CN113824344A - 一种双箝位自阻断自平衡子模块和模块化多电平换流器 - Google Patents

一种双箝位自阻断自平衡子模块和模块化多电平换流器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双箝位自阻断自平衡子模块和模块化多电平换流器，涉及电力电子的技术领域，所述子模块包括第一电容、第二电容、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一开关、第二开关和开关网络；双箝位自阻断自平衡子模块利用第一开关、第二开关和开关网络的通断配合，实现第一电容和第二电容的电压和功率自动平衡；通过关断双箝位自阻断自平衡子模块中的所有开关，使所有二极管提供负的两倍电容电压来吸收短路电流，使得短路电流迅速下降到零，从而有效抑制直流侧短路故障。利用双箝位自阻断自平衡子模块串联连接组成的模块化多电平换流器，也同时具有电容电压自动平衡和抑制直流侧短路功能。

Description

一种双箝位自阻断自平衡子模块和模块化多电平换流器
技术领域
本发明涉及电力电子的技术领域，更具体地，涉及一种双箝位自阻断自平衡子模块和模块化多电平换流器。
背景技术
基于模块化多电平换流器的柔性直流输电技术获得了工业界与学术界的广泛研究与应用，其在有功调节与无功调节方面都具有很高的灵活性。此外，模块化多电平换流器自身结构所具有的模块化特性与冗余特性也使系统具有较高的运行可靠性。现在的柔性直流输电系统几乎都是基于半桥型或全桥型子模块设计的。半桥型子模块结构简单但不具备抑制直流侧短路故障的能力；全桥型子模块具备抑制直流侧短路故障的能力，但所需开关器件较多。并且，半桥型子模块和全桥型子模块均不具备电容电压自动平衡的能力。因此需要通过复杂的控制算法来实现电容电压的平衡；除了半桥型和全桥型子模块外，如图1所示的双箝位子模块和图2所示串联双子模块也是较常见的子模块，但双箝位子模块和串联双子模块中的两个电容电压也不能自动平衡，同样需要在检测每个电容电压的基础上，通过复杂的控制算法来实现电容电压的平衡。
2021年3月26日公开的中国专利申请CN112564528A公开了一种自平衡的模块化多电平换流器，包括至少一个相单元，所述相单元包括第一自平衡模块和第二自平衡模块；所述第一自平衡模块的一端作为第一直流端，所述第二自平衡模块的一端作为第二直流端，所述第一自平衡模块的另一端、第二自平衡模块的另一端均用于连接交流端。该发明只能实现电容电压的平衡，不具有抑制直流侧短路的功能。
发明内容
本发明为克服上述现有技术中多电平换流器的子模块无法同时实现电容电压自动平衡和抑制直流侧短路功能的缺陷，提供一种双箝位自阻断自平衡子模块和模块化多电平换流器。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
本发明提供了一种双箝位自阻断自平衡子模块，所述子模块包括第一电容C1、第二电容C2、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管DS1、第四二极管DS2、第一开关S1、第二开关S2和开关网络U；
开关网络U的1号端口与第一电容C1的正极连接，开关网络U的2号端口与第一电容C1的负极连接；第一电容C1的正极与第一开关S1的一端连接，第一开关S1的另一端与第一二极管D1的阴极连接，第一二极管D1的阳极与第一电容C1的负极连接；第一开关S1的一端还与第三二极管DS1的阴极连接，第一开关S1的另一端还与第三二极管DS1的阳极连接；第一二极管D1的阴极作为第一输出端；
开关网络U的3号端口与第二电容C2的正极连接，开关网络U的4号端口与第二电容C2的负极连接；第二电容C2的正极与第二二极管D2的阴极连接，第二二极管D2的阳极与第二开关S2的一端连接，第二开关S2的另一端与第二电容C2的负极连接；第二开关S2的一端还与第四二极管DS2的阴极连接，第二开关S2的另一端还与第四二极管DS2的阳极连接；第二二极管D2的阳极作为第二输出端。
优选地，所述开关网络U包括5种电流通路模态，具体为：
第一电流通路模态：1号端口与4号端口连通，电流双向流动；
第二电流通路模态：1号端口与3号端口连通，电流双向流动；2号端口与4号端口连通，电流双向流动；
