CN106787824B - 子模块电路及控制方法和模块化多电平换流器 - Google Patents

子模块电路及控制方法和模块化多电平换流器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种子模块电路。包括主回路和充放电回路；主回路包括一个开关模块，充放电回路包括多条充放电支路和一个支撑电容，充放电支路的每条支路均包括一个辅助电容，任意一条充放电支路导通时，其他充放电支路和所述主回路均断开。上述子模块电路，应用于模块化多电平电压源换流器中，相比于全桥型子模块以及半桥型子模块，大幅提高子模块中电容的利用率，减少了子模块中电容的总体积以及重量，有助于大幅减少子模块以及换流器整体的体积以及质量。本发明还涉及一种子模块电路的控制方法和一种模块化多电平换流器。

Description

子模块电路及控制方法和模块化多电平换流器
技术领域
本发明涉及输配电技术领域，特别是涉及一种子模块电路、子模块电路控制方法和一种模块化多电平换流器。
背景技术
近年来，模块化多电平换流器发展迅速，已经成功地应用在长远距离高压直流输电系统以及海上新能源发电(包括风力发电以及海浪发电)并网系统等大容量高电压输变电领域。而随着技术的发展，模块化多电平换流器已逐渐向小型化发展。
模块化多电平换流器是由多个结构相同的子模块级联构成的，由于半桥子模块的结构简单、成本低、损耗小，目前的模块化多电平换流器子模块多采用半桥子模块。在理想情况下，模块化多电平换流器子模块的电容需要同时满足两个条件：第一，需要足够大的电容容值以限制纹波电压；第二，需要其允许足够大的纹波电流以避免电容过热。在实际运用中，这两个条件总不能被同时满足，而为了使子模块的电容可以吸收低次的谐波以平衡交流侧以及直流侧的波动功率，通常会按照纹波电压来设置电容容值，而该方式不仅使子模块中的电容得不到充分利用，同时也增大了电容体积和重量，使具有该电容的子模块的体积和重量过大，从而使模块化多电平换流器无法满足小型化需求。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种子模块电路及控制方法和模块化多电平换流器，不仅可以充分利用子模块的电容，而且可以降低子模块的体积和重量。
一方面提供一种子模块电路，包括：主回路和充放电回路；所述主回路包括一个开关模块；所述充放电回路包括多条充放电支路和一个支撑电容，各条充放电支路并联后与所述支撑电容串联；任意一条充放电支路导通时，其他充放电支路和所述主回路均断开；
主回路的两端分别与充放电支路和支撑电容连接；所述主回路与所述充放电支路连接的一端为子模块的第一端；
每条充放电支路包括一个辅助电容，且各个辅助电容的初始电压不同；充电时，多条充放电支路按照其辅助电容的初始电压从大到小的顺序依次导通，电流从所述第一端流入，对所述支撑电容和当前导通的充放电支路中的辅助电容进行充电；放电时，多条充放电支路按照所述各辅助电容的初始电压从小到大的顺序依次导通，所述支撑电容和当前导通的充放电支路中的辅助电容放电，放电电流从所述第一端流出。
另一方面提供一种自模块电路的控制方法，所述控制方法包括：
旁路态时，控制所述主回路导通，所述充放电回路中各条充放电支路均断开；
工作态时，控制所述主回路断开，并按辅助电容初始电压从大到小依次导通各条放电支路，以对充放电回路中的支撑电容以及导通的充放电支路中的辅助电容进行充电；当所有充放电支路充电完成后，控制所述充放电回路进入放电过程，在所述放电过程中按辅助电压从小到大依次导通各条充放电支路，以通过充放电回路中的支撑电容以及导通的放电支路中的辅助电容进行放电。
再一方面提供一种模块化多电平换流器，包括所述的子模块电路。
上述实施例，应用于模块化多电平电压源换流器中，相比于全桥型子模块以及半桥型子模块，大幅提高子模块中电容的利用率，减少了子模块中电容的总体积以及重量，有助于大幅减少子模块以及换流器整体的体积以及质量。
附图说明
图1为一个实施例中子模块电路的结构示意图；
图2为一个实施例中子模块电路处于工作态和旁路态时的电流方向图；
图3为一个实施例中模块化多电平换流器的结构示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及取得的效果，下面结合附图及较佳实施例，对本发明实施例的技术方案，进行清楚和完整的描述。
