CN106374768B - 混合式多电平变流器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种混合式多电平变流器，包括若干个相单元电路，所述相单元电路包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第一电抗器、第二电抗器、第一导通开关以及第二导通开关。各个相单元电路的所述直流侧出线正极端相连，直流侧出线负极端相连，各个相单元电路的交流侧出线端与电网连接。本发明通过设置在桥臂之间电抗器进行滤波就能获得良好的交、直流侧谐波特性，不需要额外增加直流滤波器，有效降低了成本，而且在暂态过渡过程中能快速响应，也不会在直流故障过程中因直流滤波器的放电而造成浪涌电流，保障了线路安全。

Description

混合式多电平变流器
技术领域
本发明涉及输电技术领域，特别是涉及一种混合式多电平变流器。
背景技术
随着高压柔性直流输电技术的发展，模块化多电平变流器已成为柔性直流换流站的首选拓扑结构。然而，模块化多电平变流器内部子模块数目众多，每个子模块均包含电容以及相关的测量、控制元件，大幅增加了变流器的成本和体积。为减少变流器内部的子模块数量，现有研究主要在模块化多电平变流器中混合采用级联的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，即设计既包含级联IGBT，又包含级联子模块的混合型多电平变流器。
在混合型多电平变流器中，一种设计方案是在子模块内部采用级联IGBT，该技术方案有ABB公司提出并被命名为级联两电平变流器(CTL)。通过在子模块内部采用级联IGBT，可以有效提高每个子模块的额定电压，从而减少变流器内部的子模块数量，进而减少电容总容值，降低成本。然而，该技术方案会减少变流器等效输出的电平数，造成交、直流侧谐波特性变差。
另一种设计方案是在子模块外部采用级联IGBT，该技术方案主要包括阿尔斯通公司提出的桥臂交替导通式多电平变流器(AAC)以及交流侧级联子模块的混合式多电平变流器(HCMC)。这两种技术方案均可以减少桥臂中的子模块数量，从而降低变流器成本和体积，且均具有较好的交流侧谐波特性。然而，由于其级联IGBT位于直流侧，因而直流侧谐波特性较差，需要较大的直流侧滤波器。随着直流电压的升高，直流侧滤波器的体积和成本会大幅增加，因而限制了这两种变流器在超高压柔性直流输电中的应用；此外，在功率阶跃、潮流反转等暂态过程中，较大的直流侧滤波器会延长变流器向稳态过渡的时间；在直流故障时，直流滤波器放电会造成较大的浪涌电流，可能损害线路，减慢故障闭锁的时间。
发明内容
基于此，为解决现有技术中的问题，本发明提供一种混合式多电平变流器，通过设置在桥臂之间的电抗器进行滤波就能获得良好的交、直流侧谐波特性，不需要采用额外的直流滤波器。
为实现上述目的，本发明实施例采用以下技术方案：
一种混合式多电平变流器，包括若干个相单元电路，所述相单元电路包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第一电抗器、第二电抗器、第一导通开关以及第二导通开关；所述第一桥臂、所述第二桥臂、所述第三桥臂均包括若干个串连接的子模块；所述第一导通开关、所述第二导通开关均包括若干个串联连接的IGBT；
所述第一桥臂的正极端为所述相单元电路的直流侧出线正极端，所述第三桥臂的负极端为所述相单元电路的直流侧出线负极端，所述第一导通开关的负极端为所述相单元电路的交流侧出线端；各个所述相单元电路的所述直流侧出线正极端相连，各个所述相单元电路的所述直流侧出线负极端相连，各个所述相单元电路的所述交流侧出线端与电网连接；
所述第一电抗器的一端与所述第一桥臂的负极端连接，所述第一电抗器的另一端与所述第二桥臂的正极端和所述第一导通开关的正极端连接；
所述第二导通开关的正极端与所述第一导通开关的负极端连接，所述第二导通开关的负极端与所述第二桥臂的负极端连接；
所述第二电抗器的一端与所述第二导通开关的负极端连接，所述第二电抗器的另一端与所述第三桥臂的正极端连接。
