一種模擬mmc多個子模塊的等時間常數縮小子模塊板的製作方法
2023-05-17 17:27:11 4
專利名稱：一種模擬mmc多個子模塊的等時間常數縮小子模塊板的製作方法
技術領域：
本發明屬於電力電子領域，涉及一種用於模塊化多電平(MMC)電壓源換流器 (VSC)的低壓模擬試驗裝置，更具體涉及一種模擬MMC多個子模塊的等時間常數縮小子模 塊板。
背景技術：
目前應用於柔性直流輸電的電壓源換流器分為兩種一種是基於大功率IGBT串 聯技術的兩電平或三電平換流器，一種是採用高壓子模塊級聯技術的模塊化多電平電壓源 換流器(MMC-VSC)。對於後者，其三相換流器由六個橋臂構成，每個橋臂由多個級聯高壓子模塊構成。 而每個高壓子模塊使用電力電容器作為可投入或切除的單個直流電壓源(可達1. 2kV)，兩 只大功率IGBT串聯作為投切開關，電容器的正極連接上管IGBT的源極，負極連接下IGBT 的發射極。下管IGBT的源極和發射極分別由端子母排引出，作為模塊的輸出端子。下管 IGBT可以與晶閘管和旁路開關並聯，以在電流過大時保護IGBT。可見在電容器電壓穩定時，由控制脈衝分別控制上下管IGBT的通斷，即可控制高 壓子模塊電容投入級聯或旁路。多個子模塊級聯連接構成電壓源換流器的橋臂時，根據不 同的調製算法，可以調製出多個電平階梯。尤其當調製波為工頻基波且級聯模塊數較多時， 在其一相的上下橋臂中點可調製出接近正弦的單相電壓源。而六橋臂即可構成三相電壓源 換流器。由於這種換流器控制算法較複雜，針對系統不同的運行狀態，其換流器的控制和 保護策略需要大量的試驗進行驗證。現有的換流器試驗裝置主要是全尺寸的高壓子模塊，只能以較少的數量構成試驗 橋臂；或是按照某種比例縮小但功率元器件之間仍採用線纜連接的拓撲，整個子模塊放置 與機櫃架中。以上方案由於採用高壓分立元件，其電壓等級高、體積大，且模塊較少，調製出的 階梯波諧波大，波形較差，主要用於模塊電氣特性和兼容性的驗證。即使降低了電壓等級，增加了單個橋臂級聯的模塊數，但由於每個子模塊的分立 元件之間仍然採用線纜和緊固螺絲連接，元件放置在絕緣板上或固定在機櫃之中，體積難 以縮小，且接插件的損耗較大。
發明內容
本發明提供了一種用於模塊化多電平電壓源換流器(MMC-VSC)換流閥試驗的低 壓子模塊板，該板為PCB板，每塊板可集成1個或多個子模塊。其中每個子模塊包括數字處 理器部分(SMC)、子模塊主電路部分、通信與電源電路部分。子模塊的主要作用是開關元件 IGBT控制該模塊中電容器的投入和切除，由於多個子模塊為級聯連接，投入不同數量的模 塊電容，可以調製出不同的階梯電壓波，從而可形成近似工頻正弦波，與交流直流系統進行能量交換。本發明的一種模擬多電平電壓源換流器MMC多個子模塊的等時間常數縮小子模 塊板，包括該多子模塊板卡為PCB板；一個機箱內可集成5-20個子模塊板卡，板卡之間的主電路和電源迴路通過機箱 的背板總線進行連接，結構緊湊，可引出多個檢測點；所述每個板卡上集成了 N個控制電路和主電路都相互獨立的按係數縮小的MMC子 模塊，所述N為自然數；所述每個MMC子模塊為級聯關係、功能完全獨立，每個MMC子模塊之間通過所述板 卡上的PCB走線進行連接；每個MMC子模塊都有各自獨立的數字控制晶片、編解碼電路、光纖通道、AD採樣 電路和子模塊主電路，所述主電路包括兩個串聯的IGBT、一個電容器、一個旁路開關和晶閘 管；所述每個MMC子模塊主電路的結構為所述MMC子模塊的主電路中兩個串聯的自帶反並聯二極體的絕緣柵雙極型功率 管IGBT，所述絕緣柵雙極型功率管IGBT可用低壓金氧半場效電晶體MOSFET代替，作為可 投入可切除的有極性電解電容器，兩個串聯的IGBT中的上IGBT的發射極連接下IGBT的 集電極(是否正確？)