一種模塊化多電平換流器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種模塊化多電平換流器，包括控制器及若干個與所述控制器電連接的功率單元，所述功率單元包括串聯(lián)的第一半橋結(jié)構(gòu)和第二半橋結(jié)構(gòu)，所述第一半橋結(jié)構(gòu)包括串聯(lián)的第一上半橋和第一下半橋，所述第一上半橋串聯(lián)有第一上開關(guān)器件，所述第一下半橋串聯(lián)有第一下開關(guān)器件，所述第一半橋結(jié)構(gòu)并聯(lián)有第一直流電容，所述第二半橋結(jié)構(gòu)包括串聯(lián)的第二上半橋和第二下半橋，所述第二上半橋串聯(lián)有第二上開關(guān)器件，所述第二下半橋串聯(lián)有第二下開關(guān)器件，所述第二半橋結(jié)構(gòu)并聯(lián)有第二直流電容，所述功率單元還包括驅(qū)動電路，所述驅(qū)動電路電連接有第一驅(qū)動電源和第二驅(qū)動電源。本發(fā)明提高換流器的工作穩(wěn)定性，減少功率單元數(shù)量，減小換流器的體積和重量。
【專利說明】
一種模塊化多電平換流器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及電力電子傳動和電力系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及一種模塊化多電平換流器。
【背景技術(shù)】
[0002]模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter，簡稱MMC)，MMC結(jié)構(gòu)非常適合于高壓、大容量及四象限運行的變流器裝置，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于輕型直流輸電、高壓變頻器及風電變流器等電力系統(tǒng)和電力傳動領(lǐng)域。因為該結(jié)構(gòu)模塊數(shù)量多，如果一個模塊故障就導致裝置停機，因此合理的模塊旁路技術(shù)能夠大大提高裝置可靠性。現(xiàn)在業(yè)內(nèi)一般采用機械旁路，但是這種方式成本太高、體積龐大，極大地限制了裝置的使用推廣。針對以上問題，現(xiàn)有技術(shù)在H橋級聯(lián)結(jié)構(gòu)的通用型高壓變頻器設(shè)計中，也有電子旁路技術(shù)的應(yīng)用方式。該方式不需要額外增加機械旁路成本，通過軟件控制開關(guān)管導通來實現(xiàn)電子旁路，達到切除旁路故障單元的目的。但是這種通用型高壓變頻器包含移相變壓器，功率單元整流端與移相變壓器次邊繞組連接。功率單元的控制和驅(qū)動電源由變壓器提供，當故障單元被旁路時電源依然得電。而MMC結(jié)構(gòu)功率單元沒有整流端，通過直流電容高位自取能方式得電，一旦故障單元被旁路直流電容失電后驅(qū)動電源會丟失電源，不能直接用電子旁路。因此，為了避免現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點，有必要對現(xiàn)有技術(shù)做出改進。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺點與不足，提供一種提高使用穩(wěn)定性和減少體積的模塊化多電平換流器。
[0004]本發(fā)明是通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0005]—種模塊化多電平換流器，包括控制器及若干個與所述控制器電連接的功率單元，所述功率單元包括串聯(lián)的第一半橋結(jié)構(gòu)和第二半橋結(jié)構(gòu)，所述第一半橋結(jié)構(gòu)包括串聯(lián)的第一上半橋和第一下半橋，所述第一上半橋串聯(lián)有第一上開關(guān)器件，所述第一下半橋串聯(lián)有第一下開關(guān)器件，所述第一半橋結(jié)構(gòu)并聯(lián)有第一直流電容，所述第二半橋結(jié)構(gòu)包括串聯(lián)的第二上半橋和第二下半橋，所述第二上半橋串聯(lián)有第二上開關(guān)器件，所述第二下半橋串聯(lián)有第二下開關(guān)器件，所述第二半橋結(jié)構(gòu)并聯(lián)有第二直流電容，所述功率單元還包括驅(qū)動電路，所述驅(qū)動電路電連接有第一驅(qū)動電源和第二驅(qū)動電源，所述第一驅(qū)動電源與所述第一直流電容電連接，所述第二驅(qū)動電源與所述第二直流電容電連接。
