一种新型的模块化多电平换流器子模块拓扑的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了用于输配电【技术领域】的一种新型的模块化多电平换流器的子模块拓扑结构电路。其技术方案是，所述子模块结构电路包括3个绝缘栅双极型晶体管，2个反向的二极管，2个相同的电容器以及1个H桥结构。本实用新型应用于模块化多电平电压源换流器中，提出了一种新型三电平子模块拓扑，该拓扑在实现相同电平输出时可以节省25％的IGBT,同时由于单个子模块可以实现两电平，因而子模块的个数也会随着减少，使得换流阀的总体体积减少，减少投入成本和占地面积。
【专利说明】一种新型的模块化多电平换流器子模块拓扑
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及输配电【技术领域】，具体涉及一种新型的模块化多电平换流器子模 块拓扑。
【背景技术】
[0002] 近年来，模块化多电平换流器（Modular multilevel converter, MMC)发 展迅速，己经成功地应用在高压直流输电系统（High Voltage Direct Current System，HVDC)领域。MMC采用了大量的全控型器件绝缘栅双极型晶体管IGBT，这使得 MMC_HVDC(ModularMultilevel Converter Based HVDC)具有诸多优点，通过调整子模块的 串联个数可以实现电压及功率等级的灵活变化，并且可以扩展到任意电平输出，减小了电 磁干扰和输出电压的谐波含量，输出电压非常平滑且接近理想正弦波形，因此在网侧不需 要大容量交流滤波器；开关器件的开关频率低，开关损耗也就相应的减少；由于MMC拓扑将 能量分散存储在桥臂的各个子模块电容中，提高了故障穿越能力，非常适合高电压、大功率 的供电场合，应用前景广阔。半桥子模块（Half-Bridge Sub-Module，HBSM)结构电路是主要 的MMC的子模块可选电路结构，由于HBSM的损耗小、成本低，目前几乎所有的MMC-HVDC工 程都是以半桥型MMC(Half-Bridge MMC，HBMMC)为其电路结构的。但是，随着子模块投入个 数的增加，由半桥型MMC所构建的换流器的成本增加，同时换流器的总体体积也随之增加。 实用新型内容
[0003] 针对上面技术背景所描述的缺点，本实用新型提供了一种新型的模块化多电平换 流器子模块拓扑结构电路。
[0004] 本实用新型是通过以下技术方案实现的：一种新型的模块化多电平换流器子模块 拓扑结构电路，其特征在于，所述子模块结构电路包括3个绝缘栅双极型晶体管（ΤΙ、T2、 T3)，2个反向的二极管（D1、D2)，2个相同的电容器C1和C2以及1个由4个二极管（D3、 D4、D5、D6)组成的Η桥；
[0005] 其中，所述的2个绝缘栅双极型晶体管分别和相应的2个反向二极管并联组成2 组可控开关，其连接方式是绝缘栅双极型晶体管的集电极与反向二极管的阴极相联，绝缘 栅双极型晶体管的发射极与反向二极管的阳极相联；
[0006] 所述的绝缘栅双极型晶体管Τ1的发射极和绝缘栅双极型晶体管Τ2的集电极、反 向二极管D2的阴极、Η桥结构中D3的正极D6的负极相联，绝缘栅双极型晶体管Τ1的集电 极和电容器C1正极相联；
[0007] 所述的绝缘栅双极型晶体管Τ3的集电极和Η桥结构中D3、D4的阴极相联，绝缘栅 双极型晶体管T3的发射极和Η桥结构中D5、D6阳极相联；
[0008] 所述电容器C1的正极分别与绝缘栅双极型晶体管Τ1的集电极、反向二极管D1的 阴极相联，电容器C1的负极分别与电容器C2的正极、Η桥结构中D4的正极D5的负极相联；
[0009] 所述电容器C2的正极分别电容器C1的负极、Η桥结构中D4的正极D5的负极相 联，电容器C2的负极分别与绝缘栅双极型晶体管T2的发射极、反向二极管D2的阳极相联； [0010] 所述子模块结构电路电平输出包括3种电平状态。
[0011] 所述子模块结构电路包括4种运行状态。
