一種多電平變換器子模塊電路及多電平變換器的制作方法

本實用新型涉及電能轉換
技術領域：
，特別涉及一種多電平變換器子模塊電路及多電平變換器。
背景技術：
：隨著大容量、新能源、特殊環境電能變換技術，特別是近年來流行的高壓直流輸電技術(HighVoltageDirectCurrent,HVDC)的不斷發展，能源系統對多電平變換器的靈活性和穩定性要求也日益苛刻，傳統兩電平變換器拓撲已無法滿足高電壓和大功率等級的要求。模塊化組合多電平變換器（MMC）自2002年提出以來，以其獨特的結構優勢逐漸成為多電平變換器領域的研究重點，為應對當前能源技術發展的需要，大量新型拓撲被與新型子模塊電路被設計并運用于各類MMC系統。然而現有MMC子模塊電路存在器件數多，控制復雜，穩定性不高等缺點。因而現有技術還有待改進和提高。技術實現要素：鑒于上述現有技術的不足之處，本實用新型的目的在于提供一種多電平變換器子模塊電路及多電平變換器，可應用于各類多電平變換器，在減少了開關器件使用的同時能有效提高電壓利用率及輸出電平數，且提供了電流過零續流模態，有效杜絕了電壓尖峰的產生。為了達到上述目的，本實用新型采取了以下技術方案：一種多電平變換器子模塊電路，其包括用于充放電的儲能單元；用于根據接收到的控制指令使所述多電平變換器子模塊電路的工作模態處于電容充電模態、電容放電模態、電容旁路模態、電流阻斷模態和電流過零續流模態其中一種的橋式電路單元；所述多電平變換器子模塊電路還包括輸入輸出單元；所述儲能單元和輸入輸出單元均連接橋式電路單元。所述的多電平變換器子模塊電路中，所述儲能單元包括第一電容，所述第一電容與所述橋式電路單元并聯。所述的多電平變換器子模塊電路中，所述橋式電路單元包括第一功率開關管、第二功率開關管、第三功率開關管、第四功率開關管、第一功率二極管和第二功率二極管；所述第一功率開關管的發射極連接第一電容的一端和第二功率開關管的集電極，所述第一功率開關管的集電極連接第三開關管的集電極、第一功率二極管的負極和輸入輸出單元；所述第二功率開關管的發射極連接第四功率開關管的集電極、第二功率二極管的負極和輸入輸出單元；所述第三功率開關管的發射極連接第一電容的另一端、第一功率二極管的正極和第四功率開關管的發射極；所述第四功率開關管的發射極還連接第二功率二極管的正極。所述的多電平變換器子模塊電路中，所述輸入輸出單元包括第一連接端和第二連接端，所述第一連接端連接第一功率開關管的集電極，所述第二連接端連接第二功率開關管的發射極。一種多電平變換器，其包括若干個如上所述的多電平變換器子模塊電路。相較于現有技術，本實用新型提供的多電平變換器子模塊電路及多電平變換器中，所述多電平變換器子模塊電路包括用于充放電的儲能單元；用于根據接收到的控制指令使所述多電平變換器子模塊電路的工作模態處于電容充電模態、電容放電模態、電容旁路模態、電流阻斷模態和電流過零續流模態其中一種的橋式電路單元；所述多電平變換器子模塊電路還包括輸入輸出單元；所述儲能單元和輸入輸出單元均連接橋式電路單元，可應用于各類多電平變換器，在減少了開關器件使用的同時能有效提高電壓利用率及輸出電平數，且提供了電流過零續流模態有效杜絕了電壓尖峰的產生。附圖說明圖1為本實用新型提供的多電平變換器子模塊電路的電路圖。圖2為本實用新型提供的多電平變換器子模塊電路電容充電模態的示意圖。圖3為本實用新型提供的多電平變換器子模塊電路電容放電模態的示意圖。圖4為本實用新型提供的多電平變換器子模塊電路電流阻斷模態的示意圖。圖5為本實用新型提供的多電平變換器子模塊電路電容旁路模態第一實施例的示意圖。圖6為本實用新型提供的多電平變換器子模塊電路電容旁路模塊第二實施例的示意圖。圖7為本實用新型提供的多電平變換器子模塊電路電流過零續流模態的示意圖。圖8為本實用新型提供的多電變換器優選實施例的電路圖。圖9為本實用新型提供的多電變換器優選實施例仿真輸出的電壓波形圖。圖10為本實用新型提供的多電變換器優選實施例仿真輸出的電流波形圖。具體實施方式本實用新型提供的多電平變換器子模塊電路及多電平變換器在減少了開關器件使用的同時能有效提高電壓利用率及輸出電平數，且提供了電流過零續流模態有效杜絕了電壓尖峰的產生。