CN105245117A - 一种模块化多电平换流器及换流器模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种换流器模块,包括第一引出端X1、第二引出端X2、第一半桥和第二半桥,所述第一半桥、第二半桥分别包括有各自的开关单元、开关模块和储能元件,所述开关模块与储能元件串联后,并联在开关单元的两端。换流器模块单元能实现清除直流短路故障的功能,运行损耗和故障电流抑制效果综合性能较好。本发明还公开了一种模块化多电平换流器,包括至少一个相单元,每个相单元由若干串联连接换流器模块组成。模块化多电平换流器能够实现交直流之间变换、多电平电压源和清除直流短路故障的功能,可以用于无功补偿设备、有功或无功发生设备、电能回馈等应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种换流器模块,还涉及一种模块化多电平换流器,属于换流器技术领域。
背景技术
柔性直流输电系统的核心是基于全控器件的电压源变流器。多电平技术是实现高压大容量电压源变流器的优选方案。相对于二电平换流器,多电平换流器可以使用低压器件实现高电压等级输出,而并不需要开关器件的直接串联。近几年来,模块化多电平换流器(ModularMultilevelConverter,MMC)的出现使多电平换流器在柔性直流输电领域也得到了成功的应用。模块化多电平换流器的换流器采用模块化设计,由若干个结构完全相同的基本单元模块串联构成,每一个模块称为换流器模块单元,通过增加换流器中的串联模块个数和电流水平,可以应用于不同的电压及功率等级场合。
针对模块化多电平换流器,可以选用半桥模块单元、全桥模块单元、以及箝位双模块单元作为基本单元,然而以上模块单元均存在各自的问题:比如半桥模块单元无法有效处理直流故障的固有缺陷,当换流器直流侧发生故障时,由于全控器件的反并联续流二极管容易构成故障点与交流系统直接连通的能量馈送回路,无法单纯依靠换流器动作完成直流侧故障电流的清除,只能依靠交流设备切断与交流系统的连接。
全桥模块单元由四只全控开关和直流支撑电容组成,相较传统半桥模块,使用的开关器件多一倍,模块输出直流电容电压或旁路时均同时有两个全控开关流过电流,损耗也大一倍。
箝位双模块为两个传统半桥模块通过一个全控开关和两个箝位二极管级联而成,相较全桥模块有效减少了全控开关数量,降低了运行损耗,但该单元在直流故障时,箝位双模块的两个直流支撑电容并联投入到交流系统电压和故障点之间,模块直流电压的上升较慢,清除故障的动态响应时间较长。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足,提供一种换流器模块,解决现有技术中快速清除直流短路故障时动态响应时间较长、损耗较大的技术问题。
为解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案是:一种换流器模块,包括第一引出端X1、第二引出端X2、第一半桥20和第二半桥21,所述第一半桥20、第二半桥21分别包括有各自的开关单元、开关模块和储能元件,所述开关模块与储能元件串联后,并联在开关单元的两端;
所述换流器模块包括如下四种连接方式中的任一种:
第一种:所述开关单元包括一个开关单元子模块或两个反向串联的开关单元子模块,所述换流器模块还包括二极管D3、二极管D4;
所述二极管D3的阳极与第一引出端X1连接,阴极与第一半桥20中开关模块和储能元件C1的电接点连接;
所述二极管D4的阴极与第二引出端X2连接,阳极与第二半桥21中开关模块和储能元件C2的电接点连接;
第二种:所述开关单元包括一个开关单元子模块或两个反向串联的开关单元子模块,所述换流器模块还包括二极管D3;
所述二极管D3的阳极与第一引出端X1连接,阴极与第一半桥20中开关模块和储能元件C1的电接点连接;
第三种:所述开关单元包括一个开关单元子模块或两个反向串联的开关单元子模块,所述换流器模块还包括二极管D4;
