CN106452146A - 一种多电平变换器子模块电路及多电平变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多电平变换器子模块电路及多电平变换器，其中，所述多电平变换器子模块电路包括用于充放电的储能单元；用于根据接收到的控制指令使所述多电平变换器子模块电路的工作模态处于电容充电模态、电容放电模态、电容旁路模态、电流阻断模态和电流过零续流模态其中一种的桥式电路单元；所述多电平变换器子模块电路还包括输入输出单元；所述储能单元和输入输出单元均连接桥式电路单元，可应用于各类多电平变换器，在减少了开关器件使用的同时能有效提高电压利用率及输出电平数，且提供了电流过零续流模态有效杜绝了电压尖峰的产生。

Description

一种多电平变换器子模块电路及多电平变换器
技术领域
本发明涉及电能转换技术领域，特别涉及一种多电平变换器子模块电路及多电平变换器。
背景技术
随着大容量、新能源、特殊环境电能变换技术，特别是近年来流行的高压直流输电技术(High Voltage Direct Current, HVDC)的不断发展，能源系统对多电平变换器的灵活性和稳定性要求也日益苛刻，传统两电平变换器拓扑已无法满足高电压和大功率等级的要求。模块化组合多电平变换器（MMC）自2002年提出以来，以其独特的结构优势逐渐成为多电平变换器领域的研究重点，为应对当前能源技术发展的需要，大量新型拓扑被与新型子模块电路被设计并运用于各类MMC系统。然而现有MMC子模块电路存在器件数多，控制复杂，稳定性不高等缺点。
因而现有技术还有待改进和提高。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种多电平变换器子模块电路及多电平变换器，可应用于各类多电平变换器，在减少了开关器件使用的同时能有效提高电压利用率及输出电平数，且提供了电流过零续流模态有效杜绝了电压尖峰的产生。
为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：
一种多电平变换器子模块电路，其包括用于充放电的储能单元；用于根据接收到的控制指令使所述多电平变换器子模块电路的工作模态处于电容充电模态、电容放电模态、电容旁路模态、电流阻断模态和电流过零续流模态其中一种的桥式电路单元；所述多电平变换器子模块电路还包括输入输出单元；所述储能单元和输入输出单元均连接桥式电路单元。
所述的多电平变换器子模块电路中，所述储能单元包括第一电容，所述第一电容与所述桥式电路单元并联。
所述的多电平变换器子模块电路中，所述桥式电路单元包括第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管、第一功率二极管和第二功率二极管；所述第一功率开关管的发射极连接第一电容的一端和第二功率开关管的集电极，所述第一功率开关管的集电极连接第三开关管的集电极、第一功率二极管的负极和输入输出单元；所述第二功率开关管的发射极连接第四功率开关管的集电极、第二功率二极管的负极和输入输出单元；所述第三功率开关管的发射极连接第一电容的另一端、第一功率二极管的正极和第四功率开关管的发射极；所述第四功率开关管的发射极还连接第二功率二极管的正极。
所述的多电平变换器子模块电路中，所述输入输出单元包括第一连接端和第二连接端，所述第一连接端连接第一功率开关管的集电极，所述第二连接端连接第二功率开关管的发射极。
所述的多电平变换器子模块电路中，当所述多电平变换器子模块电路处于电容充电模态时，控制第一功率开关管和第二功率二极管导通、且第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管和第一功率二极管截止。
所述的多电平变换器子模块电路中，当所述多电平变换器子模块电路处于电容放电模态时，控制第二功率开关管和第三功率开关管导通、且第一功率开关管、第四功率开关管、第一功率二极管和第二功率二极管截止。
所述的多电平变换器子模块电路中，当所述多电平变换器子模块电路处于电流阻断模态时，控制第二功率开关管、第四功率开关管和第二功率二极管导通、且第一功率开关管、第三功率开关管和第一功率二极管截止。
所述的多电平变换器子模块电路中，当所述多电平变换器子模块电路处于电容旁路模态时，控制第一功率开关管和第二功率开关管导通、且第三功率开关管、第四功率开关管、第一功率二极管和第二功率二极管截止；或者，控制第三功率开关管和第二功率二极管导通、且第一功率开关管、第二功率开关管、第四功率开关管和第一功率二极管截止。
