CN110233488A - 一种单向全桥模块化多电平集中卸荷电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种单向全桥模块化多电平集中卸荷电路，属于电力电子功率变换技术领域。本发明的单向全桥模块化多电平集中卸荷电路，包括模块化多电平桥臂和集中卸荷电阻，模块化多电平桥臂由N个相同的单向电流型全桥子模块级联构成。通过模块化多电平桥臂电压的控制实现对集中电阻上的电压和消耗功率的调节，可以避免开关器件的直接串联，更易于工程实现。本发明采用集中卸荷电阻，可以避免分布卸荷电阻所需的复杂的冷却系统所带来的成本和体积问题。本发明的卸荷电路采用单向电流型全桥子模块，将所需的开关器件数量降低一倍，从而大大降低装置的成本和体积。因此本发明以更高的性能、更低成本和更低的占地实现直流输电线路的直流卸荷和故障穿越。
Description
技术领域
本发明涉及一种单向全桥模块化多电平集中卸荷电路，属于电力电子功率变换技术领域。
背景技术
柔性直流输电已经成为目前最有潜质的新型电力传输方式，并且已经越来越多的用于大型风电场的接入中。在柔性直流输电线路正常运行时，风电机组发出的能量与受端交流网络消耗的能量保持平衡。当受端网络发生故障时，其消耗能量的能力下降，而送端却未受影响，直流线路送端和受端将出现功率差额，并随故障的持续而不断积累，导致直流侧电压升高。为避免系统崩溃，需要设计合适的柔性直流输电系统故障穿越手段，使直流线路的电压维持在一个相对稳定的范围内。
基于耗能电阻的卸荷电路是消耗功率差额的有效手段。常规的斩波电阻卸荷电路是通过对集中电阻进行斩波来调整电阻上消耗的功率。这种电路通常需要大量开关器件串联，而由于开关器件串联时的静动态均压问题，其在实际工程中的实现受到很大制约。模块式分布卸荷电路是由一系列串联连接的卸荷子模块构成，每个卸荷子模块主要包含一个直流电容器、斩波开关器件和分布式卸荷电阻。在模块式分布卸荷电路中，由于卸荷电阻分布在每个卸荷子模块中，使卸荷子模块的体积较大，并且对于分布式卸荷电阻还需要采用额外的冷却措施，导致装置体积和成本较高。为了能够采用集中卸荷电阻的方式，并能够避免器件的直接串联，另一类方式是多电平全桥模块卸荷电路。多电平全桥模块卸荷电路由全桥级联子模块与集中式卸荷电阻构成，通过控制全桥模块级联桥臂输出的电压可控制卸荷电阻的电压，从而达到控制所耗功率的目的。相比采用分布式电阻冷却系统的模块式分布卸荷电路，采用集中卸荷电阻的方式可以不需要额外的冷却系统。但是由于每个全桥子模块需要四只开关器件，使多电平全桥模块卸荷电路的成本和体积都非常高，限制了在工程中的实际应用。
发明内容
本发明的目的是提出一种单向全桥模块化多电平集中卸荷电路，针对现有的斩波电阻卸荷电路开关器件串联困难、模块式分布卸荷电路的分布卸荷电阻的冷却系统复杂、多电平全桥模块卸荷电路所需开关器件数量巨大等缺点，采用单向电流型全桥子模块构成模块化多电平桥臂，通过控制模块化多电平桥臂的电压控制集中卸荷电阻上的电压，从而控制卸荷功率。
本发明提出的单向全桥模块化多电平集中卸荷电路，卸荷电路包括模块化多电平桥臂和集中卸荷电阻，模块化多电平桥臂由N个相同的单向电流型全桥子模块级联构成，桥臂上端为直流正端，桥臂下端与集中卸荷电阻的一端连接，集中卸荷电阻的另一端构成直流负端，其特征在于所述的模块化多电平桥臂由N个单向电流型全桥子模块依次顺序级联而成，所述的单向电流型全桥子模块由第一开关、第二开关、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、直流电容组成；所述的第一开关的集电极、第一二极管的阴极、第三二极管的阳极相互连接后构成单向电流型全桥子模块的第一端子；所述的第一开关的发射极、第一二极管的阳极、第四二极管的阳极和直流电容的负极相互连接；所述的第二开关的集电极、第二二极管的阴极、第三二极管的阴极和直流电容的正极相互连接；所述的第二开关的发射极、第二二极管的阳极和第四二极管的阴极相互连接构成单向电流型全桥子模块的第二端子。
本发明提出的单向全桥模块化多电平集中卸荷电路，其优点是：