所述二极管D4的阴极与第二引出端X2连接,阳极与第二半桥21中开关模块和储能元件C2的电接点连接;
第四种:所述开关单元包括两个反向串联的开关单元子模块,所述换流器模块还包括二极管D3、二极管D4;
所述二极管D3的阳极与第二半桥21中开关单元的两开关单元子模块的电节点连接,阴极与第一半桥20中开关模块和储能元件C1的电接点连接;
所述二极管D4的阴极与第一半桥20中开关单元的两开关单元子模块的电节点连接,阳极与第二半桥21中开关模块和储能元件C2的电接点连接。
所述开关模块包括:第一开关管和反向并联在第一开关管集电极与发射极之间的第一续流二极管;
所述第一半桥20中第一开关管的发射极与第二引出端X2连接,集电极与第一半桥中储能元件C1的正极连接;
所述第二半桥21中第一开关管的集电极与第一引出端X1连接,发射极与第二半桥中储能元件C2的负极连接。
所述开关单元子模块包括第二开关管和反向并联在第二开关管集电极与发射极之间的第二续流二极管。
本发明的另一目的在于提供一种模块化多电平换流器,包括至少一个相单元,每个相单元由若干串联连接换流器模块组成,所述换流器模块包括:第一引出端X1、第二引出端X2、第一半桥20和第二半桥21,所述第一半桥20、第二半桥21分别包括有各自的开关单元、开关模块和储能元件,所述开关模块与储能元件串联后,并联在开关单元的两端;
所述换流器模块包括如下四种连接方式中的任一种:
第一种:所述开关单元包括一个开关单元子模块或两个反向串联的开关单元子模块,所述换流器模块还包括二极管D3、二极管D4;
所述二极管D3的阳极与第一引出端X1连接,阴极与第一半桥20中开关模块和储能元件C1的电接点连接;
所述二极管D4的阴极与第二引出端X2连接,阳极与第二半桥21开关模块和储能元件C2的电接点连接;
第二种:所述开关单元包括一个开关单元子模块或两个反向串联的开关单元子模块,所述换流器模块还包括二极管D3;
所述二极管D3的阳极与第一引出端X1连接,阴极与第一半桥20中开关模块和储能元件C1的电接点连接;
第三种:所述开关单元包括一个开关单元子模块或两个反向串联的开关单元子模块,所述换流器模块还包括二极管D4;
所述二极管D4的阴极与第二引出端X2连接,阳极与第二半桥21中开关模块和储能元件C2的电接点连接;
第四种:所述开关单元包括两个反向串联的开关单元子模块,所述换流器模块还包括二极管D3、二极管D4;
所述二极管D3的阳极与第二半桥21中开关单元的两开关单元子模块的电节点连接,阴极与第一半桥20中开关模块和储能元件C1的电接点连接;
所述二极管D4的阴极与第一半桥20中开关单元的两开关单元子模块的电节点连接,阳极与第二半桥21中开关模块和储能元件C2的电接点连接。
所述开关模块包括:第一开关管和反向并联在第一开关管集电极与发射极之间的第一续流二极管;
所述第一半桥20中第一开关管的发射极与第二引出端X2连接,集电极与第一半桥20中储能元件C1的正极连接;
所述第二半桥21中第一开关管的集电极与第一引出端X1连接,发射极与第二半桥21中储能元件C2的负极连接。
所述开关单元子模块包括第二开关管和反向并联在第二开关管集电极与发射极之间的第二续流二极管。
与现有技术相比,本发明所达到的有益效果:
(1)将两个不对称半桥模块组合在一起,构成本发明的换流器模块单元结构,提供了良好的直流故障穿越能力;
(2)所述换流器能实现多电平电压源和清除直流短路故障的功能,运行损耗和故障电流抑制效果综合性能较好;
(3)在换流器启动和故障闭锁状态下,所述换流器模块单元的所有二极管回路相对于两个端子是对称的,从而提供了至少两个有益的特性:一是启动状态从交流充电时,每个桥臂的等效电容是一致的,电容电压的上升速率基本一致,从而使得整个换流器的高电位取能和监控更加一致和协调;二是故障闭锁状态下,换流器模块单元的两个电容串联投入到交流电源和故障点之间,故障时迅速抬升直流电压,快速清除直流短路故障,动态响应快;
(4)所述换流器模块单元构成的换流器,其基本控制策略可以和传统半桥模块构成的换流器兼容,具有可移植性。
