CN107947613A - 一种基于igct的高压大容量模块化多电平换流器 - Google Patents

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Abstract

一种基于IGCT的高压大容量模块化多电平换流器，包括多个桥臂，每个桥臂具有N个结构相同的子模块SM；每个子模块SM包括：1)IGCT半桥模块；2)驱动电源；3)缓冲电路；4)电压裁剪电路；5)直流电容；6)平衡放电电路；7)旁路开关；8)电流采集电路；9)子模块控制器。有效提高模块化多电平换流器的电压和容量，降低损耗，提高故障承受能力，提高可靠性。

Description

一种基于IGCT的高压大容量模块化多电平换流器
技术领域
本发明属于电气自动化设备领域，特别涉及一种基于IGCT的高压大容量模块化多电平换流器。
背景技术
模块化多电平换流器(ModularMultilevelConverter,MMC)是一种不需要变压器而实现高、中压电力转换的多级转换器，由多个结构相同的子模块(Sub-module,SM)级联构成。子模块的结构可以分为半H桥型、全H桥型和箝位双子模块型等。相比传统直流输电系统使用的两电平与三电平换流器，MMC采用子模块级联避免了开关管的直接串联，提高换流器的可靠性。模块化多电平换流器MMC已经展现出极其重要的工程应用前景。
现有技术的模块化多电平变换器，如图1所示，子模块中的基础器件S1和S2采用绝缘栅双极型晶体管(Insulatedgatebipolartransistor,IGBT)器件。虽然IGBT器件兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降、节能、安装维修方便、散热稳定等特点，但IGBT器件同时也存在损耗大，可靠性低等不足。
而集成门极换流晶闸管(TheIntegratedGateCommutatedThyristor，IGCT)器件的通态压降远低于IGBT器件，并且IGCT器件失效后呈可靠地短路特性，易于MMC模块串联。此外，IGCT器件制造工艺相对简单，成本远低于IGBT器件。
发明内容
针对现有技术方案的缺陷与不足，本发明提出一种基于IGCT的高压大容量模块化多电平换流器。
技术方案如下：
一种基于IGCT的高压大容量模块化多电平换流器，包括多个桥臂，每个桥臂包括N个结构相同的子模块SM，其中N为正整数，
所述子模块SM包括：IGCT半桥模块；
所述IGCT半桥模块包括串联的两个IGCT器件S1与S2，和二极管D1与D2；
所述IGCT器件S1的阴极与所述IGCT器件S2的阳极相连，所述IGCT器件S1和S2分别与所述二极管D1和D2反并联连接。
其中，所述子模块SM进一步包括吸收电路，所述吸收电路包括电容RC1、电阻CR1和电容RC2、电阻CR2。
所述子模块SM进一步包括驱动电源，所述驱动电源包括具有一个输出端的两个独立电源，或包括具有二个输出端的单个独立电源；所述驱动电源的输入端与外部电源连接；所述驱动电源的输出端分别与所述IGCT器件S1和S2的门极驱动GDU1和GDU2的输入端相连。
所述缓冲电路包括阳极电感LA，电阻RA，二极管DA和电容CCL；所述电阻RA与所述二极管DA串联连接后，与所述阳极电感LA并联；所述阳极电感LA的一端连接所述电阻RA，另一端连接所述二极管DA的正极；所述二极管DA的正极与所述IGCT器件S1的阳极相连；所述二极管DA的负极与所述电容CCL的一端相连，所述电容CCL的另一端与所述IGCT器件S2的阴极相连。
所述电压采集电路包括分压电阻RVD和电压传感器LVD，所述电压采集电路与缓冲电路和直流电容并联连接，所述电压传感器LVD的输出端连接子模块控制器的采样输入端。
所述直流电容包括1个电容或者串联/并联的多个电容，所述直流电容的正极接缓冲电路中的阳极电感LA和电阻RA的公共端，所述直流电容的负极与所述IGCT器件S2的阴极相连。
所述子模块SM进一步包括平衡放电电路，所述平衡放电电路包括串联连接的放电电阻RFD和电子开关SFD，所述平衡放电电路与直流电容并联连接。
所述子模块SM进一步包括电流采集电路，用于采集子模块电流；所述电流采集电路包括1个或多个电流传感器，所述电流传感器与所述IGCT器件S2的阳极相连，所述电流传感器的输出端接入子模块控制器电流采样接口。
所述子模块SM进一步包括子模块控制器；所述子模块控制器与所述模块化多电平换流器的主控制器通过光纤输入和输出接口连接；所述子模块控制器通过所述光纤输入和输出接口连接控制放电回路的半导体电子开关；所述子模块控制器通过电流电压采样接口接收电压和电流传感器的输出信号；所述子模块控制器通过所述光纤输入和输出接口连接控制IGCT器件S1和S2的驱动与关断；所述子模块控制器通过所述光纤输入和输出接口连接接收IGCT器件S1和S2的状态信号；通过所述子模块控制器实现子模块电压、电流信号采集，故障处理，开关管驱动，保证子模块安全、有效的工作。
所述子模块SM进一步包括旁路开关，所述旁路开关采用机械开关或半导体开关，所述旁路开关与IGCT器件S2并联连接。