[0012] 本实用新型的有益效果是，一种新型的模块化多电平换流器子模块拓扑电路应用 于模块化多电平电压源换流器中，相比于半桥型MMC子模块结构，本实用新型单个子模块 可以实现两电平输出，该拓扑在实现相同电平输出时可以节省25%的IGBT，因而子模块的 使用个数也会随着减少，使得换流阀的总体体积减少，减少投入成本和占地面积。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 图1是模块化多电平换流器MMC的典型拓扑图。
[0014] 图2是本实用新型提供的一种新型的模块化多电平换流器子模块拓扑结构。
[0015] 图3是采用本实用新型子模块结构电路的MMC换流器电路图。
[0016] 图4是本实用新型提供的一种新型的模块化多电平换流器子模块拓扑结构电路 稳态运行状态下的电流流动方向；(a)表示状态1，子模块处于投入状态，输出2电平；(b) 表示状态2,子模块处于切除状态，输出0电平；（c)表示状态3,子模块处于投入状态，输出 1电平，（d)表示状态4,子模块处于闭锁状态，输出0电平或2电平。
[0017] 图中各符号：图1中SMpSM2，…，SMn表示MMC某桥臂中第1，2,…，N个子模块结 构电路，Ls表示桥臂电抗器，U d。表示MMC正负极直流母线间的电压差，P为正极直流母线， N为负极直流母线。
[0018] 图2中ΤΙ、T2、T3分别表示3个绝缘栅双极型晶体管，Dl、D2表示2个反向二极 管，U sm表不子模块输出电压，ism表不流入子模块结构电路的电流，C1表不子模块中的第一 个电容器，C2表不子模块中第二个电容器，D3、D4、D5、D6、为组成Η桥的4个二极管。
[0019] 图3和图4中的符号与图1和图2中意义相同。
【具体实施方式】
[0020] 结合附图，对优选实施例作详细描述。
[0021] 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Ν个基础电路组成。
[0022] 图2是本实用新型提供的一种新型的模块化多电平换流器子模块拓扑结构电路 图。图2中，所述子模块结构电路包括3个绝缘栅双极型晶体管（Τ1、Τ2、Τ3)，2个反向的二 极管（D1、D2)，2个相同的电容器C1和C2以及1个由4个二极管（D3、D4、D5、D6)组成的 Η桥；
[0023] 其中，所述的2个绝缘栅双极型晶体管分别和相应的2个反向二极管并联组成2 组可控开关，其连接方式是绝缘栅双极型晶体管的集电极与反向二极管的阴极相联，绝缘 栅双极型晶体管的发射极与反向二极管的阳极相联；
[0024] 所述的绝缘栅双极型晶体管Τ1的发射极和绝缘栅双极型晶体管Τ2的集电极、反 向二极管D2的阴极、Η桥结构中D3的正极D6的负极相联，绝缘栅双极型晶体管Τ1的集电 极和电容器C1正极相联；
[0025] 所述的绝缘栅双极型晶体管Τ3的集电极和Η桥结构中D3、D4的阴极相联，绝缘栅 双极型晶体管T3的发射极和Η桥结构中D5、D6阳极相联；
[0026] 所述电容器C1的正极分别与绝缘栅双极型晶体管Τ1的集电极、反向二极管D1的 阴极、相联，电容器C1的负极分别与电容器C2的正极、Η桥结构中D4的正极D5的负极相 联；
[0027] 所述电容器C2的正极分别电容器C1的负极、Η桥结构中D4的正极D5的负极相 联，电容器C2的负极分别与绝缘栅双极型晶体管Τ2的发射极、反向二极管D2的阳极相联；
[0028] 图3是采用本实用新型结构电路的MMC换流器电路图，采用本实用新型结构电路 同样可以实现采用半桥子模块结构电路HBMMC的功能。
[0029] 图4是本实用新型提供的一种新型的模块化多电平换流器子模块结构电路稳态 情况下电流流动方向图。本实用新型提供的结构电路在稳态情况下共有4种运行状态，能 够产生3种电平状态；现对4种运行状态进行分析，状态1 :绝缘栅双极型晶体管Τ1开通， Τ2和Τ3关断，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， 电流会从二极管D1经子模块两块电容逐步流向交流输出端，此时子模块被充电；当电流从 交流输出端向正直流母线方向流动时，电流会从各子模块的两块电容经Τ1逐步流向正直 流母线，此时子模块电容放电。该工作状态，电流可以双向流动，不管电流从什么方向流动， 子模块输出端总会引出子模块电容电压；子模块内的两块电容可以同时充放电，这取决于 电流的方向；
