(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 110912424 A(43)申请公布日 2020.03.24
(21)申请号 201911298429.2(22)申请日 2019.12.17
(71)申请人 南方电网科学研究院有限责任公司
地址 510530 广东省广州市萝岗区科学城
科翔路11号J1栋3、4、5楼及J3栋3楼
申请人 华南理工大学
(72)发明人 傅闯 张波 曹琬钰 黄润鸿
陈垣 丘东元 饶宏 李立浧 (74)专利代理机构 广州市华学知识产权代理有
限公司 44245
代理人 冯炳辉(51)Int.Cl.
H02M 7/00(2006.01)H02M 7/483(2007.01)H02M 7/493(2007.01)
权利要求书1页 说明书4页 附图8页
H02M 7/5387(2007.01)
CN 110912424 A(54)发明名称
一种用于三相模块化多电平变换器的子模块电路(57)摘要
本发明公开了一种用于三相模块化多电平
由2个储能电容、12个带反变换器的子模块电路，
向二极管的功率开关管和6个功率二极管组成；当子模块电路替换靠近直流侧正极的六个半桥型子模块时，子模块电路的第一电容连接第一、二、三开关管的集电极的一端与直流侧正极相连，第四、五、六开关管的发射极分别与三相模块化多电平变换器剩余的子模块连接；当子模块电路替换靠近直流侧负极的六个半桥型子模块时，第二电容连接第十、十一、十二开关管的发射极的一端与直流侧负极相连，第四、五、六开关管的发射极分别与三相模块化多电平变换器剩余的子模块连接。本发明在保持原有功能不变的情况下，可使电容数量减少4个，降低变换器体积和成本。
CN 110912424 A
权 利 要 求 书
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1.一种用于三相模块化多电平变换器的子模块电路，其特征在于：所述子模块电路包括第一电容(C1)、第二电容(C2)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、第五二极管(D5)、第六二极管(D6)、第一开关管(T1)、第二开关管(T2)、第三开关管(T3)、第四开关管(T4)、第五开关管(T5)、第六开关管(T6)、第七开关管(T7)、第八开关管(T8)、第九开关管(T9)、第十开关管(T10)、第十一开关管(T11)和第十二开关管(T12)；所述第一电容(C1)的一端、第一开关管(T1)的集电极、第二开关管(T2)的集电极和第三开关管(T3)的集电极连接在一起；所述第一二极管(D1)的阴极、第一开关管(T1)的发射极和第四开关管(T4)的集电极连接在一起；所述第三二极管(D3)的阴极、第二开关管(T2)的发射极和第五开关管(T5)的集电极连接在一起；所述第五二极管(D5)的阴极、第三开关管(T3)的发射极和第六开关管(T6)的集电极连接在一起；所述第四开关管(T4)的发射极和第七开关管(T7)的集电极连接；所述第五开关管(T5)的发射极和第八开关管(T8)的集电极连接；所述第六开关管(T6)的发射极和第九开关管(T9)的集电极连接；所述第一电容(C1)的另一端、第二电容(C2)的一端、第一二极管(D1)的阳极、第二二极管(D2)的阴极、第三二极管(D3)的阳极、第四二极管(D4)的阴极、第五二极管(D5)的阳极和第六二极管(D6)的阴极连接在一起；所述第二二极管(D2)的阳极、第七开关管(T7)的发射极和第十开关管(T10)的集电极连接在一起；所述第四二极管(D4)的阳极、第八开关管(T8)的发射极和第十一开关管(T11)的集电极连接在一起；所述第六二极管(D6)的阳极、第九开关管(T9)的发射极和第十二开关管(T12)的集电极连接在一起；所述的第二电容(C2)的另一端、第十开关管(T10)的发射极、第十一开关管(T11)的发射极和第十二开关管(T12)的发射极连接在一起；
当所述子模块电路用于替换三相模块化多电平变换器中靠近直流侧正极的六个半桥型子模块时，所述第一电容(C1)连接第一开关管(T1)、第二开关管(T2)、第三开关管(T3)的集电极的一端与直流侧正极相连，所述第四开关管(T4)、第五开关管(T5)、第六开关管(T6)的发射极分别与三相模块化多电平变换器剩余的子模块连接；
