模块化电源系统技术方案

一种模块化电源系统包括：一个主控制器，被配置为输出主控制信号；N个本地控制器，其中每一个所述本地控制器被配置为接收所述主控制信号，以输出至少一个本地控制信号；以及N个功率单元，与所述N个本地控制器一一对应，其中每一个所述功率单元包括第一端和第二端，每一个所述功率单元的所述第二端连接到相邻的一个所述功率单元的所述第一端，每一个所述功率单元被配置为包括M个功率变换器，每一个所述功率变换器被配置为根据对应的所述本地控制器输出的所述本地控制信号运行，其中控制所述M个功率变换器中至少2个功率变换器中相同位置的功率半导体开关同时导通和同时断开的所述本地控制信号为同一个。

【技术实现步骤摘要】
模块化电源系统
本专利技术涉及电力电子
，特别涉及一种模块化电源系统。
技术介绍
目前，在一些较高电压等级(如10kV以上)应用场合，如静止无功发生器(StaticVarGenerator，SVG)、中压变频器(MediumVariable-frequencyDrive，MVD)以及轻型高压直流输电系统(HighVoltageDirectCurrentTransmissionLight，HVDC-Light)等，由于系统电压等级较高，受半导体器件的耐压等级和成本所限，通常都采用功率单元级联的电路拓扑结构。传统的功率单元级联的拓扑结构需要给每一个功率单元即功率变换器配备一套光纤、辅助电源、本地控制器。这种功率单元级联的拓扑结构随着电压等级的提高，需要级联的功率单元的数量也随之增加，导致光纤、辅助电源及本地控制器的数量也随之增加，使得这种拓扑结构的设计复杂，成本高，同时也会降低其可靠性。图1是现有技术中一个三相SVG系统的结构示意图。图2是现有技术中一个更具体的三相SVG系统的示意图。图1和图2中的SVG系统包括三相电路，每一相电路中的功率单元级联连接。如图1中所示，该SVG系统的每一相电路都由多个功率单元1级联而成。这里的术语“级联”在本领域中是公知常识，即每一个功率单元包括第一端T1和第二端T2，相邻两个功率单元的其中一个的第二端T2与另一个的第一端T1连接。每一相电路的第1个功率单元的第一端T1经滤波器L分别连接到三相电网的UA、UB和UC三相线路上，每一相电路的最后一个功率单元的第二端相互连接。如图2所述，该SVG系统的每一相电路都由8个功率单元P1至P8级联而成。每一个功率单元包括如图1中所示的第一端和第二端，其中相邻两个功率单元的其中一个的第二端与另一个的第一端连接。例如，功率单元P1的第二端与功率单元P2的第一端连接，功率单元P2的第二端与功率单元P3的第一端连接，依次类推，功率单元P7的第二端与功率单元P8的第一端连接。三相电路中三个功率单元P1的第一端经过滤波电路(由电感L、电阻R和电容C组成)分别连接于三相电网G的UA、UB和UC相，其中三相电网G的UA、UB和UC相连接负载Rload。三相电路中三个功率单元P8的第二端相互连接。每一个功率单元中包括四个功率开关器件2。每一个功率开关器件2由一个功率半导体开关S与一个反向并联的体二极管或外接二极管D构成。功率半导体开关S的集电极与二极管D的阴极连接，功率半导体开关S的发射极与二极管D的阳极连接。由于功率半导体开关S与一个反向并联的体二极管或外接二极管D二者通常作为一个整体使用，所以为了描述简洁的目的，以下描述中不再单独提及反向并联的体二极管或外接二极管D。图1中所示的功率单元1可以是全桥(H桥)电路，也可以是其它的电路拓扑结构，如半桥电路、整流-逆变电路等。图3是现有技术中的一个H桥电路(拓扑)的示意图。例如，以功率单元为H桥电路为例，H桥电路如图3中所示，包括功率半导体开关S1至S4和直流母线电容CB。功率半导体开关S1的第一端连接于直流母线电容CB的正极端和功率半导体开关S3的第一端。功率半导体开关S1的第二端连接于功率半导体开关S4的第一端。功率半导体开关S4的第二端连接于直流母线电容CB的负极端和功率半导体开关S2的第二端。功率半导体开关S3的第二端连接功率半导体开关S2的第一端。功率半导体开关S1的第二端作为H桥电路的第一输出端，也即功率单元1的第一端T1，功率半导体开关S3的第二端作为H桥电路的第二输出端，也即功率单元1的第二端T2。图4是现有技术中一个单相SVG的示意图。如图4中所示，该单相SVG包括充电部分3、功率部分4和控制部分5。该单相SVG也包括多个功率单元40，每一个功率单元40包括如图1中所示的第一端和第二端，相邻两个功率单元40其中一个的第一端与另一个的第二端连接。图4是应用于25kV单相SVG的传统级联式方案。该SVG由多个功率单元级联后形成一相，经滤波器和接触器接入电网。