第三电流通路模态：2号端口与3号端口连通，电流双向流动；
第四电流通路模态：2号端口与3号端口连通，电流单向流动，从2号端口流向3号端口；
第五电流通路模态：1号端口与4号端口连通，电流单向流动，从4号端口流向1号端口。
在任何时刻，开关网络U的1号端口与2号端口之间不存在电流通路，3号端口与4号端口之间不存在电流通路。
优选地，第一电容C1或第二电容C2的电压为电容电压；
当第一开关S1、第二开关S2导通，且开关网络U处于第一电流通路模态时，子模块第一输出端和第二输出端之间产生零电压；
当第一开关S1、第二开关S2导通，且开关网络U处于第二电流通路模态时，子模块第一输出端和第二输出端之间产生一倍电容电压；
当第一开关S1、第二开关S2导通，且开关网络U处于第三电流通路模态时，子模块第一输出端和第二输出端之间产生二倍电容电压；
当第一开关S1、第二开关S2关断，且开关网络U处于第四电流通路模态时，子模块第一输出端和第二输出端之间产生二倍电容电压；
当第一开关S1、第二开关S2关断，且开关网络U处于第五电流通路模态时，子模块第一输出端和第二输出端之间产生负的二倍电容电压。
优选地，所述开关网络U包括五个晶体管和五个电力二极管；五个晶体管包括第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3、第四晶体管T4和第五晶体管T5；五个电力二极管包括第一电力二极管DT1、第二电力二极管DT2、第三电力二极管DT3、第四电力二极管DT4和第五电力二极管DT5；
第一晶体管T1的集电极作为1号端口与第一电容C1的正极连接，第一晶体管T1的集电极还与第一电力二极管DT1的阴极连接，第一电力二极管DT1的阳极与第一晶体管T1的发射极连接，第一晶体管T1的发射极与第三晶体管T3的发射极连接，第三晶体管T3的发射极与第三电力二极管DT3的阳极连接，第三电力二极管DT3的阴极与第三晶体管T3的集电极连接，第三晶体管T3的集电极作为3号端口与第二电容C2的正极连接；
第一晶体管T1的发射极还与第五晶体管T5的集电极连接，第五晶体管T5的集电极还与第五电力二极管DT5的阴极连接，第五电力二极管DT5的阳极与第五晶体管T5的发射极连接，第五晶体管T5的发射极与第二晶体管T2的集电极连接，第二晶体管T2的集电极还与第二电力二极管DT2的阴极连接，第二电力二极管DT2的阳极与第二晶体管T2的发射极连接，第二晶体管T2的发射极作为2号端口与第一电容C1的负极连接；
第五晶体管T5的发射极还与第四晶体管T4的集电极连接，第四晶体管T4的集电极还与第四电力二极管DT4的阴极连接，第四电力二极管DT4的阳极与第四晶体管T4的发射极连接，第四晶体管T4的发射极作为4号端口与第二电容C2的负极连接。
优选地，当第一晶体管T1、第四晶体管T4、第五晶体管T5导通，第二晶体管T2、第三晶体管T3关断时，开关网络U处于第一电流通路模态；
当第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3、第四晶体管T4导通，第五晶体管T5关断时，开关网络U处于第二电流通路模态；
当第二晶体管T2、第三晶体管T3、第五晶体管T5导通，第一晶体管T1、第四晶体管T4关断时，开关网络U处于第三电流通路模态；
当第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3、第四晶体管T4、第五晶体管T5关断时，第二电力二极管DT2、第三电力二极管DT3、第五电力二极管DT5形成从2号端口与3号端口的单向电流通路，网络U处于第四电流通路模态；
当第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3、第四晶体管T4、第五晶体管T5关断时，第一电力二极管DT1、第四电力二极管DT4、第五电力二极管DT5形成从2号端口与3号端口的单向电流通路，网络U处于第五电流通路模态。
优选地，所述第一开关S1和第二开关S2是机械断路器、接触器或IGBT中的一种或多种；当第一开关S1和第二开关S2是IGBT时，IGBT的集电极为第一开关S1和第二开关S2的一端，IGBT的发射极为第一开关S1和第二开关S2的一端。
