CN106505899B - 中点箝位三电平单极电流模块 - Google Patents

中点箝位三电平单极电流模块 Download PDF

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Abstract

本发明提出的中点箝位三电平单极电流模块，属于电力电子技术和电力输配电领域；该模块内部，第一全控开关器件发射极与第二全控开关器件集电极相连于第一点，其集电极与第一二极管单元阳极相连作为第一端口；第三全控开关器件发射极与第四全控开关器件集电极相连于第二点，其发射极与第二二极管单元阴极相连作为第二端口；第一电容阴极与第二电容阳极相连于第三点；第一二极管单元阴极、第三全控开关器件集电极与第一电容的阳极、阴极对应相互连接，第一二极管的阳、阴极分别接入第一、三点，第二二极管的阳、阴极分别接入第三、二点；本发明适于单极电流应用场合，较具有相同电平数目的其他模块所需的开关器件少，具有节约成本和结构紧凑等特点。

Description

中点箝位三电平单极电流模块
技术领域
本发明属于电力电子技术和电力输配电领域，特别涉及一种中点箝位三电平单极电流模块。
背景技术
模块化多电平变流器因具有电流谐波特性好、有功无功解耦控制、模块化设计、便于实现故障容错运行等优点，在高压大功率电力变换场合，如柔性直流输电、高压无功补偿、电机变频驱动等领域得到了广泛运用。
模块化多电平变流器的运行特性取决于内部模块的电路结构。传统的半桥模块结构具有损耗较小、成本较低的优势，但由于无法提供负电平电压，因而无法在直流侧低电压下输送功率，也不能在直流侧短路故障后限制故障电流。此外，由半桥模块构成的桥臂其桥臂电压始终为正，因此不便于通过注入高频变化的桥臂电压来降低模块电容电压的波动幅度。
为提升模块化多电平变流器的工作性能，可以采用能够提供负电平的模块代替半桥模块。已有研究提出的能够提供负电平的模块包括：全桥模块、箝位双模块(CDSM,clamp-double sub-module)，(Marquardt,R.,"Modular Multilevel Converter:An universalconcept for HVDC-Networks and extended DC-Bus-applications,"Power ElectronicsConference(IPEC),2010International,vol.,no.,pp.502,507,21-24June 2010.)、单极电压模块(Jiangchao Qin；Saeedifard,M.；Rockhill,A.；Rui Zhou,"Hybrid Design ofModular Multilevel Converters for HVDC Systems Based on Various SubmoduleCircuits,"in Power Delivery,IEEE Transactions on,vol.30,no.1,pp.385-394,Feb.2015.)、对角桥模块(专利公开号CN105450045A)。
上述模块与半桥模块相比，全桥模块、箝位双模块和单极电压模块均需要采用更多数量的可控开关器件，成本增加较大。而对角桥模块采用的可控开关器件数量与半桥模块一致，成本增加较少。然而，对角桥模块中两个可控开关器件分布于模块的对角位置，因此其中的可控开关器件只能分别使用单个器件模块，而无法像半桥模块一样，采用集成度更高的双管模块，不利于模块的集成化设计。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术的不足之处，提出一种中点箝位三电平单极电流模块，该模块适于单极电流应用场合，较具有相同电平数目的其他模块所需的开关器件少，具有节约成本和结构紧凑等特点。
一种中点箝位三电平单极电流模块，其特征在于，包括四个全控开关器件、两个二极管单元、两个电容以及两个二极管；其中，第一全控开关器件的发射极与第二全控开关器件的集电极相连于第一点，第一全控开关器件的集电极与第一二极管单元的阳极相连作为该模块的第一端口；第三全控开关器件的发射极与第四全控开关器件的集电极相连于第二点，第四全控开关器件的发射极与第二二极管单元的阴极相连作为该模块的第二端口(B)；第一电容的阴极与第二电容的阳极相连于第三点；第一二极管单元的阴极、第三全控开关器件的集电极与第一电容的阳极相互连接，第二二极管单元的阳极、第二全控开关器件的发射极与第二电容的阴极相互连接，第一二极管的阳极、阴极分别接入第一点、第三点，第二二极管的阳极、阴极分别接入第三点、第二点；通过该模块的电流始终从第一端口流入、从第二端口流出，两端口间的电压差为该模块的端口电压。
