模块化多电平换流器的制作方法

本实用新型涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种模块化多电平换流器。

背景技术：

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)由多个结构相同的子模块(Sub-module，SM)级联构成，具有级联性变换器的优点，在高压直流输电领域有着广泛的应用前景。由于MMC的实际应用工程中的电压等级较高，需要投入大量资金，因此，在控制技术不成熟的情况下，需要在实验室针对MMC的控制方法进行大量研究。在MMC的研究中，半桥模式是研究MMC的最简系统，功率模块数量最少，可以节省大量研究成本。但是，传统的MMC仅支持三相全桥拓扑结构，不支持半桥模式，造成MMC的研究成本较高。

技术实现要素：

本实用新型的实施例提供一种模块化多电平换流器，以解决现有技术中的模块化多电平换流器不支持半桥模式的问题。

为达到上述目的，本实用新型的实施例提供一种模块化多电平换流器，包括三相供电线路和直流母线，以及连接在三相供电线路与直流母线之间的第一桥臂电路、第二桥臂电路、第三桥臂电路和电容电路；其中，第一桥臂电路、第二桥臂电路、第三桥臂电路分别连接三相供电线路中的一相供电线路；第一桥臂电路、第二桥臂电路、第三桥臂电路均包括两个桥臂支路，两个桥臂支路的第一端均与三相供电线路中对应的一相供电线路连接，两个桥臂支路的第二端及第三端分别与直流母线的正压母线和负压母线连接，桥臂支路的第一端和第二端之间以及第一端与第三端之间均串联有多个功率模块；第一桥臂电路中设置有用于将第一桥臂支路切出模块化多电平换流器的第一开关装置，第二桥臂电路中设置有用于将第二桥臂支路切出模块化多电平换流器的第二开关装置；电容电路与第一桥臂电路或第二桥臂电路并联连接，电容电路中设置有用于将电容支路切出模块化多电平换流器的第三开关装置；电容电路包括两个并联连接的电容支路，两个电容支路的第一端与第一桥臂电路或第二桥臂电路对应的一相供电线路连接，两个电容支路的第二端分别与直流母线的正压母线和负压母线连接。

可选地，当模块化多电平换流器工作在第一工作模式时，第一开关装置与第二开关装置闭合，第三开关装置断开；和/或，当模块化多电平换流器工作在第二工作模式时，第一开关装置与第二开关装置中的一个闭合，第一开关装置和第二开关装置中的另一个与第三开关装置断开；和/或，当模块化多电平换流器工作在第三工作模式时，第一开关装置与第二开关装置断开，第三开关装置闭合。

可选地，每个功率模块包括驱动控制板、电源部、模块直流母线，以及连接在驱动控制板和模块直流母线之间的H桥电路；模块直流母线上设置有第一接线端子和第二接线端子，H桥电路的交流输出端设置有第三接线端子和第四接线端子；其中，第一接线端子和第二接线端子中的一个与第三接线端子和第四接线端子中的一个为功率模块的输出端子；或者，第三接线端子和第四接线端子为功率模块的输出端子。

可选地，H桥电路包括四个与驱动控制板连接的MOSFET元件。

可选地，电源部包括第一供电接口，第一供电接口与模块直流母线连接；和/或，电源部包括第二供电接口，第二供电接口用于连接外接的电源模块。

可选地，第一开关装置设置在第一桥臂电路中两个桥臂支路的第一端与对应的一相供电线路之间；或者，第一开关装置设置在第一桥臂电路的两个桥臂支路的第二端及第三端与直流母线的正压母线和负压母线之间。

可选地，第二开关装置设置在第二桥臂电路中两个桥臂支路的第一端与对应的一相供电线路之间；或者，第二开关装置设置在第二桥臂电路的两个桥臂支路的第二端及第三端与直流母线的正压母线和负压母线之间。

可选地，两个电容支路的第一端通过第三开关装置与第一桥臂电路或第二桥臂电路对应的一相供电线路连接；或者，第三开关装置设置在电容电路的两个电容支路与直流母线的正压母线和负压母线之间。

可选地，模块化多电平换流器还包括控制器，三相供电线路中串联有第四开关装置，第四开关装置的两端并联有充电电阻；控制器与第四开关装置连接，并在功率模块充电达到预设状态时控制第四开关装置闭合。

