CN102005907B - 模块化多电平变流器中的功率模块的工作电源 - Google Patents

模块化多电平变流器中的功率模块的工作电源 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种模块化多电平变流器中的功率模块的工作电源，属于电气自动化设备领域。对于多电平变流器中的任一个功率模块，隔离直流电容器和单相隔离变压器的原边串联后，另两端分别接到该功率模块的两个交流输出端，单相隔离变压器的副边输出连接到直流稳压电源的两个交流输入端，直流稳压电源的两个直流输入端分别连接到该功率模块的直流电容器(组)两端，直流稳压电源的两个直流输出端分别连接到所述的直流混合器的直流输入端，直流稳压电源的反馈输入端连接到所述的直流混合器的反馈输出端。采用本发明的工作电源，使得功率模块控制电源具有很高的可靠性和很低的成本，且可以满足功率模块冗余运行的要求。

Description

模块化多电平变流器中的功率模块的工作电源
技术领域
本发明涉及一种模块化多电平变流器中的功率模块的工作电源，属于电气自动化设备领域。
背景技术
链式变流器是一种多电平变流器，可应用于静止同步补偿器(又称为链式STATCOM或链式SVG)、中高压变频器、中高压动态电压恢复器等中高压电力电子变流装置。模块化多电平变流器(又称为MMC变流器)是一种新型的多电平变流器，可应用于静止同步补偿器、中高压变频器和轻型直流输电装置。
由于链式或模块化多电平变流器常用于输出较高交流或直流电压的应用场合，使得其中的功率模块的控制电源供电困难。如果从链式或模块化多电平变流器的外部供电，其隔离变压器需解决高耐压和低局放问题，使得供电电源成本高。因此，需要寻找一种高可靠、低成本且满足功率模块冗余运行要求的控制电源供电方式。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供链式或模块化多电平变流器的功率模块控制电源装置，解决常用的功率模块控制电源装置所固有的隔离变压器高绝缘耐压、极低的局部放电指标实现困难及造价高等缺点。
本发明提出的模块化多电平变流器中的功率模块的工作电源，包括：
一台隔离直流电容器、一台单相隔离变压器、一台直流稳压电源及一台直流混合器；所述的隔离直流电容器和所述的单相隔离变压器的原边串联，串联后的两端与被提供工作电源的本功率模块的两个交流端并联；所述的单相隔离变压器的副边的二个输出端分别连接到所述的直流稳压电源的两个交流输入端；所述的直流稳压电源的直流输入正极和负极分别连接到本功率模块内部的直流电容器正极和负极；所述的直流稳压电源的直流输出正极和负极分别连接到所述的直流混合器的直流输入正极和负极；所述的直流稳压电源的反馈输入端连接到所述的直流混合器的反馈输出端；所述的直流混合器的左侧直流输入正极和负极分别连接到与被提供工作电源的本功率模块相邻的左边功率模块的右侧直流输出正极和负极；所述的直流混合器的左侧直流输出正极和负极分别连接到与被提供工作电源的本功率模块相邻的左边功率模块的右侧直流输入正极和负极；所述的直流混合器的右侧直流输出正极和负极分别连接到与被提供工作电源的本功率模块相邻的右边功率模块的左侧直流输入正极和负极；所述的直流混合器的右侧直流输入正极和负极分别连接到与被提供工作电源的本功率模块相邻的右边功率模块的左侧直流输出正极和负极；所述的直流混合器的一对直流输出端与本功率模块的控制电路相连。
上述工作电源中的直流混合器包括：一个单相全波整流桥、一个左侧隔离型DC/DC变换器和一个右侧隔离型DC/DC变换器；直流混合器的左侧直流输入正极和负极分别连接到所述的左侧隔离型DC/DC变换器的直流输入正极和负极；所述的左侧隔离型DC/DC变换器的直流输出负端连接到所述的直流混合器的右侧直流输出负端；直流混合器的右侧直流输入端连接到所述的右侧隔离型DC/DC变换器的直流输入端；所述的左侧隔离型DC/DC变换器的直流输出正极连接到所述的单相全波整流桥的一个交流输入端和所述的直流混合器的右侧直流输出正端；所述的右侧隔离型DC/DC变换器的直流输出正端连接到所述的单相全波整流桥的另一个交流输入端和所述的直流混合器的左侧直流输出正端；所述的右侧隔离型DC/DC变换器的直流输出负端连接到所述的直流混合器的左侧直流输出负端；所述的单相全波整流桥的正极端连接到所述的直流混合器的直流输出正端，所述的单相全波整流桥的负极端连接到所述的直流混合器的直流输入正端；所述的直流混合器的直流输入负端和所述的直流混合器的直流输出负端、左侧直流输出负端、右侧直流输出负端连接在一起；所述的直流混合器的直流输出正端连接到所述的直流混合器的反馈输出端、所述的左侧隔离型DC/DC变换器的反馈输入端和所述的右侧隔离型DC/DC变换器的反馈输入端；所述的直流混合器的直流输出端，与本功率模块的控制电路相连。
本发明提出的模块化多电平变流器中的功率模块的工作电源，采用本功率模块及相邻两个功率模块并联相互提供控制电源的方式，隔离变压器承受绝缘电压低，使隔离电路成本低；另外，采用多套直流电源相互供电的方式也使控制电源供电可靠性大幅度提高，并可以满足功率模块冗余运行的要求。
附图说明
图1是本工作电源在链式或模块化多电平变流器中的电路连接图。
图2是单桥臂模块化多电平变流器电路原理图。
图3是单相链式变流器电路原理图。
图4为本发明中直流混合器的构成电路原理图。
图5是本工作电源为模块化多电平变流器中的首端功率模块提供工作电源时的电路连接图。
