一種模塊化多電平變流器混合橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公布了一種具有直流側(cè)短路電流阻斷能力的MMC混合橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域；這種MMC橋臂由兩種子模塊按一定比例混合構(gòu)成，并帶有緩沖電感。本發(fā)明專利技術(shù)根據(jù)MMC不同類型子模塊的輸出特性，采用三電平雙半橋子模塊與四電平串聯(lián)雙子模塊按設(shè)計(jì)比例構(gòu)成混合橋臂，減少了同等電壓水平下子模塊的個(gè)數(shù)與外圍器件的個(gè)數(shù)，在實(shí)現(xiàn)了直流側(cè)短路電流阻斷功能的同時(shí)設(shè)計(jì)了子模塊數(shù)量比例，減少了可控器件的個(gè)數(shù)，降低了變換器的成本與損耗，提高了整體效率，在正常運(yùn)行時(shí)兩種子模塊控制相似，控制算法設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于電力電子
，具體涉及一種具有直流側(cè)短路電流阻斷能力的模塊化多電平變流器(即MMC，本申請(qǐng)下稱MMC)混合橋臂拓?fù)洹?br>技術(shù)介紹
模塊化多電平變流器(MMC)具有模塊化設(shè)計(jì)、可拓展性好、單個(gè)器件開關(guān)頻率低、諧波性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，已成為電壓源型換流站拓?fù)涞氖走x技術(shù)方案。模塊化多電平變流器每一相橋臂的基本拓?fù)淙鐖D1所示，可分為上橋臂和下橋臂兩部分，通常需要在上、下橋臂中分別串聯(lián)一個(gè)緩沖電感，以限制橋臂直通時(shí)的短路電流。上、下橋臂分別由N個(gè)子模塊串聯(lián)組成，設(shè)直流母線電壓為VDC，則每個(gè)子模塊在正常工作時(shí)承受的電壓為子模塊分為單極性子模塊和雙極性子模塊，半橋子模塊為典型的單極性子模塊，如圖2所示，可輸出正電平和零電平；全橋子模塊為典型的雙極型子模塊，如圖3所示，可輸出正電平、零電平和負(fù)電平。在高壓直流輸電(HVDC)領(lǐng)域中，換流站具有直流側(cè)短路電流阻斷能力是保障系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要要求，采用單極性子模塊組成橋臂的模塊化多電平變流器開關(guān)器件個(gè)數(shù)少，系統(tǒng)運(yùn)行效率較高，但由于不能輸出負(fù)電平，在直流側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)無法限制故障電流，不具有阻斷能力；采用雙極性子模塊組成橋臂的模塊化多電平變流器可以輸出負(fù)電平，在直流側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)可以提供反向電壓，從而對(duì)故障電流進(jìn)行限制，但在相同的電壓等級(jí)下，其需要的開關(guān)器件個(gè)數(shù)較多，系統(tǒng)損耗較大，成本較高。已有學(xué)者提出采用單極性子模塊與雙極性子模塊共同組成橋臂，并采用多電平子模塊拓?fù)湟赃_(dá)到保證短路電流阻斷能力的同時(shí)降低系統(tǒng)損耗與成本的目的，但并非最優(yōu)的拓?fù)浞桨浮?br>技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
為解決現(xiàn)有技術(shù)中具有直流短路電流阻斷能力的變流器橋臂損耗大、成本高的問題，本申請(qǐng)公布了一種模塊化多電平變流器混合橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本專利技術(shù)具體采用以下技術(shù)方案：一種模塊化多電平變流器混合橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所述模塊化多電平變流器混合橋臂分為上橋臂和下橋臂兩部分；其特征在于：上、下橋臂分別由X個(gè)三電平雙半橋子模塊與Y個(gè)四電平串聯(lián)雙子模塊以及1個(gè)緩沖電感構(gòu)成；其中，三電平雙半橋子模塊與四電平串聯(lián)雙子模塊數(shù)量比滿足：本專利技術(shù)進(jìn)一步包括以下優(yōu)選方案：所述的三電平雙半橋子模塊由第一至第四4個(gè)全控開關(guān)器件(S11、S12、S21、S22)和第一、第二兩個(gè)電容(C1、C2)構(gòu)成；其中，4個(gè)全控開關(guān)器件(S11、S12、S21、S22)依次串聯(lián)，第一電容C1與第一全控開關(guān)器件S11和第二全控開關(guān)器件S12的串聯(lián)支路并聯(lián)，第二電容C2與第三全控開關(guān)器件S21和第四全控開關(guān)器件S22的串聯(lián)支路并聯(lián)；第一、第二全控開關(guān)器件S11、S12互補(bǔ)導(dǎo)通，第三、第四全控開關(guān)器件S21、S22互補(bǔ)導(dǎo)通；當(dāng)?shù)谝蝗亻_關(guān)器件S12和第三全控開關(guān)器件S21導(dǎo)通時(shí)，該三電平雙半橋子模塊處于旁路狀態(tài)。