具备直流故障自清除能力的换流器功率模块和换流器制造技术

本实用新型专利技术涉及一种具备直流故障自清除能力的换流器功率模块和换流器，属于电力电子领域，具备直流故障自清除能力的换流器功率模块包括第一级单元、第二级单元和第三级单元，第一级单元中设置全控型模块和二极管，第二级单元、第三级单元中设置全控型模块、二极管和电容，在功率模块正常工作时，通过控制信号控制全控型模块的导通和截止，可以输出需要的不同电平，故障时闭锁功率模块，功率模块只具备对电容充电的电流通路，应用在换流器中，当换流器的正负极端发生短路故障时，只要同时闭锁所有功率模块，因电流路径只能对功率模块中的电容充电，电容电压升高，从而提供反向电动势阻断直流故障电流消除故障点弧道，实现换流器直流侧故障的自清除。

【技术实现步骤摘要】
具备直流故障自清除能力的换流器功率模块和换流器
本技术涉及电力电子
，特别是涉及一种具备直流故障自清除能力的换流器功率模块和换流器。
技术介绍
随着电力电子技术的不断发展，高电压、大容量已成为电力电子技术的重要发展方向，高电压、大容量的电力电子换流器已经众多场合中有着重要应用。高电压、大容量的多电平电力电子换流器的有着多种拓扑结构，包括基于阀组串联的两电平结构、二极管箝位多电平结构、飞跨电容多电平结构、组合换流器结构、H桥级联多电平结构、模块化多电平结构(ModularMultilevelConverter，MMC)等等。其中，H桥级联多电平结构、MMC结构因具有模块化设计、便于扩容、交流输出侧出口电压谐波含量少无需交流滤波器等优点，在电网有较为成功应用。传统的MMC结构多采用半H桥或H桥作为功率单元模块。采用半H桥或H桥结构的MMC结构不具备直流自清除能力，在直流侧故障时需在闭锁所有模块后，跳交流断路器才能将故障清除，流程复杂，时间较长。
技术实现思路
基于此，有必要针对传统的模块化多电平换流器不具备直流故障自清除能力的问题，提供一种新的具备直流故障自清除能力的换流器功率模块和换流器。一种具备直流故障自清除能力的换流器功率模块，包括第一级单元、第二级单元和第三级单元；第一级单元包括反向串接的第一全控型模块和第一二极管；第二级单元包括第二全控型模块、第三全控型模块和第一电容；第二全控型模块和第三全控型模块正向串接后与第一电容并联；第三级单元包括第四全控型模块、第五全控型模块、第二二极管和第二电容；第四全控型模块和第五全控型模块正向串接后与第二电容并联，第五全控型模块与第二二极管反向串接；第一全控型模块和第一二极管反向串接后与第二电容并联，第五全控型模块和第二二极管反向串接后与第一电容并联；第一全控型模块和第一二极管的连接点作为第一连接点，第二全控型模块和第三全控型模块的连接点作为第二连接点，第一连接点和第二连接点作为具备直流故障自清除能力的换流器功率模块的输出端子。根据上述本技术的具备直流故障自清除能力的换流器功率模块，第一级单元中设置全控型模块和二极管，第二级单元、第三级单元中设置全控型模块、二极管和电容，在功率模块正常工作时，通过控制信号控制全控型模块的导通和截止，可以输出需要的不同电平，故障时闭锁功率模块，功率模块只具备对电容充电的电流通路，应用在换流器中，当换流器的正负极端发生短路故障时，只要同时闭锁所有功率模块，因电流路径只能对功率模块中的电容充电，电容电压升高，从而提供反向电动势阻断直流故障电流消除故障点弧道，实现换流器直流侧故障的自清除。在其中一个实施例中，第三级单元为多个，前一个第三级单元中的第五全控型模块和第二二极管反向串接后，与后一个第三级单元中的第二电容并联；第一全控型模块和第一二极管反向串接后与首部的第三级单元中的第一电容并联，尾部的第三级单元中的第五全控型模块和第二二极管反向串接后与第一电容并联。在其中一个实施例中，第三级单元为两个。在其中一个实施例中，第三级单元为三个。