基于全橋與半橋模塊的混合型多電平換流器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了基于全橋與半橋模塊的混合型多電平換流器，包括連接于正負極直流母線之間的三相單元，每個相單元由上橋臂和下橋臂組成，每個橋臂包括N個半橋模塊和1個帶直流電源的全橋模塊，所述N個半橋模塊和1個帶直流電源的全橋模塊串聯(lián)連接，N為正整數(shù)。本實用新型利用盡可能少的半橋模塊數(shù)目實現(xiàn)換流器較高的輸出電平數(shù)，在對半橋模塊的電壓進行排序算法時，計算耗時更少效率更高，模塊投入速度加快，能降低電容電壓波動。
【專利說明】基于全橋與半橋模塊的混合型多電平換流器【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及模塊化多電平換流器領(lǐng)域，特別涉及一種基于全橋與半橋模塊的混合型多電平換流器。
【背景技術(shù)】
[0002]在基于電壓源換流器的直流輸電領(lǐng)域，最早使用的是兩電平拓撲結(jié)構(gòu)，其開關(guān)器件耐壓與傳輸功率都受到限制，并且需要加入輸出濾波裝置。為解決這些問題，多電平電壓源換流器開始出現(xiàn)并且受到越來越多的關(guān)注。這些多電平換流器從原理上可以分為三大類:第一類是箝位式多電平結(jié)構(gòu)；第二類是利用單相全橋換流器(即H橋)直接串聯(lián)疊加的級聯(lián)式結(jié)構(gòu)形式；第三類是由電容與半橋開關(guān)器件組成子模塊單元，通過在換流器正、負直流母線之間串聯(lián)子模塊單元來構(gòu)成多電平輸出的結(jié)構(gòu)形式。其中第一類拓撲結(jié)構(gòu)隨著輸出電平數(shù)的增多，所需的箝位二極管或者懸浮電容將急劇增加，給系統(tǒng)控制及生產(chǎn)、裝配帶來極大的困難。第二類拓撲結(jié)構(gòu)雖然實現(xiàn)了模塊化，易于拓展，但是需要的獨立直流電源的個數(shù)較多。第三類拓撲結(jié)構(gòu)即MMC有諸多優(yōu)點:制造難度降低、損耗成倍下降、階躍電壓降低、波形質(zhì)量高、故障處理能力強等，因此也獲得了廣泛應(yīng)用。于2010年投運的美國“TransBay Cable Pro ject”換流器采用的就是這種MMC結(jié)構(gòu)。國內(nèi)已經(jīng)建成的上海南匯柔性直流輸電工程，以及即將啟動建設(shè)的浙江舟山多端柔性直流工程、大連柔性直流工程、南澳風電場柔性直流輸電工程都采用的這種由半橋子模塊組成的MMC拓撲結(jié)構(gòu)。
[0003]為了進一步提高性能，一些學者通過提出基于全橋與半橋模塊的混合型多電平換流器拓撲結(jié)構(gòu)，能夠在保持MMC的優(yōu)點的前提下使得換流器的性能更加完善。如論文“一種新型四象限混合型模塊組合多電平變換器”中通過引入兩個三橋臂功率單元，使得相同輸入輸出電平條件下，減少了功率單元的直流電容器數(shù)量和電容值。論文“基于混合型多電平換流器的柔性直流輸電系統(tǒng)”研究的混合型多電平換流器除了具有多電平換流器的基本特點外，還具有更高的直流電壓利用率，更強的直流故障耐受能力。但是需要的模塊數(shù)目和開關(guān)器件的數(shù)目仍然很多，在提高輸出電平數(shù)方面鮮有進展。
實用新型內(nèi)容
[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點與不足，本實用新型的目的在于提供一種基于全橋與半橋模塊的混合型多電平 換流器，利用盡可能少的半橋模塊數(shù)目實現(xiàn)換流器較高的輸出電平數(shù)。
[0005]本實用新型的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0006]基于全橋與半橋模塊的混合型多電平換流器，包括連接于正負極直流母線之間的三相單元，每個相單元由上橋臂和下橋臂組成，每個橋臂包括N個半橋模塊和I個帶直流電源的全橋模塊，所述N個半橋模塊和I個帶直流電源的全橋模塊串聯(lián)連接，N為正整數(shù)。
[0007]所述帶直流電源的全橋模塊由四個帶有反并聯(lián)二極管的絕緣柵雙極晶體管和一個直流電源組成，每兩個絕緣柵雙極晶體管順序串聯(lián)形成串聯(lián)結(jié)構(gòu)，每個串聯(lián)結(jié)構(gòu)的兩端分別與直流電源的兩端連接；每個串聯(lián)結(jié)構(gòu)中，兩個絕緣柵雙極晶體管的連接點為全橋模塊的其中一個輸出端。
[0008]所述半橋模塊由兩個帶有反并聯(lián)二極管的絕緣柵雙極晶體管和一個電容組成，所述兩個帶有反并聯(lián)二極管的絕緣柵雙極晶體管順序串聯(lián)后與電容并聯(lián)，所述兩個帶有反并聯(lián)二極管的絕緣柵雙極晶體管的串聯(lián)點為所述半橋模塊的一個輸出端，所述電容的任意一端為所述半橋模塊的另一個輸出端。
[0009]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有以下優(yōu)點和有益效果:
