一種單向電流型模塊化多電平換流器的製作方法

2024-04-01 03:38:05

本發明涉及直流輸電
技術領域：
，具體為一種單向電流型模塊化多電平換流器。
背景技術：
：柔性直流輸電技術是一種基於電壓源換流器的新型的高壓直流輸電技術，是通過控制電壓源換流器中全控型電力電子器件的開通和關斷，改變輸出電壓的相角和幅值，可實現對交流側有功功率和無功功率的控制，達到功率輸送和穩定電網等目的。具有擴展性好、諧波畸變率小、開關頻率低、開關損耗小、模塊化結構易於封裝等優點。可使當前交直流輸電技術面臨的諸多問題迎刃而解，為輸電方式變革和構建未來電網提供了一個嶄新的解決方案。而目前影響柔性直流輸電發展的一個重要因素是其成本及系統損耗，目前柔性直流輸電技術多採用基於半橋子模塊的模塊化多電平換流器技術，具有雙向傳輸功率的能力。但在很多輸電場合，直流電流僅需單向流動，為了適應單向功率傳輸的場合，現有技術中針對單向功率傳輸採用的模塊化多電平換流器的拓撲結構，如圖1和圖2所示：圖1為現有技術中單向整流型全橋子模塊拓撲，主要由2個igbt、2個二極體與一個直流電容組成，全控型電力電子器件t1、t2均導通時，子模塊輸出電壓為vc；t1、t2均關斷時，子模塊輸出電壓為‐vc；t1導通、t2關斷或t1關斷、t2導通時，子模塊輸出電壓為0。其輸出狀態如表1所示：表1單向整流型全橋子模塊開通狀態圖2為現有技術中單向逆變型全橋子模塊拓撲，結構與單向整流型全橋子模塊較為相似，也是由2個igbt、2個二極體與一個直流電容組成，只是每個橋臂的全控型電力電子器件和二極體位置相互進行了調換。全控型電力電子器件t1、t2均關斷時，子模塊輸出電壓為vc；t1、t2均導通時，子模塊輸出電壓為‐vc；t2導通、t1關斷或t2關斷、t1導通時，子模塊輸出電壓為0。表2單向逆變型全橋子模塊開通狀態雖然現有技術已經有相關的拓撲結構可滿足直流電流單向傳輸的需求，但是系統成本及損耗仍然需要進一步降低及優化，所以不斷探索和研究新的拓撲結構是解決目前所存在問題的關鍵。技術實現要素：針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供一種單向電流型模塊化多電平換流器，該換流器中的系統子模塊採用單向電流型的拓撲結構，該拓撲結構相對現有技術，減小了電力電子開關管和二極體數量，大大的降低了換流器的成本及系統損耗，有效的提升了系統效率及可靠性。為了達到上述目的，本發明採用以下方案：一種單向電流型模塊化多電平換流器，採用三相全橋的拓撲結構，每一相包括上橋臂和下橋臂，每個橋臂分別由n個相同的子模塊級聯構成，n為任意不小於1的整數，每相的上橋臂下端和下橋臂上端各通過一個電感連接在一起，兩電感連接點為該相的交流母線，所有相的上橋臂上端連接在一起成為直流正母線，所有相的下橋臂下端連接在一起成為直流負母線，上橋臂和下橋臂中級聯的子模塊採用單向電流型子模塊；所述單向電流型子模塊包括3個全控型電力電子器件t1、t2、t3，3個二極體d1、d2、d3和2個直流電容c1、c2；第一全控型電力電子器件t1的集電極或發射極與第一二極體d1的相串接後與第一直流電容c1相併聯，第一全控型電力電子器件t1與第一二極體d1串聯接點為單向電流型子模塊的正輸出端；相應的第三全控型電力電子器件t3的發射極或集電極與第三二極體d3的相串接後與第二直流電容c2相併聯，第三全控型電力電子器件t3的發射極與第三二極體d3串聯接點為單向電流型子模塊的負輸出端；第一直流電容c1與第二直流電容c2一正負極分別與第二全控型電力電子器件t2的集電極及發射極連接，第一直流電容c1與第二直流電容c2另一正負極之間連接第二二極體d2。優選的，所述第一全控型電力電子器件t1的集電極與第一二極體d1的陽極相串接，且串聯接點為單向電流型子模塊的正輸出端，所述第一直流電容c1與相串聯的第一全控型電力電子器件t1和第一二極體d1相併聯，其第一直流電容c1的正極與第一二極體d1的陽極相連接，第一直流電容c1的負極與第一全控型電力電子器件t1的發射極相連接；所述第三全控型電力電子器件t3的發射極與第三二極體d3的陰極相串接，且串聯接點為單向電流型子模塊的負輸出端，所述第二直流電容c2與相串聯的第三全控型電力電子器件t3和第三二極體d3相併聯，其第二直流電容c2的負極與第三二極體d3的陽極相連接，第二直流電容c2的正極與第三全控型電力電子器件t3的集電極相連接；第二二極體d2的陽極與陰極分別與第一