优选地，当第一开关S1和第二开关S2是IGBT时，所述子模块还包括第一旁路开关和第二旁路开关；第一旁路开关与第一开关S1并联，第二旁路开关与第二开关S2并联。
本发明提供了一种模块化多电平换流器，所述换流器包括n个上述的双箝位自阻断自平衡子模块；双箝位自阻断自平衡子模块依次串联连接。
优选地，所述换流器还包括p个第一电压均衡模块；所述第一电压均衡模块包括第五二极管D5、第一电感L1和第一电阻R1；
第五二极管D5的阴极作为第一电压均衡模块的第一连接端，第五二极管D5的阳极和第一电感L1的一端连接，第一电感L1的另一端和第一电阻R1的一端连接，第一电阻R1的另一端作为第一电压均衡模块的第二连接端；
每两个相邻的双箝位自阻断自平衡子模块之间连接两个第一电压均衡模块；一个第一电压均衡模块的第一连接端与第i个双箝位自阻断自平衡子模块中第二二极管D2的阴极连接，第一电压均衡模块的第二连接端与第i+1个双箝位自阻断自平衡子模块中第二二极管D2的阴极连接；另一个第一电压均衡模块的第一连接端与第i个双箝位自阻断自平衡子模块中第一二极管D1的阳极连接，第一电压均衡模块的第二连接端与第i+1个双箝位自阻断自平衡子模块中第一二极管D1的阳极连接，i＝1,2,…n-1。
优选地，所述换流器还包括q个第二电压均衡模块；所述第二电压均衡模块包括第六二极管D6、电力电子开关管Tb、第二电感L2和第二电阻R2；
第六二极管D6的阴极作为第二电压均衡模块的第一连接端，第六二极管D6的阴极还与电力电子开关管Tb的集电极连接，第六二极管D6的阳极与电力电子开关管Tb的发射极连接，电力电子开关管Tb的发射极还与第二电感L2的一端连接，第二电感L2的另一端和第二电阻R2的一端连接，第二电阻R2的另一端作为第二电压均衡模块的第二连接端；
每两个相邻的双箝位自阻断自平衡子模块之间连接一个第二电压均衡模块；第二电压均衡模块的第一连接端与第i个双箝位自阻断自平衡子模块中第二二极管D2的阴极连接，第二电压均衡模块的第二连接端与第i+1个双箝位自阻断自平衡子模块中第二二极管D2的阴极连接；或者第二电压均衡模块的第一连接端与第i个双箝位自阻断自平衡子模块中第一二极管D1的阳极连接，第二电压均衡模块的第二连接端与第i+1个双箝位自阻断自平衡子模块中第一二极管D1的阳极连接，i＝1,2,…n-1。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明提供的双箝位自阻断自平衡子模块利用第一开关、第二开关和开关网络的通断，实现第一电容和第二电容的电压和功率自动平衡；当发生直流侧短路故障时，可通过关断双箝位自阻断自平衡子模块中的所有开关，使双箝位自阻断自平衡子模块中二极管提供负的两倍电容电压来吸收短路电流，使得短路电流迅速下降到零，从而有效抑制直流侧短路故障。利用双箝位自阻断自平衡子模块串联连接组成的模块化多电平换流器，也同时具有电容电压自动平衡和抑制直流侧短路功能。
附图说明
图1为背景技术所述的双箝位子模块的电路图；
图2为背景技术所述的串联双子模块的电路图；
图3为实施例1所述的一种双箝位自阻断自平衡子模块电路图；
图4为实施例1所述的开关网络U处于第一电流通路模态时的等效电路图；
图5为实施例1所述的开关网络U处于第二电流通路模态时的等效电路图；
图6为实施例1所述的开关网络U处于第三电流通路模态时的等效电路图；
图7为实施例1所述的开关网络U处于第四电流通路模态时的等效电路图；
图8为实施例1所述的开关网络U处于第五电流通路模态时的等效电路图；
图9为实施例1所述的一种双箝位自阻断自平衡子模块的具体结构电路图；
图10为实施例2所述的一种模块化多电平换流器的结构示意图；
图11为实施例2所述的具有三个相支路的一种模块化多电平换流器的结构示意图；
图12为实施例3所述的一种模块化多电平换流器的结构示意图；
图13为实施例3所述的第一电压均衡模块连接在两个相邻的双箝位自阻断自平衡子模块之间的电路图；
图14为实施例4所述的一种模块化多电平换流器的结构示意图；
图15为实施例4所述的一种第二电压均衡模块连接在两个相邻的双箝位自阻断自平衡子模块之间的电路图；