图6是本工作电源为模块化多电平变流器中的末端功率模块提供工作电源时的电路连接图。
具体实施方式
以下结合附图，详细介绍本发明的内容。
如图3所示，表示了单相链式变流器的电路原理图，单相链式变流器由多个单相H桥变流器(又称为功率模块)的交流输出端串联而成，每个单相H桥变流器都由直流电容器(组)和两个功率半导体开关半桥构成。如图2所示，表示了单桥臂模块化多电平变流器的电路原理图，它由多个半桥变流器(又称为功率模块)的交流输出端串联而成，每个功率模块都由直流电容器(组)和一个功率半导体开关半桥构成。图中，半导体开关器件SLA、SLB、SRA、SRB包括各自的反并联二极管。
如图1所示，表示了单相链式变流器或单桥臂模块化多电平变流器中率模块2到功率模块N-1中任一个功率模块X的控制电源装置的构成框图。图中，功率模块由H桥或MMC桥桥臂与直流电容器(组)组成，功率模块X下方的虚线框内为本发明中功率模块X的控制电源装置的构成框图。图中，隔离直流电容器C和单相隔离变压器T的原边串联后，另两端分别接到功率模块X的两个交流输出端，单相隔离变压器T的副边输出连接到直流稳压电源的两个交流输入端AC1/AC2，直流稳压电源的两个直流输入端DI+/DI-分别连接到该功率模块的直流电容器(组)CD两端，这样，直流稳压电源可以从该功率模块的交流输出和直流电容器(组)同时或单独取得电源输入。直流稳压电源的两个直流输出端分别连接到直流混合器的直流输入端DC+/DC-，直流稳压电源的反馈输入端FI连接到直流混合器的反馈输出端FO；直流混合器的左侧直流输入端LI+/LI-连接到相邻的左边功率模块X-1的右侧直流输出端RO+/RO-，直流混合器的左侧直流输出端LO+/LO-连接到相邻的左边功率模块X-1的右侧直流输入端RI+/RI-，直流混合器的右侧直流输出端RO+/RO-连接到相邻的右边功率模块X+1的左侧直流输入端LI+/LI-，直流混合器的右侧直流输入端连接到相邻的右边功率模块X+1的左侧直流输出端LO+/LO-，直流混合器的直流输出VC+/VC-作为该功率模块的控制电源。
图4为本发明提出的工作电源中直流混合器的构成电路原理图。图中，二极管D1/D2/D3/D4构成一个单相全波整流桥，还包括一个左侧隔离型DC/DC变换器和一个右侧隔离型DC/DC变换器。直流混合器的左侧直流输入端LI+/LI-连接到左侧隔离型DC/DC变换器的直流输入端，左侧隔离型DC/DC变换器的直流输出正端连接到单相全波整流桥的一个交流输入端和直流混合器的右侧直流输出正端RO+，左侧隔离型DC/DC变换器的直流输出负端连接到直流混合器的右侧直流输出负端RO-；直流混合器的右侧直流输入端RI+/RI-连接到右侧隔离型DC/DC变换器的直流输入端，右侧隔离型DC/DC变换器的直流输出正端连接到单相全波整流桥的另一个交流输入端和直流混合器的左侧直流输出正端LO+，右侧隔离型DC/DC变换器的直流输出负端连接到直流混合器的左侧直流输出负端LO-；单相全波整流桥的正极端连接到直流混合器的直流输出正端VC+，单相全波整流桥的负极端连接到直流混合器的直流输入正端DC+，直流混合器的直流输入负端DC-和直流混合器的直流输出负端VC-、左侧直流输出负端LO-、右侧直流输出负端RO-连接在一起；直流混合器的直流输出正端VC+连接到直流混合器的反馈输出正端FO、左侧隔离型DC/DC变换器的反馈输入端FI和右侧隔离型DC/DC变换器的反馈输入端FI；直流混合器的直流输出端VC+/VC-，作为本功率模块的控制电源。直流输入正端DC+和直流输出正端VC+也可以短接在一起。
图5表示了单相链式变流器或单桥臂模块化多电平变流器中最左侧的功率模块(功率模块1)的控制电源装置的构成框图。图中，功率模块1的控制电源装置中的直流混合器的右侧直流输出端RO+/RO-连接到相邻的右边功率模块2的左侧直流输入端LI+/LI-，直流混合器的右侧直流输入端RI+/RI-连接到相邻的右边功率模块2的左侧直流输出端LO+/LO-，直流混合器的左侧直流输入端和直流输出端悬空，直流输出VC+/VC-作为功率模块1的控制电源。
图6表示了单相链式变流器或单桥臂模块化多电平变流器中最右侧的功率模块(功率模块N)的控制电源装置的构成框图。图中，功率模块N的控制电源装置中的直流混合器的左侧直流输出端LO+/LO-连接到相邻的左边功率模块N-1的右侧直流输入端RI+/RI-，直流混合器的左侧直流输入端LI+/LI-连接到相邻的左边功率模块N-1的右侧直流输出端RO+/RO-，直流混合器的右侧直流输入端和直流输出端悬空，直流输出VC+/VC-作为功率模块N的控制电源。
本发明要求链式或模块化多电平变流器采用自励启动方式启动，即变流器通过缓充电电阻充电方式直接并入电网，当各功率模块直流电容充电到一定电压时，其交流输出两端的交流电压也达到一定的电压值(不管半导体开关器件是否开始工作还是其处于闭锁状态)，经过各隔离直流电容和隔离变压器或功率模块直流电容便可以为直流稳压电源提供交流输入电源或直流输入电源，从而为本功率模块提供控制电源。即使本功率模块故障导致其交流输出被旁路(短路)，本功率模块仍可以从相邻的功率模块取得控制电源。完全采用本发明的功率模块控制电源装置时，该变流器可实现2个或以上冗余功率模块的冗余运行方式。
本发明可应用于多种采用链式变流器或模块化多电平变流器的电力电子装置。
以上实施例只是本发明的一个具体的实施电路原理图，并不以此限定本发明的保护范围。任何基于本发明所作的等效变换电路，均属于本发明保护范围。

