CN103633872B - 模块化多电平变换器电容电压自平衡电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模块化多电平变换器电容电压自平衡电路，包括：电子开关单元；至少两个子模块，每个子模块包括若干功率开关管和两个输出端及一对儿正/负直流母线，第一子模块的第一输出端与第二子模块的第二输出端相连，它们的直流侧正/负母线连接到所述电子开关单元的开关端，开关控制信号连接到控制单元的输入端；至少一个控制单元，输出连接到所述电子开关单元的控制端；至少一个限流单元，所述限流单元的输出端连接所述控制单元的输入端，判别所述电子开关单元中开关电流是否在允许的范围内，通过控制所述电子开关通断，使相邻子模块的直流母线在合适的时间段自动并联，达到子模块电容电压自平衡目的。

Description

模块化多电平变换器电容电压自平衡电路

技术领域

本发明涉及一种模块化多电平变换器电容电压自平衡电路，属于多电平变换技术领域。

背景技术

模块化多电平变换器(modularmultilevelconverter,MMC)拓扑采用级联式、模块化构造，无需功率器件直接串联便可得到多电平的阶梯电压，具有较低的dU/dt和较低的电压谐波含量，在中/高压大容量系统中具有广阔的应用前景。MMC由多个功率链组成，每个功率链由N个半桥或H桥子模块级联而成，各子模块直流侧并联有相同的电容器。由于模块化多电平变换器的各子模块直流侧电容处于悬浮状态，运行时各子模块电容会出现充放电差异，因此会导致电容电压的不平衡问题。电容电压不平衡会直接威胁变换器的安全运行，因此该问题能否有效解决是MMC安全、可靠运行的关键。

电容电压的平衡方法主要有软件控制算法和专用硬件电路两种方法。软件平衡控制算法基本是经过电容电压检测、A/D转换和微处理器或DSP，实现电容电压闭环平衡控制，控制电路及算法较为复杂。

公开号为CN1461088的中国专利公开的《用于链式静止同步补偿器直流电压平衡控制的双向变换器》，提出了采用在各子模块直流侧外加专用隔离DC-DC功率电路，通过检测和控制直流侧电容器的充放电来实现电容电压平衡控制。但该方法需要额外增加外部复杂隔离DC-DC功率电路、体积大、控制复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种模块化多电平变换器电容电压自平衡电路。该方法利用模块化多电平变换器的自身特点，具有辅助元件数量少、电路结构简单，不需要检测电容电压和不需要闭环控制算法等优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种模块化多电平变换器电容电压自平衡电路，包括：

电子开关单元；

至少两个子模块，生成电子开关控制信号，每个子模块包括若干功率开关管和两个输出端及一对儿正/负直流母线，第一子模块的第一输出端与第二子模块的第二输出端相连，它们的直流侧正/负母线连接到所述电子开关单元的开关端，开关控制信号连接到控制单元的输入端；

至少一个控制单元，输出连接到所述电子开关单元的控制端；

至少一个限流单元，所述限流单元的输出端连接所述控制单元的输入端，判别所述电子开关单元中开关电流是否在允许的范围内；

控制单元对来自两个所述子模块的开关控制信号及所述限流单元的输出信号进行逻辑运算后输出控制信号给所述电子开关单元，控制所述电子开关单元的相应功率开关管导通，将两个子模块的同极性直流母线并联，从而直接实现两子模块直流侧电容电压的自平衡。

所述子模块为共负/正母线半桥子模块，其中半桥子模块由2个带反并联二极管的功率开关管T1和T2，以及电容器C组成，其中功率开关管T1与T2串联，即T1的发射极与T2的集电极相连，T1的集电极与电容C正极相连后作为所述半桥子模块的正直流母线+d，T1的发射极与电容C负极相连后作为所述半桥子模块的负直流母线-d，T1与T2的连接点作为所述半桥子模块的第一输出端A，所述共负母线半桥子模块的负直流母线-d直接作为所述半桥子模块的第二输出端B，所述共正母线半桥子模块的正直流母线+d直接作为所述半桥子模块的第二输出端B。

所述子模块为H桥子模块，H桥子模块由4个带反并联二极管的功率开关管T1、T2、T3和T4，以及电容器C组成，其中功率开关管T1与T2串联，即T1的发射极与T2的集电极相连，功率开关管T3与T4串联，即T3的发射极与T4的集电极相连，T1的集电极与T3的集电极相连后作为所述H桥子模块的正直流母线+d，T2的发射极与T4的发射极相连后作为所述H桥子模块的负直流母线-d，T1与T2的连接点作为所述H桥子模块的第一输出端A，T3与T4的连接点作为所述H桥子模块的第二输出端B。

所述电子开关单元为功率开关管Q21，所述功率开关管Q21的发射极和集电极分别连接所述两子模块；所述功率开关管Q21的通断由控制单元的输出信号G1控制。

所述电子开关单元为两个带反并联二极管的功率开关管Q11和Q21反向串联组成一个双向可控开关，所述电子开关单元的开关端口直接跨接两个子模块，所述功率开关管Q11和Q21的通断由控制单元的输出信号G1控制。

