CN111030489B - 一种用于模块化多电平变换器的飞跨电容式子模块电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于模块化多电平变换器的飞跨电容式子模块电路，由2个储能电容和4个带反向二极管的功率开关管组成；当子模块电路用于替换模块化多电平变换器中靠近交流电压输出侧的四个半桥型子模块时，子模块电路的第一电容连接第一开关管的集电极的一端与模块化多电平变换器中的桥臂电感或上桥臂其余的子模块相连，第二开关管的发射极与模块化多电平变换器的负载连接，第一电容连接第四开关管的发射极的一端与模块化多电平变换器中的桥臂电感或下桥臂其余的子模块连接。本发明在保持原有功能不变的情况下，使电容数量减少2个，带反向二极管的功率开关管数量减少4个，从而减少模块化多电平变换器的体积和成本。

Description

一种用于模块化多电平变换器的飞跨电容式子模块电路
技术领域
本发明涉及模块化多电平变换器的技术领域，尤其是指一种用于模块化多电平变换器的飞跨电容式子模块电路。
背景技术
为了满足大容量电力输送以及增强电网可控性的要求，柔性直流输电技术呈现快速发展的势头。作为柔性直流输电工程的核心技术，模块化多电平变换器(modularmultilevel converter，MMC)得到了广泛的应用。现有MMC变换器，尤其是高压领域，大多包含为各种子模块的混合型MMC变换器。在整个MMC变换器中，半桥型子模块占了较大的一部分。虽然相较于传统的整流、逆变器，模块化多电平变换器具有模块化、开关频率低、开关损耗小、开关器件电压应力低等优点，但是模块化多电平变换器在应用过程中也遇到一系列的问题，其中最为突出的是电容问题。从模块化多电平变换器的原理上讲，需要配备大量的电容，这些电容电压应力较高，同时为了控制电容电压纹波，电容值较高，电容占到整个模块化多电平器件的体积的1/2和成本1/3以上。现有技术无法有效缩减模块化多电平变换器中电容的数量，电容已经成为制约模块化多电平变换器技术发展的瓶颈。为此，亟待提出一种新型的模块化多电平拓扑结构，以显著减少模块化多电平变换器的电容数量，实现模块化多电平变换器小型化与制造成本降低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种用于模块化多电平变换器的飞跨电容式子模块电路，可用于替换模块化多电平变换器中靠近交流电压输出侧的四个半桥型子模块，在保持原有功能不变的情况下，使电容数量减少2个，带反向二极管的功率开关管数量减少4个，从而减少模块化多电平变换器的体积和成本。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种用于模块化多电平变换器的飞跨电容式子模块电路，所述子模块电路包括第一电容、第二电容、第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管；所述第一电容的一端和第一开关管的集电极连接；所述第二电容的一端、第一开关管的发射极和第二开关管的集电极连接在一起；所述第二开关管的发射极和第三开关管的集电极连接；所述第二电容的另一端、第三开关管的发射极和第四开关管的集电极连接在一起；所述第一电容的另一端和第四开关管的发射极连接；
当所述子模块电路用于替换模块化多电平变换器中靠近交流电压输出侧的四个半桥型子模块时，所述第一电容连接第一开关管的集电极的一端与模块化多电平变换器中的桥臂电感或上桥臂其余的子模块相连，所述第二开关管的发射极与模块化多电平变换器的负载连接，所述第一电容连接第四开关管的发射极的一端与模块化多电平变换器中的桥臂电感或下桥臂其余的子模块连接。
进一步，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管为带反向二极管的功率开关管，每一个带反向二极管的功率开关管由一个功率开关管和一个功率二极管组成。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、在元件数目上，传统的模块化多电平变换器的四个半桥型子模块(即半桥型子模块组)包含4个电容、8个带反向二极管的功率开关管(每一个带反向二极管的功率开关管由一个功率开关管和一个功率二极管组成)，因此原电路共包含4个电容、8个功率开关管和8个功率二极管。而本发明子模块电路在功能不变的情况下只包含2个电容、4个带反向二极管的功率开关管(每一个带反向二极管的功率开关管由一个功率开关管和一个功率二极管组成)，共计2个电容、4个功率开关管和4个功率二极管，相比原电路电容数量减少2个，带功率开关管数量减少4个，二极管减少4个，因此，使用本发明子模块电路可以大幅降低变换器的体积和成本。
2、在子模块电容电压纹波上，本发明子模块电路中，电容电压纹波不包含基波分量，电容电压纹波的幅值较小，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明的子模块电路结构示意图。
图2为包含本发明子模块电路的三相混合型模块化多电平变换器整体拓扑图。
图3a～图3d为本发明子模块电路的模态图。
图4a～图4f为对应图3a～图3d的四个半桥型子模块(即半桥型子模块组)的模态图。