[0006]進一步，所述功率單元具有三個輸入端口。
[0007]進一步，所述模塊化多電平換流器具有三相電路，所述每相電路包括串聯(lián)的上橋和下橋，所述上橋和下橋的分別包括若干個串聯(lián)的功率單元。
[0008]進一步，所述上橋和下橋之間串聯(lián)有兩個電感，所述每相電路的輸出端設(shè)于所述兩電感的連接中心。
[0009]進一步，所述模塊化多電平換流器具有兩組三相電路，所述兩組三相電路相向設(shè)置。
[0010]相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明功率單元，每個功率單元由兩個半橋結(jié)構(gòu)串聯(lián)而成，驅(qū)動電源采用雙向取能方式，分別取自兩個半橋結(jié)構(gòu)的直流電容側(cè)，如果其中一個半橋結(jié)構(gòu)發(fā)生故障，通過控制開關(guān)器件導通來實現(xiàn)電子旁路，達到切除旁路故障功率單元的目的，驅(qū)動電源從本功率單元另外一個正常半橋結(jié)構(gòu)的直流電容取能，保證驅(qū)動電源正常工作。
【附圖說明】
[0011]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0012]圖1為本發(fā)明模塊化多電平換流器的結(jié)構(gòu)原理圖；
[0013]圖2為本發(fā)明模塊化多電平換流器的采用一組三相電路的結(jié)構(gòu)原理圖；
[0014]圖3為本發(fā)明模塊化多電平換流器的采用兩組三相電路的結(jié)構(gòu)原理圖；
[0015]圖4為本發(fā)明模塊化多電平換流器的的電壓波形生成原理圖。
[0016]圖中:1.控制器；2.功率單元；3.第一半橋結(jié)構(gòu)；4.第二半橋結(jié)構(gòu)；5.第一直流電容;6.第二直流電容;7.第一驅(qū)動電源;8.第二驅(qū)動電源;9.上橋;10.下橋;11.電感。
【具體實施方式】
[0017]下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0018]如圖1至圖4所示一種模塊化多電平換流器，包括控制器I及若干個與控制器I電連接的功率單元2，該功率單元2包括串聯(lián)的第一半橋結(jié)構(gòu)3和第二半橋結(jié)構(gòu)4，第一半橋結(jié)構(gòu)3包括串聯(lián)的第一上半橋和第一下半橋，第一上半橋串聯(lián)有第一上開關(guān)器件，第一下半橋串聯(lián)有第一下開關(guān)器件，第一半橋結(jié)構(gòu)3并聯(lián)有第一直流電容5，第二半橋結(jié)構(gòu)4包括串聯(lián)的第二上半橋和第二下半橋，第二上半橋串聯(lián)有第二上開關(guān)器件，第二下半橋串聯(lián)有第二下開關(guān)器件，第二半橋結(jié)構(gòu)4并聯(lián)有第二直流電容6。功率單元2還包括驅(qū)動電路，驅(qū)動電路電連接有第一驅(qū)動電源7和第二驅(qū)動電源8，第一驅(qū)動電源7與第一直流電容5電連接，第二驅(qū)動電源8與第二直流電容6電連接。正常工作下，第一半橋結(jié)構(gòu)3的第一驅(qū)動電源7從第一半橋結(jié)構(gòu)3本身的第一直流電容5取能，第二半橋結(jié)構(gòu)4的第二驅(qū)動電源8從第二半橋結(jié)構(gòu)4本身的第二直流電容6取能，如果第一半橋結(jié)構(gòu)3發(fā)生故障后直流電壓消失，第一驅(qū)動電源7則從第二直流電容6取能，保證第一驅(qū)動電源7正常工作。
[0019]功率單元2具有三個輸入端口。通過控制器I控制開關(guān)器件來實現(xiàn)電子旁路，達到切除旁路故障功率單元2的目的。
[0020]模塊化多電平換流器具有三相電路，每相電路包括串聯(lián)的上橋9和下橋10，上橋9和下橋10的分別包括若干個串聯(lián)的功率單元2。上橋9和下橋10之間串聯(lián)有兩個電感11，每相電路的輸出端設(shè)于兩電感11的連接中心。
[0021]模塊化多電平換流器具有兩組三相電路，兩組三相電路相向設(shè)置，構(gòu)成四象限變流器。
