一种模块化多电平换流器

技术领域

本发明涉及换流器技术领域，具体涉及一种模块化多电平换流器。

背景技术

凭借电压质量高、控制灵活及易于拓展等优势，模块化多电平换流器(modularmultilevel converter，MMC)已在国内有多项工程应用，成为高压直流输电用换流器主流技术路线之一。随着电压等级和传输容量的不断提升，MMC需要的串联子模块级数也同步增加，造成设备成本提高和体积变大。由于常规MMC中上下桥臂中的子模块不会同时投入使用，子模块利用率较低只有50％。因此，可通过上下桥臂同时复用一部分子模块，提升子模块利用率，降低子模块数量，从而减少成本。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的模块化多电平换流器子模块利用率较低的缺陷，从而提供一种模块化多电平换流器。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供一种模块化多电平换流器，换流器的每相包括上桥臂及下桥臂，上桥臂与下桥臂同时复用多个双端口子模块，其中，对于每相，全部的双端口子模块的第一端口依次串联连接，双端口子模块的第二端口依次串联连接；对于每相，第一端口串联连接后的第一端作为每相的第一端，第二端口串联连接后的第二端作为每相的第二端，第一端口串联连接后的第二端与第二端口串联连接后的第一端连接后作为每相的第三端；每相的第一端与其它相的第一端连接为一点并引出换流器的第一端，每相的第二端与其它相的第二端连接为一点并引出换流器的第二端，换流器的第一端与换流器的第二端构成换流器的直流侧；每相的第三端构成换流器的交流侧。

本发明每相的上桥臂与下桥臂完全复用多个双端口子模块，比常规柔直子模块数减少了50％，降低了体积和成本；子模块利用率为100％，最大程度利用了子模块，提高了利用率。

在一种可选的实施方式中，模块化多电平换流器，其特征在于，还包括：第一端口串联连接后的第二端、第二端口串联连接后的第二端均通过一个桥臂电抗器后作为每相的第三端。

在一种可选的实施方式中，双端口子模块包括：第一电力电子开关、第二电力电子开关、第三电力电子开关、第四电力电子开关、第五电力电子开关、第六电力电子开关及支撑电容，其中，第一电力电子开关的第一端与第二电力电子开关的第一端连接，第一电力电子开关的第一端作为第一端口的第一端，第一电力电子开关的第二端与第三电力电子开关的第一端连接，第一电力电子开关的第二端作为第一端口的第二端；第四电力电子开关的第一端与第五电力电子开关的第二端连接，第四电力电子开关的第一端作为第二端口的第一端，第四电力电子开关的第二端与第六电力电子开关的第二端连接，第四电力电子开关的第二端作为第二端口的第二端；第五电力电子开关的第一端与第二电力电子开关的第二端、支撑电容的第一端连接；第六电力电子开关的第一端与第三电力电子开关的第二端、支撑电容的第二端连接。

在一种可选的实施方式中，每个电力电子开关均由IGBT及二极管构成，其中，IGBT的集电极与二极管的阴极连接，IGBT的集电极作为电力电子开关的第一端；IGBT的发射极与二极管的阳极连接，IGBT的发射极作为电力电子开关的第二端。

在一种可选的实施方式中，对于每相，换流器正常运行时，上桥臂输出电压与下桥臂输出电压满足下述关系式：

式中，i为第i个双端口子模块，i＝1,2,…,N，N为每相子模块个数；U

在一种可选的实施方式中，在对换流器调制过程中，双端口子模块的上下桥臂输出电压参考波为：

式中，U

在一种可选的实施方式中，双端口子模块有两种运行状态，其中，在第一种运行状态下，第二电力电子开关、第三电力电子开关及第四电力电子开关导通，第一电力电子开关、第五电力电子开关、第六电力电子开关关断；在第二种运行状态下，第一电力电子开关、第五电力电子开关、第六电力电子开关导通，第二电力电子开关、第三电力电子开关及第四电力电子开关关断。

在一种可选的实施方式中，对于每相，处于第一种运行状态、第二种运行状态下的双端口子模块数量为：

式中，n

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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1为本实施例中模块化多电平换流器的结构图；