图16为实施例4所述的另一种第二电压均衡模块连接在两个相邻的双箝位自阻断自平衡子模块之间的电路图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
本实施例提供了一种双箝位自阻断自平衡子模块，如图3所示，所述子模块包括第一电容C1、第二电容C2、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管DS1、第四二极管DS2、第一开关S1、第二开关S2和开关网络U；
开关网络U的1号端口与第一电容C1的正极连接，开关网络U的2号端口与第一电容C1的负极连接；第一电容C1的正极与第一开关S1的一端连接，第一开关S1的另一端与第一二极管D1的阴极连接，第一二极管D1的阳极与第一电容C1的负极连接；第一开关S1的一端还与第三二极管DS1的阴极连接，第一开关S1的另一端还与第三二极管DS1的阳极连接；第一二极管D1的阴极作为第一输出端O；
开关网络U的3号端口与第二电容C2的正极连接，开关网络U的4号端口与第二电容C2的负极连接；第二电容C2的正极与第二二极管D2的阴极连接，第二二极管D2的阳极与第二开关S2的一端连接，第二开关S2的另一端与第二电容C2的负极连接；第二开关S2的一端还与第四二极管DS2的阴极连接，第二开关S2的另一端还与第四二极管DS2的阳极连接；第二二极管D2的阳极作为第二输出端O′。
所述开关网络U包括5种电流通路模态，具体为：
第一电流通路模态：1号端口与4号端口连通，电流双向流动；
第二电流通路模态：1号端口与3号端口连通，电流双向流动；2号端口与4号端口连通，电流双向流动；
第三电流通路模态：2号端口与3号端口连通，电流双向流动；
第四电流通路模态：2号端口与3号端口连通，电流单向流动，从2号端口流向3号端口；
第五电流通路模态：1号端口与4号端口连通，电流单向流动，从4号端口流向1号端口。
在任何时刻，开关网络U的1号端口与2号端口之间不存在电流通路，3号端口与4号端口之间不存在电流通路。
第一电容C1或第二电容C2的电压为电容电压；
如图4所示，当第一开关S1、第二开关S2导通，且开关网络U处于第一电流通路模态时，子模块第一输出端和第二输出端之间产生零电压；
如图5所示，当第一开关S1、第二开关S2导通，且开关网络U处于第二电流通路模态时，子模块第一输出端和第二输出端之间产生一倍电容电压；
如图6所示，当第一开关S1、第二开关S2导通，且开关网络U处于第三电流通路模态时，子模块第一输出端和第二输出端之间产生二倍电容电压；
如图7所示，当第一开关S1、第二开关S2关断，且开关网络U处于第四电流通路模态时，子模块第一输出端和第二输出端之间产生二倍电容电压；
如图8所示，当第一开关S1、第二开关S2关断，且开关网络U处于第五电流通路模态时，子模块第一输出端和第二输出端之间产生负的二倍电容电压。
如图9所示，所述开关网络U包括五个晶体管和五个电力二极管；五个晶体管包括第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3、第四晶体管T4和第五晶体管T5；五个电力二极管包括第一电力二极管DT1、第二电力二极管DT2、第三电力二极管DT3、第四电力二极管DT4和第五电力二极管DT5；
第一晶体管T1的集电极作为1号端口与第一电容C1的正极连接，第一晶体管T1的集电极还与第一电力二极管DT1的阴极连接，第一电力二极管DT1的阳极与第一晶体管T1的发射极连接，第一晶体管T1的发射极与第三晶体管T3的发射极连接，第三晶体管T3的发射极与第三电力二极管DT3的阳极连接，第三电力二极管DT3的阴极与第三晶体管T3的集电极连接，第三晶体管T3的集电极作为3号端口与第二电容C2的正极连接；
第一晶体管T1的发射极还与第五晶体管T5的集电极连接，第五晶体管T5的集电极还与第五电力二极管DT5的阴极连接，第五电力二极管DT5的阳极与第五晶体管T5的发射极连接，第五晶体管T5的发射极与第二晶体管T2的集电极连接，第二晶体管T2的集电极还与第二电力二极管DT2的阴极连接，第二电力二极管DT2的阳极与第二晶体管T2的发射极连接，第二晶体管T2的发射极作为2号端口与第一电容C1的负极连接；
