CN113922682B - 一种三相桥式电路直接级联型模块化多电平换流器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种三相桥式电路直接级联型模块化多电平换流器，包括由多个TPB‑MMC子模块级联组成的三相桥式电路直接级联型模块化多电平换流器，TPB‑MMC子模块包括多组三相三开关桥式电路和电容，每组三相三开关桥式电路与电容并联；每组三相三开关桥式电路包括多个串联的半导体开关组成的串联支路和两个电感，串联支路与电容并联，串联支路中的两个半导体开关之间接入一个电感；串联支路中的多个半导体开关只能同时关断不能同时导通，通过选择每组三相三开关桥式电路中串联支路中的多个半导体开关的开闭状态来选择不同的工作状态。本发明具有模块化程度高，同样电压等级下子模块数量少，电容电压波动小，容量小，功率密度高的优点。

Description

一种三相桥式电路直接级联型模块化多电平换流器
技术领域
本发明涉及电力电子与电力传动、高压直流输电领域，尤其涉及一种三相桥式电路直接级联型模块化多电平换流器。
背景技术
模块化多电平变流器已经广泛的应用在高压直流输电、中压直流电网和高压变频器领域；模块化多电平变流器是将高压直流与高压交流进行转换的最有效手段之一，大量人员对其进行了研究；然而，传统模块化多电平变流器是以半桥或者全桥变换器为基础，以单相子模块的串联构成单相系统，然后通过三个单相系统并联组合形成三相系统。单相系统中交直流转换必然存在着二倍频波动，为了平抑该波动，半桥子模块或者全桥子模块均需要较大容量的支撑电容，但是支撑电容的成本高、容量大、可靠性低，且只能抑制该波动无法实现二倍频波动的消除。
因此，传统基于半桥或者全桥子模块构成的模块化多电平拓扑的体积和成本均较高，且由于三相均需要相同数量的子模块，导致三相系统中子模块数量众多。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种三相桥式电路直接级联型模块化多电平换流器，解决了传统变流器存在的不足。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种三相桥式电路直接级联型模块化多电平换流器，它包括由多个TPB-MMC子模块级联组成的TPB-MMC模块，所述TPB-MMC子模块包括多组三相三开关桥式电路和电容，每组三相三开关桥式电路与电容并联；每组三相三开关桥式电路包括多个串联的半导体开关组成的串联支路和两个电感，所述串联支路与所述电容并联，串联支路中的两个半导体开关之间接入一个电感；所述串联支路中的多个半导体开关只能同时关断不能同时导通，通过选择每组三相三开关桥式电路中串联支路中的多个半导体开关的开闭状态来选择不同的工作状态。
所述串联支路包括由三个半导体开关串联组成，第一电感的一端连接到第一半导体开关和第二半导体开关之间的连接点上，另一端作为三相输入端的正极；第二电感的一端连接到第二半导体开关和第三半导体开关之间的连接点上，另一端作为相输入端的负极，TPB-MMC子模块对外具有三相正极输入端，三相负极输入端两组三相端口。
所述TPB-MMC子模块的三相三开关桥式电路包括三组串联支路，三组串联支路均与电容并联，将三相三开关桥式电路中三组串联支路的第一半导体开关和第三半导体开关设置为一组，得到E1、E2和E3组半导体开关；三相三开关桥式电路中三组串联支路的第一半导体开关和第三半导体开关分别采用控制信号G1、G2和G3进行控制，且导通时间分别为T1、T2和T3，三组半导体开关同一时刻只能有一组半导体开关导通。
所述TPB-MMC子模块的三相三开关桥式电路中的第二半导体开关分别采用控制信号G1M、G2M和G3M控制，导通时间分别为T1M、T2M和T3M。
