对偶单极电压模块链及其混合多电平变流器制造技术

本发明专利技术提出的对偶单极电压模块链及其混合多电平变流器，属于电力电子技术和电力输配电领域，所述对偶单级电压模块链由N

【技术实现步骤摘要】
对偶单极电压模块链及其混合多电平变流器
本专利技术属于电力电子技术和电力输配电领域，特别涉及一种对偶单极电压模块链及其混合多电平变流器。
技术介绍
应用在柔性直流输电、电机驱动等领域的传统两电平、三电平变流器，常常采用两相或三相结构，实现交流-直流的功率转换；在高压应用场合，会结合全控开关器件(典型如绝缘栅双极型晶体管，IGBT)的串联技术构成高压两电平或高压三电平变流器。这类变流器存在的主要问题是由于电平数目少，为获得较好的输出谐波特性，需要大幅度提高开关频率，但随之带来开关损耗激增的缺点，限制了开关频率的进一步提高；同时，此类变流器在直流侧发生短路故障时，无法通过闭锁全控开关器件实现对直流故障电流的抑制，必须增加其他辅助设备实现直流故障闭锁。以在高压柔性直流输电工程上普遍采用的两/三电平拓扑变流器为例，由于输出谐波特性差，电压变化率(dv/dt)高，需要安装专门的交流滤波装置，且开关损耗大、转换效率低；同时由于不具备直流故障闭锁或直流故障穿越的能力，往往必须采用成本高昂的直流电缆或配备直流断路器。与传统的两电平、三电平变流器相比，模块化多电平变流器(MMC)具有可模块化设计、谐波特性好、dv/dt低、开关频率低、损耗小等优点，克服了两/三电平变流器的绝大部分缺点，因而在高压柔性直流输电、高压电机驱动、冶金、风电场低电压穿越等领域得到了较为广泛的研究和应用。但相对而言，MMC也存在使用器件数和电容数较多的缺点，不但工程造价显著提高，由于所需的电容数量多、体积大，还大幅增加了变流器整体的体积和占地面积。另一方面，目前投运的MMC工程基本上采用半桥模块结构，即MMC的每相桥臂均由相同数量的半桥模块级联而成。与两/三电平变流器相同，半桥模块式MMC也不具有直流故障闭锁或穿越的能力。为解决该问题，可采用的第一类典型技术，是将各类具有直流故障闭锁能力的功率模块，全部或者部分替代半桥模块，以实现MMC的直流故障闭锁能力。比如，每相桥臂全部采用具备直流故障闭锁能力的箝位双子模块(CDSM,clamp-doublesub-module)替代半桥模块构成的MMC(Marquardt,R.,"ModularMultilevelConverter:AnuniversalconceptforHVDC-NetworksandextendedDC-Bus-applications,"PowerElectronicsConference(IPEC),2010International,vol.,no.,pp.502,507,21-24June2010.)。或者，采用不同类型功率模块通过不同的混合方式实现直流故障闭锁能力，包括每个桥臂内由不同类型的功率模块进行混合的模块混合型MMC(Zeng,R.；Xu,L.；Yao,L.；Morrow,J.,"Pre-chargingandDCFaultRide-ThroughofHybridMMCBasedHVDCSystems,"PowerDelivery,IEEETransactionson,vol.PP,no.99,pp.1,1.2014.)，以及三相上桥臂与下桥臂分别采用不同类型功率模块的混合的桥臂混合型MMC(AlirezaNami,JiaqiLiangFransDijkhuizen,“AnalysisofModularMultilevelConverterswithDCShortCircuitFaultBlockingCapabilityinBipolarHVDCTransmissionSystems,”PowerElectronicsandApplications,201517thEuropeanConferenceonECCE-Europe)。通过选择不同类型的功率模块、采用不同的混合方式，其目的都是尽可能地降低具备直流闭锁故障能力的功率模块的数目和每个模块中全控开关器件的数目，因为此类模块的成本和损耗都大于半桥模块。尽管如此，上述手段构成的MMC，使用的全控开关器件数量和成本，均明显大于半桥模块式MMC。可采用的第二类技术，则是将全桥模块(FBSM)与串联的全控开关器件(典型IGBT)组构成的两/三电平拓扑通过不同方式进行混合，包括交替桥臂导通型变流器(AAC,alternativearmconverter)(Merlin,M.M.C.；Green,T.C.；Mitcheson,P.D.；Trainer,D.R.；Critchley,R.；Crookes,W.；Hassan,F.,"TheAlternateArmConverter:ANewHybridMultilevelConverterWithDC-FaultBlockingCapability,"PowerDelivery,IEEETransactionson,vol.29,no.1,pp.310,317,Feb.2014.)；交流侧级联H桥混合多电平(HCMC,hybridcascadedmultilevelconverterwithacsidecascadedH-bridgecells)(Adam,G.P.；Ahmed,K.H.；Williams,B.W.,"Mixedcellsmodularmultilevelconverter,"IndustrialElectronics(ISIE),2014IEEE23rdInternationalSymposiumon,vol.,no.,pp.1390,1395,1-4June2014)和由本专利技术申请人曾提出的“一种中点箝位型级联H桥混合多电平变流器，HNMC”(专利申请号：201510276068.7)等。上述方案的共同特点是均采用FBSM与IGBT串联技术构成的高压两电平或三电平结构进行混合，优势是不但使用的IGBT器件数量与混合型MMC相当或更少，而且直流电容的使用量大幅降低，兼具两/三电平变流器中器件数量少和MMC变流器输出特性好的优点因而，第二类技术相对于第一类，MMC在体积和占地面积以及工程成本上相对更具优势。在第二类技术中，HCMC和HNMC使用的功率模块数量相同，都仅为AAC的一半，是当前最具成本优势的MMC拓扑类型。而且，HNMC采用了IGBT串联的三电平拓扑，相对于HCMC其串联的IGBT可实现更低的开关频率，更具效率优势，只是由于采用中点箝位型三电平拓扑需增加了一定数量的二极管和电容组，增加了一部分成本和体积，故与HCMC总体比较而言优势尚不够明显。基于第二类技术构成的MMC全部使用全桥模块，其原因与该类型MMC的运行特性有关，表现在两方面：其一，需要利用全桥模块在内部全控开关器件全部关断期间，对双向故障电流相同的闭锁能力；其二，需要全桥模块在双向电流条件下具备正、负、零双极性电压输出能力，用以承担两/三电平桥臂端口与三相交流电压之间的谐波电压，保持变流器良好的谐波输出特性。与HCMC不同的是，通过控制HNMC中三电平桥臂的PWM调制策略，HNMC交流侧模块链双极电压的输出需求，可只占HCMC交流侧模块链双极电压输出需求的1/2。但在实际设计中，由于需要相同的直流故障闭锁能力，HNMC和HCMC两种变流器的交流侧模块链中所需的全桥模块数量也本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种对偶单级电压模块链，由N