采用上述技术方案，本发明的有益效果在于：
本发明的高压大容量模块化多电平换流器子模块采用IGCT器件，并针对IGCT半桥模块相应采用相适应的驱动电源；缓冲电路；电压采集电路；直流电容；平衡放电电路；旁路开关；电流采集电路；子模块控制器等各功能模块，有效提高模块化多电平换流器的电压和容量，降低损耗，提高故障承受能力，提高可靠性。
附图说明
图1一种现有技术模块化多电平换流器。
图2本发明的基于IGCT的高压大容量模块化多电平换流器。
具体实施方式
结合本发明的技术方案和附图进一步阐述本发明的具体实施例。
本发明的基于IGCT的高压大容量模块化多电平换流器，如图2所示。模块化多电平换流器包括多个桥臂，例如模块化多电平换流器为三相电路时，模块化多电平换流器包括6个桥臂；模块化多电平换流器为单相电路时，模块化多电平换流器包括4个桥臂。每个桥臂具有N个结构相同的子模块SM(SMap1，SMap2...SMapn,SMan1...SMann,SMbp1...SMcnn)。
每个子模块SM包括：1)IGCT半桥模块；2)驱动电源；3)缓冲电路；4)电压采集电路；5)直流电容；6)平衡放电电路；7)旁路开关；8)电流采集电路；9)子模块控制器。
1)IGCT半桥模块，包括串联的两个IGCT器件S1和S2，IGCT器件S1的阴极与IGCT器件S2的阳极相连，IGCT器件S1和S2分别与二极管D1和D2反并联连接，同时并联连接吸收电路，该吸收电路包括电容RC1、电阻CR1和电容RC2、电阻CR2；如果开关过程的电压尖峰并不高，也可以不设置吸收电路。此结构的IGCT半桥模块具有电压高、容量大、压降低，浪涌承受能力强，可靠性高，压接式封装等技术特点。通过此IGCT半桥模块能够提高模块化多电平换流器的电压和容量，降低换流器的损耗，提高故障承受能力，提高可靠性。
2)驱动电源既可以采用具有一个输出端的两个独立电源，也可以采用具有二个输出端的单个独立电源。驱动电源的输入端与外部电源连接，驱动电源的输出端分别与IGCT器件S1和S2的门极驱动GDU1和GDU2的输入端相连。这种驱动电源具有隔离功能，实现IGCT的驱动供电，同时保证可靠的电气隔离。
3)缓冲电路包括阳极电感LA，电阻RA，二极管DA和电容CCL；电阻RA与二极管DA串联连接后，与电感LA并联，电感LA的一端连接电阻RA，另一端连接二极管DA的正极，二极管DA的正极同时与IGCT器件S1的阳极相连，二极管DA的负极与电容CCL的一端相连，电容CCL的另一端与IGCT器件S2的阴极相连。通过此种缓冲电路减小IGCT器件在开通和关断时刻的电压和电流应力。
4)电压采集电路包括分压电阻RVD和电压传感器LVD，电压采集电路与缓冲电路和直流电容并联连接，电压传感器LVD的输出接子模块控制器的采样输入。通过电压采集电路采集子模块的直流电压。
5)直流电容包括1个或多个电容串、并联，直流电容的正极接缓冲电路中的LA和RA的公共端，直流电容的负极与IGCTS2的阴极相连；通过直流电容起到电压支撑与滤波的作用。
6)平衡放电电路包括串联连接的放电电阻RFD和电子开关SFD，平衡放电电路与直流电容并联连接。在换流器停止工作时，平衡放电电路放掉直流电容上的能量，同时在启动或闭锁状态下，帮助平衡直流电容电压。另外，采用此开关电阻的方案，开关管根据功能需求进行PWM操作，可以减小系统损耗，减小电阻容量。
7)旁路开关可以采用机械开关也可以采用半导体开关，旁路开关与IGCT器件S2并联连接。此旁路既可以设置也可以去掉，基于设计设定。在子模块故障时，通过旁路开关旁路故障子模块。
8)电流采集电路用于采集子模块电流，包括1个或多个电流传感器，电流传感器与IGCT器件S2的阳极相连，电流传感器的输出接入子模块控制器电流采样接口。
9)子模块控制器与主控制器通过光纤输入和输出接口连接，同时通过光纤输入和输出接口控制放电回路的半导体电子开关，通过电流电压采样接口接收电压和电流传感器的输出信号，通过光纤输入和输出接口控制IGCT器件S1和S2的驱动和关断，通过光纤输入和输出接口接收IGCT器件S1和S2的状态信号。通过子模块控制器完成子模块电压、电流信号采集，故障处理，开关管驱动等功能，保证子模块安全、有效的工作。
基于IGCT的高压大容量模块化多电平换流器整体通过主控制器控制所有子模块的操作。
综上所述，本发明的基于IGCT的高压大容量模块化多电平换流器，因为其子模块包括：IGCT半桥模块；驱动电源；缓冲电路；电压采集电路；直流电容；平衡放电电路；旁路开关；电流采集电路和子模块控制器等多个功能模块，尤其IGCT半桥模块采用IGCT器件，同时各模块针对IGCT半桥模块采用对应电路结构，有效提高模块化多电平换流器的电压和容量，降低损耗，提高故障承受能力，提高可靠性。
尽管根据上述实施例描述了本发明，但所属技术领域的技术人员应该理解，可以在所附权利要求的精神和范围内通过修改实现本发明。所有这些变化和修改都旨在落入所附权利要求的范围内。因此，示例和附图被视为是示例性的而非限制性的。