所述TPB-MMC子模块共2N个，其中第一个子模块的三相正极输入端接入至直流母线正极，第2N个子模块的三相负极输入端接入至直流母线负极，子模块之间，一个子模块的三相正极输入与另一个子模块的负极输入连接，在第N个模块与第N+1个模块间，接入三相电网。
所述电容的容量取值大于零。
所述TPB-MMC子模块中的电感值为0时，则前N个TPB-MMC子模块的任意一相的子模块电感总和不能为零，且三相串联支路电感值之和相等，同时，必须保证后N个子模块的任意一相的子模块电感总和不为零，且三相串联支路电感值之和相等。
所述半导体开关包括但不限于，二极管，晶闸管，门极可关断晶闸管，绝缘栅双极型晶体管，电力场效应管，碳化硅场效应管，集成门极换向晶闸管等，以及各类半导体器件的串联，并联，反并联等组合。
本发明具有以下优点：一种三相桥式电路直接级联型模块化多电平换流器，具有模块化程度高，同样电压等级下，子模块数量少，电容电压波动小，容量小，功率密度高的优点。
附图说明
图1 为本发明的结构示意图；
图2 为本发明TPB-MMC子模块的电路示意图；
图3 为本发明采用全控器件的三相桥式电路模块化的多电平换流器示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下结合附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。下面结合附图对本发明做进一步的描述。
如图1所示，本发明具体涉及一种三相桥式电路模块化的电平换流器（threephase bridge modular multilevel converter, TPB-MMC），从抑制传统模块化多电平换流器子模块电压脉动、降低支撑电容容量、提高模块支撑电容可靠性、降低模块化多电平换流器总模块数；其主要包括：
TPB-MMC子模块的A相正极AP与另一子模块A相负极AN连接。B相，C相类似，形成多个模块的级联结构，共2N个TPB-MMC子模块级联；级联结构中，正极AP，BP，CP未连接其他模块的TPB-MMC子模块为第一个TPB-MMC模块。负极AN，BN，CN未连接其他模块的TPB-MMC子模块为最后一个TPB-MMC子模块。第一个TPB-MMC子模块中正极AP，BP，CP直接相连并引出为正直流母线。最后一个TPB-MMC子模块中负极AN，BN，CN直接相连并引出为负直流母线。第N个TPB-MMC子模块与第N+1个TPB-MMC子模块的A相连接点出引出A相连接母线；第N个TPB-MMC子模块与第N+1个TPB-MMC子模块的B相连接点出引出B相连接母线；第N个TPB-MMC子模块与第N+1个TPB-MMC子模块的C相连接点出引出C相连接母线。
进一步地，TPB-MMC子模块为一种新型三相三开关桥式变流器，其包括半导体开关，电感，电容三类器件。
如图2所示，其中，有A，B，C三组三相端口，每组端口包括正极P和负极N。具有9个半导体开关T1U，T1M，T1L；T2U，T2M，T2L；T3U，T3M，T3L。六个均衡电感，分为三组，分别为LAP，LAN; LBP，LBN; LBP，LBN。一个模块支撑电容器C。
进一步地，半导体开关T1U，T1M，T1L串联连接，形成串联支路，串联支路与电容器C并联。其中T1U，T1M的连接点为H1；T1M，T1L的连接点为H2；半导体开关T2U，T2M，T2L串联连接，形成串联支路，串联支路与电容器C并联。其中T2U，T2M的连接点为H3；T2M，T2L的连接点为H4；半导体开关T3U，T3M，T3L串联连接，形成串联支路，串联支路与电容器C并联。其中T3U，T3M的连接点为H5；T3M，T3L的连接点为H6。