【技术特征摘要】
1.一种对偶单级电压模块链，由N1个正极性单极电压模块和N2个负极性单极电压模块的共计N个单极电压模块依次串联构成，N1、N2均为自然数，且N1≥1，N2≥1，每个模块包括一个正极端“+”和一个负极端“-”，正极端“+”和负极端“-”之间的电压差为该模块端口电压uSM，其特征在于：前一个模块的负极端与后一个模块的正极端相连接，第1个模块的正极端作为该对偶单极电压模块链的一个端口，第N个模块的负极端作为该对偶单极电压模块链的另一个端口，且在双向电流下具备零和正、负双极性电压输出能力；所述的正极性单极电压模块，通过对模块内部全控开关器件导通和关断不同状态的控制，当其电流iSM方向从正极端“+”流入，从负极端“-”流出时，端口电压uSM的电平包括零和正、负极性；当电流iSM方向从负极端“-”流入，从正极端“+”流出时，端口电压uSM电平仅包括零和正极性电平或零和负极性电平，且在正常运行时，端口电压uSM电平仅为零电平；所述的负极性单极电压模块，通过对模块内部全控开关器件导通和关断不同状态的控制，当其电流iSM方向从负极端“-”流入，从正极端“-”流出时，端口电压uSM的电平包括零和正、负极性；当电流iSM方向从正极端“+”流入，从负极端“-”流出时，端口电压uSM电平仅包括零和正极性电平或零和负极性电平，且在正常运行时，端口电压uSM电平仅为零电平。2.根据权利要求1所述的对偶单级电压模块链，其特征在于，所述N1个正极性单极电压模块包括由K11个第一两电平单级电压全桥模块(10)和K12个第二两电平单级电压全桥模块(20)构成的K1个两电平正极性单极电压模块、以及由L1个三电平交错连接模块(100)构成的三电平正极性单极电压模块，K11、K12、K1、L1均为整数，且同时满足：0≤K11≤K1、0≤K12≤K1、0≤K1≤N1、0≤L1≤N1、K1+L1＝N1；所述N2个负极性单极电压模块包括由K21个第一两电平单级电压全桥模块(10)和K22个第二两电平单级电压全桥模块(20)构成的K2个两电平正极性单极电压模块、以及L2个三电平交错连接模块(100)构成的三电平正极性单极电压模块，K21、K22、K2、L2均为整数，且同时满足0≤K21≤K2、0≤K22≤K2、0≤K2≤N2、0≤L2≤N2、K2+L2＝N2；所述对偶单极电压模块链中正极性单极电压模块电容数和负极性单极电压模块电容数相等，均用M表示：所述第一、第二两电平单级电压全桥模块(10、20)的电容数目均为1，该电容阳极与阴极之间的直流额定电压记为Uc，第一、第二两电平单级电压全桥模块内各个全控开关器件的额定耐压值为Uc；所述三电平交错连接模块(100)的电容数目为2，每个电容阳极与阴极之间的直流额定电压记为Uc，其中，位于每条对角线上的全控开关器件的总额定耐压值为2Uc，其余各个全控开关器件的额定耐压值为Uc。3.一种基于权利要求1所述对偶单级电压模块链构建的混合多电平变流器，与交流电压相连，其特征在于，该变流器至少包括两个相同的相，每相包括一个三电平桥臂、由一个对偶单极电压模块链和一个电抗器串联构成的串联支路；其中，所述串联支路的一端接入三电平桥臂的中点，串联支路的另一端接入交流电压；三电平桥臂的正极端均接入混合多电平变流器的直流母线正极，三电平桥臂的负极端均接入混合多电平变流器的直流母线负极。4.根据权利要求3所述的混合多电平变流器，其特征在于，所述每...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏应冬，于心宇，姜齐荣，刘蓁，张树卿，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11