Claims (10)

1.一种基于IGCT的高压大容量模块化多电平换流器，包括多个桥臂，每个桥臂包括N个结构相同的子模块SM，其中N为正整数，其特征在于：
所述子模块SM包括：IGCT半桥模块；
所述IGCT半桥模块包括串联的两个IGCT器件S1与S2，和二极管D1与D2；
所述IGCT器件S1的阴极与所述IGCT器件S2的阳极相连，所述IGCT器件S1和S2分别与所述二极管D1和D2反并联连接。
2.如权利要求1所述的基于IGCT的高压大容量模块化多电平换流器，其中所述子模块SM进一步包括吸收电路，所述吸收电路包括电容RC1、电阻CR1和电容RC2、电阻CR2。
3.如权利要求1所述的基于IGCT的高压大容量模块化多电平换流器，所述子模块SM进一步包括驱动电源，所述驱动电源包括具有一个输出端的两个独立电源，或包括具有二个输出端的单个独立电源；所述驱动电源的输入端与外部电源连接；所述驱动电源的输出端分别与所述IGCT器件S1和S2的门极驱动GDU1和GDU2的输入端相连。
4.如权利要求1所述的基于IGCT的高压大容量模块化多电平换流器，所述子模块SM进一步包括缓冲电路，所述缓冲电路包括阳极电感LA，电阻RA，二极管DA和电容CCL；所述电阻RA与所述二极管DA串联连接后，与所述阳极电感LA并联；所述阳极电感LA的一端连接所述电阻RA，另一端连接所述二极管DA的正极；所述二极管DA的正极与所述IGCT器件S1的阳极相连；所述二极管DA的负极与所述电容CCL的一端相连，所述电容CCL的另一端与所述IGCT器件S2的阴极相连。
5.如权利要求1所述的基于IGCT的高压大容量模块化多电平换流器，所述子模块SM进一步包括电压采集电路，所述电压采集电路包括分压电阻RVD和电压传感器LVD，所述电压采集电路与缓冲电路和直流电容并联连接，所述电压传感器LVD的输出端连接子模块控制器的采样输入端。
6.如权利要求1所述的基于IGCT的高压大容量模块化多电平换流器，所述子模块SM进一步包括直流电容，所述直流电容包括1个电容或者串联/并联的多个电容，所述直流电容的正极接缓冲电路中的阳极电感LA和电阻RA的公共端，所述直流电容的负极与所述IGCT器件S2的阴极相连。
7.如权利要求1所述的基于IGCT的高压大容量模块化多电平换流器，所述子模块SM进一步包括平衡放电电路，所述平衡放电电路包括串联连接的放电电阻RFD和电子开关SFD，所述平衡放电电路与直流电容并联连接。
8.如权利要求1所述的基于IGCT的高压大容量模块化多电平换流器，所述子模块SM进一步包括电流采集电路，用于采集子模块电流；所述电流采集电路包括1个或多个电流传感器，所述电流传感器与所述IGCT器件S2的阳极相连，所述电流传感器的输出端接入子模块控制器电流采样接口。
9.如权利要求1所述的基于IGCT的高压大容量模块化多电平换流器，所述子模块SM进一步包括子模块控制器；所述子模块控制器与所述模块化多电平换流器的主控制器通过光纤输入和输出接口连接；所述子模块控制器通过所述光纤输入和输出接口连接控制放电回路的半导体电子开关；所述子模块控制器通过电流电压采样接口接收电压和电流传感器的输出信号；所述子模块控制器通过所述光纤输入和输出接口连接控制IGCT器件S1和S2的驱动与关断；所述子模块控制器通过所述光纤输入和输出接口连接接收IGCT器件S1和S2的状态信号；通过所述子模块控制器实现子模块电压、电流信号采集，故障处理，开关管驱动，保证子模块安全、有效的工作。
10.如权利要求1所述的基于IGCT的高压大容量模块化多电平换流器，所述子模块SM进一步包括旁路开关，所述旁路开关采用机械开关或半导体开关，所述旁路开关与IGCT器件S2并联连接。
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