CN112825451A - 能量均衡调节换流链及控制方法、多段式换流链、换流器 - Google Patents

Abstract

本申请提供能量均衡调节换流链及控制方法、多段式换流链、换流器。所述能量均衡调节换流链，包括至少一个耗能单元和M个均衡子模块，M为大于等于1的整数，所述均衡子模块与所述能耗单元串联连接；其中，所述均衡子模块包括第一功率单元和平衡单元，所述第一功率单元包括并联连接的第一直流电容与功率组件；所述平衡单元包括第一功率半导体器件，所述平衡单元的一端连接所述第一功率单元，另一端引出，与相邻的均衡子模块或所述耗能单元连接。

Description

能量均衡调节换流链及控制方法、多段式换流链、换流器

技术领域

本申请涉及电力电子技术领域，具体涉及能量均衡调节换流链及控制方法、多段式换流链、换流器。

背景技术

随着现代电力电子技术的发展，由于单管功率半导体器件的耐压等级相对有限，其应用和发展受到了极大的限制。

功率半导体器件通过组成子模块，再进行级联使用构成换流链，可容易满足模块的电压等级要求，与其他方案相比是性价比最高的方式。但一旦换流链承受过电压，或单个子模块承受过电压，会造成器件损坏，故障扩大后会导致整个换流链故障损坏。

现有技术中有采用在模块之间增加器件连接的方式，如专利CN105471260A基于等式约束的辅助电容分布式半桥MMC自均压拓扑，是利用了二极管建立了子模块直流电容之间的充放电通道，利用三相桥臂相间的辅助回路使所有子模块之间构成了闭环，实现直流电压平衡控制的功能，但换流器的总能量是无法消耗的，只是在换流器的子模块之间流动。上述方式的不足之处在于：第一，过压带来的能量无法消耗，只能在各个模块之间进行转移，当过压严重时，总能量无法消耗，仍然会损坏设备；第二，整个闭环一旦中间一个环节出现故障，整个闭环系统断开，能量将会在换流链断开处的子模块积累，造成子模块过压损坏，可靠性低。

由于无法解决故障情况下短时过电压问题，为了使整个换流链能够承受更高的短时过电压，只能增加子模块中的电容容值，或增加子模块的数量，大大的增加了整个换流链的成本和占地。

发明内容

本申请实施例提供一种能量均衡调节换流链，包括至少一个耗能单元和M个均衡子模块，所述M个均衡子模块串联连接，M为大于等于1的整数；其中，所述均衡子模块包括第一功率单元和平衡单元，所述第一功率单元包括并联连接的第一直流电容与功率组件；所述平衡单元包括第一功率半导体器件，所述平衡单元的一端连接所述第一功率单元，另一端引出，与相邻的均衡子模块或所述耗能单元连接。

根据一些实施例，所述功率组件包括上管和下管，所述上管与所述第一直流电容正极连接；所述下管与所述第一直流电容负极连接，所述下管与所述上管串联连接后与所述第一直流电容构成半桥连接形式，所述上管的集电极和发射极或所述下管的发射极和集电极引出作为所述第一功率单元的交流端。

根据一些实施例，所述上管和所述下管均为全控型功率半导体器件，所述上管或所述下管的集电极和发射极引出作为第一功率单元的交流端。

根据一些实施例，所述上管为全控型功率半导体器件，所述下管为二极管，所述上管的集电极和发射极引出作为第一功率单元的交流端。

根据一些实施例，所述下管为全控型功率半导体器件，所述上管为二极管，所述下管的集电极和发射极引出作为第一功率单元的交流端。

根据一些实施例，所述均衡子模块还包括均压电阻或/和非线性电阻，所述均压电阻或/和非线性电阻与所述第一直流电容并联连接。

根据一些实施例，所述功率组件包括第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂与所述第一直流电容并联连接；所述第一桥臂包括串联连接的第一上管和第一下管，所述第一上管与所述第一直流电容正极连接；所述第一下管与所述第一直流电容负极连接；所述第二桥臂与所述第一直流电容并联连接；所述第二桥臂包括串联连接的第二上管和第二下管，所述第二上管与所述第一直流电容正极连接；所述第二下管与所述第一直流电容负极连接；其中，所述第一桥臂和所述第二桥臂的中点引出作为所述第一功率单元的交流端。

根据一些实施例，所述耗能单元一端与相邻均衡子模块的平衡单元连接，另一端与相邻均衡子模块第一功率单元的交流端连接，所述耗能单元包括第二直流电容和串联连接的第一开关和第一电阻；所述第一开关与所述第一电阻的串联电路与所述第二直流电容并联连接，所述第一开关包括功率半导体器件构成的固态开关或机械开关。

根据一些实施例，所述耗能单元还包括第二功率半导体器件，所述第一开关与所述第一电阻的串联电路与所述第二直流电容并联连接后与所述第二功率半导体器件串联连接。

根据一些实施例，所述耗能单元还包括第二电阻，所述第二电阻与所述第二直流电容并联连接，所述第二电阻包括均压电阻或/和非线性电阻。

根据一些实施例，所述耗能单元包括第二功率单元和串联连接的第二开关和第三电阻；与所述第二开关和所述第三电阻的串联电路与所述第二功率单元并联连接；所述第二功率单元的直流端的一端与相邻均衡子模块的平衡单元连接，交流端与相邻均衡子模块的第一功率单元的交流端级联；所述第二开关包括功率半导体器件构成的固态开关或机械开关。