图2为本实施例中双端口子模块的结构图；

图3(a)、图3(b)分别为本实施例中运行状态1、运行状态2下子模块的电流流通路径；

图4为本实施例中模块化多电平换流器的输出电压仿真波形；

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本实施例提供一种模块化多电平换流器，如图1所示，换流器的每相包括上桥臂及下桥臂，上桥臂与下桥臂同时复用多个双端口子模块(即SM

如图1所示，对于每相，全部的双端口子模块的第一端口依次串联连接，双端口子模块的第二端口依次串联连接；对于每相，第一端口串联连接后的第一端作为每相的第一端，第二端口串联连接后的第二端作为每相的第二端，第一端口串联连接后的第二端与第二端口串联连接后的第一端连接后作为每相的第三端；每相的第一端与其它相的第一端连接为一点并引出换流器的第一端(P端)，每相的第二端与其它相的第二端连接为一点并引出换流器的第二端(N端)，换流器的第一端与换流器的第二端构成换流器的直流侧；每相的第三端构成换流器的交流侧。

可选地，模块化多电平换流器还包括：第一端口串联连接后的第二端、第二端口串联连接后的第二端均通过一个桥臂电抗器后作为每相的第三端。

具体地，如图1所示，换流器具备A、B、C三相，每相具备上下两个桥臂，每个桥臂都串联了一个桥臂电抗器L，桥臂中点引出作为交流输出端口。每相由N个子模块串联而成，每个子模块有左右两侧输出端口，左侧端口依次串联与上桥臂连接，右侧端口依次串联与下桥臂连接。

在一些可选的实施方式中，如图2所示，双端口子模块包括：第一电力电子开关、第二电力电子开关、第三电力电子开关、第四电力电子开关、第五电力电子开关、第六电力电子开关及支撑电容SC，其中，每个电力电子开关均由IGBT及二极管构成，其中，IGBT的集电极与二极管的阴极连接，IGBT的集电极作为电力电子开关的第一端；IGBT的发射极与二极管的阳极连接，IGBT的发射极作为电力电子开关的第二端。。

如图2所示，第一电力电子开关的第一端与第二电力电子开关的第一端连接，第一电力电子开关的第一端作为第一端口的第一端(A端)，第一电力电子开关的第二端与第三电力电子开关的第一端连接，第一电力电子开关的第二端作为第一端口的第二端(B端)；第四电力电子开关的第一端与第五电力电子开关的第二端连接，第四电力电子开关的第一端作为第二端口的第一端(C端)，第四电力电子开关的第二端与第六电力电子开关的第二端连接，第四电力电子开关的第二端作为第二端口的第二端(D端)；第五电力电子开关的第一端与第二电力电子开关的第二端、支撑电容的第一端连接；第六电力电子开关的第一端与第三电力电子开关的第二端、支撑电容的第二端连接。

具体地，双端口子模块结构如图2所示，具备两个输出端口，分别为端口AB和端口CD，每个子模块由一个电容器SC、6支调节两端口输出电压的电力电子开关(T

在一些可选的实施方式中，双端口子模块有两种运行状态，其中，在第一种运行状态下，第二电力电子开关、第三电力电子开关及第四电力电子开关导通，第一电力电子开关、第五电力电子开关、第六电力电子开关关断；在第二种运行状态下，第一电力电子开关、第五电力电子开关、第六电力电子开关导通，第二电力电子开关、第三电力电子开关及第四电力电子开关关断。

具体地，基于图2所示结构，在正常运行时，单个子模块的两个端口的输出电压互补，即当U

表1

模块处于运行状态1时，端口U

在一些可选的实施方式中，对于每相，换流器正常运行时，正常运行时上桥臂输出电压(即图1中U

式中，i为第i个双端口子模块，i＝1,2,…,N，N为每相子模块个数；U

在一些可选的实施方式中，为使所发明复用型换流器能输出稳定的交直流电压，应按照特定的参考波调制上下桥臂输出电压。则在对换流器调制过程中，双端口子模块的上下桥臂输出电压参考波为：

式中，U

为调制上述电压，对于每相，处于第一种运行状态、第二种运行状态下的双端口子模块数量为：

式中，n

基于式(1)～式(3)对换流器进行仿真，换流器可输出稳定交直流电压，输出电压仿真波形如图4所示。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。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。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。