CN112564528A - 一种自平衡的模块化多电平换流器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种自平衡的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自平衡模块和第二自平衡模块；所述第一自平衡模块的一端作为第一直流端，所述第二自平衡模块的一端作为第二直流端，所述第一自平衡模块的另一端、第二自平衡模块的另一端均用于连接交流端。本发明提供一种自平衡的模块化多电平换流器，采用模块化设计，无需额外的电容电压检测***和复杂的控制算法，即可实现电容电压自平衡，同时还提高了***的可靠性和安全性，解决了现在的半桥型模块化多电平换流器不具备电容电压自动平衡的能力的问题。

Description

一种自平衡的模块化多电平换流器
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，更具体的，涉及一种自平衡的模块化多电平换流器。
背景技术
基于模块化多电平换流器的柔性直流输电技术获得了工业界与学术界的广泛研究与应用，其在有功调节与无功调节方面都具有很高的灵活性。此外，模块化多电平换流器自身结构所具有的模块化特性与冗余特性也使***具有较高的运行可靠性。
现在的柔性直流输电***几乎都是基于半桥型模块化多电平换流器，而半桥型模块化多电平换流器不具备电容电压自动平衡的能力。因此需要在检测每个电容电压的基础上，通过复杂的控制算法来实现电容电压的平衡。这不但增加了***的复杂性和开发难度，而且还会因检测***或控制算法的失灵而导致电容电压不平衡，最终使得***无法正常运行。
现有技术中，如2017年10月13日授权公告的中国专利，模块化多电平换流器，授权公告号为CN104901570B，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，但没有电容电压自平衡能力。
发明内容
本发明为克服现在的半桥型模块化多电平换流器不具备电容电压自动平衡的能力的技术缺陷，提供一种自平衡的模块化多电平换流器。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种自平衡的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自平衡模块和第二自平衡模块；
所述第一自平衡模块的一端作为第一直流端，所述第二自平衡模块的一端作为第二直流端，所述第一自平衡模块的另一端、第二自平衡模块的另一端均用于连接交流端；
所述第一自平衡模块包括n个自平衡三电平模块、2n-2个电压平衡模块和一个电感器，n≥2；
其中，n个自平衡三电平模块依次电连接，第一个自平衡三电平模块的第一端作为第一直流端，最后一个自平衡三电平模块的第二端与电感器的一端电连接，电感器的另一端用于连接交流端；每两个相邻的自平衡三电平模块的第三端之间连接有一个电压平衡模块；每两个相邻的自平衡三电平模块的第四端之间连接有一个电压平衡模块；
所述第二自平衡模块包括n个自平衡三电平模块、2n-2个电压平衡模块和一个电感器；
其中，n个自平衡三电平模块依次电连接，第一个自平衡三电平模块的第一端与电感器的一端电连接，电感器的另一端用于连接交流端，最后一个自平衡三电平模块的第二端作为第二直流端；每两个相邻的自平衡三电平模块的第三端之间连接有一个电压平衡模块；每两个相邻的自平衡三电平模块的第四端之间连接有一个电压平衡模块。
优选的，所述电压平衡模块包括一个二极管；
每两个相邻的自平衡三电平模块的第三端之间连接有一个二极管；
每两个相邻的自平衡三电平模块的第四端之间连接有一个二极管。
优选的，所述电压平衡模块包括一个二极管和一个电感器；
每两个相邻的自平衡三电平模块的第三端之间连接有一个二极管和一个电感器；其中，电感器的一端与其中一个自平衡三电平模块的第三端电连接，电感器的另一端与二极管的一端电连接，二极管的另一端与另一个自平衡三电平模块的第三端电连接；
每两个相邻的自平衡三电平模块的第四端之间连接有一个二极管和一个电感器；其中，电感器的一端与其中一个自平衡三电平模块的第四端电连接，电感器的另一端与二极管的一端电连接，二极管的另一端与另一个自平衡三电平模块的第四端电连接。
优选的，所述自平衡三电平模块包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第一电容和第二电容；
所述第一电容的正极端作为自平衡三电平模块的第一端，所述第一电容的负极端作为自平衡三电平模块的第四端，所述第二电容的正极端作为自平衡三电平模块的第三端，所述第二电容的负极端作为自平衡三电平模块的第二端；
