一種具有自保護(hù)功能的電流源型模塊化多電平變換器制造技術(shù)

本實(shí)用新型專(zhuān)利技術(shù)提供一種具有自保護(hù)功能的電流源型模塊化多電平變換器(current?source?modular?multilevel?converter,CSMMC)，主要包括：開(kāi)關(guān)管1、開(kāi)關(guān)管2、斷路開(kāi)關(guān)T1和T3，晶閘管T2，電感L，橋臂電容C。所述實(shí)用新型專(zhuān)利技術(shù)作為一種電流源型變換器，可以作為靜止同步補(bǔ)償器投入系統(tǒng)，發(fā)出或吸收無(wú)功功率；模塊化結(jié)構(gòu)易于集成，投切方便，可以接入不同電流等級(jí)和功率等級(jí)的系統(tǒng)。在正常工作時(shí)，本實(shí)用新型專(zhuān)利技術(shù)的子模塊可以輸出電感電流或者零電流，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，旁路故障子模塊，投入冗余子模塊，增加CSMMC的安全性和實(shí)用性；在子模塊足夠多的情況下，輸出電流的諧波含量較低，可以直接掛網(wǎng)運(yùn)行，不需要中間的濾波環(huán)節(jié)，減少了器件的數(shù)量，節(jié)約成本。

A current source modular multilevel converter with self protection function

The utility model provides a current source module protection function of multilevel converter (current source modular multilevel converter, CSMMC), mainly including: 1, switch switch 2, circuit breakers T1 and T3, thyristor T2, inductance L, capacitance C bridge arm. The utility model is used as a current source converter, can be used as a static synchronous compensator input system, generate or absorb reactive power; modular structure, easy integration, convenient switching, the system can access the different current level and power level. In normal operation, the utility model of the sub module can output inductor current or zero current, when a fault occurs, the bypass fault sub module, input redundant sub modules, CSMMC increased the safety and utility of the sub module; a sufficient number of cases, the harmonic content of the output current is low, can be directly hung network operation, do not need to filter intermediate links, reduce the number of devices, cost savings.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本技術(shù)涉及MMC變換器領(lǐng)域，具體涉及一種具有自保護(hù)功能的電流源型模塊化多電平變換器。
技術(shù)介紹
目前在低壓小功率的電能領(lǐng)域，電流源型變換器技術(shù)已經(jīng)非常成熟，現(xiàn)在變換器的主要研究目標(biāo)集中于高效率、高功率密度和高性能等方面。傳統(tǒng)的較低電平數(shù)的電流源型變換器已經(jīng)無(wú)法滿足高壓大功率的要求，在開(kāi)關(guān)頻率沒(méi)有得到本質(zhì)上突破的背景下，多電平變換器應(yīng)運(yùn)而生。模塊化多電平變換器(modularmultilevelconverter,MMC)能夠適應(yīng)高壓領(lǐng)域電壓電流變換的需要，同時(shí)其輸出電能質(zhì)量也能得到顯著改善。傳統(tǒng)的電流源型變換器無(wú)法實(shí)現(xiàn)功率反向的功能，一般適用于低壓小功率的場(chǎng)合，其功率和電流水平有限，不具有良好的擴(kuò)展性；在中高壓和大功率的應(yīng)用場(chǎng)合，大量的半導(dǎo)體器件的串并聯(lián)給某些電流源變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本技術(shù)提供了一種具有自保護(hù)功能的電流源型模塊化多電平變換器(currentsourcemodularmultilevelconverter,CSMMC)，模塊化結(jié)構(gòu)易于集成，投切方便，可以接入不同的電流等級(jí)和功率等級(jí)的系統(tǒng)。