请参见图1，一种子模块电路，包括：主回路和充放电回路；所述主回路是一个开关模块；所述充放电回路包括N条充放电支路和一个支撑电容，其中N≥2，各条充放电支路中包含一个辅助电容，第N条充放电支路包含的辅助电容CN初始电压可以为零，即不包含辅助电容，各个辅助电容的初始电压不同。其中，各条充放电支路依次并联后与一个支撑电容串联；主回路与充放电回路串联；所述支撑电容与主回路连接的一端为子模块的第一端，所述充放电支路与主回路连接的一端为子模块的第二端；任意一条所述充放电支路导通时，其他充放电支路和所述主回路同时断开，如此可使所述子模块电路处于工作态时，有且只有一条充放电支路处于导通状态。
上述的子模块电路处于工作态时，其中的所述支撑电容和所述辅助电容将被充电或放电。所述支撑电容和所述辅助电容的充放电状态由流经所述子模块的第一端的电流方向决定，而该电流等于流经此子模块所属的换流器换流臂中的电流，通常由交流与直流成分组成。交流成分中其基波频率等于换流器交流侧的电流频率，直流成分的幅值与极性由此换流器所转换的有功功率与直流侧的电压决定。在一个交流周期内，子模块中的所述支撑电容和所述辅助电容将被进行一次充电和放电过程，下面对所述充电过程和所述放电过程做具体介绍。
充电时，由于每条充放电支路的所述辅助电容的初始电压不同，因此，可以控制各条充放电支路按照所述各辅助电容的初始电压的从大到小的顺序依次导通；而电流从所述子模块的第一端流入后，会对所述支撑电容和导通的充放电支路中的辅助电容进行充电，直至所述N条充放电支路中的各个辅助电容均充满电。充电结束后，开始放电过程。在放电时，各条充放电支路按照所述各辅助电容的初始电压的从小到大的顺序依次导通；所述支撑电容和导通的充放电支路中的辅助电容进行放电，产生的电流从所述子模块的第二端流出。值得说明的是，若第N条充放电支路不包含辅助电容，则直接对支撑电容进行充放电。
在上述充放电过程中，由于在充电过程中每条充放电支路是按照各辅助电容的初始电压的从大到小的顺序依次导通的，因此，可以保证后一条充放电支路导通时，前一条充放电支路中的辅助电容是充满电的，如此，在最后一条充放电支路中的辅助电容充满电时，也就意味着所有N条充放电支路中的各个辅助电容均已充满电。而在放电过程中每条充放电支路是按照各辅助电容的初始电压的从小到大的顺序依次导通的，因此，可以保证在最后一条充放电支路中的辅助电容放电完毕时，所述N条充放电支路中的各个辅助电容均已放完电。综上，所述子模块电路可以充分利用各个辅助电容，使子模块的电容容值不需要很高，而电容的体积和重量与电容容值直接相关，因此，在保证可以充分利用各个辅助电容的同时还可以降低子模块的电容体积和重量，从而使子模块的体积和重量减小。
此外，上述的子模块电路中各条充放电支路的切换控制可以采用诸如半桥型电路的子模块的控制方法。示例性的，在一个实施例中，为了确保具有子模块的换流器的正常工作，每个子模块在工作态时的输出电压通常被要求限制在一个很窄的范围内，例如在其额定直流电压的±10％内波动。而每个子模块在工作态时的输出电压等于导通的充放电支路上的辅助电容与支撑电容的电压之和。而且，在子模块处于工作态的任意时刻，有且只有一条充放电支路处于导通状态，其他充放电支路处于截止状态，此时只有一个辅助电容在进行充放电，但在整个工作态时段内，支撑电容都在进行充放电。因此，子模块的输出电压可以控制在一定范围内波动。而为了适应不同的输出电压要求，所述支撑电容和所述辅助电容可以选用相同或不同的电容值以及额定电压。此外，所述子模块电路中各条充放电支路的切换控制以及各辅助电容的电压平衡都只在该子模块的范围内进行，并不需要换流器内其他子模块或设备的辅助。这确保了子模块在控制上的独立性，也保留了模块化多电平换流器的模块化所具有的优势。
所述子模块电路中各条充放电支路的切换控制主要在充电过程和放电过程中进行。具体的，在充电过程中，每当一条充放电支路中的辅助电容与支撑电容的电压之和达到子模块的输出电压上限时，就可以关断该条充放电支路，而使其他的充放电支路导通，直至子模块的辅助电容全部充满电；同样的，在放电过程中，每当一条充放电支路中的辅助电容与支撑电容的电压之和达到子模块的输出电压下限时，就可以关断该条充放电支路，而使其他的充放电支路导通，直至子模块的辅助电容全部放完电。
