CN201830161U - 一种模块化多电平变流器中的功率模块的工作电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种模块化多电平变流器中的功率模块的工作电源，属于电气自动化设备领域。工作电源包括三个隔直电容器、三台单相隔离变压器及一台直流稳压电源。每台模块化多电平变流器单桥臂从左到右由N个功率模块串联而成，最左端功率模块为功率模块1，最右端功率模块为功率模块N。采用本实用新型的工作电源，隔离变压器承受绝缘电压低，使隔离电路成本低；另外，采用多套交流电源并联供电的方案，使控制电源供电可靠性大幅度提高，可以实现功率模块的N+2冗余运行。

Description

一种模块化多电平变流器中的功率模块的工作电源

技术领域

本实用新型涉及一种模块化多电平变流器中的功率模块的工作电源，属于电气自动化设备领域。

背景技术

模块化多电平变流器(又称为MMC变流器)的单桥臂由多个功率模块的两个交流输出端串联而成，每个功率模块包含一个半桥和一个直流电容器。模块化多电平变流器可应用于实现中高压变频调速装置和新型静止同步补偿器，由于它具有一个直流正极和一个直流负极，特别适用于实现轻型直流输电装置。

由于模块化多电平变流器常用于输出较高交流电压的应用场合，使得其中的功率模块的控制电源供电困难。如果从模块化多电平变流器外部供电，隔离变压器需解决高耐压和低局放问题，使得供电电源成本高。因此，需要寻找一种高可靠、低成本又可以实现功率模块冗余运行的控制电源供电方式。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术之不足而提供一种模块化多电平变流器的功率模块控制电源装置，解决常用的功率模块控制电源装置所固有的隔离变压器高绝缘耐压、极低的局部放电指标实现困难及造价高等缺点。

本实用新型提出的模块化多电平变流器中的功率模块的工作电源，包括：第一电容器、第二电容器、第三电容器、第一变压器、第二变压器、第三变压器和一台直流稳压电源；所述的第一电容器与第一变压器的原边串联，串联后的两端与被提供工作电源的本功率模块的两个交流端并联；所述的第二电容器与第二变压器的原边串联，串联后的两端与本功率模块相邻的前一个功率模块的两个交流端并联；所述的第三电容器与第三变压器的原边串联，串联后的两端与本功率模块相邻的后一个功率模块的两个交流端并联；所述的直流稳压电源的三对交流输入端分别与所述的第一变压器、第二变压器和第三变压器的付边相连，直流稳压电源的一对直流输出端与本功率模块的控制电路相连。

上述工作电源中，所述的直流稳压电源包括三个单相全桥整流电路和一个直流/直流变换器；所述的三个单相全桥整流电路的正极与所述的直流/直流变换器的输入端正极相连，三个单相全桥整流电路的负极与所述的直流/直流变换器的输入端负极相连。

本实用新型提出的模块化多电平变流器中的功率模块的工作电源，其优点是，采用本功率模块及相邻两个功率模块的交流输出经隔离变压器隔离为本功率模块提供控制电路的工作电源，这样隔离变压器承受绝缘电压低，使隔离电路成本低。另外，采用多套交流电源并联供电的方案，使控制电源供电可靠性大幅度提高，可以实现功率模块的N+2冗余运行。

附图说明

图1是本工作电源在模块化多电平变流器中的电路连接图。

图2为本实用新型中直流稳压电源的电路原理图。

图3是本工作电源为模块化多电平变流器中的首端功率模块提供工作电源时的电路连接图。

图4是本工作电源为模块化多电平变流器中的末端功率模块提供工作电源时的电路连接图。

具体实施方式

模块化多电平变流器(又称为MMC变流器)的单桥臂由多个功率模块的两个交流输出端串联而成。本实用新型提出的模块化多电平变流器中的功率模块的工作电源，其在模块化多电平变流器中的电路连接图如图1所示，包括：第一电容器、第二电容器、第三电容器、第一变压器、第二变压器、第三变压器和一台直流稳压电源；所述的第一电容器与第一变压器的原边串联，串联后的两端与被提供工作电源的本功率模块的两个交流端并联；所述的第二电容器与第二变压器的原边串联，串联后的两端与本功率模块相邻的前一个功率模块的两个交流端并联；所述的第三电容器与第三变压器的原边串联，串联后的两端与本功率模块相邻的后一个功率模块的两个交流端并联；所述的直流稳压电源的三对交流输入端分别与所述的第一变压器、第二变压器和第三变压器的付边相连，直流稳压电源的一对直流输出端与本功率模块的控制电路相连。

