CN105897026A - 一种模块化多电平换流器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模块化多电平换流器，包括控制器及若干个与所述控制器电连接的功率单元，所述功率单元包括串联的第一半桥结构和第二半桥结构，所述第一半桥结构包括串联的第一上半桥和第一下半桥，所述第一上半桥串联有第一上开关器件，所述第一下半桥串联有第一下开关器件，所述第一半桥结构并联有第一直流电容，所述第二半桥结构包括串联的第二上半桥和第二下半桥，所述第二上半桥串联有第二上开关器件，所述第二下半桥串联有第二下开关器件，所述第二半桥结构并联有第二直流电容，所述功率单元还包括驱动电路，所述驱动电路电连接有第一驱动电源和第二驱动电源。本发明提高换流器的工作稳定性，减少功率单元数量，减小换流器的体积和重量。

Description

一种模块化多电平换流器
技术领域
本发明涉及电力电子传动和电力系统领域，具体涉及一种模块化多电平换流器。
背景技术
模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，简称MMC)，MMC结构非常适合于高压、大容量及四象限运行的变流器装置，现在广泛应用于轻型直流输电、高压变频器及风电变流器等电力系统和电力传动领域。因为该结构模块数量多，如果一个模块故障就导致装置停机，因此合理的模块旁路技术能够大大提高装置可靠性。现在业内一般采用机械旁路，但是这种方式成本太高、体积庞大，极大地限制了装置的使用推广。针对以上问题，现有技术在H桥级联结构的通用型高压变频器设计中，也有电子旁路技术的应用方式。该方式不需要额外增加机械旁路成本，通过软件控制开关管导通来实现电子旁路，达到切除旁路故障单元的目的。但是这种通用型高压变频器包含移相变压器，功率单元整流端与移相变压器次边绕组连接。功率单元的控制和驱动电源由变压器提供，当故障单元被旁路时电源依然得电。而MMC结构功率单元没有整流端，通过直流电容高位自取能方式得电，一旦故障单元被旁路直流电容失电后驱动电源会丢失电源，不能直接用电子旁路。因此，为了避免现有技术中存在的缺点，有必要对现有技术做出改进。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种提高使用稳定性和减少体积的模块化多电平换流器。
本发明是通过以下的技术方案实现的：
一种模块化多电平换流器，包括控制器及若干个与所述控制器电连接的功率单元，所述功率单元包括串联的第一半桥结构和第二半桥结构，所述第一半桥结构包括串联的第一上半桥和第一下半桥，所述第一上半桥串联有第一上开关器件，所述第一下半桥串联有第一下开关器件，所述第一半桥结构并联有第一直流电容，所述第二半桥结构包括串联的第二上半桥和第二下半桥，所述第二上半桥串联有第二上开关器件，所述第二下半桥串联有第二下开关器件，所述第二半桥结构并联有第二直流电容，所述功率单元还包括驱动电路，所述驱动电路电连接有第一驱动电源和第二驱动电源，所述第一驱动电源与所述第一直流电容电连接，所述第二驱动电源与所述第二直流电容电连接。
进一步，所述功率单元具有三个输入端口。
进一步，所述模块化多电平换流器具有三相电路，所述每相电路包括串联的上桥和下桥，所述上桥和下桥的分别包括若干个串联的功率单元。
进一步，所述上桥和下桥之间串联有两个电感，所述每相电路的输出端设于所述两电感的连接中心。
进一步，所述模块化多电平换流器具有两组三相电路，所述两组三相电路相向设置。
相对于现有技术，本发明功率单元，每个功率单元由两个半桥结构串联而成，驱动电源采用双向取能方式，分别取自两个半桥结构的直流电容侧，如果其中一个半桥结构发生故障，通过控制开关器件导通来实现电子旁路，达到切除旁路故障功率单元的目的，驱动电源从本功率单元另外一个正常半桥结构的直流电容取能，保证驱动电源正常工作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明模块化多电平换流器的结构原理图；
图2为本发明模块化多电平换流器的采用一组三相电路的结构原理图；
图3为本发明模块化多电平换流器的采用两组三相电路的结构原理图；
图4为本发明模块化多电平换流器的的电压波形生成原理图。