第五晶体管T5的发射极还与第四晶体管T4的集电极连接，第四晶体管T4的集电极还与第四电力二极管DT4的阴极连接，第四电力二极管DT4的阳极与第四晶体管T4的发射极连接，第四晶体管T4的发射极作为4号端口与第二电容C2的负极连接。
当第一晶体管T1、第四晶体管T4、第五晶体管T5导通，第二晶体管T2、第三晶体管T3关断时，开关网络U处于第一电流通路模态；第一电容C1和第二电容C2被旁路，此时输出零电压；
当第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3、第四晶体管T4导通，第五晶体管T5关断时，开关网络U处于第二电流通路模态；第一电容C1和第二电容C2并联，此时输出一倍电容电压；
当第二晶体管T2、第三晶体管T3、第五晶体管T5导通，第一晶体管T1、第四晶体管T4关断时，开关网络U处于第三电流通路模态；第一电容C1和第二电容C2串联，此时输出二倍电容电压；
当第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3、第四晶体管T4、第五晶体管T5关断时，第二电力二极管DT2、第三电力二极管DT3、第五电力二极管DT5形成从2号端口与3号端口的单向电流通路，即从第一电容C1负极到C2正正极的单向电流通路，网络U处于第四电流通路模态；
当第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3、第四晶体管T4、第五晶体管T5关断时，第一电力二极管DT1、第四电力二极管DT4、第五电力二极管DT5形成从2号端口与3号端口的单向电流通路，即从第一电容C2负极到C1正正极的单向电流通路，网络U处于第五电流通路模态。
在本实施例中，第一开关S1和第二开关S2是机械断路器、接触器或IGBT中的一种或多种；双箝位自平衡子模块正常运行时，即输出零电压、一倍电容电压和二倍电容电压时，所述第一开关S1和第二开关S2始终处于导通状态，利用机械断路器或接触器即可实现；当第一开关S1和第二开关S2是IGBT时，IGBT的集电极为第一开关S1和第二开关S2的一端，IGBT的发射极为第一开关S1和第二开关S2的一端。
并且，当第一开关S1和第二开关S2是IGBT时，子模块还包括第一旁路开关和第二旁路开关；第一旁路开关与第一开关S1并联，第二旁路开关与第二开关S2并联，正常运行时机械旁路开关提供电流通路，起到减少导通损耗的目的；在出现直流侧短路故障时由IGBT和旁路开关配合动作，消除旁路开关关断时产生的电弧。
实施例2
本实施例提供了一种模块化多电平换流器，如图10所示，所述换流器包括n个如实施例1所述的双箝位自阻断自平衡子模块；双箝位自阻断自平衡子模块依次串联连接。图中，SM表示双箝位自阻断自平衡子模块。
在实际应用过程中，模块化多电平换流器包括至少一个相支路，每个相支路包括第一桥臂支路和第二桥臂支路；第一桥臂支路的第一端与第二桥臂支路的第二端的连接点作为该相支路的交流端；第二桥臂支路的第一端和第一桥臂支路的第二端分别作为该相支路的直流正端和直流负端。
每个桥臂支路包括n个如实施例1所述的双箝位自阻断自平衡子模块，n≥1；双箝位自阻断自平衡子模块的第一输出端作为桥臂支路的第一端，双箝位自阻断自平衡子模块的第二输出端作为桥臂支路的第二端，则每个相支路至少包括两个如实施例1所述的双箝位自阻断自平衡子模块；该模块化多电平能在每个交流侧输出2n+1中交流电平，由于模块内电容具有电压自动平衡的特点，所以每个模块只需检测一个电容电压即可，这比传统的半桥型或全桥型或半桥全桥混合型模块化多电平换流器所需的电容电压检测装置少一半。并且，桥臂支路也可以由实施例1所述的双箝位自阻断自平衡子模块与半桥型子模块混合串联而成，能起到减少半导体开关数量的目的。
本实施例提供的一种模块化多电平换流器可以将交流电压转换成直流电压或者将直流电压转换成交流电压，对于多相交流电，可以设置多个相支路；如图11所示，为具有三个相支路的模块化多电平换流器；为实现更好的效果，每个桥臂支路中的双箝位自阻断自平衡子模块数目相同。
当所述模块化多电平换流器直流侧发生短路故障时，可通过关断双箝位自阻断自平衡子模块中的所有开关，使每个双箝位自阻断自平衡子模块中二极管提供负的两倍电容电压来吸收短路电流，使得短路电流迅速下降到零，从而有效抑制直流侧短路故障。
实施例3