上述工作电源中，直流稳压电源的电路原理图如图2所示，包括三个单相全桥整流电路和一个直流/直流变换器；所述的三个单相全桥整流电路的正极与所述的直流/直流变换器的输入端正极相连，三个单相全桥整流电路的负极与所述的直流/直流变换器的输入端负极相连。

以下结合附图，详细介绍本实用新型的内容。

本实用新型提出的模块化多电平变流器中的功率模块的工作电源，如图1中所示，包括三个隔直电容器、三台单相隔离变压器及一台直流稳压电源。每台变流器单桥臂从左到右由N个功率模块串联而成，最左端功率模块为功率模块1，最右端功率模块为功率模块N；对于功率模块2到功率模块N-1中的任一个功率模块X，上述的第二台隔离变压器输入端串联第二个隔直电容器后接到相邻的左边功率模块X-1的交流输出端，上述的第一台隔离变压器输入端串联第一个隔直电容器后接到本功率模块的交流输出端，上述的第三台隔离变压器输入端串联第三个隔直电容器后接到相邻的右边功率模块X+1的交流输出端；对于功率模块1，上述的第一台隔离变压器输入端串联第一个隔直电容器后接到本功率模块的交流输出端，上述的第二台隔离变压器输入端串联第二个隔直电容器后接到相邻的右边功率模块2的交流输出端，上述的第三台隔离变压器输入端串联第三个隔直电容器后接到相邻的右边功率模块3的交流输出端；对于功率模块N，上述的第一台隔离变压器输入端串联第一个隔直电容器后接到本功率模块的交流输出端，上述的第二台隔离变压器输入端串联第二个隔直电容器后接到相邻的左边功率模块N-1的交流输出端，上述的第三台隔离变压器输入端串联第三个隔直电容器后接到相邻的左边功率模块N-2的交流输出端；上述的直流稳压电源具有三个单相交流输入端和一个直流输出端；上述的三台隔离变压器的交流输出端分别接到上述的直流稳压电源的三个单相交流输入端。

参见图1，该图表示了模块化多电平变流器单桥臂中功率模块2到功率模块N-1中任一个功率模块X的控制电源装置的构成框图。图中，半导体开关器件SLA、SLB和电容CD构成各功率模块主电路(SLA、SLB包括各自的反并联二极管，以下同)，功率模块X下方的虚线框内为本实用新型中功率模块X的控制电源装置的构成框图。图中，隔直电容器C2和变压器2从相邻的左边功率模块X-1的交流输出取得交流电源，隔直电容器C1和变压器1从本功率模块的交流输出取得交流电源，隔直电容器C3和变压器3从相邻的右边功率模块X+1的交流输出取得交流电源。三路交流电源都送到直流稳压电源，作为直流稳压电源的三路交流输入，直流稳压电源输出直流电压VCX+/VCX-作为功率模块X的控制电源。

图2所示是直流稳压电源包括三个单相整流桥和一个DC/DC稳压变换器。上述的直流稳压电源的三个单相交流输入端分别接到上述的三个单相整流桥的交流输入端，上述的三个单相整流桥的直流正负输出端分别并联接到一起后接到上述的DC/DC稳压变换器的直流输入端，上述的DC/DC稳压变换器的直流输出端接到上述的直流稳压电源的直流输出端，作为本功率模块的控制电源。

图3所示是模块化多电平变流器单桥臂中最左边的功率模块1的控制电源装置的构成框图。图中，半导体开关器件SLA、SLB和电容CD构成各功率模块主电路(SLA、SLB包括各自的反并联二极管，以下同)，功率模块1下方的虚线框内为本实用新型中功率模块1的控制电源装置的构成框图。图中，隔直电容器C2和变压器2从相邻的右边功率模块2的交流输出取得交流电源，隔直电容器C1和变压器1从本功率模块的交流输出取得交流电源，隔直电容器C3和变压器3从相邻的右边功率模块3的交流输出取得交流电源。三路交流电源都送到直流稳压电源，作为直流稳压电源的三路交流输入，直流稳压电源输出直流电压VC1+/VC1-作为功率模块1的控制电源。