所述双向可控开关有两个，每个均与一个相应子模块连接，功率开关管Q11和Q21的发射极连接,功率开关管Q12和Q22的集电极连接；控制极则与对应的控制单元连接，控制单元也设有两个。

所述电子开关单元由一个带反并联二极管的功率开关管、一个限流电感和一个箝位续流二极管组成；所述限流电感的一端和所述功率开关管的集电极/发射极分别连接到所述子模块，所述限流电感的另一端和所述功率开关管的发射极/集电极以及箝位续流二极管的阴极/阳极相连，二极管的阳极/阴极与一个子模块相连；所述功率开关管的通断由控制单元的输出信号控制。

所述电子开关单元由两个带反并联二极管的功率开关管Q11和Q21、一个限流电感和两个箝位续流二极管D12和D22组成；所述开关管Q11和Q21的集电极分别连接子模块，所述开关管Q11和Q21的发射极分别连接在限流电感的两端，所述箝位续流二极管D12和D22的阳极分别连接所述子模块，所述箝位续流二极管D12和D22的阴极分别连接所述开关管Q11和Q21的发射极；所述功率开关管Q11和Q21的通断由控制单元的输出信号G1控制。

所述电子开关单元由两个带反并联二极管的功率开关管Q12和Q22、一个限流电感和两个箝位续流二极管D11和D21组成；所述开关管Q12和Q22的发射极分别连接子模块，所述开关管Q12和Q22的集电极分别连接在限流电感的两端，所述箝位续流二极管D11和D21的阴极分别连接子模块，所述箝位续流二极管D11和D21的阳极分别连接所述开关管Q12和Q22的集电极；所述功率开关管Q12和Q22的通断由控制单元的输出信号G2控制。

所述两双向可控开关间跨接一个限流电感。

对于N个级联子模块而言，需N-1个所述电子开关单元，其中N大于等于2。

本发明的有益效果：

(1)本发明利用模块化多电平变换器的特点，即利用运行过程中相邻子模块直流正或负母线出现相同电位的特点，利用少量硬件实现了子模块直流侧电容电压的自平衡，电路结构简单，控制方便，无需子模块电容电压检测电路，无需复杂的隔离型DC-DC功率电路，无需软件控制算法。

(2)本发明通过简单控制还可实现模块化多电平变换器子模块的电容预充电功能。

附图说明

图1被用于平衡控制的模块化多电平变换器的共负母线半桥子模块结构；

图1a被用于平衡控制的模块化多电平变换器的共正母线半桥子模块结构；

图1b被用于平衡控制的模块化多电平变换器的H桥子模块结构；

图1c被用于平衡控制的模块化多电平变换器的功率链中两个相邻子模块接线图；

图2本发明的模块化多电平变换器电容电压自平衡电路基本结构框图；

图3本发明的一种级联共负母线半桥的多电平变换器电容电压自平衡电路实施例；

图3a本发明的一种级联共正母线半桥的多电平变换器电容电压自平衡电路实施例；

图4本发明的一种级联H桥的多电平变换器电容电压自平衡电路实施例；

图4a本发明的另一种级联H桥的多电平变换器电容电压自平衡电路实施例；

图4b本发明的另一种级联H桥的多电平变换器电容电压自平衡电路实施例；

图5本发明的图3的一种改进电路实施例；

图5a本发明的图3a的一种改进电路实施例；

图5b本发明的图3的另一种改进电路实施例；

图5c本发明的图3a的另一种改进电路实施例；

图6本发明的图4的一种改进电路实施例；

图6a本发明的图4a的一种改进电路实施例；

图6b本发明的图4b的一种改进电路实施例；

图7本发明用于模块化多电平变换器子模块直流侧电容预充电时的一种实施方案。

其中，1、相邻子模块，1-1、第一子模块，1-2、第二子模块，2、电子开关单元，3、控制单元，4、限流控制单元，5、限流电感，6、电容预充电直流电源，7、电容预充电限流电阻，8、断路器开关。符号，A、子模块的第一输出端，B、子模块的第二输出端，+d、子模块的正直流侧母线，-d、子模块的负直流侧母线，A1、第一子模块的第一输出端，B1、第一子模块第二输出端，+d1、第一子模块正直流侧母线，-d1、第一子模块的负直流侧母线，A2、第二子模块的第一输出端，B2、第二子模块第二输出端，+d2、第二子模块正直流侧母线，-d2、第二子模块的负直流侧母线。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

图1给出了被用于平衡控制的模块化多电平变换器的一个共负母线半桥子模块原理图，其中半桥子模块由2个带反并联二极管的功率开关管T1和T2，以及电容器C组成，其中功率开关管T1与T2串联，即T1的发射极与T2的集电极相连，T1的集电极与电容C正极相连后作为所述半桥子模块的正直流母线+d，T1的发射极与电容C负极相连后作为所述半桥子模块的负直流母线-d，T1与T2的连接点作为所述半桥子模块的第一输出端A，负直流母线-d直接作为所述半桥子模块的第二输出端B。