在子模塊足夠多的情況下，輸出電流的諧波含量較低，可以直接掛網(wǎng)運(yùn)行，不需要中間的濾波環(huán)節(jié)，減少器件的數(shù)量。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本技術(shù)采用如下技術(shù)方案：本技術(shù)提供了一種具有自保護(hù)功能的電流源型模塊化多電平變換器，主要包括：開(kāi)關(guān)管1、開(kāi)關(guān)管2、斷路開(kāi)關(guān)T1和T3，晶閘管T2，電感L，電容C。正常工作時(shí)，本技術(shù)的子模塊可以輸出電感電流或者零電流，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，旁路故障子模塊，投入冗余子模塊，增加CSMMC的安全性和實(shí)用性。所述的多電平變換器每相有上下兩個(gè)橋臂，直流電源的正極與上橋臂的始端相連，上橋臂的末端與下橋臂的始端相連，下橋臂的末端與直流電源的負(fù)極相連，直流電源的中點(diǎn)與接地極相連，交流輸出端從上下橋臂連接處引出。所述每相橋臂由N個(gè)子模塊并聯(lián)而成，子模塊的正極端分別相連，子模塊的負(fù)極端分別相連，橋臂電容C與子模塊并聯(lián)。每個(gè)子模塊中斷路開(kāi)關(guān)T1與開(kāi)關(guān)管1串聯(lián)，斷路開(kāi)關(guān)T3與電感L串聯(lián)然后與開(kāi)關(guān)管2并聯(lián)，開(kāi)關(guān)管1與開(kāi)關(guān)管2串聯(lián)，晶閘管T2與電感L并聯(lián)；開(kāi)關(guān)管1和開(kāi)關(guān)管2都是由IGBT和二極管串聯(lián)組成，且IGBT的集電極與二極管的負(fù)極相連，絕緣柵雙極型晶體管S1的發(fā)射極和S2的發(fā)射極相連，晶閘管T2的負(fù)極與絕緣柵雙極型晶體管S2的發(fā)射極相連。為了保護(hù)CSMMC子模塊的正常運(yùn)行，提出了一種具有自保護(hù)功能的子模塊結(jié)構(gòu)，如圖1所示。通過(guò)斷路開(kāi)關(guān)T1，T3將故障子模塊隔離，通過(guò)晶閘管T2為電感電流續(xù)流。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本技術(shù)的有益效果在于：1、本技術(shù)可以減少輸出電流諧波含量，降低開(kāi)關(guān)頻率，減小對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的應(yīng)力；2、本技術(shù)采用模塊化結(jié)構(gòu)，使得變換器在不同功率和電壓水平下都可以擴(kuò)展，在有冗余子模塊的情況下，其可靠性明顯提高；3、本技術(shù)采用模塊化結(jié)構(gòu)，投切方便，可以直接控制交流側(cè)輸出電流的大小，作為靜止同步補(bǔ)償器調(diào)節(jié)系統(tǒng)無(wú)功功率的大小；4、本技術(shù)具有故障自保護(hù)功能，當(dāng)子模塊發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)斷路開(kāi)關(guān)T1和T3將故障子模塊隔離，通過(guò)晶閘管T2為故障子模塊電感電流續(xù)流。附圖說(shuō)明圖1是本技術(shù)提供的一種具有自保護(hù)功能的電流源型模塊化多電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；圖2(a)、2(b)和2(c)分別表示半橋子模塊結(jié)構(gòu)、子模塊投入運(yùn)行狀態(tài)和子模塊切除運(yùn)行狀態(tài)；圖3表示使用晶閘管和斷路開(kāi)關(guān)進(jìn)行子模塊開(kāi)路保護(hù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中圖3(a)為正常工作狀態(tài)，圖3(b)為子模塊故障時(shí)工作狀態(tài)。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本技術(shù)做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。如圖1，提供了一種具有自保護(hù)功能的電流源型模塊化多電平變換器，所述變換器包括直流電源，上下橋臂，橋臂電容C，帶有自保護(hù)功能的N個(gè)子模塊，其中子模塊包括開(kāi)關(guān)管1、開(kāi)關(guān)管2、斷路開(kāi)關(guān)T1和T3，晶閘管T2，電感L。如圖2(a)，提供了子模塊的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和元件的連接方式，每個(gè)子模塊中開(kāi)關(guān)管1與開(kāi)關(guān)管2串聯(lián)，子模塊電感L與開(kāi)關(guān)管2并聯(lián)；開(kāi)關(guān)管1和開(kāi)關(guān)管2都是由IGBT和二極管串聯(lián)組成，且IGBT的集電極與二極管的負(fù)極相連，絕緣柵雙極型晶體管S1的發(fā)射極和S2的發(fā)射極相連，由于二極管的單向?qū)щ娦裕幽K的電流方向是一定的。