CN110994974B - 一种低损耗模块化多电平直流直流变换器及其子模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低损耗模块化多电平直流直流变换器及其子模块，所述子模块拓扑由两个半桥结构、四个电容和两个续流二极管组成，所述半桥结构中，第一个半桥包括第一开关模块和第二开关模块，第二个半桥包括第三开关模块和第四开关模块；所述第一开关模块的负极与所述第二开关模块的正极相连，所述第二开关模块的负极与所述第三开关模块的正极相连，所述第三开关模块的负极与所述第四开关模块的正极相连。所述变换器包括三个相单元，每一个相单元分三个桥臂，其中，低压侧桥臂由若干个串联的所述低损耗模块化多电平直流直流变换器子模块组成。本发明通过控制开关模块的开断即可实现直流侧短路的故障阻断，同时不会增加损耗。

Description

一种低损耗模块化多电平直流直流变换器及其子模块

技术领域

本发明涉及电力系统输配电技术领域，具体地，涉及一种低损耗的模块化多电平直流直流变换器及其子模块拓扑。

背景技术

随着可再生能源发电量的提升，可再生能源并网成为了当下一个非常重要的研究方向。

柔性直流输电技术为解决可再生能源并网提供了一种解决思路，具有较强的技术优势。在获得直流电压后，通过直流直流变换器，可以完成电压等级的转化。模块化多电平直流直流变换器的每个子模块的结构相对简单，控制容易，且由于模块化易于拓展的特性使之特别适合与高压直流输电领域。模块化多电平直流直流变换器输入输出的电压等级可以通过调整桥臂中子模块的数目及控制进行调整。

传统的模块化多电平直流直流变换器采用半桥结构的子模块拓扑，而半桥子模块拓扑由于下管的反并联二极管不受控制脉冲控制，在高压直流侧发生短路故障时会形成低压侧到直流故障点的续流回路，从而将短路故障传递到低压侧，对低压侧电网稳定性造成影响。所以需要通过一定方式阻断故障电流。然而，直流断路器目前暂无成熟的技术，且造价过于昂贵。故需要一种子模块拓扑，对这种子模块进行控制即可阻断直流侧故障。

现有具有故障阻断能力的子模块拓扑普遍存在一个问题，即在直流直流变换器正常工作状态下每个具备故障阻断能力的子模块相对半桥会有一个额外开关器件位于正常的电流路径上，该器件处于常开状态。当出现故障时，该开关器件关断，从而使得电流从另一条路径流通，以实现故障电流阻断或限制的效果。该额外的开关器件将增加系统的导通损耗，从而造成资源的损失。

经检索，中国发明专利申请号：201910726553.8，该专利公开了一种具有故障阻断能力的柔性直流输电DC/DC变换器，所述柔性直流输电DC/DC变换器包括晶闸管串T11、晶闸管串T12、晶闸管串T21、晶闸管串T22、半桥子模块串、电感L，半桥子模块串包括半桥子模块SM1～半桥子模块SMN；晶闸管串T11和T21反向并联，分别与直流低压侧正极和半桥子模块SM1的输入级相连；晶闸管串T12和T22反向并联，分别与直流高压侧正极和半桥子模块SM1输入级相连；半桥子模块SMN的电流输出端与电感L的第一端相连；电感L的第二端同时与直流低压侧负极和直流高压侧负极相连。

但是上述专利存在以下不足：在正常运行状态下，对各个晶闸管的驱动信号必须保持同时性，而且必须得保证各个晶闸管运行时的均压，对于驱动电路和均压电路提出了较高的需求。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的提供一种具备故障阻断能力的低损耗的模块化多电平直流直流变换器，通过控制逆阻型绝缘栅双极晶体管的开断即可实现直流侧短路的故障阻断，同时不会增加损耗。