根据一些实施例，所述第一功率半导体器件为二极管。

根据一些实施例，所述平衡单元还包括熔丝，所述熔丝与所述第一功率半导体器件串联连接。

根据一些实施例，所述平衡单元还包括第四电阻，所述第四电阻与所述第一功率半导体器件串联连接。

根据一些实施例，所述平衡单元还包括第三开关，所述第三开关与所述第一功率半导体器件串联连接，所述第三开关包括功率半导体器件构成的固态开关或机械开关。

根据一些实施例，所述第一功率单元还包括第四开关，所述第四开关并联连接所述第一功率单元的交流端。

根据一些实施例，所述第四开关为机械开关，当所述第三开关为机械开关时，所述第四开关与所述第三开关联动，所述第四开关闭合时，所述第三开关自动分开。

根据一些实施例，所述能量均衡调节换流链还包括至少一个直流端口，所述直流端口连接所述第一直流电容的正极和负极；所述直流端口用于连接电力电子变换器的直流侧或引出作为备用端口。

本申请实施例还提供一种多段式换流链，所述多段式换流链由N个如上所述的能量均衡调节换流链串联构成，所述N为大于等于2的整数。

本申请实施例还提供一种三相换流器，所述三相换流器具有直流正极和直流负极，其中，所述三相换流器的每一相均包括一个桥臂，每个所述桥臂的中点引出作为所述三相换流器的交流端；其中，每个所述桥臂均包括如上所述的换流链。

本申请实施例还提供一种星型换流器，所述星型换流器包含至少三个如上所述的能量均衡调节换流链，所述能量均衡调节换流链的一端连接在一起，另一端分别连接电网的ABC三相，构成星型连接方式。

本申请实施例还提供一种角形换流器，所述角型换流器包含至少三个如上所述的能量均衡调节换流链，所述能量均衡调节换流链首尾相互连接构成闭环，闭环中取三个节点分别连接电网的ABC三相，构成角型连接方式。。

根据一些实施例，每个所述能量均衡调节换流链首尾的平衡单元相互连接，构成闭环。

本申请实施例还提供一种基于如上所述能量均衡调节换流链的控制方法，包括：当所述能量均衡调节换流链中一均衡子模块中的所述第一直流电容电压高于相邻均衡子模块的电压或耗能单元的电压，且所述一均衡子模块中的功率组件导通时，所述一均衡子模块的第一直流电容启动向所述相邻均衡子模块的第一直流电容充电；当所述耗能单元的第二直流电容的电压或第三直流电容的电压高于动作门槛值时，闭合所述耗能单元的第一开关或第二开关启动耗能；当所述耗能单元的第二直流电容的电压或第三直流电容的电压低于返回门槛值时，断开所述耗能单元的所述第一开关或所述第二开关停止耗能。

根据一些实施例，所述能量均衡调节换流链发生故障或承受严重过电压时，所述方法还包括：

闭锁所述能量均衡调节换流链的所述第一功率半导体器件、所述功率组件与能耗单元的第二功率单元；

闭合所述耗能单元的第一开关或第二开关，使所述耗能单元启动耗能；

导通所述均衡子模块的所述第一功率单元中的功率组件，使多个所述均衡子模块之间的直流电压均衡。

根据一些实施例，所述能量均衡调节换流链发生故障或承受非严重过电压时，所述方法还包括：

闭合所述耗能单元的第一开关或第二开关，使所述耗能单元启动耗能；

以预设规则轮流导通多个均衡子模块中的功率组件，使多个所述均衡子模块之间的直流电压均衡。

根据一些实施例，所述均衡子模块包括第四开关且所述第四开关闭合将所述均衡子模块旁路时，所述方法还包括：

被旁路的所述均衡子模块的第一直流电容被相邻的均衡子模块充电；

分开被旁路的所述均衡子模块中的第三开关，切断充电回路，使旁路的所述均衡子模块之外的其他均衡子模块维持正常运行。

根据一些实施例，所述均衡子模块包括第四开关且所述第四开关闭合将所述均衡子模块旁路时，所述方法还包括：

通过机构联动分开被旁路的所述均衡子模块中的第三开关，切断充电回路，使旁路的所述均衡子模块之外的其他均衡子模块维持正常运行。

根据一些实施例，所述换流链中任意一个均衡子模块发生短路时，所述方法还包括：

相邻均衡子模块的第一直流电容通过短路的所述均衡子模块放电；

分开短路的所述均衡子模块中的第三开关，切断短路放电回路，使短路的所述均衡子模块之外的其他均衡子模块维持正常运行。

本申请实施例提供的技术方案，配置了耗能单元与均衡子模块，均衡子模块增加了平衡单元，当各个子模块之间的电压不均时，控制功率组件导通，能够实现子模块之间的电压均衡控制。耗能单元仅布置在换流链的顶部或底部，当均衡子模块循环工作时，不断将过电压的剩余能量向顶部或底部传递，再通过顶部或底部耗能单元将过剩的能量消耗掉；均衡子模块与耗能单元相互配合，确保了每个换流链子模块的直流电压都在安全范围内，能够解决了换流链短时承受过电压的问题，减小每个子模块中电容容值，减少设备的成本和占地。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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1A是本申请实施例提供的一种能量均衡调节换流链构成示意图之一；

