一种单向电流型模块化多电平换流器制造技术

本实用新型专利技术涉及一种单向电流型模块化多电平换流器，属于电力电子功率变换领域。该换流器的每一相包括上桥臂和下桥臂，每个桥臂分别由N个相同的子模块级联构成，每相的上桥臂下端和下桥臂上端各通过一个电感连接在一起，两电感连接点为该相的交流母线，所有相的上桥臂上端连接在一起成为直流正母线，所有相的下桥臂下端连接在一起成为直流负母线，其特征在于，所述的子模块采用单向电流型子模块。本实用新型专利技术的子模块具有正、0、负三种电压输出状态，因此具有清除直流侧暂时性短路故障的能力和从正额定值至负额定值的直流电压输出能力，可以以更低成本实现基于架空线的柔性直流输电系统和实现常规‑柔性混合直流系统的功率双向传输能力。

【技术实现步骤摘要】

本技术属于电力电子功率变换领域，特别涉及一种单向电流型模块化多电平换流器。
技术介绍
柔性直流输电已经成为目前最有潜质的新型电力传输方式。由于模块化多电平换流器具有公共直流端，且有易拓展、有功无功可解耦控制、谐波特性优秀、开关器件损耗小等特点，十分适用于柔性直流输电系统。目前模块化多电平换流器根据所用的子模块类型主要可以分为半桥型、全桥型、半桥-全桥混合型和若干种箝位型几类。在不同类型的模块化多电平换流器中，半桥型模块化多电平换流器具有最低的成本，每个子模块仅需要两个开关管和两个二极管，但半桥型模块化多电平换流器的直流电压输出范围较窄，并且不具有清除直流侧暂时性短路故障的能力。全桥型模块化多电平换流器具有从正额定值至负额定值的直流电压输出范围，也可以清除直流侧暂时性短路故障，但所需的开关管和二极管数目两倍于半桥型模块化多电平换流器；即使是半桥-全桥混合型模块化多电平换流器，所需的开关管和二极管数目仍然1.5倍于半桥型模块化多电平换流器。各种箝位型模块化多电平换流器的设计目标一般均为在增加较少的开关管的条件下实现清除直流侧暂时性短路故障的能力，但仍然需要增加开关管，一般所需的开关管数目至少1.25倍于半桥型模块化多电平换流器，仍然会带来明显的成本增加。
技术实现思路
本技术的目的是针对现有的全桥和箝位型模块化多电平换流器成本高、半桥型模块化多电平换流器不具备直流侧故障清除能力的缺点，提出一种单向电流型模块化多电平换流器，采用输出电流单向、输出电压双向的子模块结构，使得换流器在保持与半桥型换流器相似的成本下，获得直流侧暂时性短路故障清除能力和从正额定值至负额定值的直流电压输出能力。本技术提出的一种单向电流型模块化多电平换流器，换流器的每一相包括上桥臂
和下桥臂，每个桥臂分别由N个相同的单向电流型子模块级联构成，每相的上桥臂下端和下桥臂上端各通过一个电感连接在一起，电感中点成为该相的交流母线，所有相的上桥臂上端连接在一起成为直流正母线，所有相的下桥臂下端连接在一起成为直流负母线，其特征在于，所述的上桥臂和下桥臂分别由N个单向电流型子模块依次顺序级联而成，所述的单向电流型子模块由第一开关、第二开关、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、直流电容组成；所述的第一开关的集电极、第一二极管的阴极、第三二极管的阳极相互连接后构成单向电流型子模块的第一端子；所述的第一开关的发射极、第一二极管的阳极、第四二极管的阳极和直流电容的负极相互连接；所述的第二开关的集电极、第二二极管的阴极、第三二极管的阴极和直流电容的正极相互连接；所述的第二开关的发射极、第二二极管的阳极和第四二极管的阴极相互连接构成单向电流型子模块的第二端子。为了达到上述目的，本技术的技术方案是：一种单向电流型模块化多电平换流器，换流器的每一相包括上桥臂和下桥臂，每个桥臂分别由N个相同的子模块级联构成，每相的上桥臂下端和下桥臂上端各通过一个电感连接在一起，电感中点成为该相的交流母线，所有相的上桥臂上端连接在一起成为直流正母线，所有相的下桥臂下端连接在一起成为直流负母线，其特征在于所述的上桥臂和下桥臂分别由N个单向电流型子模块依次顺序级联而成，N为任意不小于1的整数。所述的单向电流型子模块由第一开关、第二开关、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、直流电容组成；所述的第一开关的集电极、第一二极管的阴极、第三二极管的阳极相互连接后构成单向电流型子模块的第一端子；所述的第一开关的发射极、第一二极管的阳极、第四二极管的阳极和直流电容的负极相互连接；所述的第二开关的集电极、第二二极管的阴极、第三二极管的阴极和直流电容的正极相互连接；所述的第二开关的发射极、第二二极管的阳极和第四二极管的阴极相互连接构成单向电流型子模块的第二端子。本技术的有益效果为：本技术提出的单向电流型模块化多电平换流器，可以在相对于半桥型换流器不增加开关管、每个子模块仅增加两个仅用于不控充电阶段的小容量二极管的前提下，获得清除直流侧暂时性短路故障的能力和从正额定值至负额定值的直流电压输出能力，可以以更低成本实现基于架空线的柔性直流输电系统和实现常规-柔性混合直流系统的功率双向传输能力。