该SVG的每一个功率单元40通常采用一个H桥电路。H桥电路的拓扑结构如图3中所示，这里不再赘述。该SVG系统的每一个功率单元40还包括直流母线电容CB，其连接关系如图4中所示，其中充电部分3用以对直流母线电容CB进行预充电，控制部分5用以控制功率部分4的运行。从图4可以看出，在传统的级联式拓扑结构中，除了包括一个主控制器50之外，每一个功率单元40即作为功率变换器，例如H桥电路，都需要单独配备一套本地控制器51、驱动电路52、辅助电源53及光纤54，其连接关系如图4中所示，主控制器50输出主控制信号至本地主控制器51，本地主控制器51根据主控制信号产生对应的功率单元的本地控制信号至驱动电路52，驱动电路52根据本地控制信号输出驱动信号来驱动对应的功率单元运行。例如25kV单相SVG，通常可以采用以下两种方案来实现。第一种方案：H桥电路中的功率开关器件均采用常用的1700V绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGateBipolarTranslator，IGBT)，那么单个功率单元40的直流母线电压为1000V，考虑冗余，共需要55级功率单元级联，因此一共需要55套本地控制板51、55套光纤54及55个辅助电源53。如此多的本地控制器51、光纤54、辅助电源53将导致SVG的结构设计极其复杂，成本也相当高昂，同时降低了其可靠性。第二种方案：H桥电路中的功率开关器件选用高压IGBT，例如3300VIGBT甚至6500VIGBT，将单个功率单元40的电压等级提高。为减少功率单元40的级联数量，减少本地控制器51、光纤54、辅助电源53的数量，通常可以采用第二种方案。在第二种方案中，若选用3300VIGBT，每个功率单元40的电压等级相比1700VIGBT方案提高一倍，级联数量可由55级减少为28级，本地控制器51、光纤54及辅助电源53的数量及成本也可减少一半。但受限于当前的半导体工艺发展水平，3300VIGBT的成本依然居高不下，同样的电流规格下，其成本远远超过1700VIGBT成本的2倍。因此第二种方案的成本将远远超过第一种方案。如果选用6500VIGBT，成本的压力则更高。因此，目前不管是采用低压IGBT功率单元的级联方案，或是采用高压IGBT功率单元的级联方案，均有其显著的缺点。图5是现有技术中一个HVDC-Light系统的示意图。如图5中所示，该HVDC-Light包括三相电路，每一相电路包括上半桥臂和下半桥臂，每一相电路的上半桥臂和下半桥臂均包括多个级联的功率单元40和电感L，每一个功率单元40也包括如图1中所示的第一端和第二端，相邻两个功率单元40其中一个的第一端与另一个的第二端连接，每个上桥臂的电感L与相应下桥臂的电感L相连，并且两个电感L之间的连接点分别连接到电网，其连接关系如图5中所示。该HVDC-Light的每一个功率单元40采用了一个半桥变换器。该HVDC-Light的每一个功率单元40还包括直流母线电容，该HVDC-Light的每一个功率单元40还需要连接驱动电路52，功率单元40根据驱动电路52输出的驱动信号进行运行。除了主控制器50之外，每一个功率单元40也都需要配备一套本地控制器51、光纤54本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模块化电源系统，被配置为包括：一个主控制器，被配置为输出主控制信号；N个本地控制器，其中每一个所述本地控制器被配置为接收所述主控制信号，以输出至少一个本地控制信号；以及N个功率单元，与所述N个本地控制器一一对应，其中每一个所述功率单元包括第一端和第二端，每一个所述功率单元的所述第二端连接到相邻的一个所述功率单元的所述第一端，每一个所述功率单元被配置为包括M个功率变换器，其中每一个所述功率变换器包括第三端和第四端，每一个所述功率变换器的所述第四端连接到相邻的一个所述功率变换器的所述第三端，且第一个所述功率变换器的所述第三端为所述功率单元的所述第一端，第M个所述功率变换器的所述第四端为所述功率单元的所述第二端，每一个所述功率变换器被配置为根据对应的所述本地控制器输出的所述本地控制信号运行，其中N和M均为大于1的自然数，其中控制所述M个功率变换器中至少2个功率变换器中相同位置的功率半导体开关同时导通和同时断开的所述本地控制信号为同一个。

【技术特征摘要】