所述的四電平串聯(lián)雙子模塊由第五至第九5個(gè)全控開關(guān)器件(S31、S32、S41、S42、Sc)、一個(gè)功率二極管(D)和第三、第四電容(C3、C4)構(gòu)成；其中，第五全控開關(guān)器件S31和第六全控開關(guān)器件S32串聯(lián)，第七全控開關(guān)器件S41和第八全控開關(guān)器件S42串聯(lián)，第三電容C3與第五全控開關(guān)器件S31和第六全控開關(guān)器件S32的串聯(lián)支路并聯(lián)，第四電容C2與第七全控開關(guān)器件S41和第八全控開關(guān)器件S42的串聯(lián)支路并聯(lián)，第三電容C3和第四電容C4之間由第九全控開關(guān)器件Sc與功率二極管D交叉相連，且電流正向流通時(shí)通過第九全控開關(guān)器件Sc，電流反向流通時(shí)通過功率二極管D；第五全控開關(guān)器件S31和第六全控開關(guān)器件S32互補(bǔ)導(dǎo)通，第七全控開關(guān)器件S41和第八全控開關(guān)器件S42互補(bǔ)導(dǎo)通。正常工作時(shí)，第九全控開關(guān)器件Sc保持導(dǎo)通；當(dāng)?shù)谖迦亻_關(guān)器件S32、第七全控開關(guān)器件S41和第九全控開關(guān)器件Sc導(dǎo)通時(shí)，該子模塊處于旁路狀態(tài)；當(dāng)出現(xiàn)直流短路故障時(shí)，第五至第九5個(gè)全控開關(guān)器件(S31、S32、S41、S42、Sc)均閉鎖。所述的四電平串聯(lián)雙子模塊中，第五至第八全控開關(guān)器件S31、S32、S41、S42具有相同的電壓等級(jí)，第九全控開關(guān)器件Sc與功率二極管D是第五至第八全控開關(guān)器件S31、S32、S41、S42電壓等級(jí)的兩倍。本專利技術(shù)具有以下有益的技術(shù)效果：采用的四電平串聯(lián)雙子模塊使用了較少的全控開關(guān)器件(5個(gè))，可以輸出+2VC、+VC、0、-2VC四個(gè)電平，既滿足了正常工作時(shí)輸出電平的需求，又將短路電流阻斷能力最大化，并將器件成本降至最低；為配合雙極性的四電平串聯(lián)雙子模塊，單極性子模塊采用了三電平雙半橋子模塊，在正常工作時(shí)，四電平串聯(lián)雙子模塊中連接電容的全控開關(guān)器件Sc保持導(dǎo)通，兩種子模塊具有相似的拓?fù)洌沟谜w控制算法的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，同時(shí)多電平子模塊在相同電壓等級(jí)下節(jié)省了外圍元器件的數(shù)量，降低了系統(tǒng)成本；兩種子模塊采用設(shè)計(jì)比例構(gòu)成混合橋臂，為綜合考慮直流側(cè)短路電流阻斷能力、系統(tǒng)效率與成本的最優(yōu)拓?fù)浞桨浮８綀D說明圖1模塊化多電平變流器MMC單相橋臂基本拓?fù)涫疽鈭D；圖2現(xiàn)有的單極性半橋子模塊拓?fù)涫疽鈭D；圖3現(xiàn)有的雙極性全橋子模塊拓?fù)涫疽鈭D；圖4本專利技術(shù)采用的三電平雙半橋子模塊拓?fù)涫疽鈭D；圖5本專利技術(shù)采用的四電平串聯(lián)雙子模塊拓?fù)涫疽鈭D；圖6本專利技術(shù)的混合橋臂拓?fù)涫疽鈭D。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本專利技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)說明。本專利技術(shù)提出了一種具有直流側(cè)短路電流阻斷能力的MMC混合橋臂拓?fù)洌瑔蜗鄻虮鄯譃樯蠘虮叟c下橋臂，分別由X個(gè)三電平雙半橋子模塊與Y個(gè)四電平串聯(lián)雙子模塊以及一個(gè)緩沖電感組成。本專利技術(shù)采用的三電平雙半橋子模塊拓?fù)淙鐖D4所示，由第一至第四4個(gè)全控開關(guān)器件(S11、S12、S21、S22)和第一、第二兩個(gè)電容(C1、C2)構(gòu)成；其中，4個(gè)全控開關(guān)器件(S11、S12、S21、S22)依次串聯(lián)，第一電容C1與第一全控開關(guān)器件S11和第二全控開關(guān)器件S12的串聯(lián)支路并聯(lián)，第二電容C2與第三全控開關(guān)器件S21和第四全控開關(guān)器件S22的串聯(lián)支路并聯(lián)；第一、第二全控開關(guān)器件S11、S12互補(bǔ)導(dǎo)通，第三、第四全控開關(guān)器件S21、S22互補(bǔ)導(dǎo)通；當(dāng)?shù)谝蝗亻_關(guān)器件S12和第三全控開關(guān)器件S21導(dǎo)通時(shí)，該三電平雙半橋子模塊處于旁路狀態(tài)。