图1B是本申请实施例提供的一种能量均衡调节换流链构成示意图之二；

图1C是本申请实施例提供的一种能量均衡调节换流链构成示意图之三；

图1D是本申请实施例提供的一种能量均衡调节换流链构成示意图之四；

图1E是本申请实施例提供的一种能量均衡调节换流链构成示意图之五；

图1F是本申请实施例提供的一种能量均衡调节换流链构成示意图之六；

图1G是本申请实施例提供的一种能量均衡调节换流链构成示意图之七；

图1H是本申请实施例提供的一种能量均衡调节换流链构成示意图之八；

图1I是本申请实施例提供的一种能量均衡调节换流链构成示意图之九；

图1J是本申请实施例提供的一种能量均衡调节换流链构成示意图之十；

图2A是本申请实施例提供的第一功率单元构成示意图之一；

图2B是本申请实施例提供的第一功率单元构成示意图之二；

图2C是本申请实施例提供的第一功率单元构成示意图之三；

图2D是本申请实施例提供的第一功率单元构成示意图之四；

图2E是本申请实施例提供的第一功率单元构成示意图之五；

图3A是本申请实施例提供的耗能单元构成示意图之一；

图3B是本申请实施例提供的耗能单元构成示意图之二；

图3C是本申请实施例提供的耗能单元构成示意图之三；

图3D是本申请实施例提供的耗能单元构成示意图之四；

图3E是本申请实施例提供的耗能单元构成示意图之五；

图3F是本申请实施例提供的耗能单元构成示意图之六；

图4A是本申请实施例提供的均衡子模块构成示意图之一；

图4B是本申请实施例提供的均衡子模块构成示意图之二；

图5A是本申请实施例提供的平衡单元构成示意图之一；

图5B是本申请实施例提供的平衡单元构成示意图之二；

图5C是本申请实施例提供的平衡单元构成示意图之三；

图5D是本申请实施例提供的平衡单元构成示意图之四；

图5E是本申请实施例提供的平衡单元构成示意图之五；

图5F是本申请实施例提供的平衡单元构成示意图之六；

图5G是本申请实施例提供的平衡单元构成示意图之七；

图6是本申请实施例提供的一种多段式换流链构成示意图；

图7A是本申请实施例提供的一种三相换流器构成示意图之一；

图7B是本申请实施例提供的一种三相换流器构成示意图之二；

图7C是本申请实施例提供的一种三相换流器构成示意图之三；

图7D是本申请实施例提供的一种三相换流器构成示意图之四；

图8是本申请实施例提供的一种星型换流器构成示意图；

图9是本申请实施例提供的一种角型换流器构成示意图；

图10是本申请实施例提供的另一种角型换流器构成示意图；

附图标记：

1、第一功率单元；2、平衡单元；3、第一功率半导体器件；4、第三开关；5、第二直流电容；6、第一开关；7、第一电阻；8、第四开关；9、耗能单元；10、均衡子模块；11、第四电阻；12、熔丝；13、第二电阻；14、第三电阻；15、第二开关；16、第二功率半导体器件；17、均压电阻；18、第二功率单元；19、第三功率半导体器件。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域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，都属于本申请保护的范围。

应当理解，本申请的权利要求、说明书及附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。本申请的说明书和权利要求书中使用的术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

图1A是本申请实施例提供的一种能量均衡调节换流链构成示意图之一。

如图1A所示能量均衡调节换流链包括至少1个耗能单元9与串联连接的M个均衡子模块10，M为大于等于1的整数。

均衡子模块10包括第一功率单元1与平衡单元2，如图4A所示，图4A是本申请实施例提供的均衡子模块构成示意图之一。可选地，第一功率单元1的交流端还可并联第四开关8。

第一功率单元1为半桥连接形式1，第一功率单元1包括并联连接的第一直流电容C₁与功率组件，第一功率单元1包括直流端与交流端。功率组件包括上管和下管。上管与第一直流电容C₁正极连接。下管与第一直流电容C₁负极连接，下管与上管串联连接后与第一直流电容C₁构成半桥连接形式。上管或下管的集电极和发射极引出作为第一功率单元1的交流端。在本实施例中，下管的发射极和集电极引出作为第一功率单元1的交流端。各个交流端相互级联。上管和下管为功率半导体器件IGBT，但并不以此为限。

平衡单元2包括第一功率半导体器件3，如图5A所示，图5A是本申请实施例提供的平衡单元构成示意图之一。平衡单元2的一端连接第一功率单元1，另一端引出，与相邻的均衡子模块或耗能单元9连接。

耗能单元9的一端与相邻均衡子模块的平衡单元2连接，另一端与相邻均衡子模块第一功率单元1的交流端连接。耗能单元包括第三直流电容C₃以及串联连接的第一开关6和第一电阻7。第一开关6与第一电阻7的串联电路与第三直流电容C₃并联连接。第一开关6包括功率半导体器件构成的固态开关或机械开关，并不以此为限，如图3A所示，图3A是本申请实施例提供的耗能单元构成示意图之一。耗能单元9具有消耗有功功率的能力。当第一开关6闭合时，启动耗能功能。