根据本发明的第一方面，提供一种低损耗模块化多电平直流直流变换器子模块，所述子模块拓扑由两个半桥结构、四个电容和两个续流二极管组成，其中：

所述半桥结构中，第一个半桥包括第一开关模块和第二开关模块，第二个半桥包括第三开关模块和第四开关模块；所述第一开关模块的负极与所述第二开关模块的正极相连，所述第二开关模块的负极与所述第三开关模块的正极相连，所述第三开关模块的负极与所述第四开关模块的正极相连；

所述四个电容中，第一个电容的正极与所述第一开关模块的正极相连；所述第一个电容的负极与第二个电容的正极相连；所述第二个电容的负极与所述第二开关模块的负极相连；第三个电容的正极与所述第三开关模块的正极相连；所述第三个电容的负极与第四个电容的正极相连，所述第四个电容的负极与所述第四开关模块的负极相连；

所述两个续流二极管中，第一个续流二极管的正极与所述第一个电容的负极相连，所述第一个续流二极管的负极与所述第四开关模块的正极相连，所述第二个续流二极管的正极与所述第二开关模块的正极相连，所述第二个续流二极管的负极与所述第三个电容的负极相连；

所述第一开关模块的负极和所述第二开关模块的正极之间的节点作为整个子模块的第一个输出端子；所述第三开关模块的负极和所述第四开关模块的正极之间的节点作为整个子模块的第二个输出端子。

可选地，所述第一开关模块、所述第四开关模块均由一个绝缘栅双极晶体管和一个二极管反并联组成。

可选地，所述第二开关模块、所述第三开关模块均为逆阻型开关模块。进一步的，所述第二开关模块由第一逆阻型绝缘栅双极晶体管和与之反并联的第二逆阻型绝缘栅双极晶体管组成。所述第三开关模块由第三逆阻型绝缘栅双极晶体管和与之反并联的第四逆阻型绝缘栅双极晶体管组成。

可选地，正常工作情况下，所述第二开关模块的负极接第一个输出端子的第二逆阻型绝缘栅双极晶体管以及第三开关模块的正极接第二个输出端子的第四逆阻型绝缘栅双极晶体管保持导通状态；所述两个续流二极管由于承受反压保持关断状态，不加入电路，从而不产生导通损耗。

根据本发明第二方面，提供一种低损耗模块化多电平直流直流变换器，包括三个相单元，每一个相单元分三个桥臂，所述三个桥臂Y型连接，非公共端分别连接高压侧母线正极、低压侧母线正极以及地，连接所述高压侧母线正极的桥臂记为高压侧桥臂，连接所述低压侧母线正极的桥臂记为低压侧桥臂，连接地的桥臂记为辅助桥臂，其中，所述高压侧桥臂和所述辅助桥臂的每个桥臂由若干半桥模块和一个电感串联组成，所述低压侧桥臂由若干个串联的上述的所述低损耗模块化多电平直流直流变换器子模块组成。

可选地，所述变换器在直流输电系统中，当检测到高压侧或低压侧发生双极短路故障时，关断所述变换器中所有全控开关的触发脉冲，即实现故障阻断。所述全控开关包括所述第一开关模块、所述第四开关模块中的绝缘栅双极晶体管，以及，所述第二开关模块、所述第三开关模块中的逆阻型绝缘栅双极晶体管。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明上述的低损耗模块化多电平直流直流变换器子模块拓扑，在正常状态下，该拓扑与传统半桥子模块具有相同的导通元件数量，因而也具有相近的导通损耗。

本发明上述的低损耗模块化多电平直流直流变换器，采用模块化结构，各模块的工作相对独立，不需要同时触发，且单一模块出现故障后可以旁路，相较之下，具有更高的可靠性。

本发明上述的低损耗模块化多电平直流直流变换器及其子模块拓扑，通过控制开关模块的状态，能够实现高低压侧直流故障情况下的故障隔离，且隔离速度快。

本发明上述的低损耗模块化多电平直流直流变换器及其子模块拓扑，在故障时能保持子模块电容电压，恢复供电速度快。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的多电平直流直流变换器子模块拓扑结构图；