在其中一个实施例中，第一全控型模块、第二全控型模块、第三全控型模块、第四全控型模块、第五全控型模块均包括反向并联的全控型器件和第三二极管。在其中一个实施例中，第一全控型模块包括绝缘栅双极型晶体管T1和二极管D1，第二全控型模块包括绝缘栅双极型晶体管T2和二极管D2，第三全控型模块包括绝缘栅双极型晶体管T3和二极管D3，第四全控型模块包括绝缘栅双极型晶体管T4和二极管D4，第五全控型模块包括绝缘栅双极型晶体管T5和二极管D5；绝缘栅双极型晶体管T1的发射极分别与二极管D1的正极、第一二极管的负极连接，绝缘栅双极型晶体管T1的集电极与二极管D1的负极连接，第二电容连接在二极管D1的负极与第一二极管的正极之间；绝缘栅双极型晶体管T2的集电极分别与二极管D2的负极、二极管D5的负极连接，绝缘栅双极型晶体管T2的发射极分别与绝缘栅双极型晶体管T3的集电极、二极管D2的正极、二极管D3的负极连接，绝缘栅双极型晶体管T3的发射极分别与二极管D3的正极、第二二极管的正极连接，第一电容连接在绝缘栅双极型晶体管T2的集电极与绝缘栅双极型晶体管T3的发射极之间；绝缘栅双极型晶体管T4的集电极分别与二极管D1的负极、二极管D4的负极连接，绝缘栅双极型晶体管T4的发射极分别与绝缘栅双极型晶体管T5的集电极、二极管D4的正极连接，绝缘栅双极型晶体管T5的集电极还与二极管D5的负极连接，绝缘栅双极型晶体管T5的发射极分别与二极管D5的正极、第一二极管的正极、第二二极管的负极连接。在其中一个实施例中，各绝缘栅双极型晶体管的参数相同，各二极管的参数相同，各电容的参数相同。一种换流器，包括第一组换流桥臂和第二组换流桥臂；第一组换流桥臂中的三相换流桥臂的负极端通过对应的桥臂电抗器与交流电网侧连接；第二组换流桥臂中的三相换流桥臂的正极端通过对应的桥臂电抗器与交流电网侧连接；第一组换流桥臂和第二组换流桥臂中的任意一相换流桥臂均包括串接的若干个上述的具备直流故障自清除能力的换流器功率模块，前一个功率模块中的第二连接点与后一个功率模块中的第一连接点连接，串接后首部的功率模块中的第一连接点作为换流桥臂的正极端，尾部的功率模块中的第二连接点作为换流桥臂的负极端。根据上述本技术的换流器，将上述具备直流故障自清除能力的换流器功率模块应用在换流器中，在换流器正常工作时，若换流器的正负极端发生短路故障时，只要同时闭锁功率模块，因电流路径只能对功率模块中的电容充电，电容电压升高，从而提供反向电动势阻断直流故障电流消除故障点弧道，实现换流器直流侧故障的自清除。在其中一个实施例中，换流器还包括与第一组换流桥臂对应的桥臂电抗器，以及与第二组换流桥臂对应的桥臂电抗器。在其中一个实施例中，换流器还包括三个充电电阻和一组三相隔离开关；三相隔离开关连接在对应第一组换流桥臂的桥臂电抗器与交流电网侧之间，同时，三相隔离开关连接在对应第二组换流桥臂的桥臂电抗器与交流电网侧之间；三相隔离开关的三相与三个充电电阻一一对应并联。附图说明图1为一个实施例的具备直流故障自清除能力的换流器功率模块的结构简图；图2为另一个实施例的具备直流故障自清除能力的换流器功率模块的结构简图；图3为一个实施例的具备直流故障自清除能力的换流器功率模块的结构示意图；图4为一个实施例的三电平功率模块的结构示意图；图5-a、5-b为一个实施例的三电平功率模块在工作状态一时的电流路径示意图；图6-a、6-b为一个实施例的三电平功率模块在工作状态二时的电流路径示意图；图7-a、7-b为一个实施例的三电平功率模块在工作状态三时的电流路径示意图；图8-a、8-b为一个实施例的三电平功率模块在工作状态四时的电流路径示意图；图9为一个实施例的四电平功率模块的结构示意图；图10为一个实施例的五电平功率模块的结构示意图；图11-a、11-b为一个实施例的四电平功率模块在工作状态一时的电流路径示意图；图12-a、12-b为一个实施例的四电平功率模块在工作状态二时的电流路