一种模块化多电平换流器的交叉型子模块结构制造技术

本发明专利技术公开了一种模块化多电平换流器的交叉型子模块结构，包括四个开关管、四个电容器，一个切换管和一个独立二极管；该子模块结构最大能够输出4个电平，在实际的模块化多电平换流器应用中，能够有效减少子模块使用的个数，降低控制电路的规模和控制的复杂度；由本发明专利技术子模块构成的MMC具有直流故障自清除能力，能够快速有效地处理直流故障，减少故障对MMC以及整个交直流系统的影响；相较于CMMC减少了10％的IGBT器件个数，运行损耗也有一定程度地降低，足见经济性要好于CMMC。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电力电子系统
，具体涉及一种模块化多电平换流器的交叉型子模块结构。
技术介绍
模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)具有交流输出电压谐波畸变率低，模块化结构易于封装，开关器件承受的电气应力小，开关损耗低等优点。自2002年提出后，经过十余年的发展，已为业界广泛承认。半桥子模块(half-bridge sub-module，HBSM)结构是MMC主要的子模块可选结构，由于HBSM的损耗小、电压低，目前几乎所有的MMC高压直流工程都是以半桥型MMC(MMC using HBSM，HMMC)为其拓扑结构。但是，当HMMC构成的高压直流系统发生直流双极短路故障时，系统无法通过闭锁换流器自身来切断短路故障电流，这也严重危害了系统的安全。目前，直流断路器在高压大功率场合中的工程应用还无法实现，而由HMMC构成的直流输电系统在发生双极短路故障时又无法通过闭锁换流站来切断故障短路电流，因此整个系统只能在故障发生后通过交流断路器来切断故障电流，这给系统的安全运行带来了严重影响。为了尽可能地避免直流故障，现有的MMC工程均是采用故障率低的电缆作为传输线路而不是采用成本较低的架空线，这对MMC直流输电系统在长距离输电方面的发展产生了极大的制约。为了有效解决上述技术问题，目前很多文献提出了多种具有直流故障自清除能力的子模块拓扑，如钳位双子模块(clamp double sub-module，CDSM)和全桥子模块(full-bridge sub-module，FBSM)等。从设备成本和运行损耗来看，CDSM相较于其他子模块拓扑均占有较为明显的优势，但由其构成的MMC(MMC using CDSMs，CMMC)相较于HMMC，CMMC需要多用25％的IGBT器件，额外消耗40％左右的运行损耗。若能研究出比CDSM更加经济的子模块拓扑，必然具有十分重要的工程价值和应用前景。
技术实现思路
针对现有技术所存在的上述技术问题，本专利技术提供了一种模块化多电平换流器的交叉型子模块结构，由其构成的MMC不仅具有直流故障自清除能力，而且相比于CMMC，所使用的IGBT器件个数更少，运行损耗更低，具有更好的经济性。一种模块化多电平换流器的交叉型子模块结构，包括：四个开关管S1～S4、四个电容器C1～C4，一个切换管和一个独立二极管；其中：电容C1的正极端与开关管S2的负极端相连并构成子模块结构的高压端，电容C1的负极端与开关管S1的正极端相连，开关管S1的负极端与电容C2的正极端以及独立二极管的阴极相连，电容C2的负极端与开关管S2的正极端以及切换管的正极端相连；切换管的负极端与电容C3的正极端以及开关管S3的负极端相连，独立二极管的阳极与电容C3的负极端以及开关管S4的正极端相连，开关管S4的负极端与电容C4的正极端相连，电容C4的负极端与开关管S3的正极端相连并构成子模块结构的低压端；所述四个开关管S1～S4中的任一开关管包括两个带反并二极管的IGBT管T1～T2；其中，IGBT管T1的发射极构成开关管的正极端，IGBT管T1的集电极与IGBT管T2的发射极相连，IGBT管T2的集电极构成开关管的负极端，两个IGBT管T1～T2的基极均接收来自外部设备提供的开关控制信号。所述的切换管由一带反并二极管的IGBT管与一避雷器并联组成；其中，IGBT管的发射极构成切换管的正极端，集电极构成切换管的负极端，基极接收来自外部设备提供的开关控制信号。所述的避雷器能够有效防止IGBT的过电压，使其免遭过电压损坏。本专利技术子模块结构最大能够输出4个电平，在实际的模块化多电平换流器应用中，能够有效减少子模块使用的个数，降低控制电路的规模和控制的复杂度。