所述第一电容的正极端与第四开关管的一端电连接，所述第四开关管的另一端分别与第二开关管的一端、第三开关管的一端电连接，所述第二开关管的另一端与第二电容的正极端电连接，所述第二电容的负极端与第五开关管的一端电连接，所述第五开关管的另一端分别与第三开关管的另一端、第一开关管的一端电连接，所述第一开关管的另一端与第一电容的负极端电连接。
优选的，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管和第五开关管均反向并联一个体二极管。
优选的，当所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管和第五开关管均关断时，所述第一电容和第二电容通过第一开关管的体二极管、第二开关管的体二极管和第三开关管的体二极管进入串联充电的工作模式。
优选的，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管和第五开关管均为IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)。
优选的，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管和第五开关管均为MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化层半导体场效晶体管)。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明提供了一种自平衡的模块化多电平换流器，采用模块化设计，无需额外的电容电压检测***和复杂的控制算法，即可实现电容电压自平衡，同时还提高了***的可靠性和安全性。
附图说明
图1为本发明中其中一个实施例的电路连接示意图；
图2为本发明中另一个实施例的电路连接示意图；
图3为本发明中所述自平衡三电平模块的电路连接示意图；
图4为本发明中所述自平衡三电平模块的串联充电工作模式的等效电路图；
图5为本发明中所述自平衡三电平模块的0电平工作模式的等效电路图；
图6为本发明中所述自平衡三电平模块的一倍电平工作模式的等效电路图；
图7为本发明中所述自平衡三电平模块的二倍电平工作模式的等效电路图；
图8为本发明中所述自平衡三电平模块间电压自动平衡的其中一种电路工作状态示意图；
图9为本发明中所述自平衡三电平模块间电压自动平衡的另一种电路工作状态示意图；
其中，1、第一自平衡模块；2、第二自平衡模块；3、电压平衡模块。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1所示，一种自平衡的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自平衡模块1和第二自平衡模块2；
所述第一自平衡模块1的一端作为第一直流端，所述第二自平衡模块2的一端作为第二直流端，所述第一自平衡模块1的另一端、第二自平衡模块2的另一端均用于连接交流端。
更具体的，所述第一自平衡模块1包括n个自平衡三电平模块、2n-2个电压平衡模块3和一个电感器，n≥2；
其中，n个自平衡三电平模块依次电连接，第一个自平衡三电平模块的第一端作为第一直流端，最后一个自平衡三电平模块的第二端与电感器的一端电连接，电感器的另一端用于连接交流端；
每两个相邻的自平衡三电平模块的第三端之间连接有一个电压平衡模块3；
每两个相邻的自平衡三电平模块的第四端之间连接有一个电压平衡模块3。
更具体的，所述第二自平衡模块2包括n个自平衡三电平模块、2n-2个电压平衡模块3和一个电感器，n≥2；
其中，n个自平衡三电平模块依次电连接，第一个自平衡三电平模块的第一端与电感器的一端电连接，电感器的另一端用于连接交流端，最后一个自平衡三电平模块的第二端作为第二直流端；
每两个相邻的自平衡三电平模块的第三端之间连接有一个电压平衡模块3；
每两个相邻的自平衡三电平模块的第四端之间连接有一个电压平衡模块3。
更具体的，所述电压平衡模块3包括一个二极管；
每两个相邻的自平衡三电平模块的第三端之间连接有一个二极管；
每两个相邻的自平衡三电平模块的第四端之间连接有一个二极管。
在图1中，ua、ub、uc分别为三个交流端，分别连接三个相单元；n个自平衡三电平模块分别为SM1、SM2至SMn；2n-2个二极管分别为D11至D(n-1)1以及D12至D(n-1)2；L0为电感器；a、b、c和d分别对应自平衡三电平模块的第一端、第二端、第三端和第四端。