图1a给出了被用于平衡控制的模块化多电平变换器的一个共正母线半桥子模块原理图，其中半桥子模块由2个带反并联二极管的功率开关管T1和T2，以及电容器C组成，其中功率开关管T1与T2串联，即T1的发射极与T2的集电极相连，T1的集电极与电容C正极相连后作为所述半桥子模块的正直流母线+d，T1的发射极与电容C负极相连后作为所述半桥子模块的负直流母线-d，T1与T2的连接点作为所述半桥子模块的第一输出端A，正直流母线+d直接作为所述半桥子模块的第二输出端B。

图1b给出了被用于平衡控制的模块化多电平变换器的一个H桥子模块原理图，H桥子模块由4个带反并联二极管的功率开关管T1、T2、T3和T4，以及电容器C组成，其中功率开关管T1与T2串联，即T1的发射极与T2的集电极相连，功率开关管T3与T4串联，即T3的发射极与T4的集电极相连，T1的集电极与T3的集电极相连后作为所述H桥子模块的正直流母线+d，T2的发射极与T4的发射极相连后作为所述H桥子模块的负直流母线-d，T1与T2的连接点作为所述H桥子模块的第一输出端A，T3与T4的连接点作为所述H桥子模块的第二输出端B。

图1c给出了被用于平衡控制的模块化多电平变换器的级联功率链中两个相邻子模块的连接图，图中第一子模块1-1的第一输出端A1与第二子模块1-2的第二输出端B2相连。

图2给出了本发明的模块化多电平变换器电容电压自平衡电路基本结构框图，图中，自平衡电路包括电子开关单元2、控制单元3和限流单元4。被用于平衡控制的模块化多电平变换器包括至少两个相邻子模块1，即第一子模块1-1和第二子模块1-2，第一子模块1-1的第一输出端A1与第二子模块1-2的第二输出端B2相连。所述第一子模块1-1的直流侧正/负直流母线+d1和-d1分别连接到所述电子开关单元2的第一开关端口Sp1和Sn1，所述第二子模块1-2的直流侧正/负直流母线+d2和-d2分别连接到所述电子开关单元3的第二开关端口Sp2和Sn2，所述两个子模块的开关状态信号连接到所述控制单元3的输入端，所述控制单元3的输出端G连接到所述电子开关单元的控制端，所述限流单元的输出端XL连接所述控制单元的输入端。

本发明的一种模块化多电平变换器电容电压自平衡方法，其特征是：当所述第一子模块1-1的第一输出端A1与其一极性直流母线（即+d1或者-d1）之间的功率开关管导通时，并且当所述第二子模块1-2的第二输出端B2与其同一极性所述直流母线（即+d2或者-d2）之间的功率开关管导通时，并且当所述限流单元4判别所述电子开关单元2中开关电流在允许范围内时，经所述控制单元3对来自两个所述子模块的开关状态信号K及所述限流单元的输出信号XL进行逻辑运算后输出控制信号G给所述电子开关单元2，控制所述电子开关单元2中的连接所述两个子模块另一极性直流母线的开关管导通，将两个子模块的同极性直流母线并联，即+d1与+d2之间短路，-d1与-d2之间短路，从而直接实现两个所述相邻子模块直流侧电容电压的自平衡。

实施例1：

图3给出了本发明的一种级联共负母线半桥的多电平变换器电容电压自平衡电路，图中，电子开关单元2由一个带反并联二极管的功率开关管Q21组成，所述电子开关单元2的开关端口直接跨接在相邻两个共负母线半桥第一子模块1-1和第二子模块1-2的正直流母线+d1和+d2之间，即所述功率开关管Q21的发射极和集电极分别连接所述第一子模块1-1和第二子模块1-2的正直流母线+d1和+d2；所述功率开关管Q21的通断由控制单元3的输出信号G1控制；控制单元3的输入信号K11来自第一子模块1-1的功率开关T2的开关控制信号，有G1=K11，其中逻辑“1”表示控制开关导通，逻辑“0”表示控制开关断开。当所述第一子模块1-1的开关管T2导通使所述第一子模块1-1和第二子模块1-2的负直流母线-d1和-d2之间短路时，即当K11=“1”时，则G1=“1”，控制所述电子开关单元2的功率开关管Q21导通，使两个所述半桥第一子模块1-1和第二子模块1-2的正直流母线+d1和+d2之间短路，即所述两个子模块的同极性直流母线并联，从而使相邻两个所述半桥第一子模块1-1和第二子模块1-2的直流侧电容C电压自动实现平衡。

实施例2：

图3a给出了本发明的一种级联共正母线半桥的多电平变换器电容电压自平衡电路，图中，电子开关单元2由一个带反并联二极管的功率开关管Q22组成，所述电子开关单元2的开关端口直接跨接在相邻两个共负母线半桥第一子模块1-1和第二子模块1-2的负直流母线-d1和-d2之间，即所述功率开关管Q22的集电极和发射极分别连接所述第一子模块1-1和第二子模块1-2的负直流母线-d1和-d2；所述功率开关管Q22的通断由控制单元3的输出信号G2控制；控制单元3的输入信号K12来自第一子模块1-1的功率开关T1的开关控制信号，有G2=K12，其中逻辑“1”表示控制开关导通，逻辑“0”表示控制开关断开。当所述第一子模块1-1的开关管T1导通使所述两个半桥第一子模块1-1和第二子模块1-2的正直流母线+d1和+d2之间短路时，即当K12=“1”时，则G2=“1”，控制所述电子开关单元2的功率开关管Q22导通，使两个所述半桥第一子模块1-1和第二子模块1-2的负直流母线-d1和-d2之间短路，即所述两个子模块的同极性直流母线并联，从而使相邻两个所述半桥第一子模块1-1和第二子模块1-2的直流侧电容C电压自动实现平衡。