所述第一电容和第二电容的额定工作电压相同，记为Udc；第一、第二、第三、第四全控开关器件以及第一、第二二极管均采用额定工作电压为Udc的开关器件；第一、第二二极管单元均分别采用额定电压为2Udc的一个二极管，或者均分别由两个额定工作电压均为Udc的二极管串联构成。
通过控制相应全控开关器件的导通与关断，使所述模块的端口电压的额定值在±2Udc、±Udc和0中的任意两者间切换。
本发明的特点及有益效果：
本发明提出的一种中点箝位三电平单极电流模块，是一种只允许单一方向电流通过的单相中点箝位三电平电压源模块，适于单电流方向应用场合：
本发明与可通过双向电流的中点箝位三电平电压源模块比较，所使用的全控开关器件可节省1/2；
本发明可构成仅通过单极电流的模块化多电平变流器，当输出相同正电平数目时，本发明使用的全控开关器件与半桥模块相同，并且仅通过附加少量二极管即可提供与正电平数目相同的负电平，有助于改善变流器在低电压和低频运行下直流电压的性能，并增加了变流器的直流故障闭锁能力；
与全桥模块，单极电压模块和箝位双模块相比，当输出相同电平数目时，本发明采用的全控开关器件数目更少，是全桥模块的1/2，是单极电压模块和箝位双模块的2/3，成本相对更低；
本发明提出的中点箝位三电平单极电流模块可输出双极性三电平电压，与输出相同正负电平数目的两个对角桥模块相比，中点箝位三电平单极电流模块采用的全控开关器件可以采用集成度更高的双管模块，更易于实现模块的集成化设计，结构更为紧凑。
附图说明
图1是本发明的中点箝位三电平单极电流模块结构图，其中图1(a)是基于逆阻型全控开关器件(如GTO、IGCT等)的模块结构图，图1(b)是基于逆导型全控开关器件(如IGBT)的模块结构图；
图2是本发明的二极管单元结构图，图2(a)、(b)是二极管单元D1结构图，图2(c)、(d)是二极管单元D2结构图
图3是由n个本发明所述中点箝位三电平单极电流模块相互串联构成的单极电流变流链的示意图。
图4是由本发明所述中点箝位三电平单极电流模块构成的模块化多电平变流器示意图。
具体实施方式
本发明提出的中点箝位三电平单极电流模块，结合附图和具体实施例对其结构和功能说明如下：
本发明提出的中点箝位三电平单极电流模块，其结构如图1(a)所示，包括四个全控开关器件T1、T2、T3、T4、两个二极管单元D1、D2、两个电容C1、C2以及两个二极管D3、D4；其中，T1的发射极与T2的集电极相连于E点，T1的集电极与D1的阳极相连，作为中点箝位三电平单极电流模块的一个端口A；T3的发射极与T4的集电极相连于F点，T4的发射极与D2的阴极相连，作为中点箝位三电平单极电流模块的另一个端口B；C1的阴极与C2的阳极相连于O点；D1的阴极、T3的集电极与C1的阳极相互连接，D2的阳极、T2的发射极与C2的阴极相互连接，D3的阳极接入E点、D3的阴极接入O点，D4的阳极接入O点、D4的阴极接入F点。
其中，C1正极与负极之间的电压差为Udc1，C2正极与负极之间的电压差为Udc2，通过中点箝位三电平单极电流模块的电流iSM，其方向始终从端口A流入，从端口B流出，端口A、B之间的电压差为中点箝位三电平单极电流模块的端口电压uSM。
电容C1与电容C2的额定工作电压彼此相同，即Udc1＝Udc2＝Udc；T1、T2、T3、T4、D3、D4均采用适于额定工作电压为Udc的开关器件；D1、D2可分别采用额定工作电压为2Udc的一个二极管，也可分别由两个额定工作电压均为Udc的二极管串联构成。二极管单元D1可由1个二极管D11构成，见图2(a)，D11的阴极为D1的阴极，D11的阳极为D1的阳极，D11的额定工作电压为2Udc；D1也可由二极管D11和D12串联构成，见图2(b)，D11的阴极作为D1的阴极，D11的阳极与D12的阴极相连，D12的阳极作为D1的阳极，D11、D12的额定工作电压均为Udc。二极管单元D2可由1个二极管D21构成，见图2(c)，D21的阴极为D2的阴极，D21的阳极为D2的阳极，D21的额定工作电压为2Udc；D2也可由二极管D21和D22串联构成，见图2(d)，D21的阴极作为D2的阴极，D21的阳极与D22的阴极相连，D22的阳极作为D2的阳极，D21、D22的额定工作电压均为Udc。