图2为本发明一实施例中含子模块的多电平直流直流变换器原理图；

图3为本发明一实施例中多电平直流直流变换器在高压侧直流故障下经开关管控制后的等效电路图；

图4为本发明一实施例中多电平直流直流变换器在低压侧直流故障下经开关管控制后的等效电路图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明进行详细的说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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，这都属于本发明的保护范围。

图1为本发明一实施例的多电平直流直流变换器子模块拓扑结构图。参照图1所示，低损耗的模块化多电平直流直流变换器的子模块拓扑结构由两个半桥结构、四个电容C₁～C₄和两个续流二极管D₃～D₄组成。

两个半桥结构中，第一个半桥包括第一开关模块、第二开关模块；第一开关模块T₁的负极与第二开关模块的正极相连。第二个半桥包括第三开关模块和第四开关模块；第三开关模块的负极与第四开关模块的正极相连；第三开关模块的正极与第二开关模块的负极相连。具体的，参照图1所示，第一开关模块由一个绝缘栅双极晶体管T₁和一个二极管D₁反并联组成；第四开关模块由一个绝缘栅双极晶体管T₂和一个二极管D₂反并联组成；第二开关模块为逆阻型开关模块，由第一逆阻型绝缘栅双极晶体管T_R1和与之反并联的第二逆阻型绝缘栅双极晶体管T_R2组成，第三开关模块为逆阻型开关模块，由第三逆阻型绝缘栅双极晶体管T_R3和与之反并联的第四逆阻型绝缘栅双极晶体管T_R4组成。

四个电容中，第一个电容C₁的正极与第一开关模块T₁的正极相连；第一个电容C₁的负极与第二个电容C₂的正极相连；第二个电容C₂的负极与第二开关模块的负极相连；第三个电容C₃的正极与第三开关模块的正极相连；第三个电容C₃的负极与第四个电容C₄的正极相连；第四个电容C₄的负极与第四开关模块的负极相连；第一个续流二极管正极D₃与第一个电容C₁的负极相连；第一个续流二极管D₃的负极与第四开关模块正极相连；第二个续流二极管D₄的正极与第二开关模块正极相连；第二个续流二极管D₄负极与第三个电容C₃的负极相连。

上述实施例的多电平换流器子模块，第一开关模块的负极和第二开关模块正极之间的节点为第一个输出端子1；第三开关模块负极和第四开关模块正极之间的节点作为第二个输出端子2。其中第一个输出端子1连接一个半桥结构的输出口和第二续流二极管D₄的阴极，第二个输出端子2连接另一个半桥结构的输出口和第一续流二极管D₃的阳极。

上述子模块在直流侧正常工况下，第二开关模块、第三开关模块中T_R2和T_R4管处于常通状态，等效于T_R1和T_R3的反并联二极管，整个模块等效于两个半桥模块串联，因此可输出0，V_C，2V_C三种电平。正常工况下，续流二极管D₃和D₄由于至少承受幅值为0.5V_C的反向电压，处于关断状态，因此不会产生损耗。

在正常工况下，该子模块产生3种电平时电流均只通过2个半导体开关器件，与两个串联的半桥模块的在正常工作时，电流流过的开关器件数目相同。由已有器件的数据手册分析可以得出，该新提出的子模块具备低于所有现有具备故障阻断能力的子模块的导通损耗。

图2是本发明一实施例中的低损耗的模块化多电平直流直流变换器的结构图。参照图2所示，该实施例中的三相模块化多电平直流直流变换器结构，其低压侧桥臂每个子模块均由图1所示的子模块组成。具体的，三相模块化多电平直流直流变换器包括三个相单元，每一个相单元分三个桥臂，三个桥臂Y型连接，非公共端分别连高压侧母线正极，低压侧母线正极以及地。连高压侧母线正极的桥臂记为高压侧桥臂，连低压侧母线正极的桥臂记为低压侧桥臂，连地的桥臂记为辅助桥臂。其中高压侧桥臂和辅助桥臂每个桥臂由若干常规半桥模块和一个电感串联组成，低压侧桥臂由若干个串联的上述多电平直流直流变换器子模块(图1所示)组成。