实施例3：

图4给出了本发明的一种级联H桥多电平变换器电容电压自平衡电路，图中，电子开关单元2由两个带反并联二极管的功率开关管Q11和Q21反向串联组成一个双向可控开关，所述电子开关单元2的开关端口直接跨接在相邻两个H桥第一子模块1-1和第二子模块1-2的正直流母线+d1和+d2之间，即所述功率开关管Q11和Q21的集电极分别连接所述第一子模块1-1和第二子模块1-2的正直流母线+d1和+d2；所述功率开关管Q11和Q21的通断由控制单元3的输出信号G1控制；控制单元3输入信号K11和K21分别来自第一子模块1-1的功率开关T2的开关控制信号和第二子模块1-2的功率开关T4的开关控制信号，所述控制单元3对其两个输入信号K11和K21进行逻辑“与”运算，即G1=K11·K21，其中逻辑“1”表示控制开关导通，逻辑“0”表示控制开关断开。当所述第一子模块1-1的功率开关T2与所述第二子模块1-2的功率开关T4同时导通，使所述第一子模块1-1和第二子模块1-2的负直流母线-d1和-d2之间短路时，即当K11=“1”且K21=“1”时，则G1=“1”，控制所述电子开关单元2的功率开关管Q11和Q21导通，使两个所述H第一子模块1-1和第二子模块1-2的正直流母线+d1和+d2之间短路，即所述两个子模块的同极性直流母线并联，从而使相邻两个所述第一子模块1-1和第二子模块1-2的直流侧电容C电压自动实现平衡。图中，电子开关单元2的功率开关管Q11和Q21可以互换位置。

实施例4：

图4a给出了本发明的另一种级联H桥多电平变换器电容电压自平衡电路，图中，电子开关单元2由两个带反并联二极管的功率开关管Q12和Q22反向串联组成一个双向可控开关，所述电子开关单元2的开关端口直接跨接在相邻两个H桥第一子模块1-1和第二子模块1-2的负直流母线-d1和-d2之间，即所述功率开关管Q12和Q22的发射极分别连接所述第一半桥子模块1-1和第二半桥子模块1-2的负直流母线-d1和-d2；所述功率开关管Q12和Q22的通断由控制单元3的输出信号G2控制；控制单元3输入信号K12和K22分别来自第一子模块1-1的功率开关T1的开关控制信号和第二子模块1-2的功率开关T3的开关控制信号，所述控制单元3对其两个输入信号K12和K22进行逻辑“与”运算，即G2=K12·K22，其中逻辑“1”表示控制开关导通，逻辑“0”表示控制开关断开。当所述第一子模块1-1的功率开关T1与所述第二子模块1-2的功率开关T3同时导通，使所述两个H桥第一子模块1-1和第二子模块1-2的正直流母线+d1和+d2之间短路时，即当K12=“1”且K22=“1”时，则G2=“1”，控制所述电子开关单元2的功率开关管Q12和Q22导通，使两个所述H第一子模块1-1和第二子模块1-2的负直流母线-d1和-d2之间短路，即所述两个子模块的同极性直流母线并联，从而使相邻两个所述第一子模块1-1和第二子模块1-2的直流侧电容C电压自动实现平衡。图中，电子开关单元2的功率开关管Q12和Q22可以互换位置。

实施例5：

图4b给出了本发明的另一种级联H桥多电平变换器电容电压自平衡电路，图中，电子开关单元2是图4和图4a中电子开关单元2的组合，控制单元3a是图4的控制单元3，控制单元3b是图4a的控制单元3，即本实施例5是上述实施例3和4的组合。

上述5个实施例给出的模块化多电平变换器电容电压自平衡电路适合于所述电子开关单元2中的开关管不用进行电流限制的场合。下面给出上述5个实施例的改进方案，对所述电子开关单元2中的开关管进行电流限制，以减小所述开关管的电流容量，提高可靠性。