与传统的混合式多电平变流器相比，本发明所提供的混合式多电平变流器，通过设置在桥臂之间的第一电抗器和第二电抗器进行滤波就能获得良好的交、直流侧谐波特性，不需要额外增加直流滤波器，有效降低了成本，而且在暂态过渡过程中能快速响应，也不会在直流故障过程中因直流滤波器的放电而造成浪涌电流，保障了线路安全。
附图说明
图1是本发明的混合式多电平变流器在一个实施例中的结构示意图；
图2为本发明的相单元电路在一个实施例中的结构示意图；
图3为本发明实施例中A相相单元电路的结构示意图；
图4为本发明实施例中第一导通开关的结构示意图；
图5为本发明实施例中第一桥臂的结构示意图；
图6为本发明实施例中半桥子模块的结构示意图；
图7为本发明实施例中全桥子模块的结构示意图；
图8为本发明实施例中箝位单子模块的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合较佳实施例及附图对本发明的内容作进一步详细描述。显然，下文所描述的实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。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。应当理解的是，尽管在下文中采用术语“第一”、“第二”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语，这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，“第一”信息也可以被称为“第二”信息，类似的，“第二”信息也可以被称为“第一”信息。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
图1是本发明的混合式多电平变流器在一个实施例中的结构示意图，如图1所示，本实施例中的混合式多电平变流器，包括若干个相单元电路，例如3个相单元电路，分别为A相相单元电路、B相相单元电路以及C相相单元电路。各个相单元电路的直流侧出线正极端(例如图1中的+PA、+PB、+PC)相连，形成了混合式多电平变流器的直流侧正极(如图1所示的+P)；各个相单元电路的直流侧出线负极端(例如图1中的-NA、-NB、-NC)相连，形成了混合式多电平变流器的直流侧负极(如图1所示的-N)；各个相单元电路的交流侧出线端与电网连接，例如图1中A相相单元电路的交流侧出线端GA与电网A相连接，B相相单元电路的交流侧出线端GB与电网B相连接，C相相单元电路的交流侧出线端GC与电网C相连接。
参照图2所示，相单元电路包括第一桥臂101、第二桥臂102、第三桥臂103、第一电抗器104、第二电抗器105、第一导通开关106以及第二导通开关107。各个桥臂均包括若干个串连接的子模块，各个导通开关均包括若干个串联连接的IGBT。
第一电抗器104的一端与第一桥臂101的负极端连接，第一电抗器104的另一端与第二桥臂102的正极端和第一导通开关106的正极端连接；第二导通开关107的正极端与第一导通开关106的负极端连接，第二导通开关107的负极端与第二桥臂102的负极端连接；第二电抗器105的一端与第二导通开关107的负极端连接，第二电抗器105的另一端与第三桥臂103的正极端连接。其中，第一桥臂101的正极端为相单元电路的直流侧出线正极端，第三桥臂103的负极端为相单元电路的直流侧出线负极端，第一导通开关106的负极端为相单元电路的交流侧出线端。具体可参照图3所示，以A相相单元电路为例，上述第一桥臂101对应于图3所示的A相上桥臂，上述第二桥臂102对应于图3所示的A相中桥臂，上述第三桥臂103对应于图3所示的A相下桥臂，上述第一导通开关106对应于图3所示的A相上导通开关，上述第二导通开关107对应于图3所示的A相下导通开关，上述第一电抗器104对应于图3所示的A相上电抗器，上述第二电抗器105对应于图3所示的A相下电抗器。
与传统的混合式多电平变流器相比，本实施例中的混合式多电平变流器通过设置在桥臂之间的第一电抗器和第二电抗器进行滤波就能获得良好的交、直流侧谐波特性，不需要额外增加直流滤波器，有效降低了成本，而且在暂态过渡过程中能快速响应，也不会在直流故障过程中因直流滤波器的放电而造成浪涌电流，保障了线路安全。