为了防止充电过程中前一个导通的充放电支路中的辅助电容对后一个即将导通的充放电支路放电，在一个实施例中，还可以使前一个导通的充放电支路在将被切换为截止状态时，先经过短暂的死区时间，之后再导通下一个充放电支路。其中，死区时间可以是几微妙。
上述的子模块电路在稳态情况下有两种运行状态，即工作态和旁路态。如图2所示，在一个实施例中，所述子模块拓扑机构电路处于旁路态时，所述第一开关模块导通，所述N条充放电支路中的各条充放电支路均断开。此时，子模块电路的充放电过程如下：充电时，所述电流从所述子模块的第一端流入，并通过所述第一开关模块从所述子模块的第二端流出；放电时，所述电流从所述子模块的第二端流入，并通过所述第一开关模块从所述子模块的第一端流出。上述子模块电路在旁路态时的输出电压可以为零。
为了保证在充电结束后，各条充放电支路中的辅助电容可以充满电，在一个实施例中，还可以增设与所述各条充放电支路均并联的开关电路，并使所述N条充放电支路中有一条充放电支路导通时，其他充放电支路和所述第一开关模块、所述开关电路均断开；所述开关电路导通时，所述N条充放电支路和所述第一开关模块均断开。由于子模块具有了该开关电路，因此在充电时，各条充放电支路按照所述各辅助电容的初始电压的从大到小的顺序依次导通，导通的充放电支路对其辅助电容和所述支撑电容进行充电，直至所述N条充放电支路中的各个辅助电容均充满电后，所述开关电路导通，导通的开关电路对所述支撑电容进行充电。进一步的，在一个实施例中，所述子模块电路在放电时，所述开关电路断开，各条充放电支路按照所述各辅助电容的初始电压的从小到大的顺序依次导通，导通的充放电支路对其辅助电容和所述支撑电容进行放电。
为了方便控制N条充放电支路中的第一条充放电支路的导通与关断，在一个实施例中，还可以在所述第一条充放电支路中增设第二开关模块，并使所述第二开关模块与所述第一条充放电支路中的辅助电容串联，如此，即可通过控制所述第二开关模块从而使所述第一条充放电支路中的辅助电容与所述支撑电容串联。
进一步的，为了方便控制N条充放电支路中的第i条充放电支路的导通与关断，其中i为正整数，且2≤i≤N，在一个实施例中，还可以在所述第i条充放电支路中增设第2i-1开关模块和第2i开关模块，并使所述第2i-1开关模块与所述第2i开关模块反串连，而所述第2i-1开关模块通过所述第2i开关模块与所述第i条充放电支路中的辅助电容连接。
进一步的，为了方便对所述开关电路的控制，在一个实施例中，还可以在所述开关电路中增设第2N+1开关模块和第2N+2开关模块，并使所述第2N+1开关模块和第2N+2开关模块反串联。
为了节省成本并简化电路，在一个实施例中，可以使所述第一开关模块由反并联的第一二极管和第一全控型器件形成，所述第二开关模块由反并联的第二二极管和第二全控型器件形成，所述第2i-1开关模块由反并联的第2i-1二极管和第2i-1全控型器件形成，所述第2i开关模块由反并联的第2i二极管和第2i全控型器件形成，所述第2N+1开关模块由反并联的第2N+1二极管和第2N+1全控型器件形成，所述第2N+2开关模块由反并联的第2N+2二极管和第2N+2全控型器件形成。当然可以根据实际需要，还可以对所述第一开关模块、所述第二开关模块、所述第2i-1开关模块、所述第2i开关模块、所述第2N+1开关模块、所述第2N+2开关模块的电路结构做调整。此外，所述第一全控型器件、所述第二全控型器件、所述第2i-1全控型器件、所述第2i全控型器件、所述第2N+1全控型器件以及第2N+2全控型器件可以采用绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)、集成门极换流晶闸管(integrated Gate Commutated Thyristors，IGCT)和门极可关断晶闸管(Gate-Turn-Off Thyristor，GTO)等器件中的一种。
图3所示为一个实施例中模块化多电平换流器的结构示意图，图中所述模块化多电平换流器采用的是半桥子模块，其中L0表示桥臂电抗器，Udc表示换流器正负极直流母线间的电压差，P为直流母线正极，N为直流母线负极。由于所述模块化多电平换流器的每个桥臂中的子模块均采用了上述的子模块电路，因此可以使整个子模块的体积和重量减小，从而也使采用该子模块电路的模块化多电平换流器的体积和重量减小，使得所述模块化多电平换流器可以满足小型化需求。
