CN107681910B - 一种压接型igbt串联模块化电压源换流器及其控制方法 - Google Patents

一种压接型igbt串联模块化电压源换流器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种压接型IGBT串联模块化电压源换流器及其控制方法，第一SM模块、第二SM模块和控制模块；所述第一SM模块和第二SM模块串联；所述第一SM模块和第二SM模块均包括n个串联的子sm模块；所述控制模块为时间控制模块，用于控制所述子sm模块的开通关断。所述控制方法包括通过控制不同数量的子sm模块的投入，来快速轮流对所有子sm模块进行充电。本发明提供的技术方案可以使变流器在较低的输入电压下，所有子模块工作在工程应用所需的电压等级，以验证变流器在实际应用中是否满足要求，大大降低了测试成本，并提高了测试的安全性；本发明设计合理，使用方便快捷。

Description

一种压接型IGBT串联模块化电压源换流器及其控制方法
技术领域
本发明属于馈线电自动化测试技术领域，具体涉及一种压接型IGBT串联模块化电压源换流器及其控制方法。
背景技术
压接型IGBT由于性能优越，在电力电子设备中应用越来越广泛，在电力系统中起到的地位也越来越重要。在大功率场合下，单个普通压接型IGBT已经无法满足电压要求，耐高压IGBT价格较高，压接型IGBT串联可以大幅提升电压等级，并且成本低，性能好，受到越来越多的青睐。随着柔性直流输电系统的发展，压接型IGBT串联模块化电压源换流器的是研究热点。
压接型IGBT串联模块化电压源换流器的电压等级越来越高，在测试阶段，需要输入较高的实际直流输入电压，导致测试成本较高，安全性较低。常常由于测试条件的限制，无法满足换流器实际直流输入电压，导致无法对换流器进行充分验证。通常的做法是对测试的条件进行改善，提高电压输出能力，但会耗费大量的时间和财力，错失绝佳的市场机遇。
因此，需要提供一种压接型IGBT串联模块化电压源换流器及其控制方法来解决现有技术的不足。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种压接型IGBT串联模块化电压源换流器及其控制方法。
一种压接型IGBT串联模块化电压源换流器，包括：第一SM模块、第二SM模块和控制模块；
所述第一SM模块和第二SM模块串联；
所述第一SM模块和第二SM模块均包括n个串联的子sm模块；
所述控制模块为时间控制模块，用于控制所述子sm模块的开通关断。
进一步的，还包括：直流输入电源Udc1、直流输入电源Udc2、输入电容C1、输入电容C2、电阻R和电感L；
所述直流输入电源Udc1的负极分别与直流输入电源Udc2的正极和电阻R一端相连并接地，电阻R另一端与电感L的一端相连，电感L的另一端分别与第一SM模块的一端和第二SM模块的一端相连，第一SM模块的另一端分别与所述直流输入电源Udc1的正极和输入电容C1的正极相连，第二SM模块的另一端分别与直流输入电源Udc2的负极和输入电容C2的负极相连，所述输入电容C2的正极分别与输入电容C1的负极和电阻R一端相连并接地。
进一步的，所述子sm模块包括电容C和多个串联的IGBT模块，所述电容C与所述多个串联的IGBT模块并联。
进一步的，所述IGBT模块包括IGBT、二极管、电容、第一电阻和第二电阻；
所述电容与第一电阻串联形成CR串联支路；
IGBT和二极管并联形成IGBT器件；
所述CR串联支路分别与IGBT器件和第二电阻并联。
进一步的，所述IGBT为压接型IGBT。
进一步的，所述n＝7，所述IGBT模块的数量为4；包括：第一IGBT模块、第二IGBT模块、第三IGBT模块、第四IGBT模块；
所述第一IGBT模块、第二IGBT模块、第三IGBT模块和第四IGBT模块依次串联后与所述电容C并联。
进一步的，子sm模块的电压取值范围为2.6kV-3.5kV。
一种基于权利要求1-6任一所述的压接型IGBT串联模块化电压源换流器的控制方法，所述方法包括：
步骤一：设定m，m<n；
步骤二：以控制模块预设的时间间隔轮流开通关断第一SM和第二SM中所有的子sm模块；其中，首先第一SM模块中子sm模块同时开通的数量保持m，第二SM模块中子sm模块同时开通的数量由m先增加到n再减少到m，步长为1；然后第二SM模块中子sm模块同时开通的数量保持m，第一SM模块中子sm模块同时开通的数量由m先增加到n再减少到m，步长为1。
