一种模块化多电平换流器及换流器模块的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种换流器模块，还涉及一种模块化多电平换流器，属于换流器技术领域。
【背景技术】
[0002]柔性直流输电系统的核心是基于全控器件的电压源变流器。多电平技术是实现高压大容量电压源变流器的优选方案。相对于二电平换流器，多电平换流器可以使用低压器件实现高电压等级输出，而并不需要开关器件的直接串联。近几年来，模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)的出现使多电平换流器在柔性直流输电领域也得到了成功的应用。模块化多电平换流器的换流器采用模块化设计，由若干个结构完全相同的基本单元模块串联构成，每一个模块称为换流器模块单元，通过增加换流器中的串联模块个数和电流水平，可以应用于不同的电压及功率等级场合。
[0003]针对模块化多电平换流器，可以选用半桥模块单元、全桥模块单元、以及箝位双模块单元作为基本单元，然而以上模块单元均存在各自的问题:比如半桥模块单元无法有效处理直流故障的固有缺陷，当换流器直流侧发生故障时，由于全控器件的反并联续流二极管容易构成故障点与交流系统直接连通的能量馈送回路，无法单纯依靠换流器动作完成直流侧故障电流的清除，只能依靠交流设备切断与交流系统的连接。
[0004]全桥模块单元由四只全控开关和直流支撑电容组成，相较传统半桥模块，使用的开关器件多一倍，模块输出直流电容电压或旁路时均同时有两个全控开关流过电流，损耗也大一倍。
[0005]箝位双模块为两个传统半桥模块通过一个全控开关和两个箝位二极管级联而成，相较全桥模块有效减少了全控开关数量，降低了运行损耗，但该单元在直流故障时，箝位双模块的两个直流支撑电容并联投入到交流系统电压和故障点之间，模块直流电压的上升较慢，清除故障的动态响应时间较长。
【实用新型内容】
[0006]本实用新型的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种换流器模块，解决现有技术中快速清除直流短路故障时动态响应时间较长、损耗较大的技术问题。
[0007]为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是:一种换流器模块，包括第一引出端X1、第二引出端X2、第一半桥20和第二半桥21，所述第一半桥20、第二半桥21分别包括有各自的开关单元、开关模块和储能元件，所述开关模块与储能元件串联后，并联在开关单元的两端；
[0008]所述换流器模块包括如下四种连接方式中的任一种:
[0009]第一种:所述开关单元包括一个开关单元子模块或两个反向串联的开关单元子模块，所述换流器模块还包括二极管D3、二极管D4 ;
[0010]所述二极管D3的阳极与第一引出端XI连接，阴极与第一半桥20中开关模块和储能元件Cl的电接点连接；
[0011]所述二极管D4的阴极与第二引出端X2连接，阳极与第二半桥21中开关模块和储能元件C2的电接点连接；
[0012]第二种:所述开关单元包括一个开关单元子模块或两个反向串联的开关单元子模块，所述换流器模块还包括二极管D3 ;
[0013]所述二极管D3的阳极与第一引出端XI连接，阴极与第一半桥20中开关模块和储能元件C1的电接点连接；
[0014]第三种:所述开关单元包括一个开关单元子模块或两个反向串联的开关单元子模块，所述换流器模块还包括二极管D4 ;
[0015]所述二极管D4的阴极与第二引出端X2连接，阳极与第二半桥21中开关模块和储能元件C2的电接点连接；
[0016]第四种:所述开关单元包括两个反向串联的开关单元子模块，所述换流器模块还包括二极管D3、二极管D4 ；
[0017]所述二极管D3的阳极与第二半桥21中开关单元的两开关单元子模块的电节点连接，阴极与第一半桥20中开关模块和储能元件C1的电接点连接；
[0018]所述二极管D4的阴极与第一半桥20中开关单元的两开关单元子模块的电节点连接，阳极与第二半桥21中开关模块和储能元件C2的电接点连接。
[0019]所述开关模块包括:第一开关管和反向并联在第一开关管集电极与发射极之间的第一续流二极管；
[0020]所述第一半桥20中第一开关管的发射极与第二引出端X2连接，集电极与第一半桥中储能元件C1的正极连接；
