。
优选地，每一桥臂中，最靠近交流侧的标准半桥子模块中的稳压电容的容值大于最靠近直流侧的标准半桥子模块中的稳压电容的容值，且其中的任意相邻两个标准半桥子模块中，靠近交流侧的标准半桥子模块中的稳压电容的容值不小于靠近直流侧的标准半桥子模块中的稳压电容的容值。
优选地，每一桥臂中，N个标准半桥子模块中的N个稳压电容被分成M组，其中，M为大于2且小于N的整数，从交流侧到直流侧方向依次为第一组、第二组…直至第M组，每组中的稳压电容的容值相等，其中，第一组中稳压电容的容值＞第二组中的稳压电容的容值≥….≥第M组中的稳压电容的容值。
优选地，M取4。
优选地，M取5。
优选地，每一桥臂的每个标准半桥子模块还包括：
与所述稳压电容并联的稳压电阻；
则所有第三开关仅在所在桥臂上的全部标准半桥子模块全部切除的时候才同步闭合，保持预设时间后再同步断开，其中，所述预设时间不大于一个60°电角度。
优选地，所述预设时间为100-200微秒。
本发明提供了一种模块化多电平半桥换流器，模块化多电平半桥换流器的每个桥臂均包括N个标准半桥子模块，每个标准半桥子模块包括第一开关和第二开关，第一开关中IGBT的发射极与第二开关中IGBT的集电极连接；每个上桥臂中从直流侧至交流侧方向的前N-1个标准半桥子模块以及每个下桥臂中从交流侧至直流侧方向的前N-1个标准半桥子模块均还包括第三开关，第三开关中IGBT的集电极与本模块中的第一开关中IGBT的集电极连接，第三开关中IGBT的发射极与相邻较低电位标准半桥子模块中的第一开关中IGBT的集电极连接；在上桥臂中，标准半桥子模块中的第三开关与相邻较低电位标准半桥子模块中的第一开关互补投切，在下桥臂中，标准半桥子模块中的第三开关与本模块中的第一开关互补投切。
可见，对于本发明提供的模块化多电平半桥换流器，任一个桥臂总会存在在一个60°电角度中其中的全部标准半桥子模块会全部切除，在此过程中，由于第三开关中IGBT的闭合，该桥臂上的N个标准半桥子模块中的N个稳压电容会分别并联，最终使得所有的标准半桥子模块都被均压在N个标准半桥子模块的容值与其电压之积的和除以容值算数和，则一方面，本发明无需降低额定电压调制比，大幅度提高了额定电压调制比，在相同交、直流额定电压下，减少了每个桥臂子模块数量，大大降低了成本。另一方面，开关频率严格保持在工频，使开关损耗最小化。最后，由于换流器子模块实现了自然均压，简化了调制算法，降低了对控制***实时计算的需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中的一种模块化多电平半桥换流器的结构示意图；
图2为图1提供的一种模块化多电平半桥换流器中的标准半桥子模块的结构示意图；
图3为本发明提供的一种标准半桥子模块的结构示意图；
图4为本发明提供的一种采用图3中提供的标准半桥子模块的模块化多电平半桥换流器结构示意图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种模块化多电平半桥换流器,无需降低额定电压调制比，大幅度提高了额定电压调制比，在相同交、直流额定电压下，减少了每个桥臂子模块数量，大大降低了成本。另一方面，开关频率严格保持在工频，使开关损耗最小化。最后，由于换流器子模块实现了自然均压，简化了调制算法，降低了对控制***实时计算的需求。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参照图3和图4，其中，图3为本发明提供的一种标准半桥子模块的结构示意图，图4为本发明提供的一种采用图3中提供的标准半桥子模块的模块化多电平半桥换流器结构示意图。