如图1A所示，在本实施例中，耗能单元9位于换流链的顶部，均衡子模块10的交流端相互级联，同方向串联，在本实施例中均衡子模块10的平衡单元2与第一功率单元1的第一直流电容C₁的正极连接，平衡单元2的另一端与相邻子模块的平衡单元连接，连接点在第一功率半导体器件与第一功率单元1之间。顶部的均衡子模块10的平衡单元2与耗能单元9连接，耗能单元9的另一端与相邻的均衡子模块的第一功率单元1的交流端连接。其中第一功率半导体器件3为二极管，二极管的阴极连接靠近顶部的子模块，阳极连接靠近底部的子模块。

图1B是本申请实施例提供的一种能量均衡调节换流链构成示意图之二。

与图1A实施例不同的是，在本实施例中平衡单元2还包括了第三开关4，第三开关4包括但不限于功率半导体器件构成的固态开关或机械开关。第三开关4与第一功率半导体器件3串联连接，如图5B所示，图5B是本申请实施例提供的平衡单元构成示意图之二。可选地，第三开关4可以用第四电阻11和熔丝12代替，如图5C、图5D所示。可选地，平衡单元2也可以包括串联连接的第一功率半导体器件3、第三开关4和第四电阻11，如图5E所示。可选地平衡单元2也可以包括串联连接的第一功率半导体器件3、第三开关4和熔丝12，如图5F所示。可选地，平衡单元2也可以包括串联连接的第一功率半导体器件3、第三开关4、第四电阻11和熔丝12，如图5G所示。

第一功率单元1的交流端还并联了第四开关8。如图2A所示，图2A是本申请实施例提供的第一功率单元构成示意图之一。

可选地，耗能单元9还包括第二电阻13和第二功率半导体器件16。第二电阻13包括但不限于均压电阻或/和非线性电阻。第二电阻13与第二直流电容5并联连接。第一开关6包括但不限于带有反并联二极管的IGBT，第一电阻7为耗能电阻，第二功率半导体器件16包括但不限于二极管。第一开关6与第一电阻7的串联电路与第二直流电容5并联连接后与第二功率半导体器件16串联连接。如图3B所示，图3B是本申请实施例提供的耗能单元构成示意图之二，图3B的耗能单元9包括可选的第二功率半导体器件16。如图3C所示，图3C是本申请实施例提供的耗能单元构成示意图之三，图3B的耗能单元9包括可选的第二电阻13。如图3D所示，图3D是本申请实施例提供的耗能单元构成示意图之四，图3D的耗能单元9同时包括可选的第二电阻13和第二功率半导体器件16。

耗能单元具有消耗有功功率的能力，当第一开关闭合时，启动耗能功能。

如图1B所示，在本实施例中，耗能单元9位于换流链的顶部，均衡子模块10的交流端相互级联，同方向串联。在本实施例中，均衡子模块10的平衡单元2与第一功率单元1的第一直流电容C₁的正极连接，平衡单元2的另一端连接相邻平衡子模块的平衡单元的第一功率半导体器件3与第三开关4的连接点。顶部的均衡子模块10的平衡单元2的另一端与耗能单元9连接，耗能单元9的另一端与相邻的均衡子模块的第一功率单元1的交流端连接。其中第一功率半导体器件3为二极管，二极管的阴极连接靠近顶部的子模块，阳极连接靠近底部的子模块。

图1C是本申请实施例提供的一种能量均衡调节换流链构成示意图之三。

与图1B实施例不同的是，在本实施例中第一功率单元1的上管的集电极和发射极引出，作为交流端。如图2B所示，图2B是本申请实施例提供的第一功率单元构成示意图之二。

耗能单元9位于换流链的底部。均衡子模块10包括第一功率单元1与平衡单元2，均衡子模块的平衡单元2与第一功率单元1的第一直流电容C₁的负极连接，如图4B所示，图4B是本申请实施例提供的均衡子模块构成示意图之二。

可选地，耗能单元9还包括第二电阻13和第二功率半导体器件16。第二电阻13包括但不限于均压电阻或/和非线性电阻。第二电阻13与第二直流电容5并联连接。第二功率半导体器件16包括但不限于二极管。第一开关6与第一电阻7的串联电路与第二直流电容5并联连接后与第二功率半导体器件16串联连接。

耗能单元具有消耗有功功率的能力，当第一开关闭合时，启动耗能功能。

如图1C所示，在本实施例中，耗能单元9位于换流链的底部，均衡子模块10的交流端相互级联，同方向串联，在本实施例中均衡子模块10的平衡单元2与第一功率单元1的第一直流电容C₁的负极连接，平衡单元2的另一端连接相邻子模块的平衡单元的第一功率半导体器件3与第三开关4之间的连接点。底部的均衡子模块10的平衡单元2的另一端与耗能单元9连接，耗能单元9的另一端与相邻的均衡子模块的第一功率单元1的交流端连接。其中第一功率半导体器件3为二极管，二极管的阴极连接靠近顶部的子模块，阳极连接靠近底部的子模块。

图1D是本申请实施例提供的一种能量均衡调节换流链构成示意图之四。

与图1B实施例不同的是本实施例的耗能单元不同。本实施例耗能单元9包括第二功率单元18、第二开关15和第三电阻14。第二开关15与第三电阻14串联后，并联在第二功率单元18的直流端或交流端。在本实施例中，第二开关15与第三电阻14串联后并联在直流端，相当于在的第三直流电容C₃处并联一个带有耗能功能的回路。第三电阻14为耗能电阻。当第二开关闭合时，启动耗能功能。第二开关15包括但不限于功率半导体器件IGBT或快速的机械开关，如图3E所示，图3E是本申请实施例提供的耗能单元构成示意图之五。可选地，由第二开关15和第三电阻14构成的串联电路也可以并联在第二功率单元18的交流端，如图3F所示，图3F是本申请实施例提供的耗能单元构成示意图之六。

