CN102843031A - 一种改进的模块化多电平换流器基础电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了输配电技术领域的一种改进的模块化多电平换流器基础电路。其技术方案是，所述基础电路包括第一绝缘栅双极型晶体管、第二绝缘栅双极型晶体管、第一二极管、第二二极管、第一电容、第二电容和H桥双开关电路。本发明应用于模块化多电平电压源换流器中，不仅可以实现直流电压的稳定和电容的平衡，而且减少了绝缘栅双极型晶体管IGBT数量和基础电路的数量，从而减少了换流站的占地面积。
Description
技术领域
本发明属于输配电技术领域，尤其涉及一种改进的模块化多电平换流器基础电路。
背景技术
模块化多电平换流器高压直流输电MMC-HVDC是电压源换流器高压直流输电VSC-HVDC在多电平领域的重要分支。与传统直流输电相比，电压源换流器高压直流输电VSC-HVDC具有以下主要优点：
（1）无需来自受端交流系统的换相电流，能够为无源网络供电；
（2）能够实现有功和无功快速独立的控制，有功和无功可实现四象限运行；
（3）能够为交流系统提供快速的无功支持，起到静态同步补偿器STATCOM的作用，静态同步补偿器STATCOM是柔性交流输电系统FACTS的一个重要组成部分，可动态无功补偿。
与两电平或三电平电压源换流器高压直流输电VSC-HVDC相比，模块化多电平换流器高压直流输电MMC-HVDC有以下主要优点：
（1）模块化设计，便于扩容；
（2）开关频率较低，开关损耗较小，等效开关频率较高；
（3）换流器交流侧出口电压谐波含量少，无需交流滤波器。
鉴于模块化多电平换流器MMC拓扑具有以上优良特性，国内外在建或规划中的多电平电压源换流器高压直流输电VSC-HVDC系统大多采用模块化多电平换流器MMC拓扑，但是模块化多电平换流器MMC拓扑需要大量的绝缘栅双极型晶体管IGBT，当系统电压等级相同时，模块化多电平换流器MMC使用的绝缘栅双极型晶体管IGBT的数量是两电平电压源换流器的两倍。
发明内容
针对上面技术背景中描述的模块化多电平换流器高压直流输电MMC-HVDC中绝缘栅双极型晶体管IGBT的使用量方面存在的问题，本发明提出了一种改进的模块化多电平换流器基础电路。
本发明的技术方案是，一种改进的模块化多电平换流器基础电路，其特征在于，所述基础电路包括第一绝缘栅双极型晶体管、第二绝缘栅双极型晶体管、第一二极管、第二二极管、第一电容、第二电容和H桥双开关电路；
其中，所述第一绝缘栅双极型晶体管与所述第一电容和第二电容串联后与第二绝缘栅双极型晶体管并联；
所述第一二极管与所述第一绝缘栅双极型晶体管反并联，用于保护第一绝缘栅双极型晶体管；
所述第二二极管与所述第二绝缘栅双极型晶体管反并联，用于保护第二绝缘栅双极型晶体管；
所述H桥双开关电路分别与输出电压正极和第一电容的负极连接。
所述H桥双开关电路包括第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管和第三绝缘栅双极型晶体管；所述第三二极管和第四二极管串联；所述第五二极管和第六二极管串联；所述第三二极管的负极分别与所述第六二极管的负极和第三绝缘栅双极型晶体管的集电极连接；所述第四二极管的正极分别与所述第五二极管的正极和第三绝缘栅双极型晶体管的发射极连接；所述第三二极管的正极与输出端正极连接；所述第六二极管的正极与第一电容负极连接；所述H桥双开关电路用于实现H桥双开关电路双向导通。
所述基础电路输出包括三种电平状态。
所述基础电路包括四种运行状态。
本发明的有益效果是，一种改进的模块化多电平换流器基础电路应用于模块化多电平电压源换流器中，不仅可以实现直流电压的稳定和电容的平衡，而且减少了绝缘栅双极型晶体管IGBT数量和基础电路的数量，从而减少了换流站的占地面积。
附图说明
图1是模块化多电平换流器MMC的典型拓扑图；
图2是模块化多电平换流器高压直流输电MMC-HVDC中使用的半桥基础电路的电路图；
图3是本发明提供的一种改进的模块化多电平换流器基础电路的电路图；
图4是本发明提供的一种改进的模块化多电平换流器基础电路的电路图的等效图；