附图说明图1是本技术提出的单向电流型模块化多电平换流器的结构示意图。图2是本技术的单向电流型子模块的结构示意图。图3、图4、图5和图6是本技术的单向电流型子模块的四种电压输出状态的示意图。具体实施方式本技术提出的单向电流型模块化多电平换流器，其结构如图1所示，换流器的每一相包括上桥臂和下桥臂，每个桥臂分别由N个相同的子模块级联构成，每相的上桥臂下端和下桥臂上端各通过一个电感L连接在一起，每相的两个电感L的连接点为该相的交流母线ACU、ACV、ACW，所有相的上桥臂上端连接在一起成为直流正母线DC+，所有相的下桥臂下端连接在一起成为直流负母线DC-，其特征在于，所述的上桥臂和下桥臂分别由N个子模块为N个单向电流型子模块级联构成，N可以取值为任意不小于1的整数；具体可以由换流器桥臂额定输出电压与子模块额定电压的比值关系确定。例如，如果桥臂额定电压为Uarm，子模块电压为Usm，N的取值可以为：N=INT(UarmUsm),]]>其中INT()为取整函数。所述的单向电流型子模块结构如图2所示，由第一开关S1、第二开关S2、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、直流电容C组成；所述的第一开关S1的集电极、第一二极管D1的阴极、第三二极管D3的阳极相互连接后构成单向电流型子模块的第一端子T1；所述的第一开关S1的发射极、第一二极管D1的阳极、第四二极管D4的阳极和直流电容C的负极相互连接；所述的第二开关S2的集电极、第二二极管D2的阴极、第三二极管D3的阴极和直流电容C的正极相互连接；所述的第二开关S2的发射极、第二二极管D2的阳极和第四二极管D4的阴极相互连接构成单向电流型子模块的第二端子T2。以下结合附图，详细介绍本技术的工作原理和工作过程：通过选择合适的换流器额定交流端口线电压和合适的桥臂环流使得换流器运行状态下桥臂电流总是从各子模块的第一端子T1端口流入、第二端子T2端口流出。例如对于额定直流端口电压为Udc、额定有功功率为P、额定容量为S的换流器，换流器额定交流端口线电压Uac需要满足：Uac≥2×S×Udc3×P]]>设换流器直流端口电流为idc、三相交流电流分别为iu、iv、iw，电流正方向如图1所示，设：i1=idc3-|iu|i2=idc3-|iv|i3=idc3-|iw|]]>则三相桥臂的环流可以设置为：iuc=i1+i2+i33-i1ivc=i1+i2+i33-i2iwc=i1+i2+i33-i3]]>在换流器的桥臂电流控制中，将上述iuc、ivc、iwc分别作为三相桥臂的环流参考值，环流电流正方向均为从正极母线流向负极母线。在满足上述换流器额定交流端口线电压和合适的桥臂环流的情况下，换流器运行状态下桥臂电流总是从各子模块的第一端子T1端口流入、第二端子T2端口流出。设子模块内直流电容上的直流电压为E，对于电流总是从各子模块的第一端子本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单向电流型模块化多电平换流器，该换流器的每一相包括上桥臂和下桥臂，每个桥臂分别由N个相同的子模块级联构成，每相的上桥臂下端和下桥臂上端各通过一个电感连接在一起，两电感连接点为该相的交流母线，所有相的上桥臂上端连接在一起成为直流正母线，所有相的下桥臂下端连接在一起成为直流负母线，其特征在于，所述的子模块采用单向电流型子模块，N为任意不小于1的整数；所述的单向电流型子模块由第一开关、第二开关、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、直流电容组成；所述的第一开关的集电极、第一二极管的阴极、第三二极管的阳极相互连接后构成单向电流型子模块的第一端子；所述的第一开关的发射极、第一二极管的阳极、第四二极管的阳极和直流电容的负极相互连接；所述的第二开关的集电极、第二二极管的阴极、第三二极管的阴极和直流电容的正极相互连接；所述的第二开关的发射极、第二二极管的阳极和第四二极管的阴极相互连接构成单向电流型子模块的第二端子。

【技术特征摘要】
1.一种单向电流型模块化多电平换流器，该换流器的每一相包括上桥臂和下桥臂，每个桥臂分别由N个相同的子模块级联构成，每相的上桥臂下端和下桥臂上端各通过一个电感连接在一起，两电感连接点为该相的交流母线，所有相的上桥臂上端连接在一起成为直流正母线，所有相的下桥臂下端连接在一起成为直流负母线，其特征在于，所述的子模块采用单向电流型子模块，N为任意不小于1的整数；所述的单向电流型子模块由第一开关、第二开关、第一二极管、第...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨文博，宋强，刘文华，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：新型
国别省市：北京;11