可选地，三相供电线路中还串联有第五开关装置，控制器控制第五开关装置的导通或闭合；和/或，三相供电线路中还串联有手动开关装置。

本实用新型的实施例的模块化多电平换流器，通过在三相供电线路与两个桥臂电路之间设置开关，来控制两个桥臂电路的工作状态，并通过设置电容支路来增加电容，在对直流母线提供额外支撑的情况下，使得该模块化多电平换流器支持半桥模式，从而通过改变内部链接线路来实现模块化多电平换流器对三相全桥、两相全桥和两相半桥等拓扑结构的兼容；该模块化多电平换流器可以用于交流-直流的四象限运行，并使得该模块化多电平换流器在支持全桥模式的基础上，还支持半桥模式，能够在节省成本低情况下，方便地进行MMC研究。

附图说明

图1为本实用新型的实施例的模块化多电平换流器的结构示意图；

图2为本实用新型的实施例的模块化多电平换流器的三相全桥拓扑结构示意图；

图3为本实用新型的实施例的模块化多电平换流器的两相全桥拓扑结构示意图；

图4为本实用新型的实施例的模块化多电平换流器的两相半桥拓扑结构示意图；

图5为本实用新型的实施例的模块化多电平换流器的功率模块的结构示意图。

附图标记说明：

1、第一桥臂电路；2、第二桥臂电路；3、第三桥臂电路；4、电容电路；5、第一接线端子；6、第二接线端子；7、第三接线端子；8、第四接线端子；9、驱动控制板；10、模块直流母线；11、第一供电接口；12、第二供电接口；13、通信接口。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施例的模块化多电平换流器进行详细描述。

图1为本实用新型的实施例的模块化多电平换流器的结构示意图。

如图1所示，该模块化多电平换流器包括三相供电线路和直流母线，以及连接在三相供电线路与直流母线之间的第一桥臂电路1、第二桥臂电路2、第三桥臂电路3和电容电路4；其中，第一桥臂电路1、第二桥臂电路2、第三桥臂电路3分别连接三相供电线路中的一相供电线路；第一桥臂电路1、第二桥臂电路2、第三桥臂电路3均包括两个桥臂支路，两个桥臂支路的第一端均与三相供电线路中对应的一相供电线路连接，两个桥臂支路的第二端及第三端分别与直流母线的正压母线DC+和负压母线DC–连接；第一桥臂电路1设置有用于将第一桥臂电路1切出模块化多电平换流器的第一开关装置，第二桥臂电路2上设置有用于将第二桥臂电路2切出模块化多电平换流器的第二开关装置，桥臂支路的第一端和第二端之间以及第一端与第三端之间均串联有多个功率模块M；电容电路4与第一桥臂电路1或第二桥臂电路2并联连接，电容电路4上设置有用于将电容电路4切出模块化多电平换流器的第三开关装置；电容电路4包括两个并联连接的电容支路(两个电容支路分别包括电容C1和电容C2)，两个电容支路的第一端与第一桥臂电路或第二桥臂电路对应的一相供电线路连接，两个电容支路的第二端分别与直流母线的正压母线DC+和负压母线DC–连接。

在该模块化多电平换流器中，通过控制第一开关装置、第二开关装置和第三开关装置(图中未示出)的通断，可以分别控制第一桥臂电路1、第二桥臂电路2和电容电路4是否与三相供电线路和直流母线形成电力连接闭合的回路，也即，控制第一桥臂电路1、第二桥臂电路2和电容电路4是否切出控制该模块化多电平换流器，以控制第一桥臂电路1、第二桥臂电路2和电容电路4的工作状态，进而控制该模块化多电平换流器中工作电路的拓扑结构，可以实现交流-直流的四象限运行，并使得该模块化多电平换流器支持多种工作模式，方便实验室研究MMC的控制方法。而且，在该模块化多电平换流器中，通过断开第一开关装置和第二开关装置来断开第一桥臂电路1和第二桥臂电路2，使得该模块化多电平换流器的工作电路仅包括与B相供电线路连接的第三桥臂电路3，以及与C相供电线路连接的电容电路4，利用电容电路4中的电容C1和C2在为直流母线提供额外的支撑的情况下，与第三桥臂电路3形成半桥电路，使得该模块化多电平换流器支持半桥模式，进而在实验室研究MMC时可以节省成本。

在实际的应用场景中，该模块化多电平换流器的三相供电线路中串联有交流电采样板PT、三相电抗器，第一桥臂电路1、第二桥臂电路2和第三桥臂电路3的桥臂支路中均串联有单相电抗器和电流霍尔传感器，以保证该模块化多电平换流器的正常工作。例如，在三相供电线路中串联三相电抗器L2，在各桥臂支路中均串联单相电抗器L1和电流霍尔传感器CT1。

