一種用于模塊組合多電平變換器的子模塊電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于電能轉(zhuǎn)換應(yīng)用領(lǐng)域，涉及一種用于模塊組合多電平變換器(MMC)的子模塊電路。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著高壓直流輸電技術(shù)(High Voltage Direct Current, HVDC)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)兩電平變換器拓?fù)湟褵o(wú)法滿足高電壓和大功率等級(jí)的要求。多電平變換器是通過(guò)多個(gè)電平的疊加使得輸出電壓呈現(xiàn)階梯型來(lái)逼近正弦輸出電壓，變換器所能輸出的電平數(shù)越多，其疊加而成的階梯波的臺(tái)階也就越多，從而就能獲得電壓變化率(dv/dt)更小、諧波含量更低、正弦近似度更高的輸出波形。因此，在對(duì)電路拓?fù)溥M(jìn)行微小改動(dòng)的情況下，提高變換器所能輸出的電平數(shù)一直是業(yè)內(nèi)工程師們所追求的目標(biāo)。
[0003]模塊組合多電平變換器(MMC)是一種新型的多電平拓?fù)?，不僅具有傳統(tǒng)多電平變換器的優(yōu)點(diǎn)，而且采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，便于系統(tǒng)擴(kuò)容和冗余工作，尤其適用于高壓直流輸電系統(tǒng)應(yīng)用。目前，MMC子模塊主要采用半橋結(jié)構(gòu)或全橋結(jié)構(gòu)。半橋子模塊由兩個(gè)開(kāi)關(guān)管和一個(gè)電容構(gòu)成，結(jié)構(gòu)雖簡(jiǎn)單，但無(wú)法自清除直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)的故障；全橋子模塊由四個(gè)開(kāi)關(guān)管和一個(gè)電容構(gòu)成，雖具有清除直流側(cè)故障的能力，但開(kāi)關(guān)管數(shù)目太多，成本高。因此，本實(shí)用新型提出的一種模塊化多電平變換器(MMC)子模塊電路，
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004]本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種模塊組合多電平變換器子模塊電路，具體技術(shù)方案如下。
[0005]一種用于模塊組合多電平變換器的子模塊電路，其包括:一個(gè)直流側(cè)儲(chǔ)能電容，三個(gè)不帶反向二極管的功率開(kāi)關(guān)管和一個(gè)功率二極管；三個(gè)功率開(kāi)關(guān)管與一個(gè)功率二極管組成橋式電路結(jié)構(gòu)；其中第一功率開(kāi)關(guān)管的集電極與第三功率開(kāi)關(guān)管的集電極相連，第一功率開(kāi)關(guān)管的發(fā)射極與第二功率開(kāi)關(guān)管的集電極相連，第二功率開(kāi)關(guān)管的發(fā)射極與功率二極管的陰極相連；第三功率開(kāi)關(guān)管的發(fā)射極與功率二極管的陽(yáng)極相連。
[0006]進(jìn)一步地，三個(gè)所述功率開(kāi)關(guān)管均為不含體內(nèi)反向二極管的IGBT。
[0007]進(jìn)一步地，所述子模塊電路包括五種工作模態(tài)，第一種模態(tài)是第一功率開(kāi)關(guān)管和功率二極管導(dǎo)通，其余兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，儲(chǔ)能電容處于充電模式；第二種模態(tài)是第二開(kāi)關(guān)管和第三開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，第一功率開(kāi)關(guān)管和功率二極管關(guān)斷，儲(chǔ)能電容處于放電模式；第三種模態(tài)是第三開(kāi)關(guān)管和功率二極管導(dǎo)通，第一功率開(kāi)關(guān)管、第二開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，儲(chǔ)能電容處于旁路模式；第四種模態(tài)是第一開(kāi)關(guān)管和第二開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，第三開(kāi)關(guān)管和功率二極管關(guān)斷，儲(chǔ)能電容處于旁路模式；第五種模態(tài)是第二開(kāi)關(guān)管和功率二極管導(dǎo)通，第一開(kāi)關(guān)管和第三開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，儲(chǔ)能電容處于旁路模式。
[0008]進(jìn)一步地，所述功率開(kāi)關(guān)管可為IGBT、IGCT、GTR或GTO功率器件。