如图1D所示，在本实施例中，耗能单元9位于换流链的顶部，均衡子模块10的交流端相互级联，同方向串联。在本实施例中，均衡子模块10的平衡单元2的一端与第一功率单元1的第一直流电容C₁的正极连接，平衡单元2的另一端连接相邻子模块的平衡单元的第一功率半导体器件3与第三开关4之间的连接点。顶部的均衡子模块10的平衡单元2的另一端与耗能单元9连接，耗能单元9的另一端与相邻的均衡子模块的第一功率单元1的交流端连接。其中第一功率半导体器件3包括但不限于二极管，二极管的阴极连接靠近顶部的子模块，阳极连接靠近底部的子模块。耗能单元中的第二功率单元18的第三直流电容C₃正极与相邻均衡子模块的平衡单元连接，交流端与相邻均衡子模块第一功率单元1的交流端级联。

图1E是本申请实施例提供的一种能量均衡调节换流链构成示意图之五；

图1E实施例的连接方式与图1C实施例相同，在本实施例中第一功率单元的上管的集电极和发射极引出，作为交流端。耗能单元9位于换流链的底部。均衡子模块的平衡单元2与第一功率单元1的第一直流电容C₁的负极连接。

耗能单元与图1D的耗能单元相同。本实施例耗能单元9包括第二功率单元18、第二开关15和第三电阻14。第二开关15与第三电阻14串联后，并联在第二功率单元18的直流端或交流端。在本实施例中，第二开关15与第三电阻14串联后并联在直流端，相当于在第二功率单元18的第三直流电容C₃处并联一个带有耗能功能的回路。第三电阻14为耗能电阻。当第二开关闭合时，启动耗能功能。第二开关15包括但不限于功率半导体器件IGBT或快速的机械开关。

如图1E所示，在本实施例中，耗能单元9位于换流链的底部，均衡子模块10的交流端相互级联，同方向串联，在本实施例中均衡子模块10的平衡单元2与第一功率单元1的第一直流电容C₁的负极连接，平衡单元2的另一端连接相邻子模块的平衡单元的第一功率半导体器件3与第三开关4之间的连接点。底部的均衡子模块10的平衡单元2的另一端与耗能单元9连接，耗能单元9的另一端与相邻的均衡子模块的第一功率单元1的交流端连接。其中第一功率半导体器件3为二极管，二极管的阴极连接靠近顶部的子模块，阳极连接靠近底部的子模块。

图1A-1E五种实施例为不同的连接方式和不同的耗能单元构成的5种组合能量均衡调节换流链。

图1F是本申请实施例提供的一种能量均衡调节换流链构成示意图之六。

图1F与图1A实施例相比，第一功率单元1不同，第一功率单元1包含四个功率半导体器件IGBT，组成两个桥臂，为全桥连接形式。功率组件包括第一桥臂和第二桥臂。第一桥臂与第一直流电容C₁并联连接，第一桥臂包括串联连接的第一上管T1和第一下管T2，第一上管T1与第一直流电容C₁正极连接，第一下管T2与第一直流电容C₁负极连接。第二桥臂与第一直流电容C₁并联连接，第二桥臂包括串联连接的第二上管T3和第二下管T4，第二上管T3与第一直流电容C₁正极连接，第二下管T4与第一直流电容C₁负极连接。第一桥臂和第二桥臂的中点引出作为第一功率单元1的交流端。第一功率单元1的交流端还并联了第四开关8，如图2C所示，图2C是本申请实施例提供的第一功率单元构成示意图之三。

可选地，平衡单元2还包括了第三开关4。第三开关4与第一功率半导体器件3串联连接。第一功率半导体器件3包括但不限于二极管。

正常情况下，当第一功率单元1为全桥连接形式时，如图1F所示，第三开关4应当为可关断功率半导体器件，如带有反并联二极管的IGBT。原因在于：当相邻的均衡子模块的第一功率单元1输出零电平时，通过第一功率半导体器件3搭建的直流侧回路，构成第一直流电容C₁的短路放电通道，此时，需要迅速关断第三开关4，闭锁短路放电通道。

但当第一功率单元1为全桥连接形式时，也可以通过控制方式的调整，将全桥连接的第一功率单元1控制成半桥模式，例如，控制第二上管T3一直处于关断状态，第二下管T4一直处于导通状态，这种情况下，第三开关4可以使用可关断功率半导体器件或机械开关。

图1G是本申请实施例提供的一种能量均衡调节换流链构成示意图之七。

图1G与图1B实施例相比，第一功率单元1不同，第一功率单元1的功率组件中，上管和下管之一为全控型功率半导体器件IGBT，另一个为二极管。全控型功率半导体器件IGBT的集电极和发射极引出作为第一功率单元1的交流端。下管为全控型功率半导体器件时，上管为二极管，下管的集电极和发射极引出作为第一功率单元1的交流端。