根据本实用新型的实施例，该模块化多电平换流器至少包括三种工作模式。

在第一工作模式时，第一开关装置与第二开关装置闭合，第三开关装置断开。如图1和图2所示，在第一工作模式时，电容电路4断电，第一桥臂电路1、第二桥臂电路2和第三桥臂电路3分别连接A、B和C三相供电线路，均能够正常工作，使得该模块化多电平换流器的工作电路形成三相全桥拓扑结构。

在第二工作模式时，第一开关装置与第二开关装置中的一个闭合，第一开关装置和第二开关装置中的另一个与第三开关装置断开。如图1和图3所示，在第二工作模式时，将第一开关装置闭合，将第二开关装置和第三开关装置断开，电容电路4和第二桥臂电路2均断电，第一桥臂电路1和第三桥臂电路3分别连接A和C两相供电线路，能够正常工作，使得该模块化多电平换流器的工作电路形成两相全桥拓扑结构。

在第三工作模式时，第一开关装置与第二开关装置断开，第三开关装置闭合。如图1和图4所示，在第三工作模式时，第一桥臂电路1和第二桥臂电路2均断电，第三桥臂电路3和电容电路4分别连接A和C两相供电线路，能够正常工作，使得该模块化多电平换流器的工作电路形成两相半桥拓扑结构。

例如，在第一桥臂电路1中的两个桥臂支路的第一端和A相供电线路的连接处设置第一开关装置，以控制第一桥臂电路1和A相供电线路之间电力连接的通断；或者，在第一桥臂电路1的两个桥臂支路的第二端及第三端与直流母线的正压母线DC+和负压母线DC–的连接处分别设置第一开关装置，以分别控制两个桥臂支路与正压母线DC+和负压母线DC–之间电力连接的通断。

在第二桥臂电路2中的两个桥臂支路的第一端和B相供电线路的连接处设置第二开关装置，以控制第二桥臂电路2和B相供电线路之间电力连接的通断；或者，在第二桥臂电路2的两个桥臂支路的第二端及第三端与直流母线的正压母线DC+和负压母线DC–的连接处分别设置第二开关装置，以分别控制两个桥臂支路与正压母线DC+和负压母线DC–之间电力连接的通断。

在电容电路4的两个电容支路的第一端与A相供电线路(或者C相供电线路)的连接处设置第三开关装置，以控制电容电路4和A相供电线路之间电力连接的通断；或者，在电容电路4的两个电容支路与直流母线的正压母线DC+和负压母线DC–的连接处分别设置第三开关装置，以控制两个电容与正压母线DC+和负压母线DC–之间电力连接的通断。

通过控制上述第一开关装置、第二开关装置和第三开关装置的断开和闭合，可以实现对该模块化多电平换流器内部线路连接关系的改变，控制控制第一桥臂电路1、第二桥臂电路2和电容电路4是否切出该模块化多电平换流器按照，使该模块化多电平换流器按照上述三种工作模式进行工作，进而实现三种拓扑结构(三相全桥、两相全桥和两相半桥)，提高了该模块化多电平换流器的兼容性和灵活性，方便进行MMC控制方法的研究。

进一步地，上述各桥臂支路中的功率模块M包括驱动控制板9、电源部、模块直流母线10和H桥电路。H桥电路连接在驱动控制板9和模块直流母线10之间，模块直流母线10上设置有第一接线端子5和第二接线端子6，H桥电路的交流输出端设置有第三接线端子7和第四接线端子8。

其中，第一接线端子5和第二接线端子6为功率模块M的直流输出端子，第三接线端子7和第四接线端子8为功率模块M的交流输出端子。基于这四个接线端子，功率模块M至少具有两种输出模式。

在第一种输出模式时，第一接线端子5和第二接线端子6中的一个与第三接线端子7和第四接线端子8中的一个为功率模块M的输出端子，第一接线端子5和第二接线端子6中的另一个与第三接线端子7和第四接线端子8中的另一个悬空。也即，在第一种输出模式时，功率模块M以一个直流输出端子和一个交流输出端子作为输出端子进行输出。此时，该模块化多电平换流器形成一个基于半桥的模块化多电平换流器，也就是MMC。

在第二种输出模式时，第三接线端子7和第四接线端子8位功率模块M的输出端子，也即，功率模块M以两个交流输出端子作为输出端子进行输出。此时，该模块化多电平换流器形成一个基于H桥的模块化多电平换流器，也就是F-MMC(Full-bridge Modular Multilevel Converter)。