[0009]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果:
[0010]本實(shí)用新型通過(guò)對(duì)MMC子模塊電路中三個(gè)功率開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)狀態(tài)不同的組合控制，使得多電平變換器在提高電壓利用率的同時(shí)，輸出正弦近似度較高的電壓波形。與采用傳統(tǒng)全橋子模塊的多電平變換器相比，采用本實(shí)用新型的子模塊電路的多電平變換器在提高2倍電壓利用率的同時(shí)，使得變換器所產(chǎn)生的電平數(shù)能從原來(lái)的η電平增加至3n-l電平，從而有效降低輸出電壓的總諧波畸變率(THD)。
【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1是模塊組合多電平變換器(MMC)子模塊電路結(jié)構(gòu)圖；
[0012]圖2是MMC子模塊電路工作模態(tài)I (電容充電模式)；
[0013]圖3是MMC子模塊電路工作模態(tài)2 (電容放電模式)；
[0014]圖4是MMC子模塊電路工作模態(tài)3(電容旁路模式I)；
[0015]圖5是MMC子模塊電路工作模態(tài)4 (電容旁路模式2)；
[0016]圖6是MMC子模塊電路工作模態(tài)5 (電容旁路模式3)；
[0017]圖7是采用本實(shí)用新型MMC子模塊電路的多電平逆變器結(jié)構(gòu)圖；
[0018]圖8是模塊化多電平基于載波組的PWM調(diào)制圖；
[0019]圖9是采用本實(shí)用新型子模塊電路的MMC系統(tǒng)輸出電壓波形。
【具體實(shí)施方式】
[0020]以下是結(jié)合模塊組合多電平變換器對(duì)本實(shí)用新型技術(shù)方案的具體實(shí)施作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，但本實(shí)用新型的實(shí)施和保護(hù)范圍不限于此。
[0021]圖1所示MMC子模塊電路，包括:一個(gè)直流側(cè)儲(chǔ)能電容C1，三個(gè)不帶反向二極管的功率開(kāi)關(guān)管和一個(gè)功率二極管D1;三個(gè)功率開(kāi)關(guān)管與一個(gè)功率二極管組成橋式電路結(jié)構(gòu)；其中第一功率開(kāi)關(guān)管T1的集電極與第三功率開(kāi)關(guān)管T 3的集電極相連，第一功率開(kāi)關(guān)管T 2的發(fā)射極與第二功率開(kāi)關(guān)管12的集電極相連，第二功率開(kāi)關(guān)管T 2的發(fā)射極與功率二極管D I的陰極相連；第三功率開(kāi)關(guān)管！^的發(fā)射極與功率二極管D丨的陽(yáng)極相連，圖中a、b、c、d為連接節(jié)點(diǎn)。
[0022]通過(guò)以下五種電路模態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)全橋子模塊電路對(duì)直流側(cè)儲(chǔ)能的電容充電、電容放電以及電容旁路等功能。
[0023]第一種模態(tài)是第一功率開(kāi)關(guān)管T1和功率二極管D i導(dǎo)通，其他器件關(guān)斷(見(jiàn)圖2)，電流流經(jīng)第一功率開(kāi)關(guān)管T1，功率二極管D1以及儲(chǔ)能電容C i，儲(chǔ)能電容(^處于充電模式，此模態(tài)下子模塊電路輸出電壓為直流側(cè)儲(chǔ)能電容上的電壓Vc;第二種模態(tài)是第二功率開(kāi)關(guān)管T2和第三功率開(kāi)關(guān)管T 3導(dǎo)通，其他器件關(guān)斷(見(jiàn)圖3)，儲(chǔ)能電容C i處于放電模式，此模態(tài)下子模塊電路輸出電壓為直流側(cè)儲(chǔ)能電容上的負(fù)電壓-Vc;第三種模態(tài)是第三功率開(kāi)關(guān)管T3和功率二極管D i導(dǎo)通，其他器件關(guān)斷(見(jiàn)圖4)，儲(chǔ)能電容C i處于旁路模式，此模態(tài)下子模塊電路輸出電壓為O ;第四種模態(tài)是第一功率開(kāi)關(guān)管T1和第二功率開(kāi)關(guān)管T 2導(dǎo)通，其他器件關(guān)斷(見(jiàn)圖5)，儲(chǔ)能電容C1處于旁路模式，此模態(tài)下子模塊電路輸出電壓為O ;第五種模態(tài)是第二功率開(kāi)關(guān)管T2和功率二極管D i導(dǎo)通，其他器件關(guān)斷(見(jiàn)圖6)，儲(chǔ)能電容C于旁路模式，此模態(tài)下子模塊電路輸出電壓為O。
[0024]通過(guò)對(duì)三個(gè)功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)控制可使得本實(shí)用新型所述MMC子模塊電路輸出Vc,O以及-V。三種電平。相對(duì)于傳統(tǒng)全橋子模塊電路，本實(shí)用新型所述MMC子模塊電路的冗余工作模態(tài)減少了，同時(shí)可存在所有開(kāi)關(guān)管均無(wú)導(dǎo)通電流的第5電路模態(tài)(見(jiàn)圖6)，因此子模塊電路的工作狀態(tài)更具可控性。