实施例6

图5给出了本发明的一种级联共负母线半桥的多电平变换器电容电压自平衡电路图3的一种改进电路，图中，电子开关单元2由一个带反并联二极管的功率开关管Q21、一个限流电感5和一个箝位续流二极管D22组成。所述限流电感5的一端和所述功率开关管Q21的集电极分别连接到所述第一子模块1-1和第二子模块1-2的正直流母线+d1和+d2，所述限流电感5的另一端和所述功率开关管Q21的发射极以及箝位续流二极管D22的阴极相连，二极管D22的阳极与第二子模块1-2的负直流母线-d2相连。所述功率开关管Q21的通断由控制单元3的输出信号G1控制；控制单元3的输入信号K11和XL分别来自第一子模块1-1的功率开关T2的开关控制信号和限流控制单元4的输出，所述控制单元3对其两个输入信号K11和XL进行逻辑“与”运算，即G1=K11·XL，其中K11和G1为逻辑“1”表示控制相应开关导通，为逻辑“0”表示控制相应开关断开。所述限流控制单元4对所述电子开关单元2的开关电流，即流过限流电感5或开关管Q21电流，进行判断和控制，当所述开关电流在允许范围内时，XL为逻辑“1”，当所述开关电流超出允许范围时，XL为逻辑“0”。当所述第一子模块1-1的开关管T2导通使所述两个半桥第一子模块1-1和第二子模块1-2的负直流母线-d1和-d2之间短路时，并且所述开关电流在允许范围内时，即当K11=“1”且XL=“1”，时，则G1=“1”，控制所述电子开关单元2的功率开关管Q21导通，使两个所述半桥第一子模块1-1和第二子模块1-2的正直流母线+d1和+d2之间通过限流电感5短路，即所述两个子模块的同极性直流母线并联，从而使相邻两个所述半桥第一子模块1-1和第二子模块1-2的直流侧电容C电压自动实现平衡。

实施例7

图5a给出了本发明的一种级联共正母线半桥的多电平变换器电容电压自平衡电路图3a的一种改进电路，图中，电子开关单元2由一个带反并联二极管的功率开关管Q22、一个限流电感5和一个箝位续流二极管D21组成。所述限流电感5的一端和所述功率开关管Q22的集电极分别连接到所述第一子模块1-1和第二子模块1-2的负直流母线-d1和-d2，所述限流电感5的另一端和所述功率开关管Q22的发射极以及箝位续流二极管D21的阳极相连，二极管D21的阴极与第二子模块1-2的正直流母线+d2相连。所述功率开关管Q22的通断由控制单元3的输出信号G2控制；控制单元3的输入信号K12和XL分别来自第一子模块1-1的功率开关T1的开关控制信号和限流控制单元4的输出，所述控制单元3对其两个输入信号K12和XL进行逻辑“与”运算，即G2=K12·XL，其中K12和G2为逻辑“1”表示控制相应开关导通，为逻辑“0”表示控制相应开关断开。所述限流控制单元4对所述电子开关单元2的开关电流，即流过限流电感5或开关管Q22电流，进行判断和控制，当所述开关电流在允许范围内时，XL为逻辑“1”，当所述开关电流超出允许范围时，XL为逻辑“0”。当所述第一子模块1-1的开关管T1导通使所述两个半桥第一子模块1-1和第二子模块1-2的正直流母线+d1和+d2之间短路时，并且所述开关电流在允许范围内时，即当K12=“1”且XL=“1”，时，则G2=“1”，控制所述电子开关单元2的功率开关管Q22导通，使两个所述半桥第一子模块1-1和第二子模块1-2的负直流母线-d1和-d2之间通过限流电感5短路，即所述两个子模块的同极性直流母线并联，从而使相邻两个所述半桥子模块1-1和1-2的直流侧电容C电压自动实现平衡。

上述2个实施例6和7给出的模块化多电平变换器电容电压自平衡方法的改进电路图5和图5a中，电子开关单元2中的限流电感5中的电流只能单方向可控，即正向流过功率开关Q21或Q22的电流可控，而反相流过功率开关Q21或Q22的电流（即流过Q21或Q22反并联二极管的电流）不可控。下面实施例8和9给出本发明的图5和图5a的一种改进，对所述限流电感5中的电流实现双向可控。

实施例8

图5b给出了本发明的一种级联共负母线半桥的多电平变换器电容电压自平衡改进电路图5的一种改进电路，图中，电子开关单元2由两个带反并联二极管的功率开关管Q11和Q21、一个限流电感5和两个箝位续流二极管D12和D22组成。所述开关管Q11和Q21的集电极分别连接两个半桥第一子模块1-1和第二子模块1-2的正直流母线+d1和+d2，所述开关管Q11和Q21的发射极分别连接在限流电感5的两端，所述箝位续流二极管D12和D22的阳极分别连接所述两个半桥第一子模块1-1和第二子模块1-2的负直流母线-d1和-d2，所述箝位续流二极管D12和D22的阴极分别连接所述开关管Q11和Q21的发射极。所述功率开关管Q11和Q21的通断由控制单元3的输出信号G1控制；控制单元3的输入信号K11和XL分别来自第一子模块1-1的功率开关T2的开关控制信号和限流控制单元4的输出，所述控制单元3对其两个输入信号K11和XL进行逻辑“与”运算，即G1=K11·XL，其中K11和G1为逻辑“1”表示控制相应开关导通，为逻辑“0”表示控制相应开关断开。所述限流控制单元4对所述电子开关单元2的开关电流，即流过限流电感5或开关管Q11和Q21电流，进行判断和控制，当所述开关电流在允许范围内时，XL为逻辑“1”，当所述开关电流超出允许范围时，XL为逻辑“0”。当所述第一子模块1-1的开关管T2导通使所述两个半桥第一子模块1-1和第二子模块1-2的负直流母线-d1和-d2之间短路时，并且所述开关电流在允许范围内时，即当K11=“1”且XL=“1”，时，则G1=“1”，控制所述电子开关单元2的功率开关管Q11和Q21导通，使两个所述半桥第一子模块1-1和第二子模块1-2的正直流母线+d1和+d2之间通过限流电感5短路，即所述两个子模块的同极性直流母线并联，从而使相邻两个所述半桥第一子模块1-1和第二子模块1-2的直流侧电容C电压自动实现平衡。