径示意图；图13-a、13-b为一个实施例的四电平功率模块在工作状态三时的电流路径示意图；图14-a、14-b为一个实施例的四电平功率模块在工本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具备直流故障自清除能力的换流器功率模块，其特征在于，包括第一级单元、第二级单元和第三级单元；所述第一级单元包括反向串接的第一全控型模块和第一二极管；所述第二级单元包括第二全控型模块、第三全控型模块和第一电容；所述第二全控型模块和所述第三全控型模块正向串接后与所述第一电容并联；所述第三级单元包括第四全控型模块、第五全控型模块、第二二极管和第二电容；所述第四全控型模块和所述第五全控型模块正向串接后与所述第二电容并联，所述第五全控型模块与所述第二二极管反向串接；所述第一全控型模块和第一二极管反向串接后与所述第二电容并联，所述第五全控型模块和所述第二二极管反向串接后与所述第一电容并联；所述第一全控型模块和所述第一二极管的连接点作为第一连接点，所述第二全控型模块和所述第三全控型模块的连接点作为第二连接点，所述第一连接点和所述第二连接点作为所述具备直流故障自清除能力的换流器功率模块的输出端子。

【技术特征摘要】
1.一种具备直流故障自清除能力的换流器功率模块，其特征在于，包括第一级单元、第二级单元和第三级单元；所述第一级单元包括反向串接的第一全控型模块和第一二极管；所述第二级单元包括第二全控型模块、第三全控型模块和第一电容；所述第二全控型模块和所述第三全控型模块正向串接后与所述第一电容并联；所述第三级单元包括第四全控型模块、第五全控型模块、第二二极管和第二电容；所述第四全控型模块和所述第五全控型模块正向串接后与所述第二电容并联，所述第五全控型模块与所述第二二极管反向串接；所述第一全控型模块和第一二极管反向串接后与所述第二电容并联，所述第五全控型模块和所述第二二极管反向串接后与所述第一电容并联；所述第一全控型模块和所述第一二极管的连接点作为第一连接点，所述第二全控型模块和所述第三全控型模块的连接点作为第二连接点，所述第一连接点和所述第二连接点作为所述具备直流故障自清除能力的换流器功率模块的输出端子。2.根据权利要求1所述的具备直流故障自清除能力的换流器功率模块，其特征在于，所述第三级单元为多个，前一个第三级单元中的第五全控型模块和第二二极管反向串接后，与后一个第三级单元中的第二电容并联；所述第一全控型模块和第一二极管反向串接后与首部的第三级单元中的第一电容并联，尾部的第三级单元中的第五全控型模块和所述第二二极管反向串接后与所述第一电容并联。3.根据权利要求2所述的具备直流故障自清除能力的换流器功率模块，其特征在于，所述第三级单元为两个。4.根据权利要求2所述的具备直流故障自清除能力的换流器功率模块，其特征在于，所述第三级单元为三个。5.根据权利要求1至4中任意一项所述的具备直流故障自清除能力的换流器功率模块，其特征在于，所述第一全控型模块、所述第二全控型模块、所述第三全控型模块、所述第四全控型模块、所述第五全控型模块均包括反向并联的全控型器件和第三二极管。6.根据权利要求1所述的具备直流故障自清除能力的换流器功率模块，其特征在于，所述第一全控型模块包括绝缘栅双极型晶体管T1和二极管D1，所述第二全控型模块包括绝缘栅双极型晶体管T2和二极管D2，所述第三全控型模块包括绝缘栅双极型晶体管T3和二极管D3，所述第四全控型模块包括绝缘栅双极型晶体管T4和二极管D4，所述第五全控型...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘继权，王建武，伦振坚，彭冠炎，
申请(专利权)人：中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，
类型：新型
国别省市：广东,44