图5是本发明提供的一种改进的模块化多电平换流器基础电路的不同工作状态的电流流动方向；其中，（a)表示运行模式1；（b）表示运行模式2；（c）表示运行模式3；（d）表示运行模式4；
图6是本发明提供的一种改进的模块化多电平换流器基础电路的输出电压图。
其中，SMn-第n个基础电路；Udc-模块化多电平换流器MMC直流电压；VT1-第一绝缘栅双极型晶体管；VT2-第二绝缘栅双极型晶体管；VD1-第一二极管；VD2-第二二极管；UC-电容电压；UsM-输出电压；isM-输出电流；VT3-第三绝缘栅双极型晶体管；C1-第一电容；C2-第二电容；Uc1-第一电容C1的电压值；Uc2-第二电容C2的电压值。
具体实施方式
下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
图1是模块化多电平换流器MMC的典型拓扑图。图1中，模块化多电平电压源换流器(MMC)的拓扑结构，每相有上下两个桥臂，每个桥臂由n个基础电路组成。
图2是模块化多电平换流器高压直流输电MMC-HVDC中使用的半桥基础电路的电路图。图2中，半桥基础电路是由两个绝缘栅双极型晶体管IGBT，两个二极管以及一个电容构成，单个基础电路输出的电压可以是电容电压UC或者是0，因此能够输出1，0两种电平。如果要输出2,1,0三种电平，则需要两个基础电路共同作用，从而可以得出两个基础电路需要4块绝缘栅双极型晶体管。
图3是本发明提供的一种改进的模块化多电平换流器基础电路的电路图。图3中，本发明提供的基础电路包括第一绝缘栅双极型晶体管VT1、第二绝缘栅双极型晶体管VT2、第一二极管VD1、第二二极管VD2、第一电容C1、第二电容C2和H桥双开关电路；所述第一绝缘栅双极型晶体管VT1与所述第一电容C1和第二电容C2串联后与第二绝缘栅双极型晶体管VT2反并联；所述第一二极管VD1与所述第一绝缘栅双极型晶体管VT1反并联，用于保护第一绝缘栅双极型晶体管VT1；所述第二二极管VD2与所述第二绝缘栅双极型晶体管VT2反并联，用于保护第二绝缘栅双极型晶体管VT2；所述H桥双开关电路分别与输出电压UsM正极和第一电容C1负极连接；
所述H桥双开关电路包括第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管和第三绝缘栅双极型晶体管VT3；所述第三二极管和第四二极管串联；所述第五二极管和第六二极管串联；所述第三二极管的负极分别与所述第六二极管的负极和第三绝缘栅双极型晶体管VT3的集电极连接；所述第四二极管的正极分别与所述第五二极管的正极和第三绝缘栅双极型晶体管VT3的发射极连接；所述第三二极管的正极与输出端正极连接；所述第六二极管的正极与第一电容负极连接；所述H桥双开关电路用于实现H桥双开关电路双向导通。
图4是本发明提供的一种改进的模块化多电平换流器基础电路的电路图的等效图。由于本发明中增加了H桥双向开关电路，当第三绝缘栅双极型晶体管VT3导通时，半桥中间的线路无论电流的方向如何都会处于导通状态，因此该基础电路可以简化为图4。
图5是本发明提供的一种改进的模块化多电平换流器基础电路的不同工作状态的电流流动方向图。本发明提供的基础电路共有四种运行状态：（1）VT1，VT2，VT3均闭锁；（2）VT1开通，VT2和VT3均关断；（3）VT2开通，VT1和VT3均关断；（4）VT3开通，VT1和VT2均关断。
现对该四种运行方式进行分析，运行模式（1）：绝缘栅双极型晶体管VT1，VT2，VT3均处于闭锁状态，在正常状态下是不会出现该种状态的，不过当系统处于刚启动，或者是某些故障状态时三个绝缘栅双极型晶体管会闭锁。当电流从正母线方向交流输出端流动时，电流会从上面的各续流二极管VD1经过基础电路的第一电容C1和第二电容C2逐步流向交流输出端，此时电容第一电容C1和第二电容C2充电；当电流从交流输出端向正母线方向流动时，电流会从下面的各续流二极管VD2不经第一电容C1和第二C2充电而逐步流向交流正母线方向，此时基础电路的第一电容C1和第二电容C2是处于被旁路的状态。