本实施例提供了一种模块化多电平换流器，所述换流器包括n个如实施例1所述的双箝位自阻断自平衡子模块和p个第一电压均衡模块；如图12所示，每两个相邻的双箝位自阻断自平衡子模块之间连接两个第一电压均衡模块；图中，SM表示双箝位自阻断自平衡子模块。
所述第一电压均衡模块包括第五二极管D5、第一电感L1和第一电阻R1；
第五二极管D5的阴极作为第一电压均衡模块的第一连接端，第五二极管D5的阳极和第一电感L1的一端连接，第一电感L1的另一端和第一电阻R1的一端连接，第一电阻R1的另一端作为第一电压均衡模块的第二连接端；
如图13所示，为两个相邻的双箝位自阻断自平衡子模块之间第一电压均衡模块的连接原理图；一个第一电压均衡模块的第一连接端与第i个双箝位自阻断自平衡子模块中第一电容C1的负极连接，第一电压均衡模块的第二连接端与第i+1个双箝位自阻断自平衡子模块中第一电容C1的负极连接；另一个第一电压均衡模块的第一连接端与第i个双箝位自阻断自平衡子模块中第二电容C2的正极连接，第一电压均衡模块的第二连接端与第i+1个双箝位自阻断自平衡子模块中第二电容C2的正极连接，i＝1,2,…n-1。
与实施例2所述的模块化多电平换流器相比，每两个相邻的双箝位自阻断自平衡子模块间均添加了第一电压均衡模块，用于双箝位自阻断自平衡子模块间的电容电压；一个第一电压均衡模块并联连接在相邻两个双箝位自平衡子模块中第一电容C1的负极之间，为相邻两个双箝位自阻断自平衡子模块中第一电容C1提供电压均衡通路；另一个第一电压均衡模块并联连接在相邻两个双箝位自平衡子模块中第二电容C2的正极之间，为相邻两个双箝位自阻断自平衡子模块中第二电容C2提供电压均衡通路；由于第五二极管D5的单向导电特性，均衡电流只能从一个双箝位自阻断自平衡子模块流向另一个双箝位自阻断自平衡子模块，当两个第一电压均衡模块共同作用时，均衡电流可在相邻两个双箝位自阻断自平衡子模块间双向流动，无需额外的电容电压检测系统和复杂的控制算，即可起到两个双箝位自阻断自平衡子模块电容电压自动均衡的目的，法；并且，第一电压均衡模块中的第一电感L1和第一电阻R1的作用均为限制均衡电流，在实际应用中，使用任意一个或使用两个均可实现限制均衡电流的目的，提高了换流器的可靠性和安全性。
实施例4
本实施例提供了一种模块化多电平换流器，所述换流器包括n个如实施例1所述的双箝位自阻断自平衡子模块和q个第二电压均衡模块；如图14所示，每两个相邻的双箝位自阻断自平衡子模块之间连接一个第二电压均衡模块；图中，SM表示双箝位自阻断自平衡子模块。
所述第二电压均衡模块包括第六二极管D6、电力电子开关管Tb、第二电感L2和第二电阻R2；
第六二极管D6的阴极作为第二电压均衡模块的第一连接端，第六二极管D6的阴极还与电力电子开关管Tb的集电极连接，第六二极管D6的阳极与电力电子开关管Tb的发射极连接，电力电子开关管Tb的发射极还与第二电感L2的一端连接，第二电感L2的另一端和第二电阻R2的一端连接，第二电阻R2的另一端作为第二电压均衡模块的第二连接端；
如图15所示，为一种两个相邻的双箝位自阻断自平衡子模块之间第二电压均衡模块的连接原理图；第二电压均衡模块的第一连接端与第i个双箝位自阻断自平衡子模块中第一电容C1的负极连接，第二电压均衡模块的第二连接端与第i+1个双箝位自阻断自平衡子模块中第一电容C1的负极连接；或者如图16所示，为另一种两个相邻的双箝位自阻断自平衡子模块之间第二电压均衡模块的连接原理图第二电压均衡模块的第一连接端与第i个双箝位自阻断自平衡子模块中第二电容C2的正极连接，第二电压均衡模块的第二连接端与第i+1个双箝位自阻断自平衡子模块中第二电容C2的正极连接，i＝1,2,…n-1。
与实施例3所述的一种模块化多电平换流器相比，本实施例所述的一种模块化多电平换流器仅利用一个均衡模块即可实现自动均衡电流在两个双箝位自阻断自平衡子模块质检双向流动，大大减少了均衡模块的数量。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。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。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双箝位自阻断自平衡子模块，其特征在于，所述子模块包括第一电容C1、第二电容C2、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管DS1、第四二极管DS2、第一开关S1、第二开关S2和开关网络U；
