專利名稱：一種改進(jìn)的模塊化多電平換流器基礎(chǔ)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于輸配電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種改進(jìn)的模塊化多電平換流器基礎(chǔ)電路。
背景技術(shù)：
模塊化多電平換流器高壓直流輸電MMC-HVDC是電壓源換流器高壓直流輸電VSC-HVDC在多電平領(lǐng)域的重要分支。與傳統(tǒng)直流輸電相比，電壓源換流器高壓直流輸電VSC-HVDC具有以下主要優(yōu)點(diǎn)(I)無需來自受端交流系統(tǒng)的換相電流，能夠?yàn)闊o源網(wǎng)絡(luò)供電；(2)能夠?qū)崿F(xiàn)有功和無功快速獨(dú)立的控制，有功和無功可實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行；·(3)能夠?yàn)榻涣飨到y(tǒng)提供快速的無功支持，起到靜態(tài)同步補(bǔ)償器STATC0M的作用，
靜態(tài)同步補(bǔ)償器STATC0M是柔性交流輸電系統(tǒng)FACTS的一個(gè)重要組成部分，可動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)m
\-ΖΧ ο與兩電平或三電平電壓源換流器高壓直流輸電VSC-HVDC相比，模塊化多電平換流器高壓直流輸電MMC-HVDC有以下主要優(yōu)點(diǎn)( I)模塊化設(shè)計(jì)，便于擴(kuò)容；(2)開關(guān)頻率較低，開關(guān)損耗較小，等效開關(guān)頻率較高；(3)換流器交流側(cè)出口電壓諧波含量少，無需交流濾波器。鑒于模塊化多電平換流器MMC拓?fù)渚哂幸陨蟽?yōu)良特性，國內(nèi)外在建或規(guī)劃中的多電平電壓源換流器高壓直流輸電VSC-HVDC系統(tǒng)大多采用模塊化多電平換流器MMC拓?fù)?，但是模塊化多電平換流器MMC拓?fù)湫枰罅康慕^緣柵雙極型晶體管IGBT，當(dāng)系統(tǒng)電壓等級相同時(shí)，模塊化多電平換流器MMC使用的絕緣柵雙極型晶體管IGBT的數(shù)量是兩電平電壓源換流器的兩倍。

發(fā)明內(nèi)容
針對上面技術(shù)背景中描述的模塊化多電平換流器高壓直流輸電MMC-HVDC中絕緣柵雙極型晶體管IGBT的使用量方面存在的問題，本發(fā)明提出了一種改進(jìn)的模塊化多電平換流器基礎(chǔ)電路。本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種改進(jìn)的模塊化多電平換流器基礎(chǔ)電路，其特征在于，所述基礎(chǔ)電路包括第一絕緣柵雙極型晶體管、第二絕緣柵雙極型晶體管、第一二極管、第二二極管、第一電容、第二電容和H橋雙開關(guān)電路；其中，所述第一絕緣柵雙極型晶體管與所述第一電容和第二電容串聯(lián)后與第二絕緣柵雙極型晶體管并聯(lián)；所述第一二極管與所述第一絕緣柵雙極型晶體管反并聯(lián)，用于保護(hù)第一絕緣柵雙極型晶體管；所述第二二極管與所述第二絕緣柵雙極型晶體管反并聯(lián)，用于保護(hù)第二絕緣柵雙極型晶體管；所述H橋雙開關(guān)電路分別與輸出電壓正極和第一電容的負(fù)極連接。所述H橋雙開關(guān)電路包括第三二極管、第四二極管、第五二極管、第六二極管和第三絕緣柵雙極型晶體管；所述第三二極管和第四二極管串聯(lián)；所述第五二極管和第六二極管串聯(lián)；所述第三二極管的負(fù)極分別與所述第六二極管的負(fù)極和第三絕緣柵雙極型晶體管的集電極連接；所述第四二極管的正極分別與所述第五二極管的正極和第三絕緣柵雙極型晶體管的發(fā)射極連接；所述第三二極管的正極與輸出端正極連接；所述第六二極管的正極與第一電容負(fù)極連接；所述H橋雙開關(guān)電路用于實(shí)現(xiàn)H橋雙開關(guān)電路雙向?qū)?。所述基礎(chǔ)電路輸出包括三種電平狀態(tài)。所述基礎(chǔ)電路包括四種運(yùn)行狀態(tài)。 本發(fā)明的有益效果是，一種改進(jìn)的模塊化多電平換流器基礎(chǔ)電路應(yīng)用于模塊化多電平電壓源換流器中，不僅可以實(shí)現(xiàn)直流電壓的穩(wěn)定和電容的平衡，而且減少了絕緣柵雙極型晶體管IGBT數(shù)量和基礎(chǔ)電路的數(shù)量，從而減少了換流站的占地面積。