[0022]功率單元2控制驅(qū)動電源采用高位取能方式，具有電子旁路功能，一旦功率單元2發(fā)生故障自動旁路故障的功率單元2，提高了換流器裝置可靠性，減少了功率單元2的數(shù)量，減小了裝置體積和重量。正常運行時所有開關(guān)器件根據(jù)需要開通或者斷開，當某個功率單元2的第一半橋結(jié)構(gòu)3或第二半橋結(jié)構(gòu)4發(fā)生故障時，控制器I自動識別故障后立刻發(fā)出驅(qū)動信號給故障的功率單元2的第一下開關(guān)器件或第二下開關(guān)器件，第一下開關(guān)器件或第二下開關(guān)器件得到信號以后長期開通，第一半橋結(jié)構(gòu)3或第二半橋結(jié)構(gòu)4長期輸出O電平，相當于切除了故障功率單元2的第一半橋結(jié)構(gòu)或第二半橋結(jié)構(gòu)。實現(xiàn)了故障半橋結(jié)構(gòu)的旁路功能。
[0023]工作原理:正常運行時，每相電路中處于工作狀態(tài)的功率單元2數(shù)量可以是0，I，2，…，2N，也就是說模塊化多電平換流器最多能輸出的電平數(shù)為2N+1，如果某個功率單元2的半橋結(jié)構(gòu)發(fā)生故障，控制器I識別故障信號后發(fā)出電子旁路信號。故障的半橋結(jié)構(gòu)的開關(guān)器件接收到旁路信號后開通，半橋結(jié)構(gòu)就處于長期導通狀態(tài)，實現(xiàn)電子旁路。
[0024]圖4(a)所示為單個相電路的結(jié)構(gòu)。為了分析模塊化多電平變流器的波形生成原理，以a相為例進行說明。⑷中―表示換流器a相的相電壓，Ual、Ua2分別代表a相上、下橋電壓，Ud。是直流電壓。因為MMC換流器將電容器分散安裝在每個子功率單元2內(nèi)，為了維持直流電壓恒定，每個相的上、下兩橋總的導通功率單元2個數(shù)恒定。圖4(b)所示為換流器相電壓波形的合成原理，從圖中看出各相上、下橋?qū)ǖ墓β蕟卧?呈現(xiàn)此消彼長的變化趨勢。換流器中三相電路具有嚴格的對稱性，每相的上、下橋可通過功率單元2的投切控制上、下橋輸出電壓，故每相上、下橋均可等效為一個可控電壓源，如圖4(c)所示，上、下橋電壓Ual和Ua2的波形關(guān)于Udc/2對稱，這表明任意時刻二者之和恒為Ud。。
[0025]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種模塊化多電平換流器，其特征在于:包括控制器及若干個與所述控制器電連接的功率單元，所述功率單元包括串聯(lián)的第一半橋結(jié)構(gòu)和第二半橋結(jié)構(gòu)，所述第一半橋結(jié)構(gòu)包括串聯(lián)的第一上半橋和第一下半橋，所述第一上半橋串聯(lián)有第一上開關(guān)器件，所述第一下半橋串聯(lián)有第一下開關(guān)器件，所述第一半橋結(jié)構(gòu)并聯(lián)有第一直流電容，所述第二半橋結(jié)構(gòu)包括串聯(lián)的第二上半橋和第二下半橋，所述第二上半橋串聯(lián)有第二上開關(guān)器件，所述第二下半橋串聯(lián)有第二下開關(guān)器件，所述第二半橋結(jié)構(gòu)并聯(lián)有第二直流電容，所述功率單元還包括驅(qū)動電路，所述驅(qū)動電路電連接有第一驅(qū)動電源和第二驅(qū)動電源，所述第一驅(qū)動電源與所述第一直流電容電連接，所述第二驅(qū)動電源與所述第二直流電容電連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊化多電平換流器，其特征在于:所述功率單元具有三個輸入端口。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊化多電平換流器，其特征在于:所述模塊化多電平換流器具有三相電路，所述每相電路包括串聯(lián)的上橋和下橋，所述上橋和下橋的分別包括若干個串聯(lián)的功率單兀。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的模塊化多電平換流器，其特征在于:所述上橋和下橋之間串聯(lián)有兩個電感，所述每相電路的輸出端設(shè)于所述兩電感的連接中心。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的模塊化多電平換流器，其特征在于:所述模塊化多電平換流器具有兩組三相電路，所述兩組三相電路相向設(shè)置。
【文檔編號】H02M7/483GK105897026SQ201610439436
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月16日
【發(fā)明人】葉亞萱
【申請人】葉亞萱