当所述子模块电路用于替换三相模块化多电平变换器中靠近直流侧负极的六个半桥型子模块时，所述第二电容(C2)连接第十开关管(T10)、第十一开关管(T11)、第十二开关管(T12)的发射极的一端与直流侧负极相连，所述第四开关管(T4)、第五开关管(T5)、第六开关管(T6)的发射极分别与三相模块化多电平变换器剩余的子模块连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于三相模块化多电平变换器的子模块电路，其特征在于：所述第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、第五二极管(D5)、第六二极管(D6)为功率二极管。
3.根据权利要求1所述的一种用于三相模块化多电平变换器的子模块电路，其特征在于：所述第一开关管(T1)、第二开关管(T2)、第三开关管(T3)、第四开关管(T4)、第五开关管(T5)、第六开关管(T6)、第七开关管(T7)、第八开关管(T8)、第九开关管(T9)、第十开关管(T10)、第十一开关管(T11)和第十二开关管(T12)为带反向二极管的功率开关管，每个带反向二极管的功率开关管由一个功率开关管和一个功率二极管组成。
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说 明 书
一种用于三相模块化多电平变换器的子模块电路
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技术领域
[0001]本发明涉及模块化多电平变换器的技术领域，尤其是指一种用于三相模块化多电平变换器的子模块电路。
背景技术
[0002]为了满足大容量电力输送以及增强电网可控性的要求，柔性直流输电技术呈现快速发展的势头。作为柔性直流输电工程的核心技术，模块化多电平变换器(modular multilevel converter，MMC)得到了广泛的应用。现有MMC变换器，尤其是高压领域，大多为包含各种子模块的混合型MMC变换器。在整个MMC变换器中，半桥型子模块占了较大的一部分。虽然相较于传统的整流、逆变器，模块化多电平变换器具有模块化、开关频率低、开关损耗小、开关器件电压应力低等优点，但是模块化多电平变换器在应用过程中也遇到一系列的问题，其中最为突出的是电容问题。从模块化多电平变换器的原理上讲，需要配备大量的电容，这些电容电压应力较高，同时为了控制电容电压纹波，电容值较高，电容占到整个模块化多电平器件的体积的1/2和成本1/3以上。目前的现有技术无法有效缩减模块化多电平变换器中电容的数量，电容已经成为制约模块化多电平变换器技术发展的瓶颈。为此，亟待提出一种新型的模块化多电平拓扑结构，以显著减少模块化多电平变换器的电容数量，实现模块化多电平变换器小型化与制造成本降低。
发明内容
[0003]本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种用于三相模块化多电平变换器的子模块电路，可用于替换三相模块化多电平变换器中靠近直流侧正极或负极的6个半桥型子模块，在保持原有功能不变的情况下，使电容数量减少4个，从而减少模块化多电平变换器的体积和成本。[0004]为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种用于三相模块化多电平变换器的子模块电路，所述子模块电路包括第一电容、第二电容、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第九开关管、第十开关管、第十一开关管和第十二开关管；所述第一电容的一端、第一开关管的集电极、第二开关管的集电极和第三开关管的集电极连接在一起；所述第一二极管的阴极、第一开关管的发射极和第四开关管的集电极连接在一起；所述第三二极管的阴极、第二开关管的发射极和第五开关管的集电极连接在一起；所述第五二极管的阴极、第三开关管的发射极和第六开关管的集电极连接在一起；所述第四开关管的发射极和第七开关管的集电极连接；所述第五开关管的发射极和第八开关管的集电极连接；所述第六开关管的发射极和第九开关管的集电极连接；所述第一电容的另一端、第二电容的一端、第一二极管的阳极、第二二极管的阴极、第三二极管的阳极、第四二极管的阴极、第五二极管的阳极和第六二极管的阴极连接在一起；所述第二二极管的阳极、第七开关管的发射极和第十开关管的集电极连接在一起；所述第四