在一种可选的实施方式中，参照图4所示，第一导通开关106包括N个IGBT，N为正整数。N个IGBT串联连接，具体的，第i个IGBT的发射极与第i+1个IGBT的集电极连接，且i∈[1,N-1]。第1个IGBT的集电极为第一导通开关的正极端，第N个IGBT的发射极为第一导通开关的负极端。向各个IGBT的基极施加控制电压即可控制IGBT的开启与关断，即实现了开关功能。第二导通开关107可采用与第一导通开关106相同的结构，即包括N个串联连接的IGBT。为了保证良好的性能，导通开关中IGBT的个数N应满足：N≥Udc/(2Uc1)，其中，Udc为直流母线额定电压，Uc1为每个IGBT的额定电压。
可选的，参照图4所示，第一导通开关106还包括N个二极管，起到续流的作用。每一个IGBT对应一个二极管，且IGBT的发射极与对应的二极管的阳极连接，集电极与对应的二极管的阴极连接。同理，第二导通开关107也可以采用与第一导通开关106相同的结构。
在一种可选的实施方式中，各个桥臂均包括若干个串联的子模块。可选的，第一桥臂101、第二桥臂102以及第三桥臂103均包括M个串联的子模块，M为正整数。图5示出了第一桥臂的结构示意图，其中，第1个子模块的负极端与第2个子模块的正极端连接，第2个子模块的负极端与第3个子模块的正极端连接，依次类推，第M-1个子模块的负极端与第M个子模块的正极端连接，第1个子模块的正极端为桥臂的正极端，第M个子模块的负极端为桥臂的负极端。为了保证良好的性能，每个桥臂中串联的子模块的个数M应满足：M≥Udc/(2Uc2)，其中Udc为直流母线额定电压，Uc2为每个子模块的额定电压。
各个桥臂中的子模块可采用半桥子模块(如图6所示)或全桥子模块(如图7所示)，较佳地，也可以采用箝位单子模块。各个桥臂可采用相同的子模块，也可以采用不同的子模块，即：第一桥臂中的子模块为箝位单子模块、半桥子模块以及全桥子模块中的任意一种；第二桥臂中的子模块为箝位单子模块、半桥子模块以及全桥子模块中的任意一种；第三桥臂中的子模块也为箝位单子模块、半桥子模块以及全桥子模块中的任意一种。在一种可选的实施方式中，参照图8所示，箝位单子模块包括三个可控开关器件，分别为第一可控开关器件T1、第二可控开关器件T2以及第三可控开关器件T3，还包括直流电容器C0、第一续流二极管D1、第二续流二极管D2、第三续流二极管D3以及箝位二极管D4。其中，可控开关器件可采用IGBT、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)等。需要说明的是，当可控开关器件为MOSFET时，下文所描述的集电极即为MOSFET漏极的，发射极即为MOSFET的源极，基极即为MOSFET的栅极。
具体的，参照图8所示，各个可控开关器件的基极与外部控制电压连接，第一可控开关器件T1的集电极分别与第一续流二极管D1的阴极和直流电容器C0的正极端连接。第二可控开关器件T2的集电极分别与第二续流二极管D2的阴极、第一可控开关器件T1的发射极以及所述第一续流二极管D1的阳极连接。第二可控开关器件T2的发射极分别与第二续流二极管D2的阳极、直流电容器C0的负极端、第三可控开关器件T3的发射极以及第三续流二极管D3的阳极连接。箝位二极管D4的阳极分别与第三可控开关器件T3的集电极和第三续流二极管D3的阴极连接，箝位二极管D4的阴极与直流电容器C0的正极端连接。。第一可控开关器件T1的发射极为箝位单子模块的正极端，第三可控开关器件T3的集电极为箝位单子模块的负极端。
与传统混合式多电平变流器相比，本发明提出的混合式多电平变流器不需要额外增加直流滤波器，降低了成本，而且在暂态过渡过程中能较快响应，也不会在直流故障过程中因直流滤波器的放电而造成浪涌电流。本发明的混合式多电平变流器基于交流侧级联IGBT，采用级联IGBT与级联子模块的混合式拓扑结构，可以在保证交、直流侧输出电平数的前提下，减少25％的子模块个数，从而可以减少电容器数目和总容值，减少检测电路和控制电路，进一步降低了变流器的总成本和体积。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种混合式多电平变流器，其特征在于，包括若干个相单元电路，所述相单元电路包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第一电抗器、第二电抗器、第一导通开关以及第二导通开关；所述第一桥臂、所述第二桥臂、所述第三桥臂均包括若干个串联连接的子模块；所述第一导通开关、所述第二导通开关均包括若干个串联连接的IGBT；