进一步地，平衡电感LAP一端连接于点H1，另一端为子模块A相正极AP；平衡电感LAN一端连接于点H2，另一端为子模块A相负极AN；平衡电感LBP一端连接于点H3，另一端为子模块B相正极BP；平衡电感LBN一端连接于点H4，另一端为子模块B相负极BN；平衡电感LCP一端连接于点H5，另一端为子模块C相正极CP；平衡电感LCN一端连接于点H6，另一端为子模块C相负极CN；
进一步地，由于三相瞬时功率脉动相互抵消，因此，支撑电容器C的可以很小，但不能为零。
进一步地，TPB-MMC子模块中的电感值可以为0，但前N个TPB-MMC子模块的任意一相的子模块电感总和不能为零，且三相相等，类似的，必须保证后N个子模块的任意一相的子模块电感总和不为零，且三相相等。
其中，每个TPB-MMC子模块的开关逻辑如下：
由T1U，T1M，T1L构成的串联支路，半导体开关不能同时导通，可以同时关断。由T2U，T2M，T2L构成的串联支路，半导体开关不能同时导通，可以同时关断。由T3U，T3M，T3L构成的串联支路，半导体开关不能同时导通，可以同时关断。
半导体开关T1U，T1L为一组，定义为E1组，采用同一控制信号G1进行控制，导通时间为T1。半导体开关T2U，T2L为一组，定义为E2组，采用同一控制信号G2进行控制，导通时间为T2。半导体开关T3U，T3L为一组，定义为E3组，采用同一控制信号G3进行控制，导通时间为T3。E1组半导体开关、E2组半导体开关与E3组半导体开关同一时刻只能有一组导通。
半导体开关T1M控制信号为G1M，导通时间为T1M。半导体开关T2M控制信号为G2M，导通时间为T2M。半导体开关T3M控制信号为G3M，导通时间为T3M。
进一步地，TPB-MMC子模块不同的开关逻辑下的工作状态为：
工作状态1：E1组半导体开关导通，半导体开关T1M关断，E2组半导体开关关断，半导体开关T2M导通，E3组半导体开关关断，半导体开关T3M导通；此时，第一串联支路投入电容，第二，第三支路处于旁路状态。
A相中，点H1与H2间接入电容C，两点间电压为U dc。
B相中，点H3与H4间由半导体开关T2M短路，两点间电压为零。
C相中，点H5与H6间由半导体开关T3M短路，两点间电压为零。
工作状态2：E2组半导体开关导通，半导体开关T2M关断，E1组半导体开关关断，半导体开关T1M导通，E3组半导体开关关断，半导体开关T3M导通；此时，第二串联支路投入电容，第一，第三支路处于旁路状态。
A相中，点H1与H2间由半导体开关T1M短路，两点间电压为零。
B相中，点H3与H4间接入电容C，两点间电压为U dc。
C相中，点H5与H6间由半导体开关T3M短路，两点间电压为零。
工作状态3：E3组半导体开关导通，半导体开关T3M关断，E1组半导体开关关断，半导体开关T1M导通，E2组半导体开关关断，半导体开关T2M导通；此时，第三串联支路投入电容，第一，第二支路处于旁路状态。
A相中，点H1与H2间由半导体开关T1M短路，两点间电压为零。
B相中，点H3与H4间由半导体开关T2M短路，两点间电压为零。
C相中，点H5与H6间接入电容C，两点间电压为U dc。
工作状态4：E1组半导体开关关断，半导体开关T1M开通，E2组半导体开关关断，半导体开关T2M导通，E3组半导体开关关断，半导体开关T3M导通；此时，三条支路均处于旁路状态。
A相中，点H1与H2间由半导体开关T1M短路，两点间电压为零。
B相中，点H3与H4间由半导体开关T2M短路，两点间电压为零。
C相中，点H5与H6间由半导体开关T3M短路，两点间电压为零。
工作状态5：E1组半导体开关关断，半导体开关T1M关断，E2组半导体开关关断，半导体开关T2M关断，E3组半导体开关关断，半导体开关T3M关断。此时子模块处于脉冲封锁阶段。
工作状态6：E1组半导体开关关断，半导体开关T1M开通，E2组半导体开关关断，半导体开关T2M关断，E3组半导体开关关断，半导体开关T3M关断；此时，第一串联支路实现了电容旁路功能，第二，第三支路实现了封锁功能。