[0030] 状态2 :绝缘栅双极型晶体管Τ2开通，Τ1和Τ3关断，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Τ2不经子模块两块电容逐步流 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二极管D2不经子模块电容逐步流向正直流母线方向，此时子模 块的电容也不受影响；
[0031] 状态3 :绝缘栅双极型晶体管Τ3开通，Τ1和Τ2关断，电流仍然可以双向流动。当 电流从正直流母线向交流输出端方向流动时，电流会从Τ3经电容C2逐步流向输出端（虽 然电流也可以从二极管VD1流通，但是会选择电压低的路径），此时电容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Τ3经电容逐步流向正直流母线，此时 电容C2放电。该工作状态，电流可以双向流动，不管电流从那个方向都会流经Τ3,此模块用 来单独控制电容C2,对于维持电容C1、C2的电压有很重要的作用；
[0032] 状态4 :绝缘栅双极型晶体管T1、T2和T3都关断，即闭锁状态，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IGBT会闭锁；当 电流从正母线方向向交流输出端流动时，电流会从上面的续流二极管D1经过子模块的两 块电容逐步流向交流输出端，此时电容充电；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D2不经电容充电而逐步流向交流正母线方向，此时的子模块 电容是出于被旁路的状态。
[0033] 以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细， 但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通 技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属 于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。
【权利要求】
1. 一种新型的模块化多电平换流器子模块拓扑结构电路，其特征在于，所述子模块结 构电路包括3个绝缘栅双极型晶体管（11、12、13)，2个反向的二极管（01、02)，2个相同的 电容器C1和C2以及1个由4个二极管（D3、D4、D5、D6)组成的Η桥； 其中，所述的2个绝缘栅双极型晶体管分别和相应的2个反向二极管并联组成2组可 控开关，其连接方式是绝缘栅双极型晶体管的集电极与反向二极管的阴极相联，绝缘栅双 极型晶体管的发射极与反向二极管的阳极相联； 所述的绝缘栅双极型晶体管Τ1的发射极和绝缘栅双极型晶体管Τ2的集电极、反向二 极管D2的阴极、Η桥结构中D3的正极D6的负极相联，绝缘栅双极型晶体管Τ1的集电极和 电容器C1正极相联； 所述的绝缘栅双极型晶体管Τ3的集电极和Η桥结构中D3、D4的阴极相联，绝缘栅双极 型晶体管T3的发射极和Η桥结构中D5、D6阳极相联； 所述电容器C1的正极分别与绝缘栅双极型晶体管Τ1的集电极、反向二极管D1的阴极 相联，电容器C1的负极分别与电容器C2的正极、Η桥结构中D4的正极D5的负极相联； 所述电容器C2的正极分别电容器C1的负极、Η桥结构中D4的正极D5的负极相联，电 容器C2的负极分别与绝缘栅双极型晶体管Τ2的发射极、反向二极管D2的阳极相联。
2. 根据权利要求1所述的一种新型的模块化多电平换流器子模块拓扑结构电路，其特 征在于，所述子模块结构电路电平输出包括3种电平状态。
3. 根据权利要求1所述的一种新型的模块化多电平换流器子模块拓扑结构电路，其特 征在于，所述子模块结构电路包括4种运行状态。
【文档编号】H02M7/797GK204046460SQ201420549153
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月23日 优先权日:2014年9月23日
【发明者】宋江峰, 顾先明, 郭家虎 申请人:安徽理工大学