所述全控开关器件T1、T2、T3、T4可采用逆阻型全控电力电子开关器件，典型如集成门极换流晶闸管(IGCT)或门极可关断晶闸管(GTO)，全控开关器件内部不包括续流二极管，对应中点箝位三电平单极电流模块的结构图如图1(a)。
所述全控开关器件T1、T2、T3、T4亦可采用逆导型全控电力电子开关器件，典型如绝缘门极双极型晶体管(IGBT)，每个全控开关器件内部包括一个续流二极管，续流二极管的阳极与全控开关器件的发射极相连，续流二极管的阴极与全控开关器件的集电极相连，对应中点箝位三电平单极电流模块的结构图如图1(b)，其中T1内部的续流二极管为D1e、T2内部的续流二极管为D2e、T3内部的续流二极管为D3e、T4内部的续流二极管为D4e。
本发明提出的中点箝位三电平单极电流模块只能流通从A端口流向B端口的电流，当T1、T2、T3和T4均关断时，模块端口电压uSM近似等于2Udc；当T1导通、T2、T3和T4关断，或T4导通、T1、T2和T3关断时，模块端口电压uSM近似等于Udc；当T2关断、T1、T3和T4导通，或T3关断、T1、T2和T4导通时，模块端口电压uSM近似等于-Udc；当T1、T2、T3和T4均导通时，模块端口电压uSM近似等于-2Udc；当T1、T2导通、T3、T4关断，或T1、T2关断、T3、T4导通，或T1、T4导通，T2、T3关断时，模块端口电压uSM近似等于0。
将本发明提出的中点箝位三电平单极电流模块多个相互串联，可构成单极电流变流链10。如图3所示，是由n(n为大于1的自然数)个中点箝位三电平单极电流模块串联构成的单极电流变流链10，其中第一个箝位中点三电平单极电流模块M1的A端口作为变流链的一个端点H1，M1的B端口接入第二个箝位中点三电平单极电流模块M2的A端口，第k(k＝1,2，…，n-1)个箝位中点三电平单极电流模块Mk的B端口接入第k+1个箝位中点三电平单极电流模块Mk+1的A端口，第n个箝位中点三电平单极电流模块Mn的B端口作为单极电流变流链的另一个端点H2；H1与H2之间的电压差为单极电流变流链10的端口电压USM。
在所述单极电流变流链10中，流经电流iSM的方向始终从H1端流向H2端，其中流经第k个中点箝位三电平单极电流模块Mk的电流方向，始终从Mk的A端口流入，从B端口流出。令第k个(k＝1,2，…，n-1)中点箝位三电平单极电流模块的端口电压为uSMk，如前所述，控制Mk中全控开关器件T1、T2、T3、T4的关断和导通状态，可使得Mk的端口电压uSMk近似等于±2Udc、±Udc、0共计五种电平；相应地，n个中点箝位三电平单极电流模块中每个模块的端口电压均可得到上述五种电平；由于n个中点箝位三电平单极电流模块相互串联，该变流链的端口电压USM为n个中点箝位三电平单极电流模块端口电压之和，故该变流链的端口电压USM能够形成近似±2n·Udc、±(2n-1)·Udc、±(2n-2)·Udc、±3Udc、±2Udc、±Udc、0，共4n+1个电平。
作为中点箝位三电平单极电流模块和单极电流变流链10的一种应用实施例，由单极电流变流链10可进一步构成模块化多电平变流器。
如图4所示，所述模块化多电平变流器30、40通常由结构相同的三相A,B,C及直流侧正极DC+、直流侧负极DC-构成；每相均由上、下两个相同桥臂串联构成，每个桥臂均由1台滤波电抗器L与1个单极电流变流链10或1个中点箝位三电平单极电流模块相互串联构成；各相上桥臂正极端P+作为该相直流侧正极端，各相下桥臂负极端N-作为该相直流侧负极端；变流器各相的直流侧正极端共同连接形成变流器的直流侧正极DC+，变流器各相的直流侧负极端共同连接形成变流器的直流侧负极DC-；每相上桥臂负极端P-与下桥臂正极端N+的连接点分别为每相交流侧端Ac,Bc,Cc；Ac,Bc,Cc分别与交流电压每相线端Ag,Bg,Cg连接。
模块化多电平变流器30的每个桥臂电流iSM的方向，与桥臂中的变流链10或单极电流模块的电流方向相同，始终从桥臂正极端P+流向桥臂负极端N-，变流器30的功率始终从直流侧流向交流侧；模块化多电平变流器40的每个桥臂电流iSM的方向，与桥臂中的变流链10或单极电流模块的电流方向相反，始终从桥臂负极端N-流向桥臂正极端P+，40的功率始终从交流侧流向直流侧。
模块化多电平变流器30、40亦可用结构相同的两相构建或一般而言可以多相构建。