第一功率单元1的交流端还并联了第四开关8，可选地，第一直流电容C₁还可以并联一个均压电阻17，如图2D所示，图2D是本申请实施例提供的第一功率单元构成示意图之四。上管为全控型功率半导体器件时，下管为二极管，上管的集电极和发射极引出作为第一功率单元1的交流端，如图2E所示，图2E是本申请实施例提供的第一功率单元构成示意图之五。

本实施例本质为IGBT直接串联的换流链，其中二极管和第一直流电容C₁为缓冲回路。

图1H是本申请实施例提供的一种能量均衡调节换流链构成示意图之八。

在图1H中，换流链是由不同形式的第一功率单元构成，在本实施例中，是由半桥形式和全桥形式的第一功率单元混合构成，全桥形式第一功率单元的第三开关4为带有反并联二极管的IGBT。

图1I是本申请实施例提供的一种能量均衡调节换流链构成示意图之九。

在图1I中，与图1B实施例的能量均衡调节换流链类似。不同的地方在于，耗能单元9的位置不在换流链的顶部或底部，而位于换流链的中间位置，在本实施例中耗能单元位于第K均衡子模块与第K+1均衡子模块之间，1≤K≤M-1，其中底部的均压单元为第1个均压单元。耗能单元的一端与第K均衡子模块的平衡单元中的第一功率半导体器件连接，定义为直流连接点，耗能单元的另一端与第K均衡子模块第一功率单元1的交流端连接。在本实施例中，还需要增加第三功率半导体器件19，在本实施例中为二极管。二极管19位于直流连接点与第K+1均衡子模块平衡单元之间连线上。二极管19的布置方向与原有均衡子模块的第一功率半导体器件布置方向一致，相当于增加耗能单元9后，补充一个连接二极管，使得均衡子模块平衡单元之间的连接不会中断。

图1J是本申请实施例提供的一种能量均衡调节换流链构成示意图之十。

在图1J中，与图1B实施例的能量均衡调节换流链类似。不同的地方在于，能量均衡调节换流链还包括至少一个直流端口，直流端口连接第一功率单元1的第一直流电容C₁的正极、负极。直流端口可以作为备用端口或连接电力电子变换器的直流侧。在本实施例中，如图1J所示，其中一个直流端口与交直流(AC/DC)变换器连接，一个端口与直流(DC/DC)变换器连接，还包括一个备用的直流端口。

图6是本申请实施例提供的一种多段式能量均衡调节换流链构成示意图。

多段式能量均衡调节换流链由N个如上所述的能量均衡调节换流链串联构成，N为大于等于2的整数。本实施例为当N＝3时，由3个上述所述的能量均衡调节换流链串联构成的多段式能量均衡调节换流链。

能量均衡调节换流链正常运行时，控制过程如下。

当能量均衡调节换流链中一均衡子模块中的第一直流电容C₁的电压高于相邻均衡子模块10的电压或耗能单元9的电压，且一均衡子模块中的功率组件导通时，该均衡子模块的第一直流电容C₁启动向相邻均衡子模块的第一直流电容充电。

当耗能单元9的第二直流电容5的电压或第三直流电容C₂的电压高于动作门槛值时，闭合耗能单元9的第一开关6或第二开关15启动耗能。

当耗能单元9的第二直流电容5的电压或第三直流电容C₂的电压低于返回门槛值时，断开耗能单元9的第一开关6或第二开关15停止耗能。

在上述情况下，换流链在正常运行的前提下，根据各个模块的直流电压进行排序，调整各个子模块中与交流端并联的功率半导体器件导通的占空比，使得子模块之间的直流电压均衡。在发生非严重过压时，换流链仍能够维持正常运行，在此基础上叠加相邻子模块之间充放电的调整，实现电压均衡控制。

能量均衡调节换流链发生故障或承受非严重过电压时，控制过程如下。

闭合耗能单元9的第一开关6或第二开关15，使耗能单元9启动耗能。

以预设规则轮流导通多个均衡子模块中的功率组件，使多个均衡子模块之间的直流电压均衡。

能量均衡调节换流链发生故障或承受严重过电压时，控制过程如下。

闭锁能量均衡调节换流链的第一功率半导体器件3、功率组件与能耗单元9的第二功率单元。

闭合耗能单元9的第一开关6或第二开关15，使耗能单元启动耗能。

导通均衡子模块10的第一功率单元1中的功率组件，使多个均衡子模块之间的直流电压均衡。

均衡子模块包括第四开关8且第四开关8闭合将均衡子模块旁路时，控制过程如下。

被旁路的均衡子模块的第一直流电容C₁被相邻的均衡子模块充电；

分开被旁路的均衡子模块中的第三开关4，切断充电回路，使旁路的均衡子模块之外的其他均衡子模块维持正常运行。

该方法适用于第三开关为独立开关的情况，如当功率单元为全桥子模块时，第三开关为带有反并联二极管的IGBT，可迅速关断IGBT。

可选地，直接通过机构联动分开被旁路的均衡子模块中的第三开关4，切断充电回路，使旁路的均衡子模块之外的其他均衡子模块维持正常运行。

该方法利用第四开关8与第三开关4的联动，在第四开关8闭合时，迅速分开第三开关4，如当第一功率单元1为半桥子模块或将全桥子模块控制成半桥模式时，可利用机械开关联动实现快速隔断。