[0025]僅作為實(shí)例，以本實(shí)用新型所述MMC子模塊電路構(gòu)造單相模塊化組合多電平變換器如圖7所示，其中模塊電容的電壓額定為Vc= ΙΟΟν，輸入電壓為Vin= 2VC。由此，負(fù)載上的電壓可產(chǎn)生正負(fù)各6個(gè)電平，加上零電平，則一共存在13種可能的電平數(shù)，即該電路可輸出單相13電平，為此，采用的基于載波組的HVM調(diào)制波如圖8所示。
[0026]圖8所示為正弦電壓與載波的調(diào)制波形圖，調(diào)制波的幅值范圍為-1v至+lv，由圖5可知，由于正負(fù)半周各存在0-Vc，VC-2VC，…，5VC-6VC六個(gè)電壓區(qū)間。為此，采用六路三角波信號(hào)進(jìn)行組合，其中第一路載波信號(hào)幅值為Ov-0.1667v，調(diào)制波幅值處于該范圍時(shí)，電路輸出電壓為0-V。;第二路載波信號(hào)幅值為0.1667V-0.3333v，調(diào)制波幅值處于該范圍時(shí)，電路輸出電壓為以此類推，第六路載波信號(hào)為0.8333v-lv,調(diào)制波幅值處于該范圍時(shí)，電路輸出電壓為5VC-6VC。
[0027]用仿真模型驗(yàn)證圖7所示模塊化多電平逆變器的可行性，將變換器仿真參數(shù)設(shè)置如下:直流輸入電壓設(shè)置為Vin= 2V C= 200v，環(huán)流電感L 1、L2, L3, L4設(shè)置為4mH，負(fù)載電阻R = 200 Ω，其中功率管的導(dǎo)通時(shí)間設(shè)置為100ns，功率管的關(guān)斷時(shí)間設(shè)置是200ns，載波頻率為1kHz。
[0028]當(dāng)模塊化多電平變換器采用本實(shí)用新型所述MMC子模塊電路時(shí)，其仿真結(jié)果如圖9所示。從圖9中可見(jiàn)，模塊化多電平逆變器可輸出單相13電平，相比采用傳統(tǒng)全橋子模塊電路的MMC系統(tǒng)多出7個(gè)電平，進(jìn)一步分析可知變換器所產(chǎn)生的電平數(shù)能從原來(lái)的η電平增加至3η-1電平，因此有效降低了輸出電壓的總諧波畸變率(THD)。同時(shí)，其最高輸出電壓為三倍直流母線電壓3Vin= 600v，相比采用傳統(tǒng)全橋子模塊電路的MMC系統(tǒng)，其電壓利用率提高了 2倍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于模塊組合多電平變換器的子模塊電路，其特征在于包括:一個(gè)直流側(cè)儲(chǔ)能電容(?)，三個(gè)不帶反向二極管的功率開(kāi)關(guān)管和一個(gè)功率二極管(A);三個(gè)功率開(kāi)關(guān)管與一個(gè)功率二極管組成橋式電路結(jié)構(gòu)；其中第一功率開(kāi)關(guān)管(7；)的集電極與第三功率開(kāi)關(guān)管(r3)的集電極相連，第一功率開(kāi)關(guān)管(τρ的發(fā)射極與第二功率開(kāi)關(guān)管(τρ的集電極相連，第二功率開(kāi)關(guān)管(K)的發(fā)射極與功率二極管(A)的陰極相連；第三功率開(kāi)關(guān)管(T7)的發(fā)射極與功率二極管(A)的陽(yáng)極相連。
2.如權(quán)利要求1所述的一種用于模塊組合多電平變換器的子模塊電路，其特征在于，三個(gè)所述功率開(kāi)關(guān)管均為不含體內(nèi)反向二極管的IGBT。
3.如權(quán)利要求1所述的一種用于模塊組合多電平變換器的子模塊電路，其特征在于所述功率開(kāi)關(guān)管為IGBT、IGCT、GTR或GTO功率器件。
【專利摘要】本實(shí)用新型提供一種模塊化多電平變換器子模塊電路。所述的模塊組合多電平變換器（MMC）的子模塊電路包括一個(gè)直流側(cè)儲(chǔ)能電容（C1），三個(gè)不帶反向二極管的功率開(kāi)關(guān)管和一個(gè)功率二極管（D1）。本實(shí)用新型可應(yīng)用于各類多電平變換器，與傳統(tǒng)全橋（MMC）子模塊電路相比，采用此新型（MMC）子模塊電路的多電平變換器在提高2倍電壓利用率的同時(shí)，使得變換器所產(chǎn)生的電平數(shù)能從原來(lái)的n電平增加至3n-1電平，從而有效降低了輸出電壓的總諧波畸變率（THD）。
【IPC分類】H02M7-497, H02M7-49, H02M7-5388
【公開(kāi)號(hào)】CN204597805
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520282453
【發(fā)明人】張波, 李湘峰, 丘東元, 張桂東
【申請(qǐng)人】華南理工大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年8月26日
【申請(qǐng)日】2015年4月30日