圖I是模塊化多電平換流器MMC的典型拓?fù)鋱D；圖2是模塊化多電平換流器高壓直流輸電MMC-HVDC中使用的半橋基礎(chǔ)電路的電路圖；圖3是本發(fā)明提供的一種改進(jìn)的模塊化多電平換流器基礎(chǔ)電路的電路圖；圖4是本發(fā)明提供的一種改進(jìn)的模塊化多電平換流器基礎(chǔ)電路的電路圖的等效圖；圖5是本發(fā)明提供的一種改進(jìn)的模塊化多電平換流器基礎(chǔ)電路的不同工作狀態(tài)的電流流動(dòng)方向；其中，(a)表示運(yùn)行模式I ;(b)表示運(yùn)行模式2 ;(c)表示運(yùn)行模式3 ;(d)表示運(yùn)行模式4 ；圖6是本發(fā)明提供的一種改進(jìn)的模塊化多電平換流器基礎(chǔ)電路的輸出電壓圖。其中，SMn-第η個(gè)基礎(chǔ)電路；Ud。-模塊化多電平換流器MMC直流電壓；VTl-第一絕緣柵雙極型晶體管；VT2-第二絕緣柵雙極型晶體管；VD1-第一二極管；VD2-第二二極管；UC-電容電壓；UsM-輸出電壓；isM-輸出電流；VT3-第三絕緣柵雙極型晶體管;C「第一電容；C2-第二電容；Ucl-第一電容仏的電壓值；Uc2-第二電容(2的電壓值。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，對優(yōu)選實(shí)施例作詳細(xì)說明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。圖I是模塊化多電平換流器MMC的典型拓?fù)鋱D。圖I中，模塊化多電平電壓源換流器(MMC)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每相有上下兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由η個(gè)基礎(chǔ)電路組成。圖2是模塊化多電平換流器高壓直流輸電MMC-HVDC中使用的半橋基礎(chǔ)電路的電路圖。圖2中，半橋基礎(chǔ)電路是由兩個(gè)絕緣柵雙極型晶體管IGBT，兩個(gè)二極管以及一個(gè)電容構(gòu)成，單個(gè)基礎(chǔ)電路輸出的電壓可以是電容電壓Uc或者是0，因此能夠輸出1，0兩種電平。如果要輸出2，1，0三種電平，則需要兩個(gè)基礎(chǔ)電路共同作用，從而可以得出兩個(gè)基礎(chǔ)電路需要4塊絕緣柵雙極型晶體管。 圖3是本發(fā)明提供的一種改進(jìn)的模塊化多電平換流器基礎(chǔ)電路的電路圖。圖3中，本發(fā)明提供的基礎(chǔ)電路包括第一絕緣柵雙極型晶體管VT1、第二絕緣柵雙極型晶體管VT2、第一二極管VD1、第二二極管VD2、第一電容C1、第二電容C2和H橋雙開關(guān)電路；所述第一絕緣柵雙極型晶體管VTl與所述第一電容C1和第二電容C2串聯(lián)后與第二絕緣柵雙極型晶體管VT2反并聯(lián)；所述第一二極管VDl與所述第一絕緣柵雙極型晶體管VTl反并聯(lián)，用于保護(hù)第一絕緣柵雙極型晶體管VTl ;所述第二二極管VD2與所述第二絕緣柵雙極型晶體管VT2反并聯(lián)，用于保護(hù)第二絕緣柵雙極型晶體管VT2 ;所述H橋雙開關(guān)電路分別與輸出電壓UsM正極和第一電容C1負(fù)極連接；所述H橋雙開關(guān)電路包括第三二極管、第四二極管、第五二極管、第六二極管和第三絕緣柵雙極型晶體管VT3 ;所述第三二極管和第四二極管串聯(lián)；所述第五二極管和第 六二極管串聯(lián)；所述第三二極管的負(fù)極分別與所述第六二極管的負(fù)極和第三絕緣柵雙極型晶體管VT3的集電極連接；所述第四二極管的正極分別與所述第五二極管的正極和第三絕緣柵雙極型晶體管VT3的發(fā)射極連接；所述第三二極管的正極與輸出端正極連接；所述第六二極管的正極與第一電容負(fù)極連接；所述H橋雙開關(guān)電路用于實(shí)現(xiàn)H橋雙開關(guān)電路雙向?qū)āD4是本發(fā)明提供的一種改進(jìn)的模塊化多電平換流器基礎(chǔ)電路的電路圖的等效圖。