该模块化多电平半桥换流器的每个桥臂均包括N个标准半桥子模块，N为不小于2的整数，每个标准半桥子模块包括第一开关1和第二开关2，第一开关1中IGBT的发射极与第二开关2中IGBT的集电极连接；
每个上桥臂中从直流侧至交流侧方向的前N-1个标准半桥子模块以及每个下桥臂中从交流侧至直流侧方向的前N-1个标准半桥子模块均还包括第三开关3，第三开关3中IGBT的集电极与本模块中的第一开关1中IGBT的集电极连接，第三开关3中IGBT的发射极与相邻较低电位标准半桥子模块中的第一开关1中IGBT的集电极连接；在上桥臂中，标准半桥子模块中的第三开关3与相邻较低电位标准半桥子模块中的第一开关1互补投切，在下桥臂中，标准半桥子模块中的第三开关3与本模块中的第一开关1互补投切。
首先需要说明的是，本申请中提及的开关均是指由IGBT及其反并联二极管构成的开关，每个子模块的第一开关与第二开关互补投切，另外，第一开关1闭合和第二开关2断开则表示该两个开关所在的标准半桥子模块被投入，而第一开关1断开和第二开关2闭合则表示该两个开关所在的标准半桥子模块被切除；调制过程中，每一相投入子模块的数量恒等于切除子模块的数量。
可以理解的是，控制***在对换流器进行调制时，任一个桥臂中存在未被投入的标准半桥子模块时，由于未被投入的标准半桥子模块中的第三开关3会闭合，从而未被投入的标准半桥子模块中的稳压电容会并联，则此时未被投入的标准半桥子模块会进行自均压，均压值由容值与其电压之积的和除以容值算数和决定。
另外，对于任意一个桥臂，调制算法可以保证，在360°电周期(0.02s)中总会存在一个60°电角度(0.02s/6＝0.0033s＝3300us)，该桥臂上的所有标准半桥子模块切除，则该桥臂上的所有标准半桥子模块中的稳压电容并联，在该电角度内，该桥臂上的所有标准半桥子模块会进行自均压，同理，均压值由容值与其电压之积的和除以容值算数和决定，也即：
其中，C1、C2…CN分别为一个桥臂上所有被切除的N个标准半桥子模块中的N个稳压电容的容值，U1、U2…UN分别为上述N个稳压电容两端的电压值。
在调制过程中，每个桥臂都严格按照工频频率进行开关投切。
当直流极间电压与交流相间电压最大值之比等于1时，每个桥臂子模块的投切顺序均按照子模块的电气连接顺序进行(由上至下或由下至上)。
当直流极间电压与交流相间电压最大值之比大于1时，桥臂合成交流电压所需的子模块将不覆盖最靠近直流正负极的数个子模块，在此类情形下，桥臂投入子模块按步运行到最靠近直流正负极的子模块后，将进行一个跳步运行，使该桥臂的子模块全部投入，并使该桥臂所对应上或下桥臂的子模块全部退出，在任一相进行跳步运行时，其它两相也同时进行同方向和同步数的跳步运行。
下面举个具体例子来说明，假设该换流器的每个桥臂上有20个标准半桥子模块，从交流侧至直流侧方向依次为1号至20号，因为直流极间电压与交流相间电压最大值之比大于1时，桥臂合成交流电压所需的子模块将不需要所有的子模块参与交流电压合成，因此，假设A相对应的桥臂投入子模块按步运行到最靠近直流正负极的子模块后，也即A相对应的上桥臂1-18号被投入，下桥臂1和2号被投入，B相对应的上桥臂1和2号被投入，下桥臂1和18号被投入，C相对应的上桥臂1-10号被投入，下桥臂1至10号被投入，则此时进行跳步运行，其它两相也同时进行同方向和同步数的跳步运行，也即将A相对应的上桥臂中的19号和20号强制投入，将B相对应的上桥臂中的3号和4号强制投入，将C相对应的上桥臂中的11号和12号强制投入，则此时A相对应的上桥臂1-20号被投入，下桥臂全部被切除，B相对应的上桥臂1和4号被投入，下桥臂1和16号被投入，C相对应的上桥臂1-12号被投入，下桥臂1至8号被投入，则A相对应的下桥臂进行自均压。
