CN111276992A - 一种模块化多电平交流-直流变换系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模块化多电平交流‑直流变换系统，包括：一个控制器及多个子模块单元、隔离变压器、直流支撑电容，每个子模块单元的直流侧与一个直流支撑电容并联，直流支撑电容的输出形成变换系统的直流端；每个子模块单元的交流侧连接一个隔离变压器的输出端，隔离变压器的输入端串联形成变换系统的交流端；控制器采集交流侧电流和各子模块单元电容电压，输出所有子模块单元内部功率器件的触发信号，用于交流功率控制、交流输出电压控制、直流支撑电容平均电压控制、直流输出电压控制和子模电容均压控制。本发明提供的系统具备高集成度、紧凑化和低成本等特点，且易于工程实现，可适用于高压大容量和中低压小容量应用场合。

Description

一种模块化多电平交流-直流变换系统
技术领域
本发明涉及交流-直流变换系统领域，具体涉及一种模块化多电平交流-直流变换系统。
背景技术
模块化多电平交流-直流变流器广泛应用于柔性直流输电系统、直流配网系统以及中压电机控制等电力变换领域，其中应用最为广泛的是半桥型模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)和级联全桥换流器(Cascaded H-bridgeConverter，CHC)，其电气拓扑如图1和2所示。现阶段，世界范围内的柔性直流输电工程和直流配网工程大多采用MMC换流器方案，例如美国的Trans Bay Cable±200kV工程、厦门±320kV柔直工程、上海220kV统一潮流控制器(UPFC)工程和苏州直流配网工程等。中高压变频器、配网用电力电子变压器以及机车牵引变流器等应用领域中均优先采用级联全桥换流器拓扑。
电气拓扑决定该变换器的特性，如电气特性、故障特性以及效率等多个方面。MMC的特点：一是，所需要的子模块电容个数较多且各子模块电容容值相对较大。在高压应用场合，考虑电容器的稳定性以及低杂感要求，均是聚丙烯金属膜电容器，导致电容部分的成本较高。二是，虽然采用模块化设计，在中低电压应用场合的集成度任然较低，体积较大。三是，半桥型MMC变换器对于直流侧的短路故障无法进行有效抑制，无法通过闭锁MMC内部IGBT来实现故障电流的清除。级联全桥换流器的特点：一是，没有公共的直流端口，无法直接应用于直流输配电场合；二是，相比于MMC拓扑，所需子模块个数有所减少，但数量依然很多。
发明内容
因此，本发明提供的一种模块化多电平交流-直流变换系统，克服了现有技术中交流-直流变换系统集成度低、体积大、成本高的缺陷。
本发明实施例提供一种模块化多电平交流-直流变换系统，其特征在于，包括：一个控制器及多个子模块单元、隔离变压器、直流支撑电容，其中，每个子模块单元的直流侧与一个直流支撑电容并联，直流支撑电容的输出形成变换系统的直流端；每个子模块单元的交流侧连接一个隔离变压器的输出端，隔离变压器的输入端串联形成变换系统的交流端；控制器采集交流侧电流和各子模块单元电容电压，输出所有子模块单元内部功率器件的触发信号，用于交流功率控制、交流输出电压控制、直流支撑电容平均电压控制、直流输出电压控制和子模电容均压控制。
在一实施例中，子模块单元采用三个全桥结构、三个半桥结构或三相四桥臂结构在直流侧进行并联。
在一实施例中，直流支撑电容通过半桥或全桥拓扑输出后直接串联形成直流端。
在一实施例中，直流支撑电容通过半桥拓扑输出串联形成直流端时，若变换系统仅整流运行，半桥拓扑的上管采用IGBT，下管采用二极管；若变换系统仅逆变运行，半桥拓扑的上管采用二极管，下管采用IGBT；若变换系统功率双向运行，半桥拓扑的上管和下管可采用IGBT。
在一实施例中，直流支撑电容通过全桥拓扑输出串联形成直流端时，若变换系统仅整流运行，全桥拓扑的T1管和T4管采用二极管，T2和T3管采用IGBT；若变换系统仅逆变运行，全桥拓扑的T1管和T4管采用IGBT，T2和T3管采用二极管；若变换系统功率双向运行，全桥拓扑的所有管采用IGBT。
在一实施例中，直流支撑电容通过DC/DC变换器进行串联、并联或串并混合连接后形成直流端口。