[0010]本實用新型的基于全橋與半橋模塊的混合型多電平換流器，通過在傳統(tǒng)的MMC拓撲結(jié)構(gòu)上加入帶直流電源的全橋模塊，利用盡可能少的半橋模塊數(shù)目實現(xiàn)換流器較高的輸出電平數(shù)。由于半橋模塊數(shù)目減少，在對半橋模塊的電容電壓進行排序算法時，計算耗時更少效率更高，模塊投入速度加快，能降低電容電壓波動。采用本實用新型的多電平換流器不僅可以省去IGBT (絕緣柵雙極晶體管)數(shù)目和電容數(shù)目，同時通過增加電平數(shù)目提高了電能質(zhì)量，使輸出量的諧波含量較少。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為本實用新型的實施例的基于全橋與半橋模塊的混合型多電平換流器的拓撲結(jié)構(gòu)圖。
[0012]圖2為本實用新型的實施例的半橋模塊的拓撲結(jié)構(gòu)圖。
[0013]圖3為本實用新型的實施例的全橋模塊的拓撲結(jié)構(gòu)圖。
[0014]圖4為傳統(tǒng)MMC與本實施例的基于全橋與半橋模塊的混合型多電平換流器的輸出相電壓對比圖。
【具體實施方式】
[0015]下面結(jié)合實施例，對本實用新型作進一步地詳細說明，但本實用新型的實施方式不限于此。
[0016]實施例
[0017]如圖1所示，本實施例的基于全橋與半橋模塊的混合型多電平換流器包括連接于正負極直流母線之間的三相單元，每個相單元由上橋臂和下橋臂組成，每個橋臂包括N個半橋模塊(SM1, SM2,...，SMn)和一個帶直流電源的全橋模塊HB，所述N個半橋模塊和一個帶直流電源的全橋模塊串聯(lián)連接，N為正整數(shù)。圖中，A，B和C分別表示換流器交流側(cè)三相表示橋臂電抗器；Ud。為正負極直流母線間的電壓差。
[0018]如圖2所示，本實施例的半橋模塊由帶有反并聯(lián)二極管Dl的絕緣柵雙極晶體管VT1、帶有反并聯(lián)二極管D2的絕緣柵雙極晶體管VT2和一個電容C組成，絕緣柵雙極晶體管VTl和VT2串聯(lián)后與電容C并聯(lián)，絕緣柵雙極晶體管VTl和VT2的串聯(lián)點為半橋模塊的一個輸出端，電容C的任意一端為半橋模塊的另一個輸出端,U。表不半橋模塊電容電壓；USM表不半橋模塊端口輸出電壓。
[0019]如圖3所示，本實施例的帶直流電源的全橋模塊由帶有反并聯(lián)二極管D3的絕緣柵雙極晶體管VT3、帶有反并聯(lián)二極管D4的絕緣柵雙極晶體管VT4、帶有反并聯(lián)二極管D5的絕緣柵雙極晶體管VT5、帶有反并聯(lián)二極管D6的絕緣柵雙極晶體管VT6和一個直流電源組成，絕緣柵雙極晶體管VT3、VT5順序串聯(lián)形成串聯(lián)結(jié)構(gòu)，絕緣柵雙極晶體管VT4、VT6順序串聯(lián)形成串聯(lián)結(jié)構(gòu)，每個串聯(lián)結(jié)構(gòu)的兩端分別與直流電源的兩端連接；絕緣柵雙極晶體管VT3、VT5的串聯(lián)點為全橋模塊的其中一個輸出端，VT4、VT6的串聯(lián)點為全橋模塊的另一個輸出端，圖中Us為直流源電壓；υω表不全橋模塊的輸出電壓。
[0020]本實施例的基于全橋與半橋模塊的混合型多電平換流器的控制方法為:
[0021]SI通過最近電平逼近方法控制半橋模塊投入數(shù)，根據(jù)計算得到需要投入的半橋模塊數(shù)目，然后根據(jù)各半橋模塊的電容電壓排序結(jié)果和橋臂電流方向決定導(dǎo)通哪些半橋模塊，使所有半橋模塊的電容電壓維持平衡；
[0022]所述半橋模塊投入數(shù)的計算方法如下:
[0023]在每個時刻，每相下橋臂需投入的半橋模塊數(shù)的實時表達式為:
[0024]
【權(quán)利要求】
1.基于全橋與半橋模塊的混合型多電平換流器，其特征在于，包括連接于正負極直流母線之間的三相單元，每個相單元由上橋臂和下橋臂組成，每個橋臂包括N個半橋模塊和I個帶直流電源的全橋模塊，所述N個半橋模塊和I個帶直流電源的全橋模塊串聯(lián)連接，N為正整數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于全橋與半橋模塊的混合型多電平換流器，其特征在于，所述帶直流電源的全橋模塊由四個帶有反并聯(lián)二極管的絕緣柵雙極晶體管和一個直流電源組成，每兩個絕緣柵雙極晶體管順序串聯(lián)形成串聯(lián)結(jié)構(gòu)，每個串聯(lián)結(jié)構(gòu)的兩端分別與直流電源的兩端連接；每個串聯(lián)結(jié)構(gòu)中，兩個絕緣柵雙極晶體管的連接點為全橋模塊的其中一個輸出端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于全橋與半橋模塊的混合型多電平換流器，其特征在于，所述半橋模塊由兩個帶有反并聯(lián)二極管的絕緣柵雙極晶體管和一個電容組成，所述兩個帶有反并聯(lián)二極管的絕緣柵雙極晶體管順序串聯(lián)后與電容并聯(lián)，所述兩個帶有反并聯(lián)二極管的絕緣柵雙極晶體管的串聯(lián)點為所述半橋模塊的一個輸出端，所述電容的任意一端為所述半橋模塊的另一個輸出端。
【文檔編號】H02M7/483GK203590069SQ201320739961
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年11月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月20日
【發(fā)明者】夏成軍, 李勇, 梁國開 申請人:華南理工大學