上述的三相模块化多电平直流直流变换器在直流输电系统中，当检测到高压侧或低压侧发生双极短路故障时，关断直流直流变换器中的所有全控开关(具体包括绝缘栅双极晶体管T₁、T₂，逆阻型绝缘栅双极晶体管T_R1～T_R4)的触发脉冲，即可实现故障阻断。

图3为本发明一实施例中多电平直流直流变换器在高压侧直流故障下经开关管控制后的等效电路图。参照图3所示，当高压侧发生短路故障后，封锁所有全控开关触发脉冲之后，等效电路如图所示。对于变换器低压侧桥臂中的上述多电平直流直流变换器子模块来说，当电流从第一个输出端子1流入时，该子模块等效于两个二极管和四个电容串联；当电流从第二个输出端子2流入时，该子模块相当于两个二极管和两个电容串联。

当高压侧发生短路故障后，由于高压侧电压低于每个相单元中所有子模块电容电压的串联，故电流方向应为从第二个输出端子2流入。图3中标注出了该模块化多电平直流直流变换器的一条电流通路。对于变换器低压侧桥臂中的上述多电平直流直流变换器子模块，故障电流的路径为D₃->C₁->C₂->D₄。设高压侧电压额定值为V_H，高压侧电压额定值为V_L，二极管D₁两端的电压为V_D1，二极管D₂两端的电压为V_D2，续流二极管D₃两端的电压为V_D3，续流二极管D₄两端的电压为V_D4，高压侧桥臂和辅助桥臂的均使用半桥模块，故将模块中的器件名称均加上h表示半桥。子模块中二极管D_1h和D_2h的压降分别记为V_D1h和V_D2h，各高压侧桥臂均有N_H个子模块，各辅助桥臂有N_A个子模块，各低压侧桥臂有N_L个子模块，每个子模块的电压为V_C。取单相分析，设高压侧桥臂输出电压的直流分量由V_{H_DC}表示，低压侧桥臂输出电压的直流分量由V_{L_DC}表示，高压侧桥臂输出电压的直流分量由V_{A_DC}表示。可以由模块化多电平直流直流变换器运行特点得出：

V_H＝V_{H_DC}+V_{A_DC}

V_L＝V_{L_DC}+V_{A_DC}

V_H-V_L＝V_{H_DC}-V_{L_DC}

高压侧直流故障时，取图3所示的电流路径，忽略电感上的压降可得低压侧桥臂的每个子模块内续流二极管D₃和D₄的平均压降：

选择满足：V_L-N_L·V_C＜0的低压侧桥臂子模块数量即可保证高压侧直流短路时能阻断故障电流。易证明若选取故障电流路径经过辅助桥臂，则条件更容易满足。这是因为：若流过辅助桥臂，必然需要经过辅助桥臂的上续流二极管D_1h并从辅助桥臂中的子模块电容正极流入，所以辅助桥臂的每个子模块将输出V_C来阻断故障。

图4为本发明一实施例中多电平直流直流变换器在低压侧直流故障下经开关管控制后的等效电路图。低压侧直流短路故障时，取图4所示的电流路径，忽略电感上的压降可得高压侧每个子模块的D_1h二极管上的平均压降为：

选择满足：V_H-(2N_L+N_H)·V_C＜0的高压侧半桥子模块数量即可保证高压侧直流短路时能阻断故障电流。易证明若选取故障电流路径流经辅助桥臂，则条件更容易满足。这是因为：若流过辅助桥臂，必然需要经过辅助桥臂的上续流二极管D_1h并从辅助桥臂中的子模块电容正极流入，所以辅助桥臂的每个子模块将输出V_C来阻断故障。而正常态运行时，高压侧桥臂和辅助桥臂组成的系统与模块化多电平换流器结构相同，故直流母线电压低于每相所有子模块电容电压之和。