附图说明
图1是本发明中换流器模块的实施例一的电路图;
图2是本发明中换流器模块的开关单元的第一种实施方式电路图;
图3是本发明中换流器模块的实施例一的电容充放电模式;
图4是本发明中换流器模块的实施例一的旁路工作模式;
图5是本发明中换流器模块的实施例一的直流故障电流抑制工作模式;
图6是本发明中换流器模块的开关单元的第二种实施方式电路图;
图7是本发明中换流器模块的开关单元的第三种实施方式电路图;
图8是本发明中换流器模块的实施例五的电路图;
图9是本发明中换流器模块的实施例五的电容充放电模式;
图10是本发明中换流器模块的实施例五的旁路工作模式;
图11是本发明中换流器模块的实施例五的直流故障电流抑制工作模式;
图12是本发明中换流器模块的实施例六的电路图;
图13是本发明中换流器模块的实施例六的电容充放电模式;
图14是本发明中换流器模块的实施例六的旁路工作模式;
图15是本发明中换流器模块的实施例六的直流故障电流抑制工作模式;
图16是本发明中换流器模块的实施例七的电路图;
图17是本发明中换流器模块的实施例八的电路图;
图18是本发明中一种模块化多电平换流器的电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明公开了一种换流器模块,包括第一引出端X1、第二引出端X2、第一半桥20和第二半桥21,所述第一半桥20、第二半桥21分别包括有各自的开关单元、开关模块和储能元件,所述开关模块与储能元件串联后,并联在开关单元的两端。
实施例一:
如图1所示,换流器模块包括第一引出端X1、第二引出端X2、二极管D3、二极管D4、第一半桥20和第二半桥21,所述第一半桥20包括第一开关单元30、第一开关模块和储能元件C1,第一开关模块与储能元件C1串联后并联在第一开关单元20的两端;第二半桥21包括第二开关单元31、第二开关模块和储能元件C2,第二开关模块与储能元件C2串联后并联在第二开关单元31的两端;储能元件C1的负极连接储能元件C2的正极;
二极管D3的阳极与第一引出端X1连接,阴极与第一开关模块和储能元件C1的节点连接;
二极管D4的阴极与第二引出端X2连接,阳极与第二开关模块和储能元件C2的节点连接。
如图2所示,第一开关单元30包括反向串联的两个开关单元子模块;第二开关单元31与第一开关单元电路图相同。
对于每个开关模块、开关单元子模块来说,均包括开关管及与其反向并联的二极管(也即俗称的“续流二极管”),所述续流二极管的阴极与对应开关管的集电极相连,续流二极管的阳极与对应开关管的发射极相连。
如图1所示,第一开关模块包括开关管T1及反向并联在开关管T1集电极与发射极之间的续流二极管D1,第二开关模块包括开关管T2及反向并联在开关管T2集电极与发射极之间的续流二极管D2;开关管T1的发射极与第二引出端X2连接,集电极与储能元件C1的正极连接;开关管T2的集电极与第一引出端X1连接,发射极与储能元件C2的负极连接。
如图2所示,开关单元子模块包括开关管T51及反向并联的二极管D51,或开关管T52及反向并联的二极管D52。并记如图2所示的电路,两个开关单元子模块中的开关管的发射极相连组成的电路模块为开关单元32,即,第一开关单元30采用开关单元32的电路,第二开关单元31也采用开关单元32的电路。
此换流器模块单元的工作模式分为:充电模式、旁路模式和直流故障电流抑制模式;
充电模式,如图3所示,给第一开关模块中开关管T1、第二开关模块中开关管T2加开通信号,第一开关单元30和第二开关单元31加关断信号,第一引出端X1、第二开关模块、储能元件C2、储能元件C1、第一开关模块和第二引出端X2形成回路,桥臂电流Ileg为储能单元C1、C2充放电;
旁路模式,如图4所示,给第一开关模块中开关管T1、第二开关模块中开关管T2加关断信号,第一开关单元30和第二开关单元31加开通信号,桥臂电流Ileg通过第一引出端X1、第二开关单元31、第一开关单元30、第二引出端X2旁路;