所述第一桥臂的正极端为所述相单元电路的直流侧出线正极端，所述第三桥臂的负极端为所述相单元电路的直流侧出线负极端，所述第一导通开关的负极端为所述相单元电路的交流侧出线端；各个所述相单元电路的所述直流侧出线正极端相连，各个所述相单元电路的所述直流侧出线负极端相连，各个所述相单元电路的所述交流侧出线端与电网连接；
所述第一电抗器的一端与所述第一桥臂的负极端连接，所述第一电抗器的另一端与所述第二桥臂的正极端和所述第一导通开关的正极端连接；
所述第二导通开关的正极端与所述第一导通开关的负极端连接，所述第二导通开关的负极端与所述第二桥臂的负极端连接；
所述第二电抗器的一端与所述第二导通开关的负极端连接，所述第二电抗器的另一端与所述第三桥臂的正极端连接；
所述第一电抗器和所述第二电抗器用于滤波。
2.根据权利要求1所述的混合式多电平变流器，其特征在于，所述第一导通开关和所述第二导通开关均包括N个IGBT，N为正整数，且N≥Udc/(2Uc1)，其中Udc为直流母线额定电压，Uc1为每个IGBT的额定电压；
第i个IGBT的发射极与第i+1个IGBT的集电极连接，且i∈[1，N-1]；第1个IGBT的集电极为所述第一导通开关的正极端，第N个IGBT的发射极为所述第一导通开关的负极端。
3.根据权利要求2所述的混合式多电平变流器，其特征在于，所述第一导通开关还包括N个二极管，每一个IGBT对应一个二极管，且IGBT的发射极与对应的二极管的阳极连接，集电极与对应的二极管的阴极连接。
4.根据权利要求1所述的混合式多电平变流器，其特征在于，所述第一桥臂、所述第二桥臂以及所述第三桥臂均包括M个串联的子模块，M为正整数，且M≥Udc/(2Uc2)，其中Udc为直流母线额定电压，Uc2为每个子模块的额定电压。
5.根据权利要求4所述的混合式多电平变流器，其特征在于，所述第一桥臂中的子模块为箝位单子模块、半桥子模块以及全桥子模块中的任意一种。
6.根据权利要求4所述的混合式多电平变流器，其特征在于，所述第二桥臂中的子模块为箝位单子模块、半桥子模块以及全桥子模块中的任意一种。
7.根据权利要求4所述的混合式多电平变流器，其特征在于，所述第三桥臂中的子模块为箝位单子模块、半桥子模块以及全桥子模块中的任意一种。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的混合式多电平变流器，其特征在于，所述箝位单子模块包括三个可控开关器件，分别为第一可控开关器件、第二可控开关器件以及第三可控开关器件，所述箝位单子模块还包括直流电容器、第一续流二极管、第二续流二极管、第三续流二极管以及箝位二极管；
所述第一可控开关器件的集电极分别与所述第一续流二极管的阴极和所述直流电容器的正极端连接；
所述第二可控开关器件的集电极分别与所述第二续流二极管的阴极、所述第一可控开关器件的发射极以及所述第一续流二极管的阳极连接；所述第二可控开关器件的发射极分别与所述第二续流二极管的阳极、所述直流电容器的负极端、所述第三可控开关器件的发射极以及所述第三续流二极管的阳极连接；
所述箝位二极管的阳极分别与所述第三可控开关器件的集电极和所述第三续流二极管的阴极连接，所述箝位二极管的阴极与所述直流电容器的正极端连接；
所述第一可控开关器件的发射极为所述箝位单子模块的正极端，所述第三可控开关器件的集电极为所述箝位单子模块的负极端。
9.根据权利要求8所述的混合式多电平变流器，其特征在于，所述可控开关器件为IGBT或MOSFET。
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Patentee before: GUANGZHOU POWER SUPPLY Co.,Ltd.

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