設(shè)電容電壓為VC，則該子模塊可以輸出+2VC、+VC、0三個(gè)電平。本專利技術(shù)采用的四電平串聯(lián)雙子模塊拓?fù)淙鐖D5所示，第五至第九5個(gè)全控開關(guān)器件(S31、S32、S41、S42、Sc)、一個(gè)功率二極管(D)和第三、第四電容(C3、C4)構(gòu)成；其中，第五全控開關(guān)器件S31和第六全控開關(guān)器件S32串聯(lián)，第七全控開關(guān)器件S41和第八全控開關(guān)器件S42串聯(lián)，第三電容C3與第五全控開關(guān)器件S31和第六全控開關(guān)器件S32的串聯(lián)支路并聯(lián)，第四電容C2與第七全控開關(guān)器件S41和第八全控開關(guān)器件S42的串聯(lián)支路并聯(lián)，第三電容C3和第四電容C4之間由第九全控開關(guān)器件Sc與功率二極管D交叉相連，且電流正向流通時(shí)通過第九全控開關(guān)器件Sc，電流反向流通時(shí)通過功率二極管D；第五全控開關(guān)器件S31和第六全控開關(guān)器件S32互補(bǔ)導(dǎo)通，第七全控開關(guān)器件S41和第八全控開關(guān)器件S42互補(bǔ)導(dǎo)通。正常工作時(shí)，全控開關(guān)器件Sc保持導(dǎo)通。正常工作時(shí)，第九全控開關(guān)器件Sc保持導(dǎo)通；當(dāng)?shù)谖迦亻_關(guān)器件S32、第七全控開關(guān)器件S41和第九全控開關(guān)器件Sc導(dǎo)通時(shí)，該子模塊處于旁路狀態(tài)；當(dāng)出現(xiàn)直流短路故障時(shí)，第五至第九5個(gè)全控開關(guān)器件(本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種模塊化多電平變流器混合橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所述模塊化多電平變流器混合橋臂分為上橋臂和下橋臂兩部分；其特征在于：上、下橋臂分別由X個(gè)三電平雙半橋子模塊與Y個(gè)四電平串聯(lián)雙子模塊以及1個(gè)緩沖電感串聯(lián)構(gòu)成。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種模塊化多電平變流器混合橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所述模塊化多電平變流器混合橋臂分為上橋臂和下橋臂兩部分；其特征在于：上、下橋臂分別由X個(gè)三電平雙半橋子模塊與Y個(gè)四電平串聯(lián)雙子模塊以及1個(gè)緩沖電感串聯(lián)構(gòu)成。2.如權(quán)利要求1所述的模塊化多電平變流器混合橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征在于：其中，三電平雙半橋子模塊與四電平串聯(lián)雙子模塊數(shù)量比滿足：3.如權(quán)利要求1或2所述的模塊化多電平變流器混合橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征在于：所述的三電平雙半橋子模塊由第一至第四4個(gè)全控開關(guān)器件(S11、S12、S21、S22)和第一、第二兩個(gè)電容(C1、C2)構(gòu)成；其中，4個(gè)全控開關(guān)器件(S11、S12、S21、S22)依次串聯(lián)，第一電容C1與第一全控開關(guān)器件S11和第二全控開關(guān)器件S12的串聯(lián)支路并聯(lián)，第二電容C2與第三全控開關(guān)器件S21和第四全控開關(guān)器件S22的串聯(lián)支路并聯(lián)；第一、第二全控開關(guān)器件S11、S12互補(bǔ)導(dǎo)通，第三、第四全控開關(guān)器件S21、S22互補(bǔ)導(dǎo)通；當(dāng)?shù)谝蝗亻_關(guān)器件S12和第三全控開關(guān)器件S21導(dǎo)通時(shí)，該三電平雙半橋子模塊處于旁路狀態(tài)。4.如權(quán)利要求1或2所述的模塊化多電平變流器混合橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征在于：所述的四電平串聯(lián)雙子模塊由第五至第九5個(gè)全控開關(guān)器件(S31、S12、S41、S42、Sc)...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：劉志超，劉濤，黃瑩，操豐梅，黃偉煌，于華龍，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司，南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：北京;11