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说 明 书
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二极管的阳极、第八开关管的发射极和第十一开关管的集电极连接在一起；所述第六二极管的阳极、第九开关管的发射极和第十二开关管的集电极连接在一起；所述的第二电容的另一端、第十开关管的发射极、第十一开关管的发射极和第十二开关管的发射极连接在一起；
[0005]当所述子模块电路用于替换三相模块化多电平变换器中靠近直流侧正极的六个半桥型子模块时，所述第一电容连接第一开关管、第二开关管、第三开关管的集电极的一端与直流侧正极相连，所述第四开关管、第五开关管、第六开关管的发射极分别与三相模块化多电平变换器剩余的子模块连接；
[0006]当所述子模块电路用于替换三相模块化多电平变换器中靠近直流侧负极的六个半桥型子模块时，所述第二电容连接第十开关管、第十一开关管、第十二开关管的发射极的一端与直流侧负极相连，所述第四开关管、第五开关管、第六开关管的发射极分别与三相模块化多电平变换器剩余的子模块连接。[0007]进一步，所述第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管为功率二极管。[0008]进一步，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第九开关管、第十开关管、第十一开关管和第十二开关管为带反向二极管的功率开关管，每一个带反向二极管的功率开关管由一个功率开关管和一个功率二极管组成。
[0009]本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：[0010]1、在元件数目上，传统的三相模块化多电平变换器的六个半桥型子模块(即半桥型子模块组)包含6个电容，而本发明子模块电路在功能不变的情况下只包含2个电容，电容数量减少4个。以模块化多电平变换器电容占成本的1/3和体积的1/2计算，本发明子模块电路的成本降低约2/9，体积减少1/3。因此，使用本发明子模块电路可以大幅降低变换器的体积和成本。[0011]2、在子模块电容电压纹波上，由于三相共用子模块的电容，本发明子模块电路中，电容电压纹波仅包含三次及三的倍数次的谐波，电容电压纹波的幅值较小。[0012]3、本发明的子模块电路用于替换直流测正极或负极的六个半桥型子模块时的电路结构相同，仅连接方式不同。在实际生产时，仅需要生产同一种子模块电路即可，便于统一生产，具有广泛的应用前景。附图说明
[0013]图1为本发明的子模块电路结构示意图。
[0014]图2为包含本发明子模块电路的混合型模块化多电平变换器的整体拓扑图。[0015]图3a～图3c为本发明子模块电路的A相模态图。
[0016]图4a～图4d为对应图3a～图3c的六个半桥型子模块A相的模态图。[0017]图5为图2的混合型模块化多电平变换器的输出线电压。具体实施方式
[0018]下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
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说 明 书
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如图1所示，本实施例所提供的用于三相模块化多电平变换器的子模块电路，包
括：2个储能电容，分别为第一电容C1、第二电容C2，6个功率二极管，分别为第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6，12个带反向二极管的功率开关管，分别为第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3、第四开关管T4、第五开关管T5、第六开关管T6、第七开关管T7、第八开关管T8、第九开关管T9、第十开关管T10、第十一开关管T11和第十二开关管T12；所述第一电容C1的一端、第一开关管T1的集电极、第二开关管T2的集电极和第三开关管T3的集电极连接在一起；所述第一二极管D1的阴极、第一开关管T1的发射