图5为图2的三相混合型模块化多电平变换器的输出线电压图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本实施例所提供的用于模块化多电平变换器的飞跨电容式子模块电路，包括：2个储能电容，分别为第一电容C1、第二电容C2，4个带反向二极管的功率开关管，分别为第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3和第四开关管T4；所述第一电容C1的一端和第一开关管T1的集电极连接；所述第二电容C2的一端、第一开关管T1的发射极和第二开关管T2的集电极连接在一起；所述第二开关管T2的发射极和第三开关管T3的集电极连接；所述第二电容C2的另一端、第三开关管T3的发射极和第四开关管T4的集电极连接在一起；所述第一电容C1的另一端和第四开关管T4的发射极连接。
当所述子模块电路用于替换模块化多电平变换器中靠近交流电压输出侧的四个半桥型子模块(即半桥型子模块组)时，所述第一电容C1连接第一开关管T1的集电极的一端与模块化多电平变换器中的桥臂电感或上桥臂其余的子模块相连，所述第二开关管T2的发射极与模块化多电平变换器的负载连接，所述第一电容C1连接第四开关管T4的发射极的一端与模块化多电平变换器中的桥臂电感或下桥臂其余的子模块连接。
当本发明子模块电路与桥臂电感相连时，得到的三相混合型模块化多电平变换器的整体拓扑如图2所示。
本发明电路用于模块化多电平变换器时，共包括4个模态，如图3a到图3d所示，与之对应的原先的半桥型子模块组包括6个模态，如图4a到图4f所示。
当第一开关管T1和第二开关管T2关断，第三开关管T3和第四开关管T4导通时，本发明电路处于模态1，如图3a所示。此时变换器对外上桥臂输出电压un为第一电容C1的电压，即2UC，下桥臂输出电压up为0，对应的半桥型子模块组的模态如图4a所示。
当第一开关管T1和第二开关管T2导通，第三开关管T3和第四开关管T4关断时，本发明电路处于模态2，如图3b所示。此时变换器对外上桥臂输出电压un为0，下桥臂输出电压up为第一电容C1的电压，即2UC，对应的半桥型子模块组的模态如图4b所示。
当第一开关管T1和第三开关管T3关断，第二开关管T2和第四开关管T3导通时，本发明电路处于模态3，如图3c所示。此时变换器对外上桥臂输出电压un为第一电容C1电压和第二电容C2电压之差，即2UC―UC＝UC，下桥臂输出电压up为第二电容C2电压，即UC。当第一开关管T1和第三开关管T3导通，第二开关管T2和第四开关管T3关断时，本发明电路处于模态4，如图3d所示。此时变换器对外上桥臂输出电压un为第二电容C2电压，即UC，下桥臂输出电压up为第一电容C1电压和第二电容C2电压之差，即2UC―UC＝UC。模态3和模态4对应的半桥型子模块组的模态如图4c到图4f所示。
通过以上分析，可以看出本发明所提出的电路可以完全替代原半桥型子模块组。同时，本发明所提出的电路与原半桥型子模块组相比，电容、开关管、二极管等元件的数量更少。
为了进一步验证本发明的子模块电路的正确性，对图2所示的电路进行了仿真验证(N＝1)，仿真采用PWM调制方式。由图5可以看出，在使用的本发明子模块电路后的三相混合型模块化多电平变换器的电压输出与普通的三相模块化多电平变换器的输出电压一致。因此，本发明的子模块电路可以替换半桥型子模块组，在减少元件数量的同时，保持电路的功能不变，具有实际应用价值，值得推广。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种用于模块化多电平变换器的飞跨电容式子模块电路，其特征在于：所述子模块电路包括第一电容(C1)、第二电容(C2)、第一开关管(T1)、第二开关管(T2)、第三开关管(T3)和第四开关管(T4)；所述第一电容(C1)的一端和第一开关管(T1)的集电极连接；所述第二电容(C2)的一端、第一开关管(T1)的发射极和第二开关管(T2)的集电极连接在一起；所述第二开关管(T2)的发射极和第三开关管(T3)的集电极连接；所述第二电容(C2)的另一端、第三开关管(T3)的发射极和第四开关管(T4)的集电极连接在一起；所述第一电容(C1)的另一端和第四开关管(T4)的发射极连接；
当所述子模块电路用于替换模块化多电平变换器中靠近交流电压输出侧的四个半桥型子模块时，所述第一电容(C1)连接第一开关管(T1)的集电极的一端与模块化多电平变换器中的桥臂电感或上桥臂其余的子模块相连，所述第二开关管(T2)的发射极与模块化多电平变换器的负载连接，所述第一电容(C1)连接第四开关管(T4)的发射极的一端与模块化多电平变换器中的桥臂电感或下桥臂其余的子模块连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于模块化多电平变换器的飞跨电容式子模块电路，其特征在于：所述第一开关管(T1)、第二开关管(T2)、第三开关管(T3)和第四开关管(T4)为带反向二极管的功率开关管，每一个带反向二极管的功率开关管由一个功率开关管和一个功率二极管组成。
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