為使本實用新型的目的、技術方案及效果更加清楚、明確，以下參照附圖并舉實施例對本實用新型進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。請參閱圖1，本實用新型提供的多電平變換器子模塊電路包括用于充放電的儲能單元10；用于根據接收到的控制指令使所述多電平變換器子模塊電路的工作模態處于電容充電模態、電容放電模態、電容旁路模態、電流阻斷模態和電流過零續流模態其中一種的橋式電路單元20；所述多電平變換器子模塊電路還包括輸入輸出單元30；所述儲能單元10和輸入輸出單元30均連接橋式電路單元20，本實用新型通過控制橋式電路單元20的工作狀態實現了多種工作模態，實現了子模塊電路的高可控性，同時在實現了傳統全橋子模塊電路直流側電容充電、電容放電及電容旁路三種工作模態外還具有一個電流過零續流模態，有效杜絕了電壓尖峰的產生，使得電壓輸出波形更加平緩。具體地，所述儲能單元10包括用于直流側充放電的第一電容C1，所述第一電容C1與所述橋式電路單元20并聯，所述橋式電路單元20包括第一功率開關管T1、第二功率開關管T2、第三功率開關管T3、第四功率開關管T4、第一功率二極管D1和第二功率二極管D2；所述第一功率開關管T1的發射極連接第一電容C1的一端和第二功率開關管T2的集電極，所述第一功率開關管T1的集電極連接第三開關管的集電極、第一功率二極管D1的負極和輸入輸出單元30；所述第二功率開關管T2的發射極連接第四功率開關管T4的集電極、第二功率二極管D2的負極和輸入輸出單元30；所述第三功率開關管T3的發射極連接第一電容C1的另一端、第一功率二極管D1的正極和第四功率開關管T4的發射極；所述第四功率開關管T4的發射極還連接第二功率二極管D2的正極，其中，所述第一功率開關管T1、第二功率開關管T2、第三功率開關管T3和第四功率開關管T4、可采用不帶反向二極管的氮化鎵（GaN）功率器件，當然也可采用其他具有相同作用的開關管，本實用新型對此不作限定。本實用新型提供的多電平變換器子模塊電路可應用于各類多電平變換器。相比于傳統模塊化多電平變換器全橋子模塊電路，本實用新型減少了開關器件的使用，有效節約成本，且通過對四個功率開關管和兩個功率二極管的開關狀態的不同組合控制，使得采用本實用新型提供的多電平變換器子模塊電路作為基本單元的多電平變換器可輸出正弦近似度較高的電壓波形，增加了系統的可控性。進一步地，所述輸入輸出單元30包括第一連接端A1和第二連接端A2，所述第一連接端A1連接第一功率開關管T1的集電極，所述第二連接端A2連接第二功率開關管T2的發射極，本實用新型的第一連接端A1從第一功率開關管T1和第三功率開關管T3的中間點引出，第二連接端A2從第二功率開關管T2和第四功率開關管T4的中間點引出，根據工作模態的不同，第一連接端A1和第二連接端A2分別作為電流輸入端或電流輸出端。本實用新型提供的多電平變換器子模塊電路通過對四個功率開關管和兩個功率二極管的狀態控制存在五種工作模態，如圖2所示，當處于電容充電模態時，控制第一功率開關管T1和第二功率二極管D2導通、且第二功率開關管T2、第三功率開關管T3、第四功率開關管T4和第一功率二極管D1截止，此時電流從a點流入，電流經過第一功率開關管T1、第一電容C1和第二功率二極管D2后從b點流出。如圖3所示，當處于電容放電模態時，控制第二功率開關管T2和第三功率開關管T3導通、且第一功率開關管T1、第四功率開關管T4、第一功率二極管D1和第二功率二極管D2截止，此時電流從a點流入，電流經過第三功率開關管T3、第一電容C1和第二功率開關管T2后從b點流出。如圖4所示，當處于電流阻斷模態時，控制第二功率開關管T2、第四功率開關管T4和第二功率二極管D2導通、且第一功率開關管T1、第三功率開關管T3和第一功率二極管D1截止，此時沒有電流流過子模塊電路。