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)

1.一种子模块电路，其特征在于，包括：
主回路和充放电回路；所述主回路包括一个开关模块；所述充放电回路包括多条充放电支路和一个支撑电容，各条充放电支路并联后与所述支撑电容串联；任意一条充放电支路导通时，其他充放电支路和所述主回路均断开；
主回路的两端分别与充放电支路和支撑电容连接；所述主回路与所述支撑电容连接的一端为子模块的第一端；
每条充放电支路包括一个辅助电容，且各个辅助电容的初始电压不同；充电时，多条充放电支路按照其辅助电容的初始电压从大到小的顺序依次导通，电流从所述第一端流出，对所述支撑电容和当前导通的充放电支路中的辅助电容进行充电；放电时，多条充放电支路按照所述各辅助电容的初始电压从小到大的顺序依次导通，所述支撑电容和当前导通的充放电支路中的辅助电容放电，放电电流从所述第一端流入；
充电时，若当前导通的充放电支路中的辅助电容与所述支撑电容的总电压达到预设的电压上限时，确定为当前导通的充放电支路充电完成，控制当前导通的充放电支路断开、下一充放电支路导通；
放电时，若当前导通的充放电支路中的辅助电容与所述支撑电容的总电压达到预设的电压下限时，确定为当前导通的充放电支路放电完成，控制当前导通的充放电支路断开、下一充放电支路导通。
2.根据权利要求1所述的子模块电路，其特征在于，所述辅助电容中初始电压的最小值为零。
3.根据权利要求1所述的子模块电路，其特征在于，所述充放电支路中的第一条充放电支路还包括一个开关模块，所述开关模块与所述第一条充放电支路中的辅助电容串联；
所述充放电回路中的其他充放电支路还包括两个开关模块，所述两个开关模块反相串联之后与对应的辅助电容串联。
4.根据权利要求3所述的子模块电路，其特征在于，
每个开关模块包括反相并联的一个二极管和一个全控型器件。
5.一种模块化多电平换流器，其特征在于，包括：权利要求1至4任一项所述的子模块电路。
6.一种子模块电路的控制方法，其特征在于，所述子模块电路为权利要求1所述的电路，所述控制方法包括：
旁路态时，控制所述主回路导通，所述充放电回路中各条充放电支路均断开；
工作态时，控制所述主回路断开，并按辅助电容初始电压从大到小依次导通各条放电支路，以对充放电回路中的支撑电容以及导通的充放电支路中的辅助电容进行充电；当所有充放电支路充电完成后，控制所述充放电回路进入放电过程，在所述放电过程中按辅助电压从小到大依次导通各条充放电支路，以通过充放电回路中的支撑电容以及导通的放电支路中的辅助电容进行放电；
在对充放电回路中的支撑电容以及导通的充放电支路中的辅助电容进行充电的过程中，包括：
若当前导通的充放电支路中的辅助电容与所述支撑电容的总电压达到预设的电压上限时，确定为当前导通的充放电支路充电完成，控制当前导通的充放电支路断开、下一充放电支路导通；
在通过充放电回路中的支撑电容以及导通的放电支路中的辅助电容进行放电的过程中，包括：
若当前导通的充放电支路中的辅助电容与所述支撑电容的总电压达到预设的电压下限时，确定为当前导通的充放电支路放电完成，控制当前导通的充放电支路断开、下一充放电支路导通。
7.根据权利要求6所述的子模块电路的控制方法，其特征在于，所述按辅助电容初始电压从大到小依次导通各条充放电支路，包括：
工作态时，控制所述主回路断开，首先控制第一条充放电支路导通，当所述第一条充放电支路充电完成后，按辅助电容初始电压从大到小依次导通其他充放电支路；
所述充放电支路中的第一条充放电支路还包括一个开关模块，所述开关模块与所述第一条充放电支路中的辅助电容串联；所述充放电回路中的其他充放电支路还包括两个开关模块，所述两个开关模块反相串联之后与对应的辅助电容串联。
8.根据权利要求6所述的子模块电路的控制方法，其特征在于，在控制当前导通的充放电支路断开、下一充放电支路导通的过程中，包括：
从当前导通的充放电支路断开到下一充放电支路导通之间设定有一间隔时间。
9.根据权利要求6所述的子模块电路的控制方法，其特征在于，还包括：
当所有充放电支路放电完成时，控制所述充放电回路重新进入充电过程。
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