2016.12.16 CN 2016111708573;2017.02.27 CN 201710101.一种模块化电源系统，被配置为包括：一个主控制器，被配置为输出主控制信号；N个本地控制器，其中每一个所述本地控制器被配置为接收所述主控制信号，以输出至少一个本地控制信号；以及N个功率单元，与所述N个本地控制器一一对应，其中每一个所述功率单元包括第一端和第二端，每一个所述功率单元的所述第二端连接到相邻的一个所述功率单元的所述第一端，每一个所述功率单元被配置为包括M个功率变换器，其中每一个所述功率变换器包括第三端和第四端，每一个所述功率变换器的所述第四端连接到相邻的一个所述功率变换器的所述第三端，且第一个所述功率变换器的所述第三端为所述功率单元的所述第一端，第M个所述功率变换器的所述第四端为所述功率单元的所述第二端，每一个所述功率变换器被配置为根据对应的所述本地控制器输出的所述本地控制信号运行，其中N和M均为大于1的自然数，其中控制所述M个功率变换器中至少2个功率变换器中相同位置的功率半导体开关同时导通和同时断开的所述本地控制信号为同一个。2.根据权利要求1所述的模块化电源系统，被配置为还包括：N个辅助电源，与所述N个本地控制器一一对应，其中每一个所述辅助电源被配置为给对应的所述本地控制器提供电源。3.根据权利要求2所述的模块化电源系统，其中所述N个辅助电源被配置为从外部电源取电，或者从对应的所述功率单元取电。4.根据权利要求1所述的模块化电源系统，其中所述功率变换器为AC/DC变换器、DC/AC变换器和DC/DC变换器中的任何一种。5.根据权利要求1所述的模块化电源系统，其中所述M个功率变换器的拓扑结构为全部相同，或部分相同。6.根据权利要求5所述的模块化电源系统，其中每一个所述功率单元中的所述M个功率变换器的拓扑结构全部为全桥变换器、半桥变换器、中性点可控三电平变换器、二极管钳位三电平变换器、飞跨电容三电平变换器、全桥谐振变换器和半桥谐振变换器中的一种。7.根据权利要求5所述的模块化电源系统，其中每一个所述功率单元中的所述M个功率变换器的拓扑结构为全桥变换器、半桥变换器、中性点可控三电平变换器、二极管钳位三电平变换器、飞跨电容三电平变换器、全桥谐振变换器和半桥谐振变换器中的两种或两种以上的组合。8.根据权利要求5所述的模块化电源系统，其中每一个所述功率单元还包括：M个驱动电路，与所述M个功率变换器一一对应，其中每一个所述驱动电路被配置为连接于对应的所述功率变换器的功率半导体开关，接收对应的所述本地控制器输出的所述本地控制信号，以输出至少一个驱动信号来驱动对应的所述M个功率变换器中的所述功率半导体开关的导通和断开。9.根据权利要求5所述的模块化电源系统，其中每一个所述功率单元还包括：多个驱动电路，其中所述多个驱动电路的数量等于所述功率单元中功率半导体开关的数量，每一个所述驱动电路被配置为连接于对应的所述功率变换器的所述功率半导体开关，接收对应的所述本地控制器输出的本地控制信号，以输出驱动信号来驱动对应的所述功率半导体开关的导通和断开。10.根据权利要求8或9所述的模块化电源系统，其中各所述驱动电路为彼此相同或彼此不相同。11.根据权利要求8或9所述的模块化电源系统，其中每一个所述驱动电路包括第一磁隔离器件，所述第一磁隔离器件传输所述本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲和功率脉冲；或者每一个所述驱动电路包括第二磁隔离器件，所述第二磁隔离器件传输所述本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲。12.根据权利要求8或9所述的模块化电源系统，其中部分所述驱动电路包括第一磁隔离器件，所述第一磁隔离器件传输所述本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲和功率脉冲；另一部分所述驱动电路包括第二磁隔离器件，所述第二磁隔离器件传输所述本地控制信号中包含的驱动逻辑脉冲。13.根据权利要求5所述的模块化电源系统，其中所述M个功率变换器中至少一个为主功率变换器，至少一个为从功率变换器，所述M个驱动电路中至少一个为主驱动电路，至少一个为从驱动电路，所述主驱动电路被配置为驱动对应的所述主功率变换器中的功率半导体开关导通和断开，所述从驱动电路被配置为驱动对应的所述从功率变换器中的功率半导体开关的导通和断开。14.根据权利要求13所述的模块化电源系统，其中当所述主功率变换器的拓扑结构与所述从功率变换器的拓扑结构相同时，控制所述主功率变换器和所述从功率变换器中相同位置的所述功率半导体开关同时导通和同时断开的所述本地控制信号为同一个。15.根据权利要求13所述的模块...

【专利技术属性】
技术研发人员：应建平，王明，黄宵驳，刘军，胡志明，
申请(专利权)人：台达电子企业管理上海有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31