所述的多电平变换器子模块电路中，当所述多电平变换器子模块电路处于电流过零续流模态时，控制第四功率开关管和第一功率二极管导通、且第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管和第二功率二极管截止。
一种多电平变换器，其包括若干个如上所述的多电平变换器子模块电路。
相较于现有技术，本发明提供的多电平变换器子模块电路及多电平变换器中，所述多电平变换器子模块电路包括用于充放电的储能单元；用于根据接收到的控制指令使所述多电平变换器子模块电路的工作模态处于电容充电模态、电容放电模态、电容旁路模态、电流阻断模态和电流过零续流模态其中一种的桥式电路单元；所述多电平变换器子模块电路还包括输入输出单元；所述储能单元和输入输出单元均连接桥式电路单元，可应用于各类多电平变换器，在减少了开关器件使用的同时能有效提高电压利用率及输出电平数，且提供了电流过零续流模态有效杜绝了电压尖峰的产生。
附图说明
图1 为本发明提供的多电平变换器子模块电路的电路图。
图2 为本发明提供的多电平变换器子模块电路电容充电模态的示意图。
图3 为本发明提供的多电平变换器子模块电路电容放电模态的示意图。
图4 为本发明提供的多电平变换器子模块电路电流阻断模态的示意图。
图5 为本发明提供的多电平变换器子模块电路电容旁路模态第一实施例的示意图。
图6 为本发明提供的多电平变换器子模块电路电容旁路模块第二实施例的示意图。
图7 为本发明提供的多电平变换器子模块电路电流过零续流模态的示意图。
图8 为本发明提供的多电变换器优选实施例的电路图。
图9 为本发明提供的多电变换器优选实施例仿真输出的电压波形图。
图10 为本发明提供的多电变换器优选实施例仿真输出的电流波形图。
具体实施方式
本发明提供的多电平变换器子模块电路及多电平变换器在减少了开关器件使用的同时能有效提高电压利用率及输出电平数，且提供了电流过零续流模态有效杜绝了电压尖峰的产生。
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，本发明提供的多电平变换器子模块电路包括用于充放电的储能单元10；用于根据接收到的控制指令使所述多电平变换器子模块电路的工作模态处于电容充电模态、电容放电模态、电容旁路模态、电流阻断模态和电流过零续流模态其中一种的桥式电路单元20；所述多电平变换器子模块电路还包括输入输出单元30；所述储能单元10和输入输出单元30均连接桥式电路单元20，本发明通过控制桥式电路单元20的工作状态实现了多种工作模态，实现了子模块电路的高可控性，同时在实现了传统全桥子模块电路直流侧电容充电、电容放电及电容旁路三种工作模态外还具有一个电流过零续流模态，有效杜绝了电压尖峰的产生，使得电压输出波形更加平缓。
具体地，所述储能单元10包括用于直流侧充放电的第一电容C1，所述第一电容C1与所述桥式电路单元20并联，所述桥式电路单元20包括第一功率开关管T1、第二功率开关管T2、第三功率开关管T3、第四功率开关管T4、第一功率二极管D1和第二功率二极管D2；所述第一功率开关管T1的发射极连接第一电容C1的一端和第二功率开关管T2的集电极，所述第一功率开关管T1的集电极连接第三开关管的集电极、第一功率二极管D1的负极和输入输出单元30；所述第二功率开关管T2的发射极连接第四功率开关管T4的集电极、第二功率二极管D2的负极和输入输出单元30；所述第三功率开关管T3的发射极连接第一电容C1的另一端、第一功率二极管D1的正极和第四功率开关管T4的发射极；所述第四功率开关管T4的发射极还连接第二功率二极管D2的正极，其中，所述第一功率开关管T1、第二功率开关管T2、第三功率开关管T3和第四功率开关管T4、可采用不带反向二极管的氮化镓（GaN）功率器件，当然也可采用其他具有相同作用的开关管，本发明对此不作限定。本发明提供的多电平变换器子模块电路可应用于各类多电平变换器。相比于传统模块化多电平变换器全桥子模块电路，本发明减少了开关器件的使用，有效节约成本，且通过对四个功率开关管和两个功率二极管的开关状态的不同组合控制，使得采用本发明提供的多电平变换器子模块电路作为基本单元的多电平变换器可输出正弦近似度较高的电压波形，增加了系统的可控性。