图4所示是模块化多电平变流器单桥臂中最右边的功率模块N的控制电源装置的构成框图。图中，半导体开关器件SLA、SLB和电容CD构成各功率模块主电路(SLA、SLB包括各自的反并联二极管，以下同)，功率模块N下方的虚线框内为本实用新型中功率模块N的控制电源装置的构成框图。图中，隔直电容器C2和变压器2从相邻的左边功率模块N-1的交流输出取得交流电源，隔直电容器C1和变压器1从本功率模块的交流输出取得交流电源，隔直电容器C3和变压器3从相邻的左边功率模块N-2的交流输出取得交流电源。三路交流电源都送到直流稳压电源，作为直流稳压电源的三路交流输入，直流稳压电源输出直流电压VCN+/VCN-作为功率模块N的控制电源。

图2为直流稳压电源的构成电路原理图。三路交流输入分别经过三个单相整流桥(DR1-DR12构成)整流后，直流正负端分别并联连接到一起，送到DC/DC稳压变换器转换成稳压的直流VC+/VC-，作为直流稳压电源的输出，为本功率模块的控制电路提供电源。

本实用新型要求模块化多电平变流器采用自励启动方式启动，即模块化多电平变流器通过缓充电电阻直接并入电网，当各功率模块直流电容充电到一定电压时，其交流输出两端的交流电压也达到一定的电压值(不管半导体开关器件是否开始工作还是其处于闭锁状态)，经过各隔直电容器和隔离变压器便可以为直流稳压电源提供交流输入电源，从而为本功率模块提供控制电源。即使本功率模块故障导致其交流输出被旁路(短路)，本功率模块仍可以从相邻的功率模块取得控制电源。完全采用本实用新型的功率模块控制电源装置时，每个单桥臂变流器可实现2个冗余功率模块(即每相任两个功率模块故障时可实现自动旁路，变流器可继续运行)。也可使功率模块1到功率模块N-1中的任一个功率模块X只从相邻的右边功率模块X+1的交流输出取电及从本功率模块的交流输出取电，功率模块N只从相邻的左边功率模块N-1的交流输出取电及从本功率模块的交流输出取电，这时每个单桥臂变流器可实现1个冗余功率模块(即每相任一个功率模块故障时可实现自动旁路，单桥臂变流器可继续运行)；也可使功率模块2到功率模块N中的任一个功率模块X只从相邻的左边功率模块X-1的交流输出取电及从本功率模块的交流输出取电，功率模块1只从相邻的右边功率模块2的交流输出取电及从本功率模块的交流输出取电，这时每个单桥臂变流器可实现1个冗余功率模块(即每相任一个功率模块故障时可实现自动旁路，单桥臂变流器可继续运行)。

以上实施例只是本实用新型的一个具体的实施电路原理图，并不以此限定本发明的保护范围。任何基于本实用新型所作的等效变换电路，均属于本实用新型保护范围。

Claims (2)

1.一种模块化多电平变流器中的功率模块的工作电源，其特征在于该工作电源包括：第一电容器、第二电容器、第三电容器、第一变压器、第二变压器、第三变压器和一台直流稳压电源；所述的第一电容器与第一变压器的原边串联，串联后的两端与被提供工作电源的本功率模块的两端并联；所述的第二电容器与第二变压器的原边串联，串联后的两端与本功率模块相邻的前一个功率模块的两端并联；所述的第三电容器与第三变压器的原边串联，串联后的两端与本功率模块相邻的后一个功率模块的两端并联；所述的直流稳压电源的三对交流输入端分别与所述的第一变压器、第二变压器和第三变压器的付边相连，直流稳压电源的一对直流输出端与本功率模块的控制电路相连。

2.如权利要求1所述的工作电源，其特征在于其中所述的直流稳压电源包括三个单相全桥整流电路和一个直流/直流变换器；所述的三个单相全桥整流电路的正极与所述的直流/直流变换器的输入端正极相连，三个单相全桥整流电路的负极与所述的直流/直流变换器的输入端负极相连。

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