进一步的，所述m的取值为
Figure BDA0001395208070000021
其中
Figure BDA0001395208070000022
表示向上取整。
进一步的，所述步骤二还包括：通过测量电感L两端的电压UL，计算子sm模块的平均电压UAV和直流输入电源电压Udc。
进一步的，所述子sm模块的平均电压UAV如下式所示：
Figure BDA0001395208070000031
其中a表示第一SM模块中子sm模块同时开通的个数，b表示第二SM模块中子sm模块同时开通的个数，UL为电感L两端的电压；
所述直流输入电源电压Udc如下式所示：
Udc＝Udc1+Udc2＝UAV(a+b)。
与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
本发明提供的技术方案通过控制子sm模块的轮流开通关断，使得只有一部分子sm模块同时开通，从而减小了输入的直流电压，降低了测试成本，并提高了测试的安全性。
本发明提供的技术方案在保证每个子sm模块都达到指定电压时，利用较低输入直流电压，对高电压等级的压接型IGBT串联模块化电压源换流器进行测试，以验证压接型IGBT串联型换流器是否满足实际要求，大幅降低了测试成本，并提高了测试的安全性；设计合理，使用方便快捷。
本发明提供的技术方案采用4个IGBT模块，既能达到防击穿，又能使得每个子sm模块的体积小，从而在保证安全的前提下减小了换流器的体积。
附图说明
图1为压接型IGBT串联模块化电压源换流器电路图；
图2为子sm模块电路拓扑图；
图3为工作波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种压接型IGBT串联模块化电压源换流器及其控制方法。如图1所示，压接型IGBT串联模块化电压源换流器包括直流输入电源Udc1、直流输入电源Udc2、输入电容C1、输入电容C2、电阻R、电感L、和子sm模块sm1～sm2n，其中sm1～smn为第一SM模块，smn+1～sm2n为第二SM模块；
直流输入电源负极Udc1与直流输入电源Udc2正极和地相连，直流输入电源Udc1正极与输入电容C1正极和sm1集电极相连，输入电容C1负极与输入电容C2正极和电阻R一端相连，输入电容C2负极与直流输入电源Udc2负极和sm2n发射极相连，电阻R另一端与电感L一端相连，电感L另一端与子sm模块n发射极和smn+1集电极相连，子sm模块之间发射极与集电极依次相连。
如图2所示，为子sm模块电路拓扑图，其中IGBT模块的个数为4。子sm模块包括电容C，压接型IGBT T1，压接型IGBT T2，压接型IGBT T3，压接型IGBT T4，二极管D1，二极管D2，二极管D3，二极管D4，电容C1，电容C2，电容C3，电容C4，电阻R1a，电阻R1b，电阻R2a，电阻R2b，电阻R3a，电阻R3b，电阻R4a和电阻R4b；
电容C一端与压接型IGBT T1集电极，二极管D1负极，电容C1一端和电阻R1b一端相连；压接型IGBT T1发射极与二极管D1正极，电阻R1a一端，电阻R1b另一端，压接型IGBT T2集电极，二极管D2负极，电容C2一端和电阻R2b一端相连；电容C1另一端与电阻R1a另一端相连；压接型IGBT T2发射极与二极管D2正极，电阻R2a一端，电阻R2b另一端，压接型IGBT T3集电极，二极管D3正极，电容C3一端，电阻R3b相连；电容C2另一端与电阻R2a另一端相连；压接型IGBT T3发射极与二极管D3正极，电阻R3a一端，电阻R3b另一端，压接型IGBT T4集电极，二极管D4负极，电容C4一端，电阻R4b一端相连；电容C3另一端与电阻R3a另一端相连；压接型IGBT T4发射极与电容C另一端，二极管D4正极，电阻R4a一端，电阻R4b另一端相连；电容C4另一端与电阻R4a另一端相连。
本发明所述的控制方法控制所有子sm模块：
第一SM模块和第二SM模块均同时开通m个子sm模块，
Figure BDA0001395208070000041
其中
Figure BDA0001395208070000042
表示向上取整，n表示第一SM模块和第二SM模块均包括n个子sm模块；
保证一个SM模块中子sm模块开通的数量不变，增加或减少另一个SM模块中子sm模块开通的数量。