与现有技术相比，本专利技术子模块结构的有益效果如下：(1)由本专利技术子模块构成的MMC具有直流故障自清除能力，能够快速有效地处理直流故障，减少故障对MMC以及整个交直流系统的影响。(2)由本专利技术子模块构成的MMC相较于CMMC减少了10％的IGBT器件个数，运行损耗也有一定程度地降低，足见经济性要好于CMMC。(3)本专利技术的子模块最大能够输出四个电平，与HBSM输出1个电平和CDSM输出2个电平相比，相同电压等级的MMC中，本专利技术的子模块使用数最少，能够有效降低控制硬件和控制算法的复杂度。附图说明图1为本专利技术交叉型子模块结构示意图。图2(a)为本专利技术交叉型子模块4电平投入状态示意图。图2(b)为本专利技术交叉型子模块2电平投入状态示意图。图2(c)为本专利技术交叉型子模块另一种2电平投入状态示意图。图2(d)为本专利技术交叉型子模块旁路状态示意图。图3(a)为本专利技术交叉型子模块闭锁状态下电流流向为A至B的示意图。图3(b)为本专利技术交叉型子模块闭锁状态下电流流向为B至A的示意图。图4为两个CDSM级联的示意图。具体实施方式为了更为具体地描述本专利技术，下面结合附图及具体实施方式对本专利技术的技术方案及其相关原理进行详细说明。如图1所示，本专利技术模块化多电平换流器的交叉型子模块结构，包括4个开关管S1～S4，4个电容器C1～C4，1个切换管和1个独立二极管D10。电容C1的正极端与开关管S2的2号端相连并构成交叉型子模块结构的A端，电容C1的负极端与开关管S1的1号端相连，开关管S1的2号端与电容C2的正极端以及二极管D10的阴极相连，电容C2的负极端与开关管S2的1号端以及切换管的1号端相连。切换管的2号端与电容C3的正极端以及开关管S3的2号端相连，二极管D10的阳极与电容C3的负极端以及开关管S4的1号端相连。开关管S4的2号端与电容C4的正极端相连，电容C4的负极端与开关管S3的1号端相连并构成交叉型子模块结构的B端。开关管S1～S4具有相同的内部结构，包含两个IGBT管T1和T2以及与其相并联的反向二极管D1和D2。其中，IGBT管T1的发射极作为开关管的1号端，IGBT管T1的集电极与IGBT管T2的发射极相连，IGBT管T2的集电极作为开关管的2号端。切换管由1个IGBT管T9，1个二极管D9和1个避雷器，三者并联构成，其中，二极管D9与IGBT管T9成反向并联关系。避雷器的加入能够有效防止IGBT管T9的过电压，使其免遭过电压损坏。图2给出了交叉型子模块结构稳态运行情况下四种运行状态。图2(a)所示为T1T2、T7T8、T9开通，T3T4、T5T6关断情况下，子模本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模块化多电平换流器的交叉型子模块结构，其特征在于，包括：四个开关管S1～S4、四个电容器C1～C4，一个切换管和一个独立二极管；其中：电容C1的正极端与开关管S2的负极端相连并构成子模块结构的高压端，电容C1的负极端与开关管S1的正极端相连，开关管S1的负极端与电容C2的正极端以及独立二极管的阴极相连，电容C2的负极端与开关管S2的正极端以及切换管的正极端相连；切换管的负极端与电容C3的正极端以及开关管S3的负极端相连，独立二极管的阳极与电容C3的负极端以及开关管S4的正极端相连，开关管S4的负极端与电容C4的正极端相连，电容C4的负极端与开关管S3的正极端相连并构成子模块结构的低压端。

【技术特征摘要】
1.一种模块化多电平换流器的交叉型子模块结构，其特征在于，包括：四
个开关管S1～S4、四个电容器C1～C4，一个切换管和一个独立二极管；其中：
电容C1的正极端与开关管S2的负极端相连并构成子模块结构的高压端，电
容C1的负极端与开关管S1的正极端相连，开关管S1的负极端与电容C2的正极
端以及独立二极管的阴极相连，电容C2的负极端与开关管S2的正极端以及切换
管的正极端相连；切换管的负极端与电容C3的正极端以及开关管S3的负极端相
连，独立二极管的阳极与电容C3的负极端以及开关管S4的正极端相连，开关管
S4的负极端与电容C4的正极端相连，电容C4的负极端与开关管S3的正极端相
连并构成子模块结构的...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐政，许烽，张哲任，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33