换流链中任意一个均衡子模块发生短路时，控制过程如下。

相邻均衡子模块的第一直流电容C₁通过短路的均衡子模块放电。

分开短路的所述均衡子模块中的第三开关4，切断短路放电回路，使短路的均衡子模块之外的其他均衡子模块维持正常运行。

图7A-7D为本申请三相换流器的四种实施例。

三相换流器通常应用于柔性直流输电系统。三相换流器具有直流正极和直流负极，三相换流器的每一相均包括一个桥臂。每个桥臂中点引出作为换流器的交流端，每个桥臂均包括如上所述的能量均衡调节换流链。每种实施例耗能单元9的布置方式不同。

图8是本申请实施例提供的一种星型换流器构成示意图。

星型换流器包含如上所述的能量均衡调节换流链，三个能量均衡调节换流链一端连接在一起，另一端分别连接电网的ABC三相，构成星型连接方式，可用于星型连接的静止无功发生器。

图9是本申请实施例提供的一种角型换流器构成示意图。

如图9所示，角型换流器包含三个如上所述的能量均衡调节换流链，三个能量均衡调节换流链首尾相互连接，每个能量均衡调节换流链的首端或尾端分别连接电网的ABC三相，构成角型连接方式，可用于星型连接的静止无功发生器。

图10是本申请实施例提供的另一种角型换流器构成示意图。

如图10所示，角型换流器包括三个如上所述的能量均衡调节换流链，除了交流端级联构成了角型连接，每个换流链首尾的平衡单元相互连接，将相间的直流侧建立了连接：A相的顶端均衡子模块通过平衡单元与C相底端的均衡子模块的平衡单元连接；B相的顶端均衡子模块通过平衡单元与A相底端的均衡子模块的平衡单元连接；C相的顶端均衡子模块通过平衡单元与B相底端的均衡子模块的平衡单元连接；角型换流器的平衡单元构成闭环。在换流链的任意位置设置至少一个耗能单元，角形换流器总共设置R个能耗单元，R为大于等于3的整数。在本实施例中，共设置了3个耗能单元，每个耗能单元位于每相换流链的顶端。

以上对本申请实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明仅用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。同时，本领域技术人员依据本申请的思想，基于本申请的具体实施方式及应用范围上做出的改变或变形之处，都属于本申请保护的范围。综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (29)

1.一种能量均衡调节换流链，包括：

至少一个耗能单元；

M个均衡子模块串联连接，M为大于等于1的整数；其中，所述均衡子模块包括：

第一功率单元，包括并联连接的第一直流电容与功率组件；

平衡单元，包括第一功率半导体器件，所述平衡单元的一端连接所述第一功率单元，另一端引出，与相邻的均衡子模块或所述耗能单元连接。

2.根据权利要求1所述的能量均衡调节换流链，其中，所述功率组件包括：

上管，与所述第一直流电容正极连接；

下管，与所述第一直流电容负极连接，所述下管与所述上管串联连接后与所述第一直流电容构成半桥连接形式，所述上管的集电极和发射极或所述下管的发射极和集电极引出作为所述第一功率单元的交流端。

3.根据权利要求2所述的能量均衡调节换流链，其中，所述上管和所述下管均为全控型功率半导体器件，所述上管或所述下管的集电极和发射极引出作为第一功率单元的交流端。

4.根据权利要求2所述的能量均衡调节换流链，其中，所述上管为全控型功率半导体器件，所述下管为二极管，所述上管的集电极和发射极引出作为第一功率单元的交流端。

5.根据权利要求2所述的能量均衡调节换流链，其中，所述下管为全控型功率半导体器件，所述上管为二极管，所述下管的集电极和发射极引出作为第一功率单元的交流端。

6.根据权利要求1所述的能量均衡调节换流链，其中，所述均衡子模块还包括：

均压电阻或/和非线性电阻，与所述第一直流电容并联连接。

7.根据权利要求1所述的能量均衡调节换流链，其中，所述功率组件包括：

第一桥臂，与所述第一直流电容并联连接；所述第一桥臂包括串联连接的第一上管和第一下管，所述第一上管与所述第一直流电容正极连接；所述第一下管与所述第一直流电容负极连接；

第二桥臂，与所述第一直流电容并联连接；所述第二桥臂包括串联连接的第二上管和第二下管，所述第二上管与所述第一直流电容正极连接；所述第二下管与所述第一直流电容负极连接；

其中，所述第一桥臂和所述第二桥臂的中点引出作为所述第一功率单元的交流端。

8.根据权利要求1所述的能量均衡调节换流链，其中，所述耗能单元一端与相邻均衡子模块的平衡单元连接，另一端与相邻均衡子模块第一功率单元的交流端连接，所述耗能单元包括：

串联连接的第一开关和第一电阻；

第二直流电容，与所述第一开关与所述第一电阻的串联电路并联连接，所述第一开关包括功率半导体器件构成的固态开关或机械开关。

9.根据权利要求8所述的能量均衡调节换流链，其中，所述耗能单元还包括：

第二功率半导体器件，所述第一开关与所述第一电阻的串联电路与所述第二直流电容并联连接后与所述第二功率半导体器件串联连接。

10.根据权利要求8所述的能量均衡调节换流链，其中，所述耗能单元还包括：

第二电阻，与所述第二直流电容并联连接，所述第二电阻包括均压电阻或/和非线性电阻。

11.根据权利要求1所述的能量均衡调节换流链，其中，所述耗能单元包括：

串联连接的第二开关和第三电阻；

第二功率单元，与所述第二开关和所述第三电阻的串联电路并联连接；

所述第二功率单元的直流端的一端与相邻均衡子模块的平衡单元连接，交流端与相邻均衡子模块的第一功率单元的交流端级联；所述第二开关包括功率半导体器件构成的固态开关或机械开关。