在一实施例中，隔离变压器采用分立的单个隔离变压器或多个子模块集成的多绕组隔离变压器。
在一实施例中，隔离变压器的输入端先各相直接串联后将交流三相接成星型或三角形。
在一实施例中，所述的模块化多电平交流-直流变换系统，还包括：故障电流抑制单元，与所述直流支撑电容的输出端连接，用于限制直流侧短路故障电流。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明实施例提供的模块化多电平交流-直流变换系统的控制系统，具备高集成度、紧凑化和低成本等特点，且易于工程实现。该变换系统可适用于高压大容量和中低压小容量应用场合，能够有效降低模块化多电平换流器子模块个数多，体积大，集成度低和成本高的问题。其控制器功能包括交流功率控制、交流输出电压控制、直流支撑电容平均电压控制、直流输出电压控制和子模电容均压控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有的半桥型模块化多电平换流器的结构示意图；
图2为现有的级联全桥换流器的示意图；
图3为本发明实施例提供的模块化多电平交流-直流变换系统中直流侧支撑电容直接串联形成直流端口的一个具体示例的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的直流侧支撑电容直接并联形成直流端的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的直流侧支撑电容通过半桥拓扑输出后直接串联形成直流端的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的直流侧支撑电容通过全桥拓扑输出后直接串联形成直流端的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的故障电流抑制单元的连接示意图；
图8为本发明实施例提供的在变换系统仅整流运行时，直流支撑电容通过半桥拓扑形成直流端的结构示意图；
图9为本发明实施例提供的在变换系统仅逆变运行时，直流支撑电容通过半桥拓扑形成直流端的结构示意图；
图10为本发明实施例提供的在变换系统仅整流运行时，直流支撑电容通过全桥拓扑形成直流端的结构示意图；
图11为本发明实施例提供的在变换系统仅逆变运行时，直流支撑电容通过全桥拓扑形成直流端的结构示意图；
图12为本发明实施例提供的多绕组隔离变压器的连接示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明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他实施例，都属于本发明保护的范围。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本发明实施例提供的模块化多电平交流-直流变换系统，可以用于中低压配网系统交流变压，该系统如图3所示，包括：一个控制器及多个子模块单元、隔离变压器、直流支撑电容，其中，每个子模块单元的直流侧与一个直流支撑电容并联，直流支撑电容的输出形成变换系统的直流端；每个子模块单元的交流侧连接一个隔离变压器的输出端，隔离变压器的输入端串联形成变换系统的交流端；控制器采集交流侧电流和各子模块单元电容电压，输出所有子模块单元内部功率器件的触发信号，用于交流功率控制、交流输出电压控制、直流支撑电容平均电压控制、直流输出电压控制和子模电容均压控制。
在本发明实施例中，子模块单元可以由三个全桥结构在直流侧进行并联，也可以采用三个半桥结构在直流侧进行并联或采用三相四桥臂结构，以满足不同需求。
在本发明实施例中，直流侧支撑电容可以直接串联或者并联，以形成变换系统所需的直流端，如图3和图4所示；也可以通过半桥或全桥拓扑输出后直接串联形成直流端，如图5和6所示，还可以通过DC/DC变换器进行串联、并联或串并混合连接后形成直流端。
在一实施例中，如图7所示，在直流支撑电容直接串/并联形成直流端时，在直流支撑电容输出端添加故障电流抑制单元，以具备限制直流侧短路故障电流，该故障电流抑制单元可以由IGBT阀和能量吸收装置组成。在通过DC/DC变换器进行串联、并联或串并混合连接后形成直流端时也可以根据需求直流支撑电容输出端添加故障电流抑制单元，限制直流侧短路故障电流。