如圖5和圖6所示，當處于電容旁路模態時，存在兩種情況，第一實施例中，控制第一功率開關管T1和第二功率開關管T2導通、且第三功率開關管T3、第四功率開關管T4、第一功率二極管D1和第二功率二極管D2截止，此時電流從a點流入，電流經過第一功率開關管T1和第二功率開關管T2后從b點流出；第二實施例中，控制第三功率開關管T3和第二功率二極管D2導通、且第一功率開關管T1、第二功率開關管T2、第四功率開關管T4和第一功率二極管D1截止，此時電流從a點流入，電流經過第三功率開關管T3和第二功率二極管D2后從b點流出。如圖7所示，當處于電流過零續流模態時，控制第四功率開關管T4和第一功率二極管D1導通、且第一功率開關管T1、第二功率開關管T2、第三功率開關管T3和第二功率二極管D2截止，此時電流從b點流入，經過第四功率開關管T4和第一功率二極管D1后從a點流出。因此，本實用新型通過對各個功率開關管和功率二極管的精準控制，實現了不同的工作模態，在傳統全橋子模塊電路直流側電容充電、電容放電及電容旁路等工作模態外還增加了電流過零續流模態，有效杜絕了電壓尖峰的產生，同時使得采用該子模塊電路的變換器提高了電壓利用率即輸出電平數。本實用新型還相應提供一種多電平變換器，其包括若干個如上所述的多電平變換器子模塊電路，即采用上述多電平變換器子模塊電路作為模塊化的多電平變換器的基本單元，如圖8-10所示，本實用新型優選實施例中以八個子模塊電路作為多電平變換器的基本單元，同時還采用了四個環流電感以及負載電阻進行仿真，對本實用新型提供的多電平變換器的效果進行說明。其中模塊電容的電壓額定值為VC，輸入電壓為Vin=2VC。由此，負載上的電平數及電壓值如表1、表2所示。表1電路電平數子模塊1子模塊2子模塊7子模塊8Vin負載電壓-VC-VC002VC0-VC0002VCVC00002VC2VCVC0002VC3VCVCVC002VC4VCVCVCVC02VC5VCVCVCVCVC2VC6VC表2電路電平數子模塊5子模塊6子模塊3子模塊4Vin負載電壓00-VC-VC2VC000-VC02VC-VC00002VC-2VC00VC02VC-3VC00VCVC2VC-4VCVC0VCVC2VC-5VCVCVCVCVC2VC-6VC從表1、表2中可見，對于圖8所示多電平變換器，正負各有6個電平，加上零電平，則一共存在13種可能的電平數，即該電路可輸出單相13電平。將變換器仿真參數設置如下：直流輸入電壓設置為Vin=2VC=200V，輸出電感L5=0.2mH，環流電感L1、L2、L3、L4設置為2mH，負載電阻，其中功率管的導通時間設置為100ns，功率管的關斷時間設置為200ns，載波頻率為10KHz。當多電平變換器采用圖1所示多電平變換器子模塊電路時，其輸出電壓、電流仿真結果如圖9和圖10所示。從圖中可見，當采用上述多電平變換器子模塊電路時，本實用新型提供的多電平變換器可輸出單相13電平，相比傳統MMC電路多出7個電平，同時其最高輸出電壓為三倍直流母線電壓3Vin=600V，相比傳統MMC電路電壓利用率提高了2倍。由此可見，本實用新型提供的多電平變換器子模塊電路和多電平變換器在提高2倍利用率的同時有效增加了電平數，可附帶降低總諧波畸變率（THD），從而有效提高了系統性能，且開關器件數量少也有效節約了成本。綜上所述，本實用新型提供的多電平變換器子模塊電路及多電平變換器中，所述多電平變換器子模塊電路包括用于充放電的儲能單元；用于根據接收到的控制指令使所述多電平變換器子模塊電路的工作模態處于電容充電模態、電容放電模態、電容旁路模態、電流阻斷模態和電流過零續流模態其中一種的橋式電路單元；所述多電平變換器子模塊電路還包括輸入輸出單元；所述儲能單元和輸入輸出單元均連接橋式電路單元，可應用于各類多電平變換器，在減少了開關器件使用的同時能有效提高電壓利用率及輸出電平數，且提供了電流過零續流模態有效杜絕了電壓尖峰的產生。可以理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據本實用新型的技術方案及其實用新型構思加以等同替換或改變，而所有這些改變或替換都應屬于本實用新型所附的權利要求的保護范圍。當前第1頁1 2 3