，並聯電容器的正極連接上IGBT的集電極，負極連接下IGBT的發射 極，均壓電阻與並聯電容並聯，所述多個MMC子模塊同時投入串聯迴路時，相同阻值的電阻 也為串聯，起著均衡模塊電壓的作用；所述子模塊與外部電路的連接從下IGBT正負極分別引出；所述主電路的上下兩個IGBT脈衝為互鎖關係，電容電壓穩定時，如果給上IGBT發 送開通指令，下IGBT則關斷，則從外部電路看，子模塊電壓為電容電壓；如果給上IGBT發送 關斷指令，則下IGBT導通，從外部電路看，子模塊電壓為接近於零，於是子模塊在串聯電路 中的電平可任意控制為零或電容電壓；還具有子模塊電壓檢測電路，測量的是每個電容的端電壓，子模塊電壓檢測電路 檢測電容電壓並傳給電路板上多個子模塊共用的數字處理器，運行中子模塊的電容由IGBT 控制是否將其串入電路的橋臂；所述主電路中的晶閘管的作用是保護IGBT ；所述旁路開關的作用是當子模塊出現故障時，能夠將該子模塊從大量的串聯模塊 中旁路，同時保持其他模塊的電流通路；所述多個子模塊共用的數字控制晶片和解碼晶片對多個串聯子模塊的電容電壓 值進行整理，並將其與各個IGBT驅動晶片反饋的狀態一起編碼後，通過光纖通道送給上層 控制系統；光纖通道還負責將上層控制系統確定的各個子模塊的IGBT、晶閘管和旁路開關 的開通/閉鎖指令送至子模塊電路板。其中，該子模塊板卡集成了多個級聯的低壓子模塊，每個子模塊由小型低壓元器 件組成，包括數字處理器和上下串聯的IGBT ；每個子模塊還包括用以保護IGBT的晶閘管和 旁路開關；將一個或多個級聯的獨立子模塊集成到一塊PCB板上，以實現緊湊化。其中，該PCB板通過電位隔離，將1個或多個子模塊集成在一塊PCB板上，各子模塊採用獨立、互不通信的的數字處理器對子模塊的開關元件進行控制，並對各自子模塊電 容電壓和各元件狀態進行監控和測量後，與上級控制系統交互。其中，採用一個開關電源為多個子模塊板並聯供電，但該電源進入不同板卡後，再 通過各個子模塊板相互隔離的開關電源進行轉換，同一子模塊板的上下IGBT之間也採取 相互隔離的電源模塊進行供電。其中，所述電源模塊是MV的開關電源模塊，每個電路板上具有多個隔離的電源 模塊，負責控制晶片、驅動晶片、採樣晶片和電路損耗的供電。本發明技術方案的優點是本發明介紹的子模塊板可以充分滿足具有很高級聯模塊數的MMC結構低壓試驗 用換流閥要求，將多個具有獨立控制器的子模塊集成在一塊標準3U 6U的PCB板卡上；再 通過串聯不同數目的PCB板卡，可搭建不同子模塊數的換流閥橋臂；最後所有板卡通過背 板插槽連接成一個換流閥橋臂。該結構提高了運行穩定性且降低了連接點損耗，由於板卡 上每個子模塊均為獨立控制和獨立並聯供電，從而大大提高了可靠性。本發明技術方案的有益效果是1.本發明介紹的MMC換流器試驗用子模塊板設計成熟，經過數百小時的運行證 明，該結構具有高可靠性和電磁兼容性；2.本發明介紹的子模塊板上的多個子模塊各自採用獨立的數字控制器，相互幹擾 小，可獨立旁路故障模塊，可靠性高；3.本發明介紹的子模塊避免了傳統子模塊的分立元器件之間連接端子造成的損 耗；本發明介紹的多個子模塊板之間採用標準機箱背板走線的方式，主電路和電源均 採用背板走線，且引出所有測試點，便於調試。
下面結合附圖對本發明進一步說明。圖1是多個子模塊板卡通過機箱背板總線進行級聯、形成橋臂的拓撲，且由獨立 的開關電源板為該橋臂上的多個子模塊板卡供電。圖2是在一個本發明的子模塊板構成的完整的MMC換流閥中，該子模塊板與子模 塊、與換流閥的關係圖。在一塊PCB板卡上，集成了 I-N個功能和電路完全相同、各自具有 獨立數字控制器的子模塊。圖3是多個子模塊板卡通過級聯形成橋臂，由電源板通過背板總線的電源接口為 該橋臂上板卡進行供電的示意圖。附圖4是多個集成子模塊板卡通過背板構成子模塊機箱的拓撲，各子模塊板卡的 供電電源由背板總線端子提供，板卡之間的電路連接也通過背板總線端子實現。