Claims (2)

1.一种模块化多电平变流器中的功率模块的工作电源，其特征在于该工作电源包括：一台隔离直流电容器、一台单相隔离变压器、一台直流稳压电源及一台直流混合器；所述的隔离直流电容器和所述的单相隔离变压器的原边串联，串联后的两端与被提供工作电源的本功率模块的两个交流端并联；所述的单相隔离变压器的副边的二个输出端分别连接到所述的直流稳压电源的两个交流输入端；所述的直流稳压电源的直流输入正极和负极分别连接到本功率模块内部的直流电容器正极和负极；所述的直流稳压电源的直流输出正极和负极分别连接到所述的直流混合器的直流输入正极和负极；所述的直流稳压电源的反馈输入端连接到所述的直流混合器的反馈输出端；所述的直流混合器的左侧直流输入正极和负极分别连接到与被提供工作电源的本功率模块相邻的左边功率模块的右侧直流输出正极和负极；所述的直流混合器的左侧直流输出正极和负极分别连接到与被提供工作电源的本功率模块相邻的左边功率模块的右侧直流输入正极和负极；所述的直流混合器的右侧直流输出正极和负极分别连接到与被提供工作电源的本功率模块相邻的右边功率模块的左侧直流输入正极和负极；所述的直流混合器的右侧直流输入正极和负极分别连接到与被提供工作电源的本功率模块相邻的右边功率模块的左侧直流输出正极和负极；所述的直流混合器的一对直流输出端与本功率模块的控制电路相连；最左侧功率模块的直流混合器的左侧直流输入端和直流输出端都悬空不接；最右侧功率模块的直流混合器的右侧直流输入端和直流输出端都悬空不接。
2.如权利要求1所述的工作电源，其特征在于其中所述的直流混合器包括：一个单相全波整流桥、一个左侧隔离型DC/DC变换器和一个右侧隔离型DC/DC变换器；直流混合器的左侧直流输入正极和负极分别连接到所述的左侧隔离型DC/DC变换器的直流输入正极和负极；所述的左侧隔离型DC/DC变换器的直流输出负端连接到所述的直流混合器的右侧直流输出负端；直流混合器的右侧直流输入端连接到所述的右侧隔离型DC/DC变换器的直流输入端；所述的左侧隔离型DC/DC变换器的直流输出正极连接到所述的单相全波整流桥的一个交流输入端和所述的直流混合器的右侧直流输出正端；所述的右侧隔离型DC/DC变换器的直流输出正端连接到所述的单相全波整流桥的另一个交流输入端和所述的直流混合器的左侧直流输出正端；所述的右侧隔离型DC/DC变换器的直流输出负端连接到所述的直流混合器的左侧直流输出负端；所述的单相全波整流桥的正极端连接到所述的直流混合器的直流输出正端，所述的单相全波整流桥的负极端连接到所述的直流混合器的直流输入正端；所述的直流混合器的直流输入负端与所述的直流混合器的直流输出负端、左侧直流输出负端和右侧直流输出负端连接在一起；所述的直流混合器的直流输出正端连接到所述的直流混合器的反馈输出端、所述的左侧隔离型DC/DC变换器的反馈输入端和所述的右侧隔离型DC/DC变换器的反馈输入端；所述的直流混合器的直流输出端，与本功率模块的控制电路相连。
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