本发明实施例在直流支撑电容通过半桥拓扑形成直流端时，若变换系统仅整流运行，半桥拓扑的上管可采用IGBT，下管可采用二极管，如图8所示；若变换系统仅逆变运行，半桥拓扑的上管可采用二极管，下管可采用IGBT；若变换系统功率双向运行，半桥拓扑的上管和下管可采用IGBT，如图9所示。
本发明实施例提供的模块化多电平交流-直流变换系统，在直流支撑电容通过全桥拓扑形成直流端时，若变换系统仅整流运行，全桥拓扑的T1管和T4管可采用二极管，T2和T3管可采用IGBT,如图10所示；若变换系统仅逆变运行，全桥拓扑的T1管和T4管可采用IGBT，T2和T3管可采用二极管,如图11所示；若变换系统功率双向运行，全桥拓扑的所有管可采用IGBT。
本发明实施例的隔离变压器采用分立的单个隔离变压器或多个子模块集成的多绕组隔离变压器，其中多绕组隔离变压器的连接方式如图12所示。隔离变压器的输入端先各相直接串联后根据实际需求将交流三相接成星型或三角形。
本发明实施例提供的模块化多电平交流-直流变换系统的控制系统，具备高集成度、紧凑化和低成本等特点，且易于工程实现。该变换系统可适用于高压大容量和中低压小容量应用场合，能够有效降低模块化多电平换流器(MMC)子模块个数多，体积大，集成度低和成本高的问题。其控制器功能包括交流功率控制、交流输出电压控制、直流支撑电容平均电压控制、直流输出电压控制和子模电容均压等控制。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种模块化多电平交流-直流变换系统，其特征在于，包括：一个控制器及多个子模块单元、隔离变压器、直流支撑电容，其中，
每个子模块单元的直流侧与一个直流支撑电容并联，直流支撑电容的输出形成变换系统的直流端；
每个子模块单元的交流侧连接一个隔离变压器的输出端，隔离变压器的输入端串联形成变换系统的交流端；
控制器采集交流侧电流和各子模块单元电容电压，输出所有子模块单元内部功率器件的触发信号，用于交流功率控制、交流输出电压控制、直流支撑电容平均电压控制、直流输出电压控制和子模电容均压控制。
2.根据权利要求1所述的模块化多电平交流-直流变换系统，其特征在于，子模块单元采用三个全桥结构、三个半桥结构或三相四桥臂结构在直流侧进行并联。
3.根据权利要求1所述的模块化多电平交流-直流变换系统，其特征在于，直流支撑电容通过半桥或全桥拓扑输出后直接串联形成直流端。
4.根据权利要求3所述的模块化多电平交流-直流变换系统，其特征在于，直流支撑电容通过半桥拓扑输出串联形成直流端时，若变换系统仅整流运行，半桥拓扑的上管采用IGBT，下管采用二极管；若变换系统仅逆变运行，半桥拓扑的上管采用二极管，下管采用IGBT；若变换系统功率双向运行，半桥拓扑的上管和下管可采用IGBT。
5.根据权利要求3所述的模块化多电平交流-直流变换系统，其特征在于，直流支撑电容通过全桥拓扑输出串联形成直流端时，若变换系统仅整流运行，全桥拓扑的T1管和T4管采用二极管，T2和T3管采用IGBT；若变换系统仅逆变运行，全桥拓扑的T1管和T4管采用IGBT，T2和T3管采用二极管；若变换系统功率双向运行，全桥拓扑的所有管采用IGBT。
6.根据权利要求1所述的模块化多电平交流-直流变换系统，其特征在于，直流支撑电容通过串联或并联后形成变换系统的直流端。
7.根据权利要求1所述的模块化多电平交流-直流变换系统，其特征在于，直流支撑电容通过DC/DC变换器进行串联、并联或串并混合连接后形成直流端。
8.根据权利要求1所述的模块化多电平交流-直流变换系统，其特征在于，隔离变压器采用分立的单个隔离变压器或多个子模块集成的多绕组隔离变压器。
9.根据权利要求8所述的模块化多电平交流-直流变换系统，其特征在于，隔离变压器的输入端先各相直接串联后将交流三相接成星型或三角形。
10.根据权利要求6或7所述的模块化多电平交流-直流变换系统，其特征在于，还包括：故障电流抑制单元，与所述直流支撑电容的输出端连接，用于限制直流侧短路故障电流。
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