直流電容c1的負極以及第二直流電容c2的正極相聯接，第二全控型電力電子器件t2的集電極以及發射極分別於第一直流電容c1的正極以及第二直流電容c2的負極相聯接；優選的，所述第一全控型電力電子器件t1的發射極與第一二極體d1的陰極相串接，且串聯接點為單向電流型子模塊的正輸出端，所述第一直流電容c1與相串聯的第一全控型電力電子器件t1和第一二極體d1相併聯，其第一直流電容c1的負極與第一二極體d1的陽極相連接，第一直流電容c1的正極與第一全控型電力電子器件t1的集電極相連接；所述第三全控型電力電子器件t3的集電極與第三二極體d3的陽極相串接，且串聯接點為單向電流型子模塊的負輸出端，所述第二直流電容c2與相串聯的第三全控型電力電子器件t3和第三二極體d3相併聯，其第二直流電容c2的正極與第三二極體d3的陰極相連接，第二直流電容c2的負極與第三全控型電力電子器件t3的發射極相連接；第二全控型電力電子器件t2的發射極以及集電極分別於第一直流電容c1的負極以及第二直流電容c2的正極相聯接，第二二極體d2的陰極與陽極分別與第一直流電容c1的正極以及第二直流電容c2的負極相聯接。本發明具有以下有益的技術優勢：本發明與現有技術相比，在成本上更具有優勢，從實現相同電平數的情況下，現有技術採用的一個全橋子模塊可以輸出一個電平，而本發明提出的子模塊可以輸出兩個電平，等效為兩個單向的全橋子模塊，而要達到本發明同樣的技術效果，現有技術需要兩個單向全橋子模塊才能實現，那麼總共需要4個全控型電力電子器件、4個二極體和2個直流電容，而本發明只需要3個全控型電力電子器件、3個二極體和2個直流電容，所以比現有技術所使用的器件更少，對於可靠性上也有一定程度的提升，也節省了成本。本發明應用於單向電流型模塊化多電平換流器中，具有阻斷直流故障電流功能的子模塊拓撲結構，適用於橋臂電流單向的應用場合。該新型拓撲結構通過對電子器件合理的設計，在滿足同樣需求的情況下，減小了系統中電力電子開關管和二極體數量，所以該新型拓撲結構可大大的降低系統成本、減少系統損耗、提升系統的可靠性。附圖說明圖1為現有技術中單向整流型全橋子模塊拓撲圖2為現有技術中單向逆變型全橋子模塊拓撲圖3為本發明的系統框圖圖4為新型逆變型單向級聯型子模塊拓撲圖5為新型整流型單向級聯型子模塊拓撲圖6為新型逆變型單向交錯級聯子模塊拓撲圖7為新型整流型單向交錯級聯子模塊拓撲具體實施方式下面將結合實施例對本發明技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都應屬於本發明保護的範圍。參考圖3所示，本發明的單向電流型模塊化多電平換流器採用三相全橋的拓撲結構，每一相包括上橋臂和下橋臂，每個橋臂分別由n個相同的子模塊級聯構成，n為任意不小於1的整數，每相的上橋臂下端和下橋臂上端各通過一個電感連接在一起，兩電感連接點為該相的交流母線，所有相的上橋臂上端連接在一起成為直流正母線，所有相的下橋臂下端連接在一起成為直流負母線，所述上橋臂和下橋臂中級聯的子模均塊採用單向電流型子模塊。單向電流型子模塊的適用條件是必須滿足橋臂電流是單向的，在不考慮環流的情況下，需滿足下式：其中uac為交流線電壓有效值，s為視在功率，udc為直流電壓，p為有功功率。圖4為逆變型單向級聯型子模塊拓撲，包括3個全控型電力電子器件t1、t2、t3、3個二極體d1、d2、d3和2個直流電容c1、c2；第一全控型電力電子器件t1的集電極與第一二極體d1的陽極相串接，且串聯接點為單向電流型子模塊的正輸出端，所述第一直流電容c1與相串聯的第一全控型電力電子器件t1和第一二極體d1相併聯，其第一直流電容c1的正極與第一二極體d1的陽極相連接，第一直流電容c1的負極與第一全控型電力電子器件t1的發射極相連接，所述第三全控型電力電子器件t3的發射極與第三二極體d3的陰極相串接，且串聯接點為單向電流型子模塊的負輸出端。第二直流電容c2與相串聯的第三全控型電力電子器件t3和第三二極體d3相併聯，其第二直流電容c2的負極與第三二極體d3的陽極相連接，第二直流電容c2的正極與第三全控型電力電子器件t3的集電極相連接，第二二極體d2的陽極與陰極分別與第一直流電容c1的負極以及第二直流電容c2的正極相聯接；第二全控型電力電子器件t2的集電極以及發射極分別於第一直流電容c1的正極以及第二直流電容c2的負極相聯接。單向電流型子模塊輸出電平與各全控型電力電子器件開關狀態如表3所示。