由于本發(fā)明中增加了 H橋雙向開關(guān)電路，當(dāng)?shù)谌^緣柵雙極型晶體管VT3導(dǎo)通時(shí)，半橋中間的線路無論電流的方向如何都會(huì)處于導(dǎo)通狀態(tài)，因此該基礎(chǔ)電路可以簡化為圖4。圖5是本發(fā)明提供的一種改進(jìn)的模塊化多電平換流器基礎(chǔ)電路的不同工作狀態(tài)的電流流動(dòng)方向圖。本發(fā)明提供的基礎(chǔ)電路共有四種運(yùn)行狀態(tài)(1) VT1，VT2，VT3均閉鎖；
(2)VTl開通，VT2和VT3均關(guān)斷；(3) VT2開通，VTl和VT3均關(guān)斷；(4) VT3開通，VTl和VT2均關(guān)斷?，F(xiàn)對該四種運(yùn)行方式進(jìn)行分析，運(yùn)行模式(I):絕緣柵雙極型晶體管VT1，VT2，VT3均處于閉鎖狀態(tài)，在正常狀態(tài)下是不會(huì)出現(xiàn)該種狀態(tài)的，不過當(dāng)系統(tǒng)處于剛啟動(dòng)，或者是某些故障狀態(tài)時(shí)三個(gè)絕緣柵雙極型晶體管會(huì)閉鎖。當(dāng)電流從正母線方向交流輸出端流動(dòng)時(shí)，電流會(huì)從上面的各續(xù)流二極管VDl經(jīng)過基礎(chǔ)電路的第一電容C1和第二電容C2逐步流向交流輸出端，此時(shí)電容第一電容C1和第二電容C2充電；當(dāng)電流從交流輸出端向正母線方向流動(dòng)時(shí)，電流會(huì)從下面的各續(xù)流二極管VD2不經(jīng)第一電容C1和第二 C2充電而逐步流向交流正母線方向，此時(shí)基礎(chǔ)電路的第一電容C1和第二電容C2是處于被旁路的狀態(tài)。運(yùn)行模式(2):絕緣柵雙極型晶體管VTl開通、VT2和VT3關(guān)斷的狀態(tài)，此時(shí)的電流仍然可以雙向流動(dòng)。當(dāng)電流從正母線向交流輸出端方向流動(dòng)時(shí)，電流會(huì)從續(xù)流二極管VDl經(jīng)基礎(chǔ)電路第一電容C1和第二電容C2逐步流向交流輸出端，此時(shí)基礎(chǔ)電路的第一電容C1和第二電容C2充電；當(dāng)電流從交流輸出端向正直流母線方向流動(dòng)時(shí)，電流會(huì)從各基礎(chǔ)電路的第一電容C1和第二電容C2經(jīng)絕緣柵雙極型晶體管VTl逐步流向正直流母線，此時(shí)基礎(chǔ)電路第一電容C1和第二電容C2放電。該工作狀態(tài)，電流可以雙向流動(dòng)，不管電流從什么方向流動(dòng)，基礎(chǔ)電路輸出端總會(huì)引出基礎(chǔ)電路電容電壓；基礎(chǔ)電路的兩塊電容第一電容C1和第二電容C2可以同時(shí)充放電，這取決于電流的方向。運(yùn)行模式(3):絕緣柵雙極型晶體管VT2開通、VTl和VT3關(guān)斷的狀態(tài)，此時(shí)電流依然可以雙向流動(dòng)，當(dāng)電流從正直流母線向交流輸出端方向流動(dòng)時(shí)，電流會(huì)從各絕緣柵雙極型晶體管VT2不經(jīng)基礎(chǔ)電路的第一電容C1和第二電容C2逐步流向交流輸出端，此時(shí)的電容電壓不受影響；當(dāng)電流從交流輸出端方向向正直流母線方向流動(dòng)時(shí)，電流會(huì)從各自下面的續(xù)流二極管VD2不經(jīng)基礎(chǔ)電路電容逐步流向正直流母線方向，此時(shí)基礎(chǔ)電路的電容也不受影響。運(yùn)行模式(4):絕緣柵雙極型晶體管VT3開通、VTl和VT2關(guān)斷的狀態(tài)，電流仍然可以雙向流動(dòng)。當(dāng)VT3打開時(shí)相當(dāng)于圖5的等效開關(guān)閉合，此時(shí)當(dāng)電流從正直流母線向交流輸出端方向流動(dòng)時(shí)，電流會(huì)從VT3經(jīng)第二電容C2逐步流向輸出端(雖然電流也可以從續(xù)流二極管VDl流通，但是會(huì)選擇電壓低的路徑)，此時(shí)第二電容C2充電。