圖2(b)和圖2(c)分別表示子模塊投入狀態(tài)和切除狀態(tài)，如圖2(b)所示，S1開(kāi)通，S2關(guān)斷，子模塊處于投入狀態(tài)，輸出電流為電感電流，即ism＝iL，電流流動(dòng)方向如圖2(b)虛線所示，子模塊輸出電壓為varm，方向是上正下負(fù)；如圖2(c)所示，S1關(guān)斷，S2導(dǎo)通，子模塊被旁路，即處于切除狀態(tài)，子模塊電感電流通過(guò)S2、D2完成續(xù)流，子模塊輸出電流為0，即ism＝0，電流方向如圖2(c)虛線所示，子模塊輸出電壓為varm＝0。圖3表示使用晶閘管和斷路開(kāi)關(guān)進(jìn)行子模塊開(kāi)路保護(hù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖3(a)為正常工作狀態(tài)，當(dāng)子模塊在正常投切時(shí)，斷路開(kāi)關(guān)T1和T3閉合，晶閘管T2關(guān)斷；當(dāng)子模塊處于投入狀態(tài)時(shí)，S1開(kāi)通，S2關(guān)斷，輸出電流為電感電流；當(dāng)子模塊處于切除狀態(tài)時(shí)，S1關(guān)斷，S2開(kāi)通，輸出電流為零。圖3(b)為子模塊故障時(shí)工作狀態(tài)，斷路開(kāi)關(guān)T1和T3斷開(kāi)，將開(kāi)關(guān)管1和開(kāi)關(guān)管2隔離，保護(hù)變換器其他正常子模塊；晶閘管T2閉合，為電感電流提供續(xù)流通路，此時(shí)電感電流將不流經(jīng)開(kāi)關(guān)管2，而是流經(jīng)晶閘管T2，方向如圖3(b)虛線所示。如果橋臂存在冗余子模塊，則故障發(fā)生時(shí)，冗余子模塊的斷路開(kāi)關(guān)T1和T3閉合，晶閘管T2關(guān)斷，將冗余子模塊投入運(yùn)行，以代替故障子模塊，從而增加CSMMC的安全性和實(shí)用性。上述實(shí)施例為本技術(shù)較佳的實(shí)施方式，但本技術(shù)的實(shí)施方式并不受所述實(shí)施例限制，其他的任何未背離本實(shí)施新型的精神實(shí)質(zhì)與原理下的所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包括在本技術(shù)的保護(hù)范圍內(nèi)。本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種具有自保護(hù)功能的電流源型模塊化多電平變換器，其特征在于：所述變換器每相由上下兩橋臂串聯(lián)而成，直流電源加在上下橋臂的兩端；所述橋臂由N個(gè)子模塊并聯(lián)而成，橋臂電容C與子模塊并聯(lián)；所述子模塊由開(kāi)關(guān)管1，開(kāi)關(guān)管2，斷路開(kāi)關(guān)T1和T3，晶閘管T2，電感L組成；所述開(kāi)關(guān)管1由絕緣柵雙極型晶體管S1和二極管D1串聯(lián)組成，開(kāi)關(guān)管2由絕緣柵雙極型晶體管S2和二極管D2串聯(lián)組成；斷路開(kāi)關(guān)T1和T3分別與開(kāi)關(guān)管1和2相連，隔離故障，保護(hù)變換器；晶閘管T2與電感L并聯(lián)，在故障發(fā)生時(shí)為電感電流續(xù)流。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種具有自保護(hù)功能的電流源型模塊化多電平變換器，其特征在于：所述變換器每相由上下兩橋臂串聯(lián)而成，直流電源加在上下橋臂的兩端；所述橋臂由N個(gè)子模塊并聯(lián)而成，橋臂電容C與子模塊并聯(lián)；所述子模塊由開(kāi)關(guān)管1，開(kāi)關(guān)管2，斷路開(kāi)關(guān)T1和T3，晶閘管T2，電感L組成；所述開(kāi)關(guān)管1由絕緣柵雙極型晶體管S1和二極管D1串聯(lián)組成，開(kāi)關(guān)管2由絕緣柵雙極型晶體管S2和二極管D2串聯(lián)組成；斷路開(kāi)關(guān)T1和T3分別與開(kāi)關(guān)管1和2相連，隔離故障，保護(hù)變換器；晶閘管T2與電感L并聯(lián)，在故障發(fā)生時(shí)為電感電流續(xù)流。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有自保護(hù)功能的電流源型模塊化多電平變換器，其特征在于：直流電源的正極與上橋臂的始端相連，上橋臂的末端與下橋臂的始端相連，下橋臂的末端與直流電源的負(fù)極相連，直流電源的中點(diǎn)與接地極相連，交流輸出端從上下...

【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：劉勇，馬文忠，張乃剛，王曉，趙華芳，申發(fā)文，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：中國(guó)石油大學(xué)華東，
類(lèi)型：新型
國(guó)別省市：山東;37