实施例2
更具体的，如图2所示，所述电压平衡模块3包括一个二极管和一个电感器Lr；
每两个相邻的自平衡三电平模块的第三端之间连接有一个二极管和一个电感器Lr；其中，电感器Lr的一端与其中一个自平衡三电平模块的第三端电连接，电感器Lr的另一端与二极管的正极端电连接，二极管的负极端与另一个自平衡三电平模块的第三端电连接；
每两个相邻的自平衡三电平模块的第四端之间连接有一个二极管和一个电感器Lr；其中，电感器Lr的一端与其中一个自平衡三电平模块的第四端电连接，电感器Lr的另一端与二极管的正极端电连接，二极管的负极端与另一个自平衡三电平模块的第四端电连接。
在具体实施过程中，Lr为小电感，利用电感电流不能突变的特性限制自平衡三电平模块间电容电压平衡模式的电流脉冲。防止电压平衡的时候，产生过大的脉冲电流，从而引起电磁干扰甚至损坏器件。
实施例3
更具体的，如图3所示，所述自平衡三电平模块包括第一开关管Si1、第二开关管Si2、第三开关管Si3、第四开关管Si4、第五开关管Si5、第一电容Ci1和第二电容Ci2；
所述第一电容Ci1的正极端作为自平衡三电平模块的第一端a(输入端)，所述第一电容的负极端作为自平衡三电平模块的第四端d(均衡端)，所述第二电容的正极端作为自平衡三电平模块的第三端c(均衡端)，所述第二电容的负极端作为自平衡三电平模块的第二端b(输出端)；
所述第一电容Ci1的正极端与第四开关管Si4的一端电连接，所述第四开关管Si4的另一端分别与第二开关管Si2的一端、第三开关管Si3的一端电连接，所述第二开关管Si2的另一端与第二电容Ci2的正极端电连接，所述第二电容Ci2的负极端与第五开关管Si5的一端电连接，所述第五开关管Si5的另一端分别与第三开关管Si3的另一端、第一开关管Si1的一端电连接，所述第一开关管Si1的另一端与第一电容Ci1的负极端电连接。
更具体的，所述第一开关管Si1、第二开关管Si2、第三开关管Si3、第四开关管Si4和第五开关管Si5均反向并联一个体二极管。
更具体的，如图4所示，当所述第一开关管Si1、第二开关管Si2、第三开关管Si3、第四开关管Si4和第五开关管Si5均关断时，所述第一电容Ci1和第二电容Ci2通过第一开关管Si1的体二极管、第二开关管Si2的体二极管和第三开关管Si3的体二极管进入串联充电的工作模式。
在具体实施过程中，图5所示为所述自平衡三电平模块的0电平工作模式，此时Si3、Si4和Si5均导通而Si1和Si2关断，Ci1的正极端与Ci2的负极端相连，使得所述自平衡三电平模块的输入端(a)和输出端(b)被短路，从而输出0电平；由于Si3、Si4和Si5均导通且每个开关管均含有体二极管，所以该模式下输入端(a)和输出端(b)之间的电流可以双向流动。
图6所示为所述自平衡三电平模块的一倍电平工作模式，此时Si3关断而其它开关管均导通，Ci1与Ci2通过导通的开关管及其体二极管并联，使得所述自平衡三电平模块的输入端(a)和输出端(b)之间的电压为电容电压且电流可以双向流动；此时，由于Ci1与Ci2并联运行，所以Ci1和Ci2之间的电压能够自动平衡。
图7所示为所述自平衡三电平模块的二倍电平工作模式，此时Si1、Si2和Si3均导通而Si4和Si5关断，Ci1的负极端与Ci2的正极端相连，使得输入端(a)和输出端(b)之间的电压为Ci1和Ci2的电容和，即二倍电容电压；该模式下输入端(a)和输出端(b)之间的电流同样可以双向流动。
如图8所示，当第i个自平衡三电平模块SMi工作在0电平工作模式时，即Si3、Si4和Si5均导通而Si1和Si2关断，如果SMi中电容的电压高于第i+1个自平衡三电平模块SM(i+1)中电容的电压，Ci1将通过Si3、Si4、Si5和二极管Di1为电容C(i+1)1充电，从而实现Ci1和C(i+1)1之间的电压平衡。类似地，如图9所示，当SMi中电容的电压低于SM(i+1)中电容的电压时，在SM(i+1)的0电平工作模式下，电容C(i+1)2将通过开关管S(i+1)3、S(i+1)4、S(i+1)5和二极管Di2为电容Ci2充电，从而实现电容Ci2和C(i+1)2之间的电压平衡。
因此，自平衡三电平模块内的两个电容间的电压可通过它们的并联运行而自动平衡，自平衡三电平模块间的电容电压可通过自平衡三电平模块间连接的二极管实现自动平衡。所以，每个第一自平衡模块1和第二自平衡模块2中所有自平衡三电平模块内和自平衡三电平模块间的电容电压均可实现自动平衡。
实施例4
更具体的，所述第一开关管Si1、第二开关管Si2、第三开关管Si3、第四开关管Si4和第五开关管Si5均为IGBT。
实施例5