表3單向逆變型級聯子模塊工作狀態t1t2t3輸出電平0002vc001vc1010011-vc111-2vc圖5為整流型單向級聯型子模塊拓撲，包括3個全控型電力電子器件t1、t2、t3、3個二極體d1、d2、d3和2個直流電容c1、c2；第一全控型電力電子器件t1的發射極與第一二極體d1的陰極相串接，且串聯接點為單向電流型子模塊的正輸出端，所述第一直流電容c1與相串聯的第一全控型電力電子器件t1和第一二極體d1相併聯，其第一直流電容c1的負極與第一二極體d1的陽極相連接，第一直流電容c1的正極與第一全控型電力電子器件t1的集電極相連接。第三全控型電力電子器件t3的集電極與第三二極體d3的陽極相串接，且串聯接點為單向電流型子模塊的負輸出端，所述第二直流電容c2與相串聯的第三全控型電力電子器件t3和第三二極體d3相併聯，其第二直流電容c2的正極與第三二極體d3的陰極相連接，第二直流電容c2的負極與第三全控型電力電子器件t3的發射極相連接。第二全控型電力電子器件t2的發射極以及集電極分別於第一直流電容c1的負極以及第二直流電容c2的正極相聯接，第二二極體d2的陰極與陽極分別與第一直流電容c1的正極以及第二直流電容c2的負極相聯接。所述單向整流型級聯子模塊的輸出電平與各全控型電力電子器件開關狀態如表4所示。表4單向整流型級聯子模塊工作狀態t1t2t3輸出電平0002vc010vc1010001-vc000-2vc圖6為逆變型單向交錯級聯子模塊拓撲，包括3個全控型電力電子器件t1、t2、t3、3個二極體d1、d2、d3和2個直流電容c1、c2；第一二極體d1的陽極與第一全控型電力電子器件t1的集電極與相串接，且串聯接點為單向電流型子模塊的正輸出端，所述第一直流電容c1與相串聯的第一二極體d1和第一全控型電力電子器件t1相併聯，其第一直流電容c1的正極與第一二極體d1的陰極相連接，第一直流電容c1的負極與第一全控型電力電子器件t1的發射極相連接。第三全控型電力電子器件t3的發射極與第三二極體d3的陰極相串接，且串聯接點為單向電流型子模塊的負輸出端，所述第二直流電容c2與相串聯的第三全控型電力電子器件t3和第三二極體d3相併聯，其第二直流電容c2的正極與第三全控型電力電子器件t3的集電極相連接，第二直流電容c2的負極與第三二極體d3的陽極相連接，第二二極體d2的陽極與陰極分別與第一直流電容c1的負極以及第二直流電容c2的正極相聯接。第二全控型電力電子器件t2的集電極以及發射極分別於第一直流電容c1的正極以及第二直流電容c2的負極相聯接。所述單向逆變型交錯級聯子模塊的輸出電平與各全控型電力電子器件開關狀態如表5所示。表5單向逆變型交錯級聯子模塊工作狀態t1t2t3輸出電平0002vc001vc1010011-vc111-2vc圖7為整流型單向交錯級聯子模塊拓撲，包括3個全控型電力電子器件t1、t2、t3、3個二極體d1、d2、d3和2個直流電容c1、c2。所述第一全控型電力電子器件t1的發射極與第一二極體d1的陰極相串接，且串聯接點為單向電流型子模塊的正輸出端，所述第一直流電容c1與相串聯的第一全控型電力電子器件t1和第一二極體d1相併聯，其第一直流電容c1的正極與第一全控型電力電子器件t1的集電極相連接，第一直流電容c1的負極與第一二極體d1的陽極相連接。第三二極體d3的陽極與第三全控型電力電子器件t3的集電極相串接，且串聯接點為單向電流型子模塊的負輸出端，所述第二直流電容c2與相串聯的第三全控型電力電子器件t3和第三二極體d3相併聯，其第二直流電容c2的正極與第三二極體d3的陰極相連接，第二直流電容c2的負極與第三全控型電力電子器件t3的發射極相連接第二全控型電力電子器件t2的發射極以及集電極分別於第一直流電容c1的負極以及第二直流電容c2的正極相聯接，第二二極體d2的陰極與陽極分別與第一直流電容c1的正極以及第二直流電容c2的負極相聯接。所述單向整流型交錯級聯子模塊的輸出電平與各全控型電力電子器件開關狀態如表6所示。表6單向整流型交錯級聯子模塊工作狀態t1t2t3輸出電平0002vc010vc1010001-vc000-2vc以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施方式僅限於此，對於本發明所屬
技術領域：
的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應當視為屬於本發明由所提交的權利要求書確定專利保護範圍。當前第1頁12