实施例9

图5c给出了本发明的一种级联共正母线半桥的多电平变换器电容电压自平衡改进电路图5a的一种改进电路，图中，电子开关单元2由两个带反并联二极管的功率开关管Q12和Q22、一个限流电感5和两个箝位续流二极管D11和D21组成。所述开关管Q12和Q22的发射极分别连接两个半桥子第一子模块1-1和第二子模块1-2的负直流母线-d1和-d2，所述开关管Q12和Q22的集电极分别连接在限流电感5的两端，所述箝位续流二极管D11和D21的阴极分别连接所述两个半桥第一子模块1-1和第二子模块1-2的正直流母线+d1和+d2，所述箝位续流二极管D11和D21的阳极分别连接所述开关管Q12和Q22的集电极。所述功率开关管Q12和Q22的通断由控制单元3的输出信号G2控制；控制单元3的输入信号K12和XL分别来自第一子模块1-1的功率开关T1的开关控制信号和限流控制单元4的输出，所述控制单元3对其两个输入信号K12和XL进行逻辑“与”运算，即G2=K12·XL，其中K12和G2为逻辑“1”表示控制相应开关导通，为逻辑“0”表示控制相应开关断开。所述限流控制单元4对所述电子开关单元2的开关电流，即流过限流电感5或开关管Q12和Q22电流，进行判断和控制，当所述开关电流在允许范围内时，XL为逻辑“1”，当所述开关电流超出允许范围时，XL为逻辑“0”。当所述第一半桥子模块1-1的开关管T1导通使所述两个半桥第一子模块1-1和第二子模块1-2的正直流母线+d1和+d2之间短路时，并且所述开关电流在允许范围内时，即当K12=“1”且XL=“1”，时，则G2=“1”，控制所述电子开关单元2的功率开关管Q12和Q22导通，使两个所述半桥第一子模块1-1和第二子模块1-2的负直流母线-d1和-d2之间通过限流电感5短路，即所述两个子模块的同极性直流母线并联，从而使相邻两个所述半桥子第一子模块1-1和第二子模块1-2的直流侧电容C电压自动实现平衡。

实施例10

图6给出了本发明的一种级联H桥多电平变换器电容电压自平衡电路图4的改进电路，图中，电子开关单元2由两个带反并联二极管的功率开关管Q11和Q21、一个限流电感5和两个箝位续流二极管D12和D22组成。所述开关管Q11和Q21的集电极分别连接两个H桥第一子模块1-1和第二子模块1-2的正直流母线+d1和+d2，所述开关管Q11和Q21的发射极分别连接在限流电感5的两端，所述箝位续流二极管D12和D22的阳极分别连接所述两个H桥第一子模块1-1和第二子模块1-2的负直流母线-d1和-d2，所述箝位续流二极管D12和D22的阴极分别连接所述开关管Q11和Q21的发射极。所述功率开关管Q11和Q21的通断由控制单元3的输出信号G1控制；所述控制单元3有三个输入信号K11、K21和XL，其中第一输入信号K11来自第一子模块1-1的功率开关T2的开关控制信号，第二输入信号K21来自第二子模块1-2的功率开关T4的开关控制信号，第三输入信号XL来自限流控制单元4，所述控制单元3对其三个输入信号K11、K21和XL进行逻辑“与”运算，即G1=K11·K21·XL，其中K11、K21和G1为逻辑“1”表示控制相应开关导通，为逻辑“0”表示控制相应开关断开。所述限流控制单元4对所述电子开关单元2的开关电流，即流过限流电感5或开关管Q11和Q21电流，进行判断和控制，当所述开关电流在允许范围内时，XL为逻辑“1”，当所述开关电流超出允许范围时，XL为逻辑“0”。当所述第一子模块1-1的功率开关T2与所述第二子模块1-2的功率开关T4同时导通，使所述两个H桥第一子模块1-1和第二子模块1-2的负直流母线-d1和-d2之间短路时，并且所述开关电流在允许范围内时，即当K11=“1”且K21=“1”且XL=“1”，时，则G1=“1”，控制所述电子开关单元2的功率开关管Q11和Q21导通，使两个所述H第一子模块1-1和第二子模块1-2的正直流母线+d1和+d2之间通过限流电感5短路，即所述两个子模块的同极性直流母线并联，从而使相邻两个所述H桥第一子模块1-1和第二子模块1-2的直流侧电容C电压自动实现平衡。