直流故障电流抑制模式,如图5所示,给第一开关模块中开关管T1、第二开关模块中开关管T2加关断信号,第一开关单元30和第二开关单元31加关断信号,直流故障电流Ishort从所述换流器模块单元的第一引出端X1流入,通过二极管D3、D4为储能单元C1、C2串联充电,从第二引出端X2流出,抑制直流故障电流。
换流器模块单元的所有二极管回路相对于两个引出端子是对称的,从而提供了至少两个有益的特性:一是启动状态从交流充电时,每个桥臂的等效电容是一致的,电容电压的上升速率基本一致,从而使得整个换流器的高电位取能和监控更加一致和协调;二是故障闭锁状态下,换流器模块单元的两个电容串联投入到交流电源和故障点之间,故障时迅速抬升直流电压,快速清除直流短路故障,动态响应快。
实施例二:
与实施例一的区别在于第一开关单元30和第二开关单元31,如图6所示,第一开关单元30、第二开关单元31包括反向串联的两个开关单元子模块。
开关单元子模块包括开关管T53及反向并联的二极管D53,或开关管T54及反向并联的二极管D54。并记如图6所示的,两个开关单元子模块中的开关管的集电极相连组成的模块为开关单元33,即,第一开关单元30采用开关单元33的电路,第二开关单元31也采用开关单元33的电路。
实施例三:
与实施例一的区别在于第二开关单元31,如图7所示,第二开关单元(21)包括开关单元子模块,开关单元子模块包括开关管T55及反向并联的二极管D55,并记如图7所示的,一个开关单元子模块为开关单元34,即,第一开关单元30采用开关单元32的电路,第二开关单元31采用开关单元34的电路。
实施例四:
与实施例二的区别在于第二开关单元31,第二开关单元31采用开关单元34的电路。
实施例五:
如图8所示,换流器模块包括第一引出端X1、第二引出端X2、二极管D3、二极管D4、第一半桥20和第二半桥21,所述第一半桥20包括第一开关单元30、第一开关模块和储能元件C1,第一开关模块与储能元件C1串联后并联在第一开关单元30的两端;第二半桥21包括第二开关单元31、第二开关模块和储能元件C2,第二开关模块与储能元件C2串联后并联在第二开关单元31的两端;储能元件C1的负极连接储能元件C2的正极;
第一开关单元30采用开关单元32的电路,第二开关单元31采用开关单元33的电路;
二极管D3的阳极与第二开关单元31的两开关管的电节点连接,阴极与第一开关模块和储能元件C1的电接点连接;
二极管D4的阴极与第一开关单元30的两开关管的电节点连接,阳极与第二开关模块和储能元件C2的电接点连接。
此换流器模块单元的工作模式分为:充电模式、旁路模式和直流故障电流抑制模式;
充电模式,如图9所示,给第一开关模块中开关管T1、第二开关模块中开关管T2加开通信号,第一开关单元30和第二开关单元31加关断信号,第一引出端X1、第二开关模块、储能元件C2、储能元件C1、第一开关模块和第二引出端X2形成回路,桥臂电流Ileg为储能单元C1、C2充放电;
旁路模式,如图10所示,给第一开关模块中开关管T1、第二开关模块中开关管T2加关断信号,第一开关单元30和第二开关单元31加开通信号,桥臂电流Ileg通过第一引出端X1、第二开关单元31、第一开关单元30、第二引出端X2旁路;
直流故障电流抑制模式,如图11所示,给第一开关模块中开关管T1、第二开关模块中开关管T2加关断信号,第一开关单元30和第二开关单元31加关断信号,直流故障电流Ishort从所述换流器模块单元的第一引出端X1流入,通过二极管D3、D4、第一开关单元30中续流二极管D51、第二开关单元31中续流二极管D54为储能单元C1、C2充电,从第二引出端X2流出,抑制直流故障电流。
实施例六:
如图12所示,换流器模块包括第一引出端X1、第二引出端X2、二极管D3、第一半桥20和第二半桥21,所述第一半桥20包括第一开关单元30、第一开关模块和储能元件C1,第一开关模块与储能元件C1串联后并联在第一开关单元30的两端;第二半桥21包括第二开关单元31、第二开关模块和储能元件C2,第二开关模块与储能元件C2串联后并联在第二开关单元31的两端;储能元件C1的负极连接储能元件C2的正极;