附圖5是機箱背板的設計圖。
具體實施例方式如附圖1所示為傳統的模塊化多電平電壓源換流器橋臂子模塊連接示意圖。子模 塊主電路採用分立的電容、電阻、IGBT模塊等元器件，安裝在結構件或絕緣板上，一般採用緊固螺絲或插座進行連接。數字元件和檢測等弱電部分與主電路有足夠的絕緣距離防止控 制器被幹擾，電壓足夠高時，子模塊控制器與上級閥控制器之間一般採用光纖通信進行隔
1 O附圖2為本發明裝置的功能示意圖，在一塊子模塊板卡上，集成了多個邏輯上相 互獨立的子模塊，子模塊的數量根據板卡的尺寸可以進行調整，如一個2U高度的標準PCB 板可集成約2個子模塊，6U板卡可集成6-8個子模塊。子模塊板的特徵是其在功能上主要分成三部分第一是級聯子模塊主電路部分。每個子模塊提供固定電壓值的可投入直流電源。 當某個子模塊上管IGBT關斷而下管開通時，電容被旁路，該子模塊不提供直流電壓；當某 個子模塊下管IGBT關斷而上管開通時，電容被投入串聯橋臂，該子模塊提供直流電壓。按 此結構模塊數足夠多時，可調製出非常接近正弦的階梯波。每個子模塊的結構如圖2中板卡的右側所示，主要構成包括帶反並聯二極體的 IGBT模塊(可以用小功率MOSFET代替)(S1、S2)、儲能電容(C)、並聯均壓電阻(R)、散熱器 (圖中未畫出)、低壓子模塊中可分別用三極體和固態繼電器模擬的續流晶閘管(SCR)、旁 路開關⑷等。第二部分是檢測和控制器部分，主要由數字處理器(可能包括單片機、CPLD、 FPGA、DSP等)和電壓檢測檢測、開關器件驅動部分等組成。第三部分是通信部分，處理器完成板卡狀態的匯總並編碼後，可與上級控制器進 行信息交互，也可以接受來自上級的信息和指令以對本板進行控制。通信方式包括多種形 式。第三部分是供電部分和接口部分，多個板卡以同一個開關電源提供板用電，進入 板卡後再以各自獨立的開關電源模塊隔離，防止串擾。本發明包括的子模塊連接方式並不僅包括圖2所示的形式，只要在物理上屬於多 個模塊於同一板卡上級聯且個子模塊實用獨立的控制和通信電路的結構均屬於申請保護 範圍。如附圖3所示，其給出多個子模塊板卡通過級聯形成橋臂，由電源板通過背板總 線的電源針腳為該橋臂上的多個子模塊板卡進行供電。而子模塊電容與交直流系統進行能 量交換的電流與供電電源無關，相互獨立。如附圖4和附圖5所示，其特徵是機箱背板的設計。機箱背板總線提供子模塊板 之間主電路的電流通路、子模塊板電源通路、測試信號通道三種功能，總線插槽中這三類端 子分別對應著子模塊板和電源板上插頭中針腳的三類功能。此處已經根據特定的示例性實施例對本發明進行了描述。對本領域的技術人員來 說在不脫離本發明的範圍下進行適當的替換或修改將是顯而易見的。示例性的實施例僅僅 是例證性的，而不是對本發明的範圍的限制，本發明的範圍由所附的權利要求定義。
權利要求
1.一種模擬多電平電壓源換流器MMC多個子模塊的等時間常數縮小子模塊板，其特徵 在於包括該多子模塊板卡為PCB板；一個機箱內可集成5-20個子模塊板卡，板卡之間的主電路和電源迴路通過機箱的背 板總線進行連接，結構緊湊，可引出多個檢測點；所述每個板卡上集成了 N個控制電路和主電路都相互獨立的按係數縮小的MMC子模 塊，所述N為自然數；所述每個MMC子模塊為級聯關係、功能完全獨立，每個MMC子模塊之間通過所述板卡上 的PCB走線進行連接；每個MMC子模塊都有各自獨立的數字控制晶片、編解碼電路、光纖通道、AD採樣電路和 子模塊主電路，所述主電路包括兩個串聯的IGBT、一個電容器、一個旁路開關和晶閘管； 所述每個MMC子模塊主電路的結構為所述MMC子模塊的主電路中兩個串聯的自帶反並聯二極體的絕緣柵雙極型功率管 IGBT，所述絕緣柵雙極型功率管IGBT可用低壓金氧半場效電晶體MOSFET代替，作為可投入 可切除的有極性電解電容器，兩個串聯的IGBT中的上IGBT的發射極連接下IGBT的集電極 (是否正確？)