更具体的，所述第一开关管Si1、第二开关管Si2、第三开关管Si3、第四开关管Si4和第五开关管Si5均为MOSFET。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种自平衡的模块化多电平换流器，其特征在于，包括至少一个相单元，所述相单元包括第一自平衡模块和第二自平衡模块；
所述第一自平衡模块的一端作为第一直流端，所述第二自平衡模块的一端作为第二直流端，所述第一自平衡模块的另一端、第二自平衡模块的另一端均用于连接交流端；
所述第一自平衡模块包括n个自平衡三电平模块、2n-2个电压平衡模块和一个电感器，n≥2；
其中，n个自平衡三电平模块依次电连接，第一个自平衡三电平模块的第一端作为第一直流端，最后一个自平衡三电平模块的第二端与电感器的一端电连接，电感器的另一端用于连接交流端；每两个相邻的自平衡三电平模块的第三端之间连接有一个电压平衡模块；每两个相邻的自平衡三电平模块的第四端之间连接有一个电压平衡模块；
所述第二自平衡模块包括n个自平衡三电平模块、2n-2个电压平衡模块和一个电感器；
其中，n个自平衡三电平模块依次电连接，第一个自平衡三电平模块的第一端与电感器的一端电连接，电感器的另一端用于连接交流端，最后一个自平衡三电平模块的第二端作为第二直流端；每两个相邻的自平衡三电平模块的第三端之间连接有一个电压平衡模块；每两个相邻的自平衡三电平模块的第四端之间连接有一个电压平衡模块。
2.根据权利要求1所述的一种自平衡的模块化多电平换流器，其特征在于，所述电压平衡模块包括一个二极管；
每两个相邻的自平衡三电平模块的第三端之间连接有一个二极管；
每两个相邻的自平衡三电平模块的第四端之间连接有一个二极管。
3.根据权利要求1所述的一种自平衡的模块化多电平换流器，其特征在于，所述电压平衡模块包括一个二极管和一个电感器；
每两个相邻的自平衡三电平模块的第三端之间连接有一个二极管和一个电感器；其中，电感器的一端与其中一个自平衡三电平模块的第三端电连接，电感器的另一端与二极管的一端电连接，二极管的另一端与另一个自平衡三电平模块的第三端电连接；
每两个相邻的自平衡三电平模块的第四端之间连接有一个二极管和一个电感器；其中，电感器的一端与其中一个自平衡三电平模块的第四端电连接，电感器的另一端与二极管的一端电连接，二极管的另一端与另一个自平衡三电平模块的第四端电连接。
4.根据权利要求1所述的一种自平衡的模块化多电平换流器，其特征在于，所述自平衡三电平模块包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第一电容和第二电容；
所述第一电容的正极端作为自平衡三电平模块的第一端，所述第一电容的负极端作为自平衡三电平模块的第四端，所述第二电容的正极端作为自平衡三电平模块的第三端，所述第二电容的负极端作为自平衡三电平模块的第二端；
所述第一电容的正极端与第四开关管的一端电连接，所述第四开关管的另一端分别与第二开关管的一端、第三开关管的一端电连接，所述第二开关管的另一端与第二电容的正极端电连接，所述第二电容的负极端与第五开关管的一端电连接，所述第五开关管的另一端分别与第三开关管的另一端、第一开关管的一端电连接，所述第一开关管的另一端与第一电容的负极端电连接。
5.根据权利要求4所述的一种自平衡的模块化多电平换流器，其特征在于，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管和第五开关管均反向并联一个体二极管。
6.根据权利要求5所述的一种自平衡的模块化多电平换流器，其特征在于，当所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管和第五开关管均关断时，所述第一电容和第二电容通过第一开关管的体二极管、第二开关管的体二极管和第三开关管的体二极管进入串联充电的工作模式。
7.根据权利要求4所述的一种自平衡的模块化多电平换流器，其特征在于，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管和第五开关管均为IGBT。
8.根据权利要求4所述的一种自平衡的模块化多电平换流器，其特征在于，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管和第五开关管均为MOSFET。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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