运行模式（2）：绝缘栅双极型晶体管VT1开通、VT2和VT3关断的状态，此时的电流仍然可以双向流动。当电流从正母线向交流输出端方向流动时，电流会从续流二极管VD1经基础电路第一电容C1和第二电容C2逐步流向交流输出端，此时基础电路的第一电容C1和第二电容C2充电；当电流从交流输出端向正直流母线方向流动时，电流会从各基础电路的第一电容C1和第二电容C2经绝缘栅双极型晶体管VT1逐步流向正直流母线，此时基础电路第一电容C1和第二电容C2放电。该工作状态，电流可以双向流动，不管电流从什么方向流动，基础电路输出端总会引出基础电路电容电压；基础电路的两块电容第一电容C1和第二电容C2可以同时充放电，这取决于电流的方向。
运行模式（3）：绝缘栅双极型晶体管 VT2开通、VT1和VT3关断的状态，此时电流依然可以双向流动，当电流从正直流母线向交流输出端方向流动时，电流会从各绝缘栅双极型晶体管VT2不经基础电路的第一电容C1和第二电容C2逐步流向交流输出端，此时的电容电压不受影响；当电流从交流输出端方向向正直流母线方向流动时，电流会从各自下面的续流二极管VD2不经基础电路电容逐步流向正直流母线方向，此时基础电路的电容也不受影响。
运行模式（4）：绝缘栅双极型晶体管VT3开通、VT1和VT2关断的状态，电流仍然可以双向流动。当VT3打开时相当于图5的等效开关闭合，此时当电流从正直流母线向交流输出端方向流动时，电流会从VT3经第二电容C2逐步流向输出端(虽然电流也可以从续流二极管VD1流通，但是会选择电压低的路径)，此时第二电容C2充电。当电流从交流输出端方向向正直流母线方向流动时，电流会从VT3经电容逐步流向正直流母线，此时第二电容C2放电。该工作状态，电流可以双向流动，不管电流那个方向都会流经VT3，此模块用来单独控制第二电容C2，对于维持第一电容C1，第二电容C2的电压有很重要的作用。
图6是本发明提供的一种改进的模块化多电平换流器基础电路的输出电压图。图6中，可以得到本发明提供的基础电路的输出电压值有三档，即2Uc，Uc，0。因此可以称之为三电平基础电路，输出的电压波形如图6所示
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种改进的模块化多电平换流器基础电路，其特征在于，所述基础电路包括第一绝缘栅双极型晶体管、第二绝缘栅双极型晶体管、第一二极管、第二二极管、第一电容、第二电容和H桥双开关电路；
其中，所述第一绝缘栅双极型晶体管与所述第一电容和第二电容串联后与第二绝缘栅双极型晶体管并联；
所述第一二极管与所述第一绝缘栅双极型晶体管反并联，用于保护第一绝缘栅双极型晶体管；
所述第二二极管与所述第二绝缘栅双极型晶体管反并联，用于保护第二绝缘栅双极型晶体管；
所述H桥双开关电路分别与输出电压正极和第一电容的负极连接。
2.根据权利要求1所述的一种改进的模块化多电平换流器基础电路，其特征在于，所述H桥双开关电路包括第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管和第三绝缘栅双极型晶体管；所述第三二极管和第四二极管串联；所述第五二极管和第六二极管串联；所述第三二极管的负极分别与所述第六二极管的负极和第三绝缘栅双极型晶体管的集电极连接；所述第四二极管的正极分别与所述第五二极管的正极和第三绝缘栅双极型晶体管的发射极连接；所述第三二极管的正极与输出端正极连接；所述第六二极管的正极与第一电容负极连接；所述H桥双开关电路用于实现H桥双开关电路双向导通。
3.根据权利要求1所述的一种改进的模块化多电平换流器基础电路，其特征在于，所述基础电路电平输出包括三种电平状态。
4.根据权利要求1所述的一种改进的模块化多电平换流器基础电路，其特征在于，所述基础电路包括四种运行状态。
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| C05 | Deemed withdrawal (patent law before 1993) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20121226 |