下面结合具体例子对本发明作进一步说明，第一SM模块和第二SM模块分别用上、下桥臂表示。
所述压接型IGBT串联模块化电压源换流器输入直流电源Udc1和直流输入电源Udc2均为14kV，上、下桥臂均由7个相同的子sm模块依次串联构成。
如图3，横坐标为时间t，纵坐标为电感L电压UL、电感L电流IL和子sm模块平均电压UAV。
子sm模块平均电压UAV和电感L电压UL的计算方法如下所示：
Figure BDA0001395208070000051
其中a表示上桥臂子sm模块开通的个数，b表示下桥臂子sm模块开通的个数；
UL＝U1-U2，其中，U1＝aUAV表示上桥臂的总电压，U2＝bUAV表示下桥臂的总电压。
在t0-t1时间段内，投入直流输入电源Udo1和直流输入电源Udo2，上、下桥臂各7个子sm模块全部投入运行，电感L电压UL为零，电感L电流IL为零，子sm模块平均电压UAV为2kV；
在t1-t2时间段内，上、下桥臂同时减少3个子sm模块，均剩余4个子sm模块投入运行，轮流开通关断每一个子sm模块，电感L电压UL为零，电感L电流IL为零，子sm模块平均电压UAV为3.5kV；
在t2-t3时间段内，上桥臂增加1个子sm模块投入运行，上桥臂轮流对5个子sm模块进行充电，同时下桥臂轮流对4个子sm模块进行充电，电感L电压UL为3.1kV，电感L电流IL逐渐增加，子sm模块平均电压UAV为3.1kV；
在t3-t4时间段内，上桥臂增加1个子sm模块投入运行，上桥臂轮流对6个子sm模块进行充电，同时下桥臂轮流对4个子sm模块进行充电，电感L电压UL为5.6kV，电感L电流IL逐渐增加，子sm模块平均电压UAV为2.8kV；
在t4-t5时间段内，上桥臂增加1个子sm模块投入运行，上桥臂轮流对7个子sm模块进行充电，同时下桥臂轮流对4个子sm模块进行充电，电感L电压UL为7.8kV，电感L电流IL逐渐增加，子sm模块平均电压UAV为2.6kV；
在t5-t6时间段内，上桥臂减少1个子sm模块投入运行，上桥臂轮流对6个子sm模块进行充电，同时下桥臂轮流对4个子sm模块进行充电，电感L电压UL为5.6kV，电感L电流IL逐渐减小，子sm模块平均电压UAV为2.8kV；
在t6-t7时间段内，上桥臂减少1个子sm模块投入运行，上桥臂轮流对5个子sm模块进行充电，同时下桥臂轮流对4个子sm模块进行充电，电感L电压UL为3.1kV，电感L电流IL逐渐减小，子sm模块平均电压UAV为3.1kV；
在t7-t8时间段内，上桥臂减少1个子sm模块投入运行，上桥臂轮流对4个子sm模块进行充电，同时下桥臂轮流对4个子sm模块进行充电，电感L电压UL为零，电感L电流IL逐渐减小至零，子sm模块平均电压UAV为3.5kV；
在t8-t9时间段内，下桥臂增加1个子sm模块投入运行，下桥臂轮流对5个子sm模块进行充电，同时上桥臂轮流对4个子sm模块进行充电，电感L电压UL换向，为-3.1kV，电感L电流IL换向，逐渐增加，子sm模块平均电压UAV为3.1kV；
在t9-t10时间段内，下桥臂增加1个子sm模块投入运行，下桥臂轮流对6个子sm模块进行充电，同时上桥臂轮流对4个子sm模块进行充电，电感L电压UL为-5.6kV，电感L电流IL逐渐增加，子sm模块平均电压UAV为2.8kV；
在t10-t11时间段内，下桥臂增加1个子sm模块投入运行，下桥臂轮流对7个子sm模块进行充电，同时上桥臂轮流对4个子sm模块进行充电，电感L电压UL为-7.8kV，电感L电流IL逐渐增加，子sm模块平均电压UAV为2.6kV；
在t11-t12时间段内，下桥臂减少1个子sm模块投入运行，下桥臂轮流对6个子sm模块进行充电，同时上桥臂轮流对4个子sm模块进行充电，电感L电压UL为-5.6kV，电感L电流IL逐渐减小，子sm模块平均电压UAV为2.8kV；
在t12-t13时间段内，下桥臂减少1个子sm模块投入运行，下桥臂轮流对5个子sm模块进行充电，同时上桥臂轮流对4个子sm模块进行充电，电感L电压UL为-3.1kV，电感L电流IL逐渐减小，子sm模块平均电压UAV为3.1kV；
在t13-t14时间段内，下桥臂减少1个子sm模块投入运行，下桥臂轮流对4个子sm模块进行充电，同时上桥臂轮流对4个子sm模块进行充电，电感L电压UL为零，电感L电流IL逐渐减小至零，子sm模块平均电压UAV为3.5kV；