12.根据权利要求1所述的能量均衡调节换流链，其中，所述第一功率半导体器件为二极管。

13.根据权利要求1所述的能量均衡调节换流链，其中，所述平衡单元还包括：

熔丝，与所述第一功率半导体器件串联连接。

14.根据权利要求1所述的能量均衡调节换流链，其中，所述平衡单元还包括：

第四电阻，与所述第一功率半导体器件串联连接。

15.根据权利要求1所述的能量均衡调节换流链，其中，所述平衡单元还包括：

第三开关，与所述第一功率半导体器件串联连接，所述第三开关包括功率半导体器件构成的固态开关或机械开关。

16.根据权利要求15所述的能量均衡调节换流链，其中，所述第一功率单元还包括：

第四开关，并联连接所述第一功率单元的交流端。

17.根据权利要求16所述的能量均衡调节换流链，其中，所述第四开关为机械开关，当所述第三开关为机械开关时，所述第四开关与所述第三开关联动，所述第四开关闭合时，所述第三开关自动分开。

18.根据权利要求1所述的能量均衡调节换流链，还包括：

至少一个直流端口，连接所述第一直流电容的正极和负极；所述直流端口用于连接电力电子变换器的直流侧或引出作为备用端口。

19.一种多段式换流链，其中，所述多段式换流链由N个如权利要求1-18所述的能量均衡调节换流链串联构成，所述N为大于等于2的整数。

20.一种三相换流器，所述三相换流器具有直流正极和直流负极，其中，所述三相换流器的每一相均包括一个桥臂，每个所述桥臂的中点引出作为所述三相换流器的交流端；其中，每个所述桥臂均包括如权利要求1-18所述的能量均衡调节换流链。

21.一种星型换流器，其中，所述星型换流器包含至少三个如权利要求1-18所述的能量均衡调节换流链，所述能量均衡调节换流链的一端连接在一起，另一端分别连接电网的ABC三相，构成星型连接方式。

22.一种角型换流器，其中，所述角型换流器包含至少三个如权利要求1-18所述的能量均衡调节换流链，所述能量均衡调节换流链首尾相互连接构成闭环，闭环中取三个节点分别连接电网的ABC三相，构成角型连接方式。

23.根据权利要求22所述的角型换流器，其中，每个所述能量均衡调节换流链首尾的平衡单元相互连接，构成闭环。

24.一种基于权利要求1-18所述能量均衡调节换流链的控制方法，包括：

当所述能量均衡调节换流链中一均衡子模块中的所述第一直流电容电压高于相邻均衡子模块的电压或耗能单元的电压，且所述一均衡子模块中的功率组件导通时，所述一均衡子模块的第一直流电容启动向所述相邻均衡子模块的第一直流电容充电；

当所述耗能单元的第二直流电容的电压或第三直流电容的电压高于动作门槛值时，闭合所述耗能单元的第一开关或第二开关启动耗能；

当所述耗能单元的第二直流电容的电压或第三直流电容的电压低于返回门槛值时，断开所述耗能单元的所述第一开关或所述第二开关停止耗能。

25.根据权利要求24所述的控制方法，其中，所述能量均衡调节换流链发生故障或承受严重过电压时，所述方法还包括：

闭锁所述能量均衡调节换流链的所述第一功率半导体器件、所述功率组件与能耗单元的第二功率单元；

闭合所述耗能单元的第一开关或第二开关，使所述耗能单元启动耗能；

导通所述均衡子模块的所述第一功率单元中的功率组件，使多个所述均衡子模块之间的直流电压均衡。

26.根据权利要求24所述的控制方法，其中，所述能量均衡调节换流链发生故障或承受非严重过电压时，所述方法还包括：

闭合所述耗能单元的第一开关或第二开关，使所述耗能单元启动耗能；

以预设规则轮流导通多个均衡子模块中的功率组件，使多个所述均衡子模块之间的直流电压均衡。

27.根据权利要求24所述的控制方法，其中，所述均衡子模块包括第四开关且所述第四开关闭合将所述均衡子模块旁路时，所述方法还包括：

被旁路的所述均衡子模块的第一直流电容被相邻的均衡子模块充电；

分开被旁路的所述均衡子模块中的第三开关，切断充电回路，使旁路的所述均衡子模块之外的其他均衡子模块维持正常运行。

28.根据权利要求24所述的控制方法，其中，所述均衡子模块包括第四开关且所述第四开关闭合将所述均衡子模块旁路时，所述方法还包括：

通过机构联动分开被旁路的所述均衡子模块中的第三开关，切断充电回路，使旁路的所述均衡子模块之外的其他均衡子模块维持正常运行。

29.根据权利要求24所述的控制方法，其中，所述换流链中任意一个均衡子模块发生短路时，所述方法还包括：

相邻均衡子模块的第一直流电容通过短路的所述均衡子模块放电；

分开短路的所述均衡子模块中的第三开关，切断短路放电回路，使短路的所述均衡子模块之外的其他均衡子模块维持正常运行。

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