工作状态7：E1组半导体开关关断，半导体开关T1M关断，E2组半导体开关关断，半导体开关T2M开通，E3组半导体开关关断，半导体开关T3M关断；此时，第二串联支路实现了电容旁路功能，第一，第三支路实现了封锁功能。
工作状态8：E1组半导体开关关断，半导体开关T1M关断，E2组半导体开关关断，半导体开关T2M关断，E3组半导体开关关断，半导体开关T3M开通；此时，第三串联支路实现了电容旁路功能，第一，第二支路实现了封锁功能。
进一步地，半导体开关包括具有开关作用的功率半导体开关器件及其组合，其包括：
开关组合1：全控型或半控型功率半导体器件及其串联、并联、反并联和反串联组合；开关组合2：功率二极管及其串联和并联组合；开关组合3：由开关组合1与开关组合2的串联、并联、反并联、反串联组合。
如图3所示，为一种采用全控器件的三相桥式电路模块化的多电平换流器。采用该拓扑即可实现高压交流和高压直流间的有效转换。
本发明的工作原理是：通过子模块的三相三开关桥式电路的开关组合，分时复用子模块电容，实现分时分相投入子模块。投入子模块的多少决定了相电压调节量的大小，通过子模块电容分时投入的方式，调节电网电流与电网电压，并实现交流侧电压转换为直流侧恒定电压的目的。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (1)

1.一种三相桥式电路直接级联型模块化多电平换流器，其特征在于：它包括由多个TPB-MMC子模块级联组成的三相桥式电路直接级联型模块化多电平换流器，所述TPB-MMC子模块包括多组三相三开关桥式电路和电容，每组三相三开关桥式电路与电容并联；每组三相三开关桥式电路包括多个串联的半导体开关组成的串联支路和两个电感，所述串联支路与所述电容并联，串联支路中的两个半导体开关之间接入一个电感；所述串联支路中的多个半导体开关只能同时关断不能同时导通，通过选择每组三相三开关桥式电路中串联支路中的多个半导体开关的开闭状态来选择不同的工作状态；所述串联支路包括由三个半导体开关串联组成，第一电感的一端连接到第一半导体开关和第二半导体开关之间的连接点上，另一端作为三相输入端的正极；第二电感的一端连接到第二半导体开关和第三半导体开关之间的连接点上，另一端作为相输入端的负极，TPB-MMC子模块对外具有三相正极输入端，三相负极输入端两组三相端口；所述TPB-MMC子模块的三相三开关桥式电路包括三组串联支路，三组串联支路均与电容并联，将三相三开关桥式电路中三组串联支路的第一半导体开关和第三半导体开关设置为一组，得到E1、E2和E3组半导体开关；三相三开关桥式电路中三组串联支路的第一半导体开关和第三半导体开关分别采用控制信号G1、G2和G3进行控制，且导通时间分别为T1、T2和T3，三组半导体开关同一时刻只能有一组半导体开关导通；所述TPB-MMC子模块的三相三开关桥式电路中的第二半导体开关分别采用控制信号G1M、G2M和G3M控制，导通时间分别为T1M、T2M和T3M；所述TPB-MMC子模块共2N个，其中第一个子模块的三相正极输入端接入至直流母线正极，第2N个子模块的三相负极输入端接入至直流母线负极，子模块之间，一个子模块的三相正极输入与另一个子模块的负极输入连接，在第N个模块与第N+1个模块间，接入三相电网；所述电容的容量取值大于零；所述TPB-MMC子模块中的电感值为零，但前N个TPB-MMC子模块的任意一相串联支路的子模块电感总和不能为零，且前N个TPB-MMC子模块三个支路的电感总和相等，同时，必须保证后N个子模块的任意一相的子模块电感总和不为零，且后N个TPB-MMC子模块三个支路的电感总和相等。
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