，並聯電容器的正極連接上IGBT的集電極，負極連接下IGBT的發射極，均壓 電阻與並聯電容並聯，所述多個MMC子模塊同時投入串聯迴路時，相同阻值的電阻也為串 聯，起著均衡模塊電壓的作用；所述子模塊與外部電路的連接從下IGBT正負極分別引出；所述主電路的上下兩個IGBT脈衝為互鎖關係，電容電壓穩定時，如果給上IGBT發送開 通指令，下IGBT則關斷，則從外部電路看，子模塊電壓為電容電壓；如果給上IGBT發送關斷 指令，則下IGBT導通，從外部電路看，子模塊電壓為接近於零，於是子模塊在串聯電路中的 電平可任意控制為零或電容電壓；還具有子模塊電壓檢測電路，測量的是每個電容的端電壓，子模塊電壓檢測電路檢測 電容電壓並傳給電路板上多個子模塊共用的數字處理器，運行中子模塊的電容由IGBT控 制是否將其串入電路的橋臂；所述主電路中的晶閘管的作用是保護IGBT ；所述旁路開關的作用是當子模塊出現故障時，能夠將該子模塊從大量的串聯模塊中旁 路，同時保持其他模塊的電流通路；所述多個子模塊共用的數字控制晶片和解碼晶片對多個串聯子模塊的電容電壓值進 行整理，並將其與各個IGBT驅動晶片反饋的狀態一起編碼後，通過光纖通道送給上層控制 系統；光纖通道還負責將上層控制系統確定的各個子模塊的IGBT、晶閘管和旁路開關的開 通/閉鎖指令送至子模塊電路板。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於該子模塊板卡集成了多個級聯的低壓子模 塊，每個子模塊由小型低壓元器件組成，包括數字處理器和上下串聯的IGBT ；每個子模塊 還包括用以保護IGBT的晶閘管和旁路開關；將一個或多個級聯的獨立子模塊集成到一塊 PCB板上，以實現緊湊化。
3.依據權利要求1-2中任一所述的裝置，其特徵在於該PCB板通過電位隔離，將1個或 多個子模塊集成在一塊PCB板上，各子模塊採用獨立、互不通信的的數字處理器對子模塊的開關元件進行控制，並對各自子模塊電容電壓和各元件狀態進行監控和測量後，與上級 控制系統交互。
4.根據權利3所述的裝置，其特徵在於採用一個開關電源為多個子模塊板並聯供電， 但該電源進入不同板卡後，再通過各個子模塊板相互隔離的開關電源進行轉換，同一子模 塊板的上下IGBT之間也採取相互隔離的電源模塊進行供電。
5.根據權利4所述的裝置，其特徵在於所述電源模塊是24V的開關電源模塊，每個電路 板上具有多個隔離的電源模塊，負責控制晶片、驅動晶片、採樣晶片和電路損耗的供電。
全文摘要
本發明涉及用於模擬大容量模塊化多電平電壓源換流器(Multi-level Modular Converte)的動態模擬試驗用子模塊電路板，電路板上有多個獨立的按照等時間常數法縮小參數的MMC換流器子模塊，電壓等級小於50V；多個子模塊完全獨立，之間為串聯關係；子模塊包括各自獨立的控制和編解碼晶片、光纖通道、主電路(有電容器及與其並聯的上下串聯結構的兩隻IGBT、與下IGBT並聯的旁路開關、用於保護IGBT和電容的與下IGBT並聯的晶閘管)、IGBT和晶閘管驅動電路、電容電壓採樣電路、電路板隔離電源。
文檔編號H02M7/217GK102148579SQ20101059722
公開日2011年8月10日 申請日期2010年12月20日 優先權日2010年12月20日
發明者何維國, 劉棟, 劉雋, 張新剛, 滕樂天, 王姍姍, 賀之淵, 趙巖 申請人:上海市電力公司, 中國電力科學研究院