开关网络U的1号端口与第一电容C1的正极连接，开关网络U的2号端口与第一电容C1的负极连接；第一电容C1的正极与第一开关S1的一端连接，第一开关S1的另一端与第一二极管D1的阴极连接，第一二极管D1的阳极与第一电容C1的负极连接；第一开关S1的一端还与第三二极管DS1的阴极连接，第一开关S1的另一端还与第三二极管DS1的阳极连接；第一二极管D1的阴极作为第一输出端O；
开关网络U的3号端口与第二电容C2的正极连接，开关网络U的4号端口与第二电容C2的负极连接；第二电容C2的正极与第二二极管D2的阴极连接，第二二极管D2的阳极与第二开关S2的一端连接，第二开关S2的另一端与第二电容C2的负极连接；第二开关S2的一端还与第四二极管DS2的阴极连接，第二开关S2的另一端还与第四二极管DS2的阳极连接；第二二极管D2的阳极作为第二输出端O′。
2.根据权利要求1所述的双箝位自阻断自平衡子模块，其特征在于，所述开关网络U包括5种电流通路模态，具体为：
第一电流通路模态：1号端口与4号端口连通，电流双向流动；
第二电流通路模态：1号端口与3号端口连通，电流双向流动；2号端口与4号端口连通，电流双向流动；
第三电流通路模态：2号端口与3号端口连通，电流双向流动；
第四电流通路模态：2号端口与3号端口连通，电流单向流动，从2号端口流向3号端口；
第五电流通路模态：1号端口与4号端口连通，电流单向流动，从4号端口流向1号端口。
3.根据权利要求2所述的双箝位自阻断自平衡子模块，其特征在于，第一电容C1或第二电容C2的电压为电容电压；
当第一开关S1、第二开关S2导通，且开关网络U处于第一电流通路模态时，子模块第一输出端和第二输出端之间产生零电压；
当第一开关S1、第二开关S2导通，且开关网络U处于第二电流通路模态时，子模块第一输出端和第二输出端之间产生一倍电容电压；
当第一开关S1、第二开关S2导通，且开关网络U处于第三电流通路模态时，子模块第一输出端和第二输出端之间产生二倍电容电压；
当第一开关S1、第二开关S2关断，且开关网络U处于第四电流通路模态时，子模块第一输出端和第二输出端之间产生二倍电容电压；
当第一开关S1、第二开关S2关断，且开关网络U处于第五电流通路模态时，子模块第一输出端和第二输出端之间产生负的二倍电容电压。
4.根据权利要求3所述的双箝位自阻断自平衡子模块，其特征在于，所述开关网络U包括五个晶体管和五个电力二极管；五个晶体管包括第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3、第四晶体管T4和第五晶体管T5；五个电力二极管包括第一电力二极管DT1、第二电力二极管DT2、第三电力二极管DT3、第四电力二极管DT4和第五电力二极管DT5；
第一晶体管T1的集电极作为1号端口与第一电容C1的正极连接，第一晶体管T1的集电极还与第一电力二极管DT1的阴极连接，第一电力二极管DT1的阳极与第一晶体管T1的发射极连接，第一晶体管T1的发射极与第三晶体管T3的发射极连接，第三晶体管T3的发射极与第三电力二极管DT3的阳极连接，第三电力二极管DT3的阴极与第三晶体管T3的集电极连接，第三晶体管T3的集电极作为3号端口与第二电容C2的正极连接；
第一晶体管T1的发射极还与第五晶体管T5的集电极连接，第五晶体管T5的集电极还与第五电力二极管DT5的阴极连接，第五电力二极管DT5的阳极与第五晶体管T5的发射极连接，第五晶体管T5的发射极与第二晶体管T2的集电极连接，第二晶体管T2的集电极还与第二电力二极管DT2的阴极连接，第二电力二极管DT2的阳极与第二晶体管T2的发射极连接，第二晶体管T2的发射极作为2号端口与第一电容C1的负极连接；
第五晶体管T5的发射极还与第四晶体管T4的集电极连接，第四晶体管T4的集电极还与第四电力二极管DT4的阴极连接，第四电力二极管DT4的阳极与第四晶体管T4的发射极连接，第四晶体管T4的发射极作为4号端口与第二电容C2的负极连接。