[0021]所述第二半桥21中第一开关管的集电极与第一引出端XI连接，发射极与第二半桥中储能元件C2的负极连接。
[0022]所述开关单元子模块包括第二开关管和反向并联在第二开关管集电极与发射极之间的第二续流二极管。
[0023]本实用新型的另一目的在于提供一种模块化多电平换流器，包括至少一个相单元，每个相单元由若干串联连接换流器模块组成，所述换流器模块包括:第一引出端X1、第二引出端X2、第一半桥20和第二半桥21，所述第一半桥20、第二半桥21分别包括有各自的开关单元、开关模块和储能元件，所述开关模块与储能元件串联后，并联在开关单元的两端;
[0024]所述换流器模块包括如下四种连接方式中的任一种:
[0025]第一种:所述开关单元包括一个开关单元子模块或两个反向串联的开关单元子模块，所述换流器模块还包括二极管D3、二极管D4 ;
[0026]所述二极管D3的阳极与第一引出端XI连接，阴极与第一半桥20中开关模块和储能元件C1的电接点连接；
[0027]所述二极管D4的阴极与第二引出端X2连接，阳极与第二半桥21开关模块和储能元件C2的电接点连接；
[0028]第二种:所述开关单元包括一个开关单元子模块或两个反向串联的开关单元子模块，所述换流器模块还包括二极管D3 ;
[0029]所述二极管D3的阳极与第一引出端XI连接，阴极与第一半桥20中开关模块和储能元件C1的电接点连接；
[0030]第三种:所述开关单元包括一个开关单元子模块或两个反向串联的开关单元子模块，所述换流器模块还包括二极管D4 ;
[0031]所述二极管D4的阴极与第二引出端X2连接，阳极与第二半桥21中开关模块和储能元件C2的电接点连接；
[0032]第四种:所述开关单元包括两个反向串联的开关单元子模块，所述换流器模块还包括二极管D3、二极管D4 ；
[0033]所述二极管D3的阳极与第二半桥21中开关单元的两开关单元子模块的电节点连接，阴极与第一半桥20中开关模块和储能元件C1的电接点连接；
[0034]所述二极管D4的阴极与第一半桥20中开关单元的两开关单元子模块的电节点连接，阳极与第二半桥21中开关模块和储能元件C2的电接点连接。
[0035]所述开关模块包括:第一开关管和反向并联在第一开关管集电极与发射极之间的第一续流二极管；
[0036]所述第一半桥20中第一开关管的发射极与第二引出端X2连接，集电极与第一半桥20中储能元件C1的正极连接；
[0037]所述第二半桥21中第一开关管的集电极与第一引出端XI连接，发射极与第二半桥21中储能元件C2的负极连接。
[0038]所述开关单元子模块包括第二开关管和反向并联在第二开关管集电极与发射极之间的第二续流二极管。
[0039]与现有技术相比，本实用新型所达到的有益效果:
[0040](1)将两个不对称半桥模块组合在一起，构成本实用新型的换流器模块单元结构，提供了良好的直流故障穿越能力；
[0041](2)所述换流器能实现多电平电压源和清除直流短路故障的功能，运行损耗和故障电流抑制效果综合性能较好；
[0042](3)在换流器启动和故障闭锁状态下，所述换流器模块单元的所有二极管回路相对于两个端子是对称的，从而提供了至少两个有益的特性:一是启动状态从交流充电时，每个桥臂的等效电容是一致的，电容电压的上升速率基本一致，从而使得整个换流器的高电位取能和监控更加一致和协调；二是故障闭锁状态下，换流器模块单元的两个电容串联投入到交流电源和故障点之间，故障时迅速抬升直流电压，快速清除直流短路故障，动态响应快；
[0043](4)所述换流器模块单元构成的换流器，其基本控制策略可以和传统半桥模块构成的换流器兼容，具有可移植性。
【附图说明】
[0044]图1是本实用新型中换流器模块的实施例一的电路图；
[0045]图2是本实用新型中换流器模块的开关单元的第一种实施方式电路图；
[0046]图3是本实用新型中换流器模块的实施例一的电容充放电模式；
[0047]图4是本实用新型中换流器模块的实施例一的旁路工作模式；
[0048]图5是本实用新型中换流器模块的实施例一的直流故障电流抑制工作模式；
[0049]图6是本实用新型中换流器模块的开关单元的第二种实施方式电路图；
[0050]图7是本实用新型中换流器模块的开关单元的第三种实施方式电路图；
[0051]图8是本实用新型中换流器模块的实施例五的电路图；
[0052]图9是本实用新型中换流器模块的实施例五的电容充放电模式