实施例11

图6a给出了本发明的一种级联H桥多电平变换器电容电压自平衡电路图4a的改进电路，图中，电子开关单元2由两个带反并联二极管的功率开关管Q12和Q22、一个限流电感5和两个箝位续流二极管D11和D21组成。所述开关管Q12和Q22的发射极分别连接两个H桥第一子模块1-1和第二子模块1-2的负直流母线-d1和-d2，所述开关管Q12和Q22的集电极分别连接在限流电感5的两端，所述箝位续流二极管D11和D21的阴极分别连接所述两个H桥第一子模块1-1和第二子模块1-2的正直流母线+d1和+d2，所述箝位续流二极管D11和D21的阳极分别连接所述开关管Q12和Q22的集电极。所述功率开关管Q12和Q22的通断由控制单元3的输出信号G2控制；所述控制单元3有三个输入信号K12、K22和XL，其中第一输入信号K12来自第一子模块1-1的功率开关T1的开关控制信号，第二输入信号K22来自第二子模块1-2的功率开关T3的开关控制信号，第三输入信号XL来自限流控制单元4，所述控制单元3对其三个输入信号K12、K22和XL进行逻辑“与”运算，即G2=K12·K22·XL，其中K12、K22和G2为逻辑“1”表示控制相应开关导通，为逻辑“0”表示控制相应开关断开。所述限流控制单元4对所述电子开关单元2的开关电流，即流过限流电感5或开关管Q12和Q22电流，进行判断和控制，当所述开关电流在允许范围内时，XL为逻辑“1”，当所述开关电流超出允许范围时，XL为逻辑“0”。当所述第一子模块1-1的功率开关T1与所述第二子模块1-2的功率开关T3同时导通，使所述两个H桥第一子模块1-1和第二子模块1-2的正直流母线+d1和+d2之间短路时，并且所述开关电流在允许范围内时，即当K12=“1”且K22=“1”且XL=“1”，时，则G2=“1”，控制所述电子开关单元2的功率开关管Q12和Q22导通，使第一子模块1-1和第二子模块1-2的负直流母线-d1和-d2之间通过限流电感5短路，即所述两个子模块的同极性直流母线并联，从而使相邻两个所述H桥第一子模块1-1和第二子模块1-2的直流侧电容C电压自动实现平衡。

实施例12

图6b给出了本发明的另一种级联H桥多电平变换器电容电压自平衡电路图4b的改进电路，图中，电子开关单元2是图4b的基础上增加了限流电感5，在图4b的基础上控制单元3a和3b的输入信号增加了限流控制单元的输出信号XL，或者说，本实施例5是上述实施例10和11的组合。

实施例13：

本发明可用于模块化多电平变换器的子模块的直流侧电容预充电。图7给出了电容预充电电源接线图，图中直流电源6经限流电阻7和断路器开关8输出。断路器开关8的输出端U+和U-分别连接到模块化多电平变换器功率链的第一子模块1-1的正直流母线+d1和负直流母线-d1；通过控制所述模块化多电平变换器的级联子模块的功率开关管及本发明的电容电压自平衡电路，使所述功率链的相邻子模块的同极性直流母线并联，对所述功率链的所有子模块的直流侧电容实施预充电。具体实施方案是：

（1）针对级联共负母线半桥的多电平变换器电容电压的实施例1（图3）、实施例6（图5）和实施例8（图5b），对级联共负母线半桥功率链的所有半桥子模块的下管T2施加开通信号。

（2）针对级联共正母线半桥子模块的模块化多电平变换器的实施例2（图3a）、实施例7（图5a）和实施例9（图5c），对级联共正母线半桥功率链的所有半桥子模块的上管T1施加开通信号；

（4）针对级联H桥的模块化多电平变换器的实施例3（图4）和实施例10（图6），对级联H桥功率链的所有子模块的下管T2和T4施加开通信号；

（5）针对级联H桥的模块化多电平变换器的实施例4（图4a）和实施例11（图6a），对级联H桥功率链的所有子模块的上管T1和T3施加开通信号。

（6）针对级联H桥的模块化多电平变换器的实施例5（图4b）和实施例12（图6b），对级联H桥功率链的所有子模块的下管T2和T4施加开通信号；或者对级联H桥功率链的所有子模块的上管T1和T3施加开通信号。

上述电容预充电方案用于所述子模块由自身直流侧电容提供控制电源时，电容预充电顺序按照从第一子模块、第二子模块、第三子模块、…、的顺序，依次进行预充电；上述电容预充电方案用于所述子模块由外部独立提供控制电源时，电容预充电电路为所述功率链的所有子模块同步进行预充电。

上述各实施例中，对于N个级联子模块而言，需要N-1个电子开关单元，其中N大于等于2。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种模块化多电平变换器电容电压自平衡电路，其特征是，包括：

电子开关单元；至少两个子模块，生成开关控制信号，每个子模块包括若干功率开关管和两个输出端及一对正/负直流母线，第一子模块的第一输出端与第二子模块的第二输出端相连，它们的直流侧正/负母线连接到所述电子开关单元的开关端，传输至控制单元的开关控制信号连接到控制单元的输入端；

至少一个控制单元，输出连接到所述电子开关单元的控制端；

至少一个限流单元，所述限流单元的输出端连接所述控制单元的输入端，判别所述电子开关单元中开关电流是否在允许的范围内；

控制单元对来自两个所述子模块的传输至控制单元的开关控制信号及所述限流单元的输出信号进行逻辑运算后输出控制信号给所述电子开关单元，控制所述电子开关单元中相应功率开关管导通，将两个子模块的同极性直流母线并联，从而直接实现两子模块直流侧电容电压的自平衡。