5.根据权利要求4所述的双箝位自阻断自平衡子模块，其特征在于，当第一晶体管T1、第四晶体管T4、第五晶体管T5导通，第二晶体管T2、第三晶体管T3关断时，开关网络U处于第一电流通路模态；
当第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3、第四晶体管T4导通，第五晶体管T5关断时，开关网络U处于第二电流通路模态；
当第二晶体管T2、第三晶体管T3、第五晶体管T5导通，第一晶体管T1、第四晶体管T4关断时，开关网络U处于第三电流通路模态；
当第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3、第四晶体管T4、第五晶体管T5关断时，第二电力二极管DT2、第三电力二极管DT3、第五电力二极管DT5形成从2号端口与3号端口的单向电流通路，网络U处于第四电流通路模态；
当第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3、第四晶体管T4、第五晶体管T5关断时，第一电力二极管DT1、第四电力二极管DT4、第五电力二极管DT5形成从2号端口与3号端口的单向电流通路，网络U处于第五电流通路模态。
6.根据权利要求1所述的双箝位自阻断自平衡子模块，其特征在于，所述第一开关S1和第二开关S2是机械断路器、接触器或IGBT中的一种或多种；当第一开关S1和第二开关S2是IGBT时，IGBT的集电极为第一开关S1和第二开关S2的一端，IGBT的发射极为第一开关S1和第二开关S2的一端。
7.根据权利要求6所述的双箝位自阻断自平衡子模块，其特征在于，当第一开关S1和第二开关S2是IGBT时，所述子模块还包括第一旁路开关和第二旁路开关；第一旁路开关与第一开关S1并联，第二旁路开关与第二开关S2并联。
8.一种模块化多电平换流器，其特征在于，所述换流器包括n个如权利要求1-7任意一项所述的双箝位自阻断自平衡子模块；双箝位自阻断自平衡子模块依次串联连接。
9.根据权利要求8所述的模块化多电平换流器，其特征在于，所述换流器还包括p个第一电压均衡模块；所述第一电压均衡模块包括第五二极管D5、第一电感L1和第一电阻R1；
第五二极管D5的阴极作为第一电压均衡模块的第一连接端，第五二极管D5的阳极和第一电感L1的一端连接，第一电感L1的另一端和第一电阻R1的一端连接，第一电阻R1的另一端作为第一电压均衡模块的第二连接端；
每两个相邻的双箝位自阻断自平衡子模块之间连接两个第一电压均衡模块；一个第一电压均衡模块的第一连接端与第i个双箝位自阻断自平衡子模块中第二二极管D2的阴极连接，第一电压均衡模块的第二连接端与第i+1个双箝位自阻断自平衡子模块中第二二极管D2的阴极连接；另一个第一电压均衡模块的第一连接端与第i个双箝位自阻断自平衡子模块中第一二极管D1的阳极连接，第一电压均衡模块的第二连接端与第i+1个双箝位自阻断自平衡子模块中第一二极管D1的阳极连接，i＝1,2,…n-1。
10.根据权利要求8所述的模块化多电平换流器，其特征在于，所述换流器还包括q个第二电压均衡模块；所述第二电压均衡模块包括第六二极管D6、电力电子开关管Tb、第二电感L2和第二电阻R2；
第六二极管D6的阴极作为第二电压均衡模块的第一连接端，第六二极管D6的阴极还与电力电子开关管Tb的集电极连接，第六二极管D6的阳极与电力电子开关管Tb的发射极连接，电力电子开关管Tb的发射极还与第二电感L2的一端连接，第二电感L2的另一端和第二电阻R2的一端连接，第二电阻R2的另一端作为第二电压均衡模块的第二连接端；
每两个相邻的双箝位自阻断自平衡子模块之间连接一个第二电压均衡模块；第二电压均衡模块的第一连接端与第i个双箝位自阻断自平衡子模块中第二二极管D2的阴极连接，第二电压均衡模块的第二连接端与第i+1个双箝位自阻断自平衡子模块中第二二极管D2的阴极连接；或者第二电压均衡模块的第一连接端与第i个双箝位自阻断自平衡子模块中第一二极管D1的阳极连接，第二电压均衡模块的第二连接端与第i+1个双箝位自阻断自平衡子模块中第一二极管D1的阳极连接，i＝1,2,…n-1。
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