作为优选地，每一桥臂中，最靠近交流侧的标准半桥子模块中的稳压电容的容值大于最靠近直流侧的标准半桥子模块中的稳压电容的容值，且其中的任意相邻两个标准半桥子模块中，靠近交流侧的标准半桥子模块中的稳压电容的容值不小于靠近直流侧的标准半桥子模块中的稳压电容的容值。
可以理解的是，在对换流器中的标准半桥子模块进行自均压的同时还要求保证所有的稳压电容不会过充也不会过放。实际应用中，靠近交流侧的稳压电容更容易出现过充或者过放，而靠近直流侧的稳压电容则不太容易出现过充或者过放，因此，对于靠近交流侧的稳压电容的容值要求较高，对于靠近直流侧的稳压电容的容值要求较低。
现有技术中为了防止稳压电容的过充或者过放是采用多组标准半桥子模块进行轮换导通且要求控制***以100微秒或者更短的周期来进行子模块电压监视和轮换。这就对控制***的运算能力提出了更高的要求。另外，由于现有技术中的模块化多电平半桥换流器不能实现自均压，这就要求所有标准半桥子模块中的稳压电容的容值相等，而由于靠近直流侧的稳压电容的容值实际上不需要太大，但靠近交流侧的稳压电容的容值要求很大，因此，为了统一，所有的稳压电容只能按照交流侧的容值要求最高、最大需求来配置，从而大大地增大了整个桥臂所需的电容总量。
本申请中，采用非等值的子模块电容部署来实现子模块电压波动的抑制，各个子模块的电容值可以按照各自的充放电的特点进行非等值的部署，使交流侧子模块的电容值大于直流侧子模块的电容值。也即选用容值较大的稳压电容应用到靠近交流侧的标准半桥子模块中，而选用容值较小的稳压电容应用到靠近直流侧的标准半桥子模块中，从而即有效防止了稳压电容出现过充或者过放的现象的产生，还使得在相同额定电流和子模块电压波动下，优化后的非等值电容部署比等值电容部署可以减小整个桥臂所需的电容总量。
作为优选地，每一桥臂中，N个标准半桥子模块中的N个稳压电容被分成M组，其中，M为大于2且小于N的整数，从交流侧到直流侧方向依次为第一组、第二组…直至第M组，每组中的稳压电容的容值相等，其中，第一组中稳压电容的容值＞第二组中的稳压电容的容值≥….≥第M组中的稳压电容的容值。
需要说明的是，这里对于将N个稳压电容具体分为几个阶级本发明在此不做特别的限定，根据实际情况来定。
作为优选地，M取4。
作为优选地，M取5。
当然，这里的M还可以取其他数值，本发明在此不做特别的限定，根据实际情况来定。
作为优选地，每一桥臂的每个标准半桥子模块还包括：
与稳压电容并联的稳压电阻；
则所有第三开关3仅在所在桥臂上的全部标准半桥子模块全部切除的时候才同步闭合，保持预设时间后再同步断开，其中，预设时间不大于一个60°电角度。
作为优选地，预设时间为100-200微秒。
可以理解的是，在实际工程应用中，每个标准半桥子模块中的稳压电容一般均并联有等值的均压电阻，阻值在几十千欧。在标准半桥子模块均压的过程中，均压电阻会消耗能量。
因此，为了减少能量损失和子模块电压损失，这里限定单个桥臂上的所有第三开关3应仅在该桥臂的所有标准半桥子模块全部退出的时候才同步闭合，保持100-200微秒(可视均压回路的时间场数而定，时间越短，均压电阻消耗的能量越少)，然后再同步分开。
当然，这里也可以保持其他时间，只要不超过60°电角度即可。
