一种模拟MMC多个子模块的等时间常数缩小子模块板制造技术

技术编号:6697387 阅读:396 留言:0更新日期:2012-04-11 18:40
本发明专利技术涉及用于模拟大容量模块化多电平电压源换流器(Multi-level?Modular?Converte)的动态模拟试验用子模块电路板,电路板上有多个独立的按照等时间常数法缩小参数的MMC换流器子模块,电压等级小于50V;多个子模块完全独立,之间为串联关系;子模块包括各自独立的控制和编解码芯片、光纤通道、主电路(有电容器及与其并联的上下串联结构的两只IGBT、与下IGBT并联的旁路开关、用于保护IGBT和电容的与下IGBT并联的晶闸管)、IGBT和晶闸管驱动电路、电容电压采样电路、电路板隔离电源。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电力电子领域,涉及一种用于模块化多电平(MMC)电压源换流器 (VSC)的低压模拟试验装置,更具体涉及一种模拟MMC多个子模块的等时间常数缩小子模 块板。
技术介绍
目前应用于柔性直流输电的电压源换流器分为两种一种是基于大功率IGBT串 联技术的两电平或三电平换流器,一种是采用高压子模块级联技术的模块化多电平电压源 换流器(MMC-VSC)。对于后者,其三相换流器由六个桥臂构成,每个桥臂由多个级联高压子模块构成。 而每个高压子模块使用电力电容器作为可投入或切除的单个直流电压源(可达1. 2kV),两 只大功率IGBT串联作为投切开关,电容器的正极连接上管IGBT的源极,负极连接下IGBT 的发射极。下管IGBT的源极和发射极分别由端子母排引出,作为模块的输出端子。下管 IGBT可以与晶闸管和旁路开关并联,以在电流过大时保护IGBT。可见在电容器电压稳定时,由控制脉冲分别控制上下管IGBT的通断,即可控制高 压子模块电容投入级联或旁路。多个子模块级联连接构成电压源换流器的桥臂时,根据不 同的调制算法,可以调制出多个电平阶梯。尤其当调制波为工频基波且级联模块数较多时, 在其一相的上下桥臂中点可调制出接近正弦的单相电压源。而六桥臂即可构成三相电压源 换流器。由于这种换流器控制算法较复杂,针对系统不同的运行状态,其换流器的控制和 保护策略需要大量的试验进行验证。现有的换流器试验装置主要是全尺寸的高压子模块,只能以较少的数量构成试验 桥臂;或是按照某种比例缩小但功率元器件之间仍采用线缆连接的拓扑,整个子模块放置 与机柜架中。以上方案由于采用高压分立元件,其电压等级高、体积大,且模块较少,调制出的 阶梯波谐波大,波形较差,主要用于模块电气特性和兼容性的验证。即使降低了电压等级,增加了单个桥臂级联的模块数,但由于每个子模块的分立 元件之间仍然采用线缆和紧固螺丝连接,元件放置在绝缘板上或固定在机柜之中,体积难 以缩小,且接插件的损耗较大。
技术实现思路
本专利技术提供了一种用于模块化多电平电压源换流器(MMC-VSC)换流阀试验的低 压子模块板,该板为PCB板,每块板可集成1个或多个子模块。其中每个子模块包括数字处 理器部分(SMC)、子模块主电路部分、通信与电源电路部分。子模块的主要作用是开关元件 IGBT控制该模块中电容器的投入和切除,由于多个子模块为级联连接,投入不同数量的模 块电容,可以调制出不同的阶梯电压波,从而可形成近似工频正弦波,与交流直流系统进行能量交换。