然后依次上桥臂依次增加投入模块数，循环往复，连续运行，不仅在负载电感L两端形成三电平正弦波，而且保证每个子sm模块电压保持在2.6kV-3.5kV之间，如果不采用本发明提出的控制方法，每个子sm模块的电压维持在2.6kV-3.5kV之间，直流输入电压至少需要达到49kV，采用本发明的控制方法，测试输入直流电压只需28kV，即可验证压接型IGBT串联模块化电压源换流器满足直流输入电压49kV的实际应用需求。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种压接型IGBT串联模块化电压源换流器，其特征在于，包括：第一SM模块、第二SM模块和控制模块；
所述第一SM模块和第二SM模块串联；
所述第一SM模块和第二SM模块均包括n个串联的子sm模块；
所述控制模块为时间控制模块，用于控制所述子sm模块的开通关断；
所述压接型IGBT串联模块化电压源换流器的控制方法包括：
步骤一：设定m，m<n；
步骤二：以控制模块预设的时间间隔轮流开通关断第一SM和第二SM中所有的子sm模块；其中，首先第一SM模块中子sm模块同时开通的数量保持m，第二SM模块中子sm模块同时开通的数量由m先增加到n再减少到m，步长为1；然后第二SM模块中子sm模块同时开通的数量保持m，第一SM模块中子sm模块同时开通的数量由m先增加到n再减少到m，步长为1。
2.如权利要求1所述的一种压接型IGBT串联模块化电压源换流器，其特征在于，还包括：直流输入电源Udc1、直流输入电源Udc2、输入电容C1、输入电容C2、电阻R和电感L；
所述直流输入电源Udc1的负极分别与直流输入电源Udc2的正极和电阻R一端相连并接地，电阻R另一端与电感L的一端相连，电感L的另一端分别与第一SM模块的一端和第二SM模块的一端相连，第一SM模块的另一端分别与所述直流输入电源Udc1的正极和输入电容C1的正极相连，第二SM模块的另一端分别与直流输入电源Udc2的负极和输入电容C2的负极相连，所述输入电容C2的正极分别与输入电容C1的负极和电阻R一端相连并接地。
3.如权利要求1所述的一种压接型IGBT串联模块化电压源换流器，其特征在于，所述子sm模块包括电容C和多个串联的IGBT模块，所述电容C与所述多个串联的IGBT模块并联。
4.如权利要求3所述的一种压接型IGBT串联模块化电压源换流器，其特征在于，所述IGBT模块包括IGBT、二极管、电容、第一电阻和第二电阻；
所述电容与第一电阻串联形成CR串联支路；
IGBT和二极管并联形成IGBT器件；
所述CR串联支路分别与IGBT器件和第二电阻并联。
5.如权利要求4所述的一种压接型IGBT串联模块化电压源换流器，其特征在于，所述IGBT为压接型IGBT。
6.如权利要求3所述的一种压接型IGBT串联模块化电压源换流器，其特征在于，所述n＝7，所述IGBT模块的数量为4；包括：第一IGBT模块、第二IGBT模块、第三IGBT模块、第四IGBT模块；
所述第一IGBT模块、第二IGBT模块、第三IGBT模块和第四IGBT模块依次串联后与所述电容C并联。
7.如权利要求6所述的一种压接型IGBT串联模块化电压源换流器，其特征在于，子sm模块的电压取值范围为2.6kV-3.5kV。
8.如权利要求1所述的一种压接型IGBT串联模块化电压源换流器，其特征在于，所述m的取值为
Figure FDA0002813171180000021
其中
Figure FDA0002813171180000022
表示向上取整。
9.如权利要求1所述的一种压接型IGBT串联模块化电压源换流器，其特征在于，所述步骤二还包括：通过测量电感L两端的电压UL，计算子sm模块的平均电压UAV和直流输入电源电压Udc。
10.如权利要求9所述的一种压接型IGBT串联模块化电压源换流器，其特征在于，
所述子sm模块的平均电压UAV如下式所示：
Figure FDA0002813171180000023
其中，a表示第一SM模块中子sm模块同时开通的个数，b表示第二SM模块中子sm模块同时开通的个数，UL为电感L两端的电压；
所述直流输入电源电压Udc如下式所示：
Udc＝Udc1+Udc2＝UAV(a+b)。
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