本发明提供了一种模块化多电平半桥换流器，模块化多电平半桥换流器的每个桥臂均包括N个标准半桥子模块，每个标准半桥子模块包括第一开关和第二开关，第一开关中IGBT的发射极与第二开关中IGBT的集电极连接；每个上桥臂中从直流侧至交流侧方向的前N-1个标准半桥子模块以及每个下桥臂中从交流侧至直流侧方向的前N-1个标准半桥子模块均还包括第三开关，第三开关中IGBT的集电极与本模块中的第一开关中IGBT的集电极连接，第三开关中IGBT的发射极与相邻较低电位标准半桥子模块中的第一开关中IGBT的集电极连接；在上桥臂中，标准半桥子模块中的第三开关与相邻较低电位标准半桥子模块中的第一开关互补投切，在下桥臂中，标准半桥子模块中的第三开关与本模块中的第一开关互补投切。
可见，对于本发明提供的模块化多电平半桥换流器，任一个桥臂总会存在在一个60°电角度中其中的全部标准半桥子模块会全部切除，在此过程中，由于第三开关中IGBT的闭合，该桥臂上的N个标准半桥子模块中的N个稳压电容会分别并联，最终使得所有的标准半桥子模块都被均压在容值与其电压之积的和除以容值算数和，则一方面，本发明无需降低额定电压调制比，大幅度提高了额定电压调制比，在相同交、直流额定电压下，减少了每个桥臂子模块数量，大大降低了成本。另一方面，开关频率严格保持在工频，使开关损耗最小化。最后，由于换流器子模块实现了自然均压，简化了调制算法，降低了对控制***实时计算的需求。
需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种模块化多电平半桥换流器，其特征在于，所述模块化多电平半桥换流器的每个桥臂均包括N个标准半桥子模块，N为不小于2的整数，每个所述标准半桥子模块包括第一开关和第二开关，所述第一开关中IGBT的发射极与所述第二开关中IGBT的集电极连接；
每个上桥臂中从直流侧至交流侧方向的前N-1个标准半桥子模块以及每个下桥臂中从交流侧至直流侧方向的前N-1个标准半桥子模块均还包括第三开关，所述第三开关中IGBT的集电极与本模块中的第一开关中IGBT的集电极连接，所述第三开关中IGBT的发射极与相邻较低电位标准半桥子模块中的第一开关中IGBT的集电极连接；在所述上桥臂中，所述标准半桥子模块中的第三开关与相邻较低电位标准半桥子模块中的第一开关互补投切，在所述下桥臂中，所述标准半桥子模块中的第三开关与本模块中的第一开关互补投切。
2.如权利要求1所述的模块化多电平半桥换流器，其特征在于，每一桥臂中，最靠近交流侧的标准半桥子模块中的稳压电容的容值大于最靠近直流侧的标准半桥子模块中的稳压电容的容值，且其中的任意相邻两个标准半桥子模块中，靠近交流侧的标准半桥子模块中的稳压电容的容值不小于靠近直流侧的标准半桥子模块中的稳压电容的容值。
3.如权利要求2所述的模块化多电平半桥换流器，其特征在于，每一桥臂中，N个标准半桥子模块中的N个稳压电容被分成M组，其中，M为大于2且小于N的整数，从交流侧到直流侧方向依次为第一组、第二组…直至第M组，每组中的稳压电容的容值相等，其中，第一组中稳压电容的容值＞第二组中的稳压电容的容值≥….≥第M组中的稳压电容的容值。
4.如权利要求3所述的模块化多电平半桥换流器，其特征在于，M取4。
5.如权利要求3所述的模块化多电平半桥换流器，其特征在于，M取5。
6.如权利要求1-5任一项所述的模块化多电平半桥换流器，其特征在于，每一桥臂的每个标准半桥子模块还包括：
与所述稳压电容并联的稳压电阻；
则所有第三开关仅在所在桥臂上的全部标准半桥子模块全部切除的时候才同步闭合，保持预设时间后再同步断开，其中，所述预设时间不大于一个60°电角度。
7.如权利要求6所述的模块化多电平半桥换流器，其特征在于，所述预设时间为100-200微秒。
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