极和第四开关管T4的集电极连接在一起；所述第三二极管D3的阴极、第二开关管T2的发射极和第五开关管T5的集电极连接在一起；所述第五二极管D5的阴极、第三开关管T3的发射极和第六开关管T6的集电极连接在一起；所述第四开关管T4的发射极和第七开关管T7的集电极连接；所述第五开关管T5的发射极和第八开关管T8的集电极连接；所述第六开关管T6的发射极和第九开关管T9的集电极连接；所述第一电容C1的另一端、第二电容C2的一端、第一二极管D1的阳极、第二二极管D2的阴极、第三二极管D3的阳极、第四二极管D4的阴极、第五二极管D5的阳极和第六二极管D6的阴极连接在一起；所述第二二极管D2的阳极、第七开关管T7的发射极和第十开关管T10的集电极连接在一起；所述第四二极管D4的阳极、第八开关管T8的发射极和第十一开关管T11的集电极连接在一起；所述第六二极管D6的阳极、第九开关管T9的发射极和第十二开关管T12的集电极连接在一起；所述的第二电容C2的另一端、第十开关管T10的发射极、第十一开关管T11的发射极和第十二开关管T12的发射极连接在一起。[0020]当所述子模块电路用于替换三相模块化多电平变换器中靠近直流侧正极的六个半桥型子模块时，所述第一电容C1连接第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3的集电极的一端与直流侧正极相连，所述第四开关管T4、第五开关管T5、第六开关管T6的发射极分别与三相模块化多电平变换器剩余的子模块连接。
[0021]当所述子模块电路用于替换三相模块化多电平变换器中靠近直流侧负极的六个半桥型子模块时，所述第二电容C2连接第十开关管T10、第十一开关管T11、第十二开关管T12的发射极的一端与直流侧负极相连，所述第四开关管T4、第五开关管T5、第六开关管T6的发射极分别与三相模块化多电平变换器剩余的子模块连接。
[0022]当靠近直流侧正极和负极的六个半桥型子模块均被所述子模块电路替换时，三相模块化多电平变换器的拓扑如图2所示。
[0023]由于本实施例所述的子模块电路用于直流侧正极和直流侧负极的工作情况完全对称，下面我们以子模块电路用于直流侧正极时的情况进行分析，对于其它情况的分析，可以由电路的对称性很容易得到。
[0024]当子模块电路用于直流侧正极时，A相电路共包括3个模态，如图3a到图3c所示，与之对应的原先A相的半桥型子模块组包括4个模态如图4a到图4d所示。[0025]当第一开关管T1、第四开关管T4和第二二极管D2关断，第七开关管T7、第十开关管T10和第一二极管D1导通时，子模块电路处于模态1，如图3a所示。此时变换器对外输出两倍的电容电压2UC，对应的半桥型子模块组的模态如图4a所示。[0026]当第一开关管T1、第四开关管T4和第二二极管D2导通，第七开关管T7、第十开关管T10和第一二极管D1关断时，子模块电路处于模态2，如图3b所示。此时变换器对外输出零电压，对应的半桥型子模块组的模态如图4b所示。
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当第一开关管T1、第十开关管T10关断，第四开关管T4、第七开关管T7、第一二极管D1
和第二二极管D2导通时，子模块电路处于模态3，如图3c所示。此时变换器对外输出一倍的电容电压UC，对应的半桥型子模块组的模态如图4c和图4d所示。[0028]对于B相和C相的分析与A相类似，只需要改变对应的开关管和二极管的编号即可，这里不再展开。
[0029]通过以上分析，可以看出本发明所提出的子模块电路可以完全替代原半桥型子模块组。同时，所提出的子模块电路与原半桥型子模块组相比，电容数量更少。[0030]为了进一步验证本发明的子模块电路的正确性，对图2所示的电路进行了仿真验证(N＝1)，仿真采用PWM调制方式。由图5可以看出，在使用的本发明子模块电路后的混合型模块化多电平变换器的电压输出与普通的模块化多电平变换器的输出电压一致。因此，本发明的子模块电路可以替换半桥型子模块组，在减少电容数量的同时，保持电路的功能不变，具有实际应用价值，值得推广。
[0031]以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。
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