當(dāng)電流從交流輸出端方向向正直流母線方向流動(dòng)時(shí)，電流會(huì)從VT3經(jīng)電容逐步流向正直流母線，此時(shí)第二電容C2放電。該工作狀態(tài)，電流可以雙向流動(dòng)，不管電流那個(gè)方向都會(huì)流經(jīng)VT3，此模塊用來單獨(dú)控制第二電容C2,對于維持第一電容C1,第二電容C2的電壓有很重要的作用。圖6是本發(fā)明提供的一種改進(jìn)的模塊化多電平換流器基礎(chǔ)電路的輸出電壓圖。圖6中，可以得到本發(fā)明提供的基礎(chǔ)電路的輸出電壓值有三檔，即2Uc，Uc，0。因此可以稱之為 三電平基礎(chǔ)電路，輸出的電壓波形如圖6所示以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種改進(jìn)的模塊化多電平換流器基礎(chǔ)電路，其特征在于，所述基礎(chǔ)電路包括第一絕緣柵雙極型晶體管、第二絕緣柵雙極型晶體管、第一二極管、第二二極管、第一電容、第二電容和H橋雙開關(guān)電路； 其中，所述第一絕緣柵雙極型晶體管與所述第一電容和第二電容串聯(lián)后與第二絕緣柵雙極型晶體管并聯(lián)； 所述第一二極管與所述第一絕緣柵雙極型晶體管反并聯(lián)，用于保護(hù)第一絕緣柵雙極型晶體管； 所述第二二極管與所述第二絕緣柵雙極型晶體管反并聯(lián)，用于保護(hù)第二絕緣柵雙極型晶體管； 所述H橋雙開關(guān)電路分別與輸出電壓正極和第一電容的負(fù)極連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種改進(jìn)的模塊化多電平換流器基礎(chǔ)電路，其特征在于，所述H橋雙開關(guān)電路包括第三二極管、第四二極管、第五二極管、第六二極管和第三絕緣柵雙極型晶體管；所述第三二極管和第四二極管串聯(lián)；所述第五二極管和第六二極管串聯(lián)；所述第三二極管的負(fù)極分別與所述第六二極管的負(fù)極和第三絕緣柵雙極型晶體管的集電極連接；所述第四二極管的正極分別與所述第五二極管的正極和第三絕緣柵雙極型晶體管的發(fā)射極連接；所述第三二極管的正極與輸出端正極連接；所述第六二極管的正極與第一電容負(fù)極連接；所述H橋雙開關(guān)電路用于實(shí)現(xiàn)H橋雙開關(guān)電路雙向?qū)ā?br> 3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種改進(jìn)的模塊化多電平換流器基礎(chǔ)電路，其特征在于，所述基礎(chǔ)電路電平輸出包括三種電平狀態(tài)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種改進(jìn)的模塊化多電平換流器基礎(chǔ)電路，其特征在于，所述基礎(chǔ)電路包括四種運(yùn)行狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明公開了輸配電技術(shù)領(lǐng)域的一種改進(jìn)的模塊化多電平換流器基礎(chǔ)電路。其技術(shù)方案是，所述基礎(chǔ)電路包括第一絕緣柵雙極型晶體管、第二絕緣柵雙極型晶體管、第一二極管、第二二極管、第一電容、第二電容和H橋雙開關(guān)電路。本發(fā)明應(yīng)用于模塊化多電平電壓源換流器中，不僅可以實(shí)現(xiàn)直流電壓的穩(wěn)定和電容的平衡，而且減少了絕緣柵雙極型晶體管IGBT數(shù)量和基礎(chǔ)電路的數(shù)量，從而減少了換流站的占地面積。
文檔編號H02M3/10GK102843031SQ201210289139
公開日2012年12月26日 申請日期2012年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月14日
發(fā)明者趙成勇, 李路遙, 翟曉萌, 楊柳 申請人:華北電力大學(xué)