进一步地，所述输入输出单元30包括第一连接端A1和第二连接端A2，所述第一连接端A1连接第一功率开关管T1的集电极，所述第二连接端A2连接第二功率开关管T2的发射极，本发明的第一连接端A1从第一功率开关管T1和第三功率开关管T3的中间点引出，第二连接端A2从第二功率开关管T2和第四功率开关管T4的中间点引出，根据工作模态的不同，第一连接端A1和第二连接端A2分别作为电流输入端或电流输出端。
本发明提供的多电平变换器子模块电路通过对四个功率开关管和两个功率二极管的状态控制存在五种工作模态，如图2所示，当处于电容充电模态时，控制第一功率开关管T1和第二功率二极管D2导通、且第二功率开关管T2、第三功率开关管T3、第四功率开关管T4和第一功率二极管D1截止，此时电流从a点流入，电流经过第一功率开关管T1、第一电容C1和第二功率二极管D2后从b点流出。
如图3所示，当处于电容放电模态时，控制第二功率开关管T2和第三功率开关管T3导通、且第一功率开关管T1、第四功率开关管T4、第一功率二极管D1和第二功率二极管D2截止，此时电流从a点流入，电流经过第三功率开关管T3、第一电容C1和第二功率开关管T2后从b点流出。
如图4所示，当处于电流阻断模态时，控制第二功率开关管T2、第四功率开关管T4和第二功率二极管D2导通、且第一功率开关管T1、第三功率开关管T3和第一功率二极管D1截止，此时没有电流流过子模块电路。
如图5和图6所示，当处于电容旁路模态时，存在两种情况，第一实施例中，控制第一功率开关管T1和第二功率开关管T2导通、且第三功率开关管T3、第四功率开关管T4、第一功率二极管D1和第二功率二极管D2截止，此时电流从a点流入，电流经过第一功率开关管T1和第二功率开关管T2后从b点流出；第二实施例中，控制第三功率开关管T3和第二功率二极管D2导通、且第一功率开关管T1、第二功率开关管T2、第四功率开关管T4和第一功率二极管D1截止，此时电流从a点流入，电流经过第三功率开关管T3和第二功率二极管D2后从b点流出。
如图7所示，当处于电流过零续流模态时，控制第四功率开关管T4和第一功率二极管D1导通、且第一功率开关管T1、第二功率开关管T2、第三功率开关管T3和第二功率二极管D2截止，此时电流从b点流入，经过第四功率开关管T4和第一功率二极管D1后从a点流出。因此，本发明通过对各个功率开关管和功率二极管的精准控制，实现了不同的工作模态，在传统全桥子模块电路直流侧电容充电、电容放电及电容旁路等工作模态外还增加了电流过零续流模态，有效杜绝了电压尖峰的产生，同时使得采用该子模块电路的变换器提高了电压利用率即输出电平数。
本发明还相应提供一种多电平变换器，其包括若干个如上所述的多电平变换器子模块电路，即采用上述多电平变换器子模块电路作为模块化的多电平变换器的基本单元，如图8-10所示，本发明优选实施例中以八个子模块电路作为多电平变换器的基本单元，同时还采用了四个环流电感以及负载电阻进行仿真，对本发明提供的多电平变换器的效果进行说明。
其中模块电容的电压额定值为VC，输入电压为Vin=2VC。由此，负载上的电平数及电压值如表1、表2所示。
表1 电路电平数
子模块1 子模块2 子模块7 子模块8 Vin 负载电压
- V C - V C 0 0 2V C 0
- V C 0 0 0 2V C V C
0 0 0 0 2V C 2V C
V C 0 0 0 2V C 3V C
V C V C 0 0 2V C 4V C
V C V C V C 0 2V C 5V C
V C V C V C V C 2V C 6V C
表2 电路电平数
子模块5 子模块6 子模块3 子模块4 Vin 负载电压
0 0 - V C - V C 2V C 0
0 0 - V C 0 2V C -V C
0 0 0 0 2V C -2V C
0 0 V C 0 2V C -3V C
0 0 V C V C 2V C -4V C
V C 0 V C V C 2V C -5V C
V C V C V C V C 2V C -6V C
从表1、表2中可见，对于图8所示多电平变换器，正负各有6个电平，加上零电平，则一共存在13种可能的电平数，即该电路可输出单相13电平。将变换器仿真参数设置如下：直流输入电压设置为Vin=2VC=200V，输出电感L5=0.2mH，环流电感L1、L2、L3、L4设置为2mH，负载电阻，其中功率管的导通时间设置为100ns，功率管的关断时间设置为200ns，载波频率为10KHz。当多电平变换器采用图1所示多电平变换器子模块电路时，其输出电压、电流仿真结果如图9和图10所示。从图中可见，当采用上述多电平变换器子模块电路时，本发明提供的多电平变换器可输出单相13电平，相比传统MMC电路多出7个电平，同时其最高输出电压为三倍直流母线电压3Vin=600V，相比传统MMC电路电压利用率提高了2倍。由此可见，本发明提供的多电平变换器子模块电路和多电平变换器在提高2倍利用率的同时有效增加了电平数，可附带降低总谐波畸变率（THD），从而有效提高了系统性能，且开关器件数量少也有效节约了成本。