本专利技术的一种模拟多电平电压源换流器MMC多个子模块的等时间常数缩小子模 块板,包括该多子模块板卡为PCB板;一个机箱内可集成5-20个子模块板卡,板卡之间的主电路和电源回路通过机箱 的背板总线进行连接,结构紧凑,可引出多个检测点;所述每个板卡上集成了 N个控制电路和主电路都相互独立的按系数缩小的MMC子 模块,所述N为自然数;所述每个MMC子模块为级联关系、功能完全独立,每个MMC子模块之间通过所述板 卡上的PCB走线进行连接;每个MMC子模块都有各自独立的数字控制芯片、编解码电路、光纤通道、AD采样 电路和子模块主电路,所述主电路包括两个串联的IGBT、一个电容器、一个旁路开关和晶闸 管;所述每个MMC子模块主电路的结构为所述MMC子模块的主电路中两个串联的自带反并联二极管的绝缘栅双极型功率 管IGBT,所述绝缘栅双极型功率管IGBT可用低压金氧半场效晶体管MOSFET代替,作为可 投入可切除的有极性电解电容器,两个串联的IGBT中的上IGBT的发射极连接下IGBT的 集电极(是否正确?),并联电容器的正极连接上IGBT的集电极,负极连接下IGBT的发射 极,均压电阻与并联电容并联,所述多个MMC子模块同时投入串联回路时,相同阻值的电阻 也为串联,起着均衡模块电压的作用;所述子模块与外部电路的连接从下IGBT正负极分别引出;所述主电路的上下两个IGBT脉冲为互锁关系,电容电压稳定时,如果给上IGBT发 送开通指令,下IGBT则关断,则从外部电路看,子模块电压为电容电压;如果给上IGBT发送 关断指令,则下IGBT导通,从外部电路看,子模块电压为接近于零,于是子模块在串联电路 中的电平可任意控制为零或电容电压;还具有子模块电压检测电路,测量的是每个电容的端电压,子模块电压检测电路 检测电容电压并传给电路板上多个子模块共用的数字处理器,运行中子模块的电容由IGBT 控制是否将其串入电路的桥臂;所述主电路中的晶闸管的作用是保护IGBT ;所述旁路开关的作用是当子模块出现故障时,能够将该子模块从大量的串联模块 中旁路,同时保持其他模块的电流通路;所述多个子模块共用的数字控制芯片和解码芯片对多个串联子模块的电容电压 值进行整理,并将其与各个IGBT驱动芯片反馈的状态一起编码后,通过光纤通道送给上层 控制系统;光纤通道还负责将上层控制系统确定的各个子模块的IGBT、晶闸管和旁路开关 的开通/闭锁指令送至子模块电路板。其中,该子模块板卡集成了多个级联的低压子模块,每个子模块由小型低压元器 件组成,包括数字处理器和上下串联的IGBT ;每个子模块还包括用以保护IGBT的晶闸管和 旁路开关;将一个或多个级联的独立子模块集成到一块PCB板上,以实现紧凑化。其中,该PCB板通过电位隔离,将1个或多个子模块集成在一块PCB板上,各子模块采用独立、互不通信的的数字处理器对子模块的开关元件进行控制,并对各自子模块电 容电压和各元件状态进行监控和测量后,与上级控制系统交互。其中,采用一个开关电源为多个子模块板并联供电,但该电源进入不同板卡后,再 通过各个子模块板相互隔离的开关电源进行转换,同一子模块板的上下IGBT之间也采取 相互隔离的电源模块进行供电。其中,所述电源模块是MV的开关电源模块,每个电路板上具有多个隔离的电源 模块,负责控制芯片、驱动芯片、采样芯片和电路损耗的供电。本专利技术技术方案的优点是本专利技术介绍的子模块板可以充分满足具有很高级联模块数的MMC结构低压试验 用换流阀要求,将多个具有独立控制器的子模块集成在一块标准3U 6U的PCB板卡上;再 通过串联不同数目的PCB板卡,可搭建不同子模块数的换流阀桥臂;最后所有板卡通过背 板插槽连接成一个换流阀桥臂。该结构提高了运行稳定性且降低了连接点损耗,由于板卡 上每个子模块均为独立控制和独立并联供电,从而大大提高了可靠性。本专利技术技术方案的有益效果是1.本专利技术介绍的MMC换流器试验用子模块板设计成熟,经过数百小时的运行证 明,该结构具有高可靠性和电磁兼容性;2.