Claims (4)

1.一种中点箝位三电平单极电流模块，其特征在于，包括四个全控开关器件(T1、T2、T3、T4)、两个二极管单元(D1、D2)、两个电容(C1、C2)以及两个二极管(D3、D4)；其中，第一全控开关器件(T1)的发射极与第二全控开关器件(T2)的集电极相连于第一点(E)，第一全控开关器件(T1)的集电极与第一二极管单元(D1)的阳极相连作为该模块的第一端口(A)；第三全控开关器件(T3)的发射极与第四全控开关器件(T4)的集电极相连于第二点(F)，第四全控开关器件(T4)的发射极与第二二极管单元(D2)的阴极相连作为该模块的第二端口(B)；第一电容(C1)的阴极与第二电容(C2)的阳极相连于第三点(O)；第一二极管单元(D1)的阴极、第三全控开关器件(T3)的集电极与第一电容(C1)的阳极相互连接，第二二极管单元(D2)的阳极、第二全控开关器件(T2)的发射极与第二电容(C2)的阴极相互连接，第一二极管(D3)的阳极、阴极分别接入第一点(E)、第三点(O)，第二二极管(D4)的阳极、阴极分别接入第三点(O)、第二点(F)；通过该模块的电流始终从第一端口(A)流入、从第二端口(B)流出，两端口(A、B)间的电压差为该模块的端口电压。
2.根据权利要求1所述的中点箝位三电平单极电流模块，其特征在于，所述第一电容和第二电容的额定工作电压相同，记为Udc；第一、第二、第三、第四全控开关器件以及第一、第二二极管均采用额定工作电压为Udc的开关器件；第一、第二二极管单元均分别采用额定电压为2Udc的一个二极管，或者均分别由两个额定工作电压均为Udc的二极管串联构成。
3.根据权利要求2所述的中点箝位三电平单极电流模块，其特征在于，通过控制相应全控开关器件的导通与关断，使所述模块的端口电压的额定值在±2Udc、±Udc和0中的任意两者间切换。
4.根据权利要求1所述的中点箝位三电平单极电流模块，其特征在于，所述全控开关器件(T1、T2、T3、T4)均采用逆阻型全控电力电子开关器件，或者均采用逆导型全控电力电子开关器件。
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