综上所述，本发明提供的多电平变换器子模块电路及多电平变换器中，所述多电平变换器子模块电路包括用于充放电的储能单元；用于根据接收到的控制指令使所述多电平变换器子模块电路的工作模态处于电容充电模态、电容放电模态、电容旁路模态、电流阻断模态和电流过零续流模态其中一种的桥式电路单元；所述多电平变换器子模块电路还包括输入输出单元；所述储能单元和输入输出单元均连接桥式电路单元，可应用于各类多电平变换器，在减少了开关器件使用的同时能有效提高电压利用率及输出电平数，且提供了电流过零续流模态有效杜绝了电压尖峰的产生。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种多电平变换器子模块电路，其特征在于，包括用于充放电的储能单元；用于根据接收到的控制指令使所述多电平变换器子模块电路的工作模态处于电容充电模态、电容放电模态、电容旁路模态、电流阻断模态和电流过零续流模态其中一种的桥式电路单元；所述多电平变换器子模块电路还包括输入输出单元；所述储能单元和输入输出单元均连接桥式电路单元。
2.根据权利要求1所述的多电平变换器子模块电路，其特征在于，所述储能单元包括第一电容，所述第一电容与所述桥式电路单元并联。
3.根据权利要求2所述的多电平变换器子模块电路，其特征在于，所述桥式电路单元包括第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管、第一功率二极管和第二功率二极管；所述第一功率开关管的发射极连接第一电容的一端和第二功率开关管的集电极，所述第一功率开关管的集电极连接第三开关管的集电极、第一功率二极管的负极和输入输出单元；所述第二功率开关管的发射极连接第四功率开关管的集电极、第二功率二极管的负极和输入输出单元；所述第三功率开关管的发射极连接第一电容的另一端、第一功率二极管的正极和第四功率开关管的发射极；所述第四功率开关管的发射极还连接第二功率二极管的正极。
4.根据权利要求3所述的多电平变换器子模块电路，其特征在于，所述输入输出单元包括第一连接端和第二连接端，所述第一连接端连接第一功率开关管的集电极，所述第二连接端连接第二功率开关管的发射极。
5.根据权利要求3所述的多电平变换器子模块电路，其特征在于，当所述多电平变换器子模块电路处于电容充电模态时，控制第一功率开关管和第二功率二极管导通、且第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管和第一功率二极管截止。
6.根据权利要求3所述的多电平变换器子模块电路，其特征在于，当所述多电平变换器子模块电路处于电容放电模态时，控制第二功率开关管和第三功率开关管导通、且第一功率开关管、第四功率开关管、第一功率二极管和第二功率二极管截止。
7.根据权利要求3所述的多电平变换器子模块电路，其特征在于，当所述多电平变换器子模块电路处于电流阻断模态时，控制第二功率开关管、第四功率开关管和第二功率二极管导通、且第一功率开关管、第三功率开关管和第一功率二极管截止。
8.根据权利要求3所述的多电平变换器子模块电路，其特征在于，当所述多电平变换器子模块电路处于电容旁路模态时，控制第一功率开关管和第二功率开关管导通、且第三功率开关管、第四功率开关管、第一功率二极管和第二功率二极管截止；或者，控制第三功率开关管和第二功率二极管导通、且第一功率开关管、第二功率开关管、第四功率开关管和第一功率二极管截止。
9.根据权利要求3所述的多电平变换器子模块电路，其特征在于，当所述多电平变换器子模块电路处于电流过零续流模态时，控制第四功率开关管和第一功率二极管导通、且第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管和第二功率二极管截止。
10.一种多电平变换器，其特征在于，包括若干个如权利要求1-9任意一项所述的多电平变换器子模块电路。
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