图中：1.控制器；2.功率单元；3.第一半桥结构；4.第二半桥结构；5.第一直流电容；6.第二直流电容；7.第一驱动电源；8.第二驱动电源；9.上桥；10.下桥；11.电感。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图4所示一种模块化多电平换流器，包括控制器1及若干个与控制器1电连接的功率单元2，该功率单元2包括串联的第一半桥结构3和第二半桥结构4，第一半桥结构3包括串联的第一上半桥和第一下半桥，第一上半桥串联有第一上开关器件，第一下半桥串联有第一下开关器件，第一半桥结构3并联有第一直流电容5，第二半桥结构4包括串联的第二上半桥和第二下半桥，第二上半桥串联有第二上开关器件，第二下半桥串联有第二下开关器件，第二半桥结构4并联有第二直流电容6。功率单元2还包括驱动电路，驱动电路电连接有第一驱动电源7和第二驱动电源8，第一驱动电源7与第一直流电容5电连接，第二驱动电源8与第二直流电容6电连接。正常工作下，第一半桥结构3的第一驱动电源7从第一半桥结构3本身的第一直流电容5取能，第二半桥结构4的第二驱动电源8从第二半桥结构4本身的第二直流电容6取能，如果第一半桥结构3发生故障后直流电压消失，第一驱动电源7则从第二直流电容6取能，保证第一驱动电源7正常工作。
功率单元2具有三个输入端口。通过控制器1控制开关器件来实现电子旁路，达到切除旁路故障功率单元2的目的。
模块化多电平换流器具有三相电路，每相电路包括串联的上桥9和下桥10，上桥9和下桥10的分别包括若干个串联的功率单元2。上桥9和下桥10之间串联有两个电感11，每相电路的输出端设于两电感11的连接中心。
模块化多电平换流器具有两组三相电路，两组三相电路相向设置，构成四象限变流器。
功率单元2控制驱动电源采用高位取能方式，具有电子旁路功能，一旦功率单元2发生故障自动旁路故障的功率单元2，提高了换流器装置可靠性，减少了功率单元2的数量，减小了装置体积和重量。正常运行时所有开关器件根据需要开通或者断开，当某个功率单元2的第一半桥结构3或第二半桥结构4发生故障时，控制器1自动识别故障后立刻发出驱动信号给故障的功率单元2的第一下开关器件或第二下开关器件，第一下开关器件或第二下开关器件得到信号以后长期开通，第一半桥结构3或第二半桥结构4长期输出0电平，相当于切除了故障功率单元2的第一半桥结构或第二半桥结构。实现了故障半桥结构的旁路功能。
工作原理：正常运行时，每相电路中处于工作状态的功率单元2数量可以是0，1，2，…，2N，也就是说模块化多电平换流器最多能输出的电平数为2N+1，如果某个功率单元2的半桥结构发生故障，控制器1识别故障信号后发出电子旁路信号。故障的半桥结构的开关器件接收到旁路信号后开通，半桥结构就处于长期导通状态，实现电子旁路。
图4(a)所示为单个相电路的结构。为了分析模块化多电平变流器的波形生成原理，以a相为例进行说明。(a)中Ua0表示换流器a相的相电压，Ua1、Ua2分别代表a相上、下桥电压，Udc是直流电压。因为MMC换流器将电容器分散安装在每个子功率单元2内，为了维持直流电压恒定，每个相的上、下两桥总的导通功率单元2个数恒定。图4(b)所示为换流器相电压波形的合成原理，从图中看出各相上、下桥导通的功率单元2呈现此消彼长的变化趋势。换流器中三相电路具有严格的对称性，每相的上、下桥可通过功率单元2的投切控制上、下桥输出电压，故每相上、下桥均可等效为一个可控电压源，如图4(c)所示，上、下桥电压Ua1和Ua2的波形关于Udc/2对称，这表明任意时刻二者之和恒为Udc。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种模块化多电平换流器，其特征在于：包括控制器及若干个与所述控制器电连接的功率单元，所述功率单元包括串联的第一半桥结构和第二半桥结构，所述第一半桥结构包括串联的第一上半桥和第一下半桥，所述第一上半桥串联有第一上开关器件，所述第一下半桥串联有第一下开关器件，所述第一半桥结构并联有第一直流电容，所述第二半桥结构包括串联的第二上半桥和第二下半桥，所述第二上半桥串联有第二上开关器件，所述第二下半桥串联有第二下开关器件，所述第二半桥结构并联有第二直流电容，所述功率单元还包括驱动电路，所述驱动电路电连接有第一驱动电源和第二驱动电源，所述第一驱动电源与所述第一直流电容电连接，所述第二驱动电源与所述第二直流电容电连接。
2.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器，其特征在于：所述功率单元具有三个输入端口。
3.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器，其特征在于：所述模块化多电平换流器具有三相电路，所述每相电路包括串联的上桥和下桥，所述上桥和下桥的分别包括若干个串联的功率单元。
4.根据权利要求3所述的模块化多电平换流器，其特征在于：所述上桥和下桥之间串联有两个电感，所述每相电路的输出端设于所述两电感的连接中心。
5.根据权利要求3所述的模块化多电平换流器，其特征在于：所述模块化多电平换流器具有两组三相电路，所述两组三相电路相向设置。
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