第一开关单元30采用开关单元34的电路,第二开关单元31采用开关单元32的电路;
二极管D3的阳极与第一引出端X1连接,阴极与第一开关模块和储能元件C1的电接点连接。
此换流器模块单元的工作模式分为:充电模式、旁路模式和直流故障电流抑制模式;
充电模式,如图13所示,给第一开关模块中开关管T1、第二开关模块中开关管T2加开通信号,第一开关单元30和第二开关单元31加关断信号,第一引出端X1、第二开关模块、储能元件C2、储能元件C1、第一开关模块和第二引出端X2形成回路,桥臂电流Ileg为储能单元C1、C2充放电;
旁路模式,如图14所示,给第一开关模块中开关管T1、第二开关模块中开关管T2加关断信号,第一开关单元30和第二开关单元31加开通信号,桥臂电流Ileg通过第一引出端X1、第二开关单元31、第一开关单元30、第二引出端X2旁路;
直流故障电流抑制模式,如图15所示,给第一开关模块中开关管T1、第二开关模块中开关管T2加关断信号,第一开关单元30和第二开关单元31加关断信号,直流故障电流Ishort从所述换流器模块单元的第一引出端X1流入,通过二极管D3、第一开关单元30中续流二极管D55、为储能单元C1充电,从第二引出端X2流出,抑制直流故障电流。
实施例七:
如图16所示,与实施例六的区别在于第二开关单元31,第二开关单元31采用开关单元33的电路。
实施例八:
如图17所示,换流器模块包括第一引出端X1、第二引出端X2、二极管D4、第一半桥20和第二半桥21,所述第一半桥20包括第一开关单元30、第一开关模块和储能元件C1,第一开关模块与储能元件C1串联后并联在第一开关单元30的两端;第二半桥21包括第二开关单元31、第二开关模块和储能元件C2,第二开关模块与储能元件C2串联后并联在第二开关单元31的两端;储能元件C1的负极连接储能元件C2的正极;
第一开关单元30采用开关单元33的电路,第二开关单元31采用开关单元34的电路;
二极管D4的阴极与第二引出端X2电连接,阳极与第二开关模块和储能元件C2的电接点连接。
实施例九:
与实施例八的区别在于第一开关单元30,第一开关单元30采用开关单元32的电路。
换流器模块能实现清除直流短路故障的功能,运行损耗和故障电流抑制效果综合性能较好。
本发明还公开了一种模块化多电平换流器,包括至少一个相单元,每个相单元由若干串联连接换流器模块组成,如图18所示,每个相单元100包括若干换流器模块单元10串联,第一个换流器模块的第二引出端X2与正极母线P连接,第二个换流器模块的第二引出端X2与第一个换流器模块的第一引出端X1连接,依次串联若干个换流器模块10,最后一个换流器模块的第一引出端X1与负极母线N连接。换流器模块10可以是上述九个实施例中任一种实施方式。
模块化多电平换流器中多个相单元,能够实现交直流之间变换、多电平电压源和清除直流短路故障的功能,运行损耗和故障电流抑制效果综合性能较好。可以用于无功补偿设备、有功或无功发生设备、电能回馈等应用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种换流器模块,其特征在于,包括第一引出端X1、第二引出端X2、第一半桥(20)和第二半桥(21),所述第一半桥(20)、第二半桥(21)分别包括有各自的开关单元、开关模块和储能元件,所述开关模块与储能元件串联后,并联在开关单元的两端;
所述换流器模块包括如下四种连接方式中的任一种:
第一种:所述开关单元包括一个开关单元子模块或两个反向串联的开关单元子模块,所述换流器模块还包括二极管D3、二极管D4;
所述二极管D3的阳极与第一引出端X1连接,阴极与第一半桥(20)中开关模块和储能元件C1的电接点连接;
所述二极管D4的阴极与第二引出端X2连接,阳极与第二半桥(21)中开关模块和储能元件C2的电接点连接;