本专利技术介绍的子模块板上的多个子模块各自采用独立的数字控制器,相互干扰 小,可独立旁路故障模块,可靠性高;3.本专利技术介绍的子模块避免了传统子模块的分立元器件之间连接端子造成的损 耗;本专利技术介绍的多个子模块板之间采用标准机箱背板走线的方式,主电路和电源均 采用背板走线,且引出所有测试点,便于调试。附图说明下面结合附图对本专利技术进一步说明。图1是多个子模块板卡通过机箱背板总线进行级联、形成桥臂的拓扑,且由独立 的开关电源板为该桥臂上的多个子模块板卡供电。图2是在一个本专利技术的子模块板构成的完整的MMC换流阀中,该子模块板与子模 块、与换流阀的关系图。在一块PCB本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种模拟多电平电压源换流器MMC多个子模块的等时间常数缩小子模块板,其特征在于包括:该多子模块板卡为PCB板;一个机箱内可集成5-20个子模块板卡,板卡之间的主电路和电源回路通过机箱的背板总线进行连接,结构紧凑,可引出多个检测点;所述每个板卡上集成了N个控制电路和主电路都相互独立的按系数缩小的MMC子模块,所述N为自然数;所述每个MMC子模块为级联关系、功能完全独立,每个MMC子模块之间通过所述板卡上的PCB走线进行连接;每个MMC子模块都有各自独立的数字控制芯片、编解码电路、光纤通道、AD采样电路和子模块主电路,所述主电路包括两个串联的IGBT、一个电容器、一个旁路开关和晶闸管;所述每个MMC子模块主电路的结构为:所述MMC子模块的主电路中:两个串联的自带反并联二极管的绝缘栅双极型功率管IGBT,所述绝缘栅双极型功率管IGBT可用低压金氧半场效晶体管MOSFET代替,作为可投入可切除的有极性电解电容器,两个串联的IGBT中的上IGBT的发射极连接下IGBT的集电极(是否正确?),并联电容器的正极连接上IGBT的集电极,负极连接下IGBT的发射极,均压电阻与并联电容并联,所述多个MMC子模块同时投入串联回路时,相同阻值的电阻也为串联,起着均衡模块电压的作用;所述子模块与外部电路的连接从下IGBT正负极分别引出;所述主电路的上下两个IGBT脉冲为互锁关系,电容电压稳定时,如果给上IGBT发送开通指令,下IGBT则关断,则从外部电路看,子模块电压为电容电压;如果给上IGBT发送关断指令,则下IGBT导通,从外部电路看,子模块电压为接近于零,于是子模块在串联电路中的电平可任意控制为零或电容电压;还具有子模块电压检测电路,测量的是每个电容的端电压,子模块电压检测电路检测电容电压并传给电路板上多个子模块共用的数字处理器,运行中子模块的电容由IGBT控制是否将其串入电路的桥臂;所述主电路中的晶闸管的作用是保护IGBT;所述旁路开关的作用是当子模块出现故障时,能够将该子模块从大量的串联模块中旁路,同时保持其他模块的电流通路;所述多个子模块共用的数字控制芯片和解码芯片对多个串联子模块的电容电压值进行整理,并将其与各个IGBT驱动芯片反馈的状态一起编码后,通过光纤通道送给上层控制系统;光纤通道还负责将上层控制系统确定的各个子模块的IGBT、晶闸管和旁路开关的开通/闭锁指令送至子模块电路板。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员:赵岩刘栋王姗姗贺之渊滕乐天何维国刘隽张新刚
申请(专利权)人:中国电力科学研究院上海市电力公司
类型:发明
国别省市:11

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