本实施例中，通过选择功率模块M的输出端子，可以使得该模块化多电平换流器形成MMC和F-MMC两种拓扑结构。在上述该模块化多电平换流器的三种工作模式下，该模块化多电平换流器可以形成六种拓扑结构，分别是MMC三相全桥、MMC两相全桥、MMC两相半桥、F-MMC三相全桥、F-MMC两相全桥、F-MMC两相半桥。基于这六种拓扑结构，该模块化多电平换流器可以作为一个四象限整流器，以实现整流、逆变、容性无功、感性无功四象限运行。而且，由于模块化多电平换流器中的每个桥臂支路中串联有多个功率模块M，可以利用这种串联的结构使换流器做到很高的电压，以便应用至高压直流输电领域。

进一步地，功率模块M的电源部包括第一供电接口11和/第二供电接口12。

如图5所示，第一供电接口11和第二供电接口12设置在驱动控制板9上，第一供电接口11与开关K1连接，第二供电接口12与开关K2连接。通过选择闭合开关K1或K2，可以选择第一供电接口11或第二供电接口12向驱动控制板9供电，使得驱动控制板9能够驱动H桥电路，保证功率模块M正常运行。

其中，第一供电接口11与模块直流母线10连接。在该模块化多电平换流器开始工作时，上述任一桥臂电路与供电线路和直流母线形成电力连接回路之后，功率模块M得电，模块直流母线10也得电。第一供电接口11从模块直流母线10取电，并为驱动控制板9供电，使得功率模块M正常运行。在实际应用中，模块直流母线10中还可以连接有支撑电容C3。

第二供电接口12用于连接外接的电源模块。例如，第二供电接口12可以连接外接的24V直流电源，使得第二供电接口12可以支撑功率M正常运行。

也就是说，功率模块M兼容外供电和自取电两种工作模式。

一种可行的实施方式中，功率模块M中的H桥电路由四个与驱动控制板9连接的金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)元件组成。如图5所示，驱动控制板9与四个MOSFET元件(Q1、Q2、Q3和Q4)连接，并可以发出四路驱动信号驱动四个MOSFET元件。当然，在其他实施方式中，还可以采用其他的元件来形成H桥电路，例如，采用IGBT代替MOSFET来组成H桥电路。

本实施例中，为了实现对该模块化多电平换流器的精确控制，该模块化多电平换流器还包括控制器(图中未示出)。

例如，三相供电线路中串联有第四开关装置QF3，第四开关装置QF3的两端并联有充电电阻Rr。控制器与第四开关装置QF3连接，并在功率模块M充电达到预设状态时，控制第四开关装置QF3闭合。

在该模块化多电平换流器开始工作时，三相供电线路中的充电电阻开始为各桥臂支路中的功率模块M充电。在控制器检测到功率模块M充电达到预设状态时，控制第四开关装置QF3闭合，以旁路掉充电电阻Rr。其中，第四开关装置QF3可选为三相接触器。

再例如，三相供电线路中还串联有用于控制三相供电线路通断的第五开关装置QF2，控制器与第五开关装置QF2连接，并控制第五开关装置QF2的导通或闭合。第五开关装置QF2可选为三相接触器，通过控制器来控制该三相接触器的导通或闭合，可以实现对模块化多电平换流器启动或关闭的自动控制。此外，三相供电线路中还可以串联有手动开关装置QF1，以方便对模块化多电平换流器启动或关闭的手动控制。

此外，控制器还与功率模块M中的驱动控制板9上的通信接口13(如光纤收发端口)连接，控制器通过光纤收发端口与功率模块M进行数据交互，控制器给功率模块M下发启停命令和PWM信号等，功率模块M上传其状态信息和AD采样信号等。如此，控制器可以控制每个功率模块M协调工作，进而保证整个模块化多电平换流器的正常运行。

本实用新型的实施例的模块化多电平换流器具有如下优点：

通过改变内部链接线路来实现模块化多电平换流器对三相全桥、两相全桥和两相半桥的兼容，使得该模块化多电平换流器在支持全桥模式的基础上，还支持半桥模式，能够在节省成本低情况下，方便地进行MMC研究；

进一步地，通过选择功率模块的输出端子来实现模块化多电平换流器对MMC和F-MMC的兼容，使得该模块化多电平换流器兼容MMC三相全桥、MMC两相全桥、MMC两相半桥、F-MMC三相全桥、F-MMC两相全桥、F-MMC两相半桥，共六种拓扑结构，为研究MMC和F-MMC提供了极大便利；

进一步地，通过在功率摸块中设置外供电接口和自取电接口，使得功率模块兼容外供电和自取电两种工作模式。

需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个部件拆分为更多部件，也可将两个或多个部件或者部件的部分操作组合成新的部件，以实现本实用新型的目的。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。