第二种:所述开关单元包括一个开关单元子模块或两个反向串联的开关单元子模块,所述换流器模块还包括二极管D3;
所述二极管D3的阳极与第一引出端X1连接,阴极与第一半桥(20)中开关模块和储能元件C1的电接点连接;
第三种:所述开关单元包括一个开关单元子模块或两个反向串联的开关单元子模块,所述换流器模块还包括二极管D4;
所述二极管D4的阴极与第二引出端X2连接,阳极与第二半桥(21)中开关模块和储能元件C2的电接点连接;
第四种:所述开关单元包括两个反向串联的开关单元子模块,所述换流器模块还包括二极管D3、二极管D4;
所述二极管D3的阳极与第二半桥(21)中开关单元的两开关单元子模块的电节点连接,阴极与第一半桥(20)中开关模块和储能元件C1的电接点连接;
所述二极管D4的阴极与第一半桥(20)中开关单元的两开关单元子模块的电节点连接,阳极与第二半桥(21)中开关模块和储能元件C2的电接点连接。
2.根据权利要求1所述的一种换流器模块,其特征在于:所述开关模块包括:第一开关管和反向并联在第一开关管集电极与发射极之间的第一续流二极管;
所述第一半桥(20)中第一开关管的发射极与第二引出端X2连接,集电极与第一半桥(20)中储能元件C1的正极连接;
所述第二半桥(21)中第一开关管的集电极与第一引出端X1连接,发射极与第二半桥(21)中储能元件C2的负极连接。
3.根据权利要求1所述的一种换流器模块,其特征在于:所述开关单元子模块包括第二开关管和反向并联在第二开关管集电极与发射极之间的第二续流二极管。
4.一种模块化多电平换流器,其特征在于:包括至少一个相单元,每个相单元由若干串联连接换流器模块组成,所述换流器模块包括:第一引出端X1、第二引出端X2、第一半桥20和第二半桥21,所述第一半桥20、第二半桥21分别包括有各自的开关单元、开关模块和储能元件,所述开关模块与储能元件串联后,并联在开关单元的两端;
所述换流器模块包括如下四种连接方式中的任一种:
第一种:所述开关单元包括一个开关单元子模块或两个反向串联的开关单元子模块,所述换流器模块还包括二极管D3、二极管D4;
所述二极管D3的阳极与第一引出端X1连接,阴极与第一半桥20中开关模块和储能元件C1的电接点连接;
所述二极管D4的阴极与第二引出端X2连接,阳极与第二半桥21开关模块和储能元件C2的电接点连接;
第二种:所述开关单元包括一个开关单元子模块或两个反向串联的开关单元子模块,所述换流器模块还包括二极管D3;
所述二极管D3的阳极与第一引出端X1连接,阴极与第一半桥20中开关模块和储能元件C1的电接点连接;
第三种:所述开关单元包括一个开关单元子模块或两个反向串联的开关单元子模块,所述换流器模块还包括二极管D4;
所述二极管D4的阴极与第二引出端X2连接,阳极与第二半桥21中开关模块和储能元件C2的电接点连接;
第四种:所述开关单元包括两个反向串联的开关单元子模块,所述换流器模块还包括二极管D3、二极管D4;
所述二极管D3的阳极与第二半桥21中开关单元的两开关单元子模块的电节点连接,阴极与第一半桥20中开关模块和储能元件C1的电接点连接;
所述二极管D4的阴极与第一半桥20中开关单元的两开关单元子模块的电节点连接,阳极与第二半桥21中开关模块和储能元件C2的电接点连接。
5.根据权利要求4所述的一种模块化多电平换流器,其特征在于:所述开关模块包括:第一开关管和反向并联在第一开关管集电极与发射极之间的第一续流二极管;
所述第一半桥20中第一开关管的发射极与第二引出端X2连接,集电极与第一半桥20中储能元件C1的正极连接;
所述第二半桥21中第一开关管的集电极与第一引出端X1连接,发射极与第二半桥21中储能元件C2的负极连接。
6.根据权利要求4所述的一种模块化多电平换流器,其特征在于:所述开关单元子模块包括第二开关管和反向并联在第二开关管集电极与发射极之间的第二续流二极管。
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