2.如权利要求1所述的模块化多电平变换器电容电压自平衡电路，其特征是，所述子模块为共负/正母线半桥子模块，其中半桥子模块由2个带反并联二极管的功率开关管T1和功率开关管T2，以及电容器C组成，其中功率开关管T1与功率开关管T2串联，即功率开关管T1的发射极与功率开关管T2的集电极相连，功率开关管T1的集电极与电容C正极相连后作为所述半桥子模块的正直流母线+d，功率开关管T1的发射极与电容C负极相连后作为所述半桥子模块的负直流母线-d，功率开关管T1与功率开关管T2的连接点作为所述半桥子模块的第一输出端A，所述共负母线半桥子模块的负直流母线-d直接作为所述半桥子模块的第二输出端B，所述共正母线半桥子模块的正直流母线+d直接作为所述半桥子模块的第二输出端B。

3.如权利要求1所述的模块化多电平变换器电容电压自平衡电路，其特征是，所述子模块为H桥子模块，H桥子模块由4个带反并联二极管的功率开关管T1、功率开关管T2、功率开关管T3和功率开关管T4，以及电容器C组成，其中功率开关管T1与功率开关管T2串联，即功率开关管T1的发射极与功率开关管T2的集电极相连，功率开关管T3与功率开关管T4串联，即功率开关管T3的发射极与功率开关管T4的集电极相连，功率开关管T1的集电极与功率开关管T3的集电极相连后作为所述H桥子模块的正直流母线+d，功率开关管T2的发射极与功率开关管T4的发射极相连后作为所述H桥子模块的负直流母线-d，功率开关管T1与功率开关管T2的连接点作为所述H桥子模块的第一输出端A，功率开关管T3与功率开关管T4的连接点作为所述H桥子模块的第二输出端B。

4.如权利要求1所述的模块化多电平变换器电容电压自平衡电路，其特征是，所述电子开关单元为功率开关管Q21，所述功率开关管Q21的发射极和集电极分别连接两个所述子模块；所述功率开关管Q21的通断由控制单元的输出信号控制。

5.如权利要求1所述的模块化多电平变换器电容电压自平衡电路，其特征是，所述电子开关单元为两个带反并联二极管的功率开关管Q11和功率开关管Q21反向串联组成一个双向可控开关，所述电子开关单元的开关端口直接跨接两个子模块，所述功率开关管Q11和功率开关管Q21的通断由控制单元的输出信号控制。

6.如权利要求5所述的模块化多电平变换器电容电压自平衡电路，其特征是，所述双向可控开关有两个，每个均与一个相应子模块连接，功率开关管Q11和功率开关管Q21的发射极连接，功率开关管Q12和功率开关管Q22的集电极连接；控制极则与对应的控制单元连接，控制单元也设有两个。

7.如权利要求1所述的模块化多电平变换器电容电压自平衡电路，其特征是，所述电子开关由一个带反并联二极管的功率开关管、一个限流电感和一个箝位续流二极管组成；所述限流电感的一端和所述功率开关管的集电极/发射极分别连接到所述子模块，所述限流电感的另一端和所述功率开关管的发射极/集电极以及箝位续流二极管的阴极/阳极相连，二极管的阳极/阴极与一个子模块相连；所述功率开关管的通断由控制单元的输出信号控制。

8.如权利要求1所述的模块化多电平变换器电容电压自平衡电路，其特征是，所述电子开关单元由两个带反并联二极管的功率开关管Q11和功率开关管Q21、一个限流电感和两个箝位续流二极管D12和D22组成；所述功率开关管Q11和功率开关管Q21的集电极分别连接子模块，所述功率开关管Q11和功率开关管Q21的发射极分别连接在限流电感的两端，所述箝位续流二极管D12和箝位续流二极管D22的阳极分别连接所述子模块，所述箝位续流二极管D12和箝位续流二极管D22的阴极分别连接所述功率开关管Q11和功率开关管Q21的发射极；所述功率开关管Q11和功率开关管Q21的通断由控制单元的输出信号控制。

9.如权利要求1所述的模块化多电平变换器电容电压自平衡电路，其特征是，所述电子开关单元由两个带反并联二极管的功率开关管Q12和功率开关管Q22、一个限流电感和两个箝位续流二极管D11和D21组成；所述功率开关管Q12和功率开关管Q22的发射极分别连接子模块，所述功率开关管Q12和功率开关管Q22的集电极分别连接在限流电感的两端，所述箝位续流二极管D11和箝位续流二极管D21的阴极分别连接子模块，所述箝位续流二极管D11和箝位续流二极管D21的阳极分别连接所述功率开关管Q12和功率开关管Q22的集电极；所述功率开关管Q12和功率开关管Q22的通断由控制单元的输出信号控制。

10.如权利要求6所述的模块化多电平变换器电容电压自平衡电路，其特征是，两个所述双向可控开关间跨接一个限流电感。