本发明的单向全桥模块化多电平集中卸荷电路，通过模块化多电平桥臂电压的控制实现对集中电阻上的电压和消耗功率的调节，可以避免开关器件的直接串联，更易于工程实现。由于本发明技术方案是采用集中卸荷电阻，可以避免分布卸荷电阻所需的复杂的冷却系统所带来的成本和体积问题。相对于多电平全桥模块卸荷电路，本发明的技术方案采用单向电流型全桥子模块，可以将所需的开关器件数量降低一倍，从而大大降低装置的成本和体积。采用本发明的技术方案，可以以更高的性能、更低成本和更低的占地实现直流输电线路的直流卸荷和故障穿越。
附图说明
图1是本发明提出的单向全桥模块化多电平集中卸荷电路的结构示意图。
图2是本发明的单向电流型全桥子模块的结构示意图。
图3、图4、图5和图6是本发明的单向电流型全桥子模块的四种电压输出状态的示意图。
具体实施方式
本发明提出的单向全桥模块化多电平集中卸荷电路，其结构如图1所示，卸荷电路包括模块化多电平桥臂和集中卸荷电阻，模块化多电平桥臂由N个相同的单向电流型全桥子模块级联构成，桥臂上端为直流正端，桥臂下端与集中卸荷电阻的一端连接，集中卸荷电阻的另一端构成直流负端，其特征在于所述的模块化多电平桥臂由N个单向电流型全桥子模块依次顺序级联而成。所述的单向电流型全桥子模块的结构如图2所示，由第一开关S1、第二开关S2、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、直流电容C组成；所述的第一开关S1的集电极、第一二极管D1的阴极、第三二极管D3的阳极相互连接后构成单向电流型全桥子模块的第一端子T1；所述的第一开关S1的发射极、第一二极管D1的阳极、第四二极管D4的阳极和直流电容C的负极相互连接；所述的第二开关S2的集电极、第二二极管D2的阴极、第三二极管D3的阴极和直流电容C的正极相互连接；所述的第二开关S2的发射极、第二二极管D2的阳极和第四二极管D4的阴极相互连接构成单向电流型全桥子模块的第二端子T2。
以下结合附图，详细介绍本发明的工作原理和工作过程：
设直流线路的额定电压为Udc，如果将N个单向电流型全桥子模块端口的T1和T2端子依次级联构成的一个模块化多电平桥臂，每个单向电流型全桥子模块内直流电容上额定直流电压E可以如下表示：
模块化多电平桥臂的电流总是从各子模块的第一端子T1端口流入、第二端子T2端口流出，子模块的控制方式和电压输出状态如下：
1)当第一开关S1关断、第二开关S2关断，如图3所示，子模块端口的输出电压为E；
2)当第一开关S1导通、第二开关S2关断，如图4所示，子模块端口的输出电压为0；
3)当第一开关S1关断、第二开关S2导通，如图5所示，子模块端口的输出电压为0；
4)当第一开关S1导通、第二开关S2导通，如图6所示，子模块端口的输出电压为-E；
如上所述，子模块的端口可以输出E、0、-E三种电压状态。
对于将N个所述子模块的模块化多电平桥臂，桥臂电压Ubrg就可以在N×E、…2E、E、0、-E…-N×E之间变化。集中卸荷电阻上的电压可以表示为：
UR＝Udc-Ubrg (2)
根据式(1)和式(2)，可以看出集中卸荷电阻上的电压可以在0、E、2E、…2N×E之间变化。如果集中卸荷电阻的阻值为R，则集中卸荷电阻上的功率为：
因此通过模块化多电平桥臂电压的变化，就可以连续调节集中卸荷电阻上的功率的变化，消除直流输电线路上的功率差额，实现直流输电线路的故障穿越控制。
Claims (1)
1.一种单向全桥模块化多电平集中卸荷电路，该卸荷电路包括模块化多电平桥臂和集中卸荷电阻，模块化多电平桥臂由N个相同的单向电流型全桥子模块依次顺序级联构成，桥臂上端为直流正端，桥臂下端与集中卸荷电阻的一端连接，集中卸荷电阻的另一端构成直流负端，其特征在于，所述的模块化多电平桥臂中的单向电流型全桥子模块由第一开关、第二开关、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、直流电容组成；所述的第一开关的集电极、第一二极管的阴极、第三二极管的阳极相互连接后构成单向电流型全桥子模块的第一端子；所述的第一开关的发射极、第一二极管的阳极、第四二极管的阳极和直流电容的负极相互连接；所述的第二开关的集电极、第二二极管的阴极、第三二极管的阴极和直流电容的正极相互连接；所述的第二开关的发射极、第二二极管的阳极和第四二极管的阴极相互连接构成单向电流型全桥子模块的第二端子。
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