综上，本发明上述实施例中的低损耗模块化多电平直流直流变换器及其子模块拓扑，通过控制开关模块的开断即可实现直流侧短路的故障阻断，同时不会增加损耗。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种低损耗模块化多电平直流直流变换器子模块，其特征在于：所述子模块拓扑由两个半桥结构、四个电容和两个续流二极管组成，其中：

所述半桥结构中，第一个半桥包括第一开关模块和第二开关模块，第二个半桥包括第三开关模块和第四开关模块；所述第一开关模块的负极与所述第二开关模块的正极相连，所述第二开关模块的负极与所述第三开关模块的正极相连，所述第三开关模块的负极与所述第四开关模块的正极相连；所述第二开关模块和所述第三开关模块为逆阻型开关模块；

所述四个电容中，第一个电容的正极与所述第一开关模块的正极相连；所述第一个电容的负极与第二个电容的正极相连；所述第二个电容的负极与所述第二开关模块的负极相连；第三个电容的正极与所述第三开关模块的正极相连；所述第三个电容的负极与第四个电容的正极相连，所述第四个电容的负极与所述第四开关模块的负极相连；

所述两个续流二极管中，第一个续流二极管的负极与所述第一个电容的负极相连，所述第一个续流二极管的正极与所述第四开关模块的正极相连，所述第二个续流二极管的负极与所述第二开关模块的正极相连，所述第二个续流二极管的正极与所述第三个电容的负极相连；

所述第一开关模块的负极和所述第二开关模块的正极之间的节点作为整个子模块的第一个输出端子；所述第三开关模块的负极和所述第四开关模块的正极之间的节点作为整个子模块的第二个输出端子。

2.根据权利要求1所述的低损耗模块化多电平直流直流变换器子模块，其特征在于：所述第一个输出端子连接第一个半桥结构的输出口和第二续流二极管的阴极，所述第二个输出端子连接第二个半桥结构的输出口和第一续流二极管的阳极。

3.根据权利要求1所述的低损耗模块化多电平直流直流变换器子模块，其特征在于：所述第一开关模块、所述第四开关模块均由一个绝缘栅双极晶体管和一个二极管反并联组成。

4.根据权利要求1所述的低损耗模块化多电平直流直流变换器子模块，其特征在于：所述第二开关模块由第一逆阻型绝缘栅双极晶体管和与之反并联的第二逆阻型绝缘栅双极晶体管组成。

5.根据权利要求1所述的低损耗模块化多电平直流直流变换器子模块，其特征在于：所述第三开关模块由第三逆阻型绝缘栅双极晶体管和与之反并联的第四逆阻型绝缘栅双极晶体管组成。

6.根据权利要求5所述的低损耗模块化多电平直流直流变换器子模块，其特征在于：正常工作情况下，所述第二开关模块的负极接第一个输出端子的第二逆阻型绝缘栅双极晶体管以及第三开关模块的正极接第二个输出端子的第四逆阻型绝缘栅双极晶体管保持导通状态；所述两个续流二极管由于承受反压保持关断状态，不加入电路，从而不产生导通损耗。

7.一种低损耗模块化多电平直流直流变换器，包括三个相单元，每一个相单元分三个桥臂，其特征在于：所述三个桥臂Y型连接，非公共端分别连接高压侧母线正极、低压侧母线正极以及地，连接所述高压侧母线正极的桥臂记为高压侧桥臂，连接所述低压侧母线正极的桥臂记为低压侧桥臂，连接地的桥臂记为辅助桥臂，其中，所述高压侧桥臂和所述辅助桥臂的每个桥臂由若干半桥模块和一个电感串联组成，所述低压侧桥臂由若干个串联的权利要求1-6任一项所述低损耗模块化多电平直流直流变换器子模块组成。

8.根据权利要求7所述的低损耗模块化多电平直流直流变换器，其特征在于：所述变换器在直流输电系统中，当检测到高压侧或低压侧发生双极短路故障时，关断所述变换器中所有全控开关的触发脉冲，即实现故障阻断。

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