[发明专利]一种模块化多电平交流-直流变换系统

说明书

本发明公开了一种模块化多电平交流‑直流变换系统，包括：一个控制器及多个子模块单元、隔离变压器、直流支撑电容，每个子模块单元的直流侧与一个直流支撑电容并联，直流支撑电容的输出形成变换系统的直流端；每个子模块单元的交流侧连接一个隔离变压器的输出端，隔离变压器的输入端串联形成变换系统的交流端；控制器采集交流侧电流和各子模块单元电容电压，输出所有子模块单元内部功率器件的触发信号，用于交流功率控制、交流输出电压控制、直流支撑电容平均电压控制、直流输出电压控制和子模电容均压控制。本发明提供的系统具备高集成度、紧凑化和低成本等特点，且易于工程实现，可适用于高压大容量和中低压小容量应用场合。

技术领域

本发明涉及交流-直流变换系统领域，具体涉及一种模块化多电平交流-直流变换系统。

背景技术

模块化多电平交流-直流变流器广泛应用于柔性直流输电系统、直流配网系统以及中压电机控制等电力变换领域，其中应用最为广泛的是半桥型模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)和级联全桥换流器(Cascaded H-bridgeConverter，CHC)，其电气拓扑如图1和2所示。现阶段，世界范围内的柔性直流输电工程和直流配网工程大多采用MMC换流器方案，例如美国的Trans Bay Cable±200kV工程、厦门±320kV柔直工程、上海220kV统一潮流控制器(UPFC)工程和苏州直流配网工程等。中高压变频器、配网用电力电子变压器以及机车牵引变流器等应用领域中均优先采用级联全桥换流器拓扑。

电气拓扑决定该变换器的特性，如电气特性、故障特性以及效率等多个方面。MMC的特点：一是，所需要的子模块电容个数较多且各子模块电容容值相对较大。在高压应用场合，考虑电容器的稳定性以及低杂感要求，均是聚丙烯金属膜电容器，导致电容部分的成本较高。二是，虽然采用模块化设计，在中低电压应用场合的集成度任然较低，体积较大。三是，半桥型MMC变换器对于直流侧的短路故障无法进行有效抑制，无法通过闭锁MMC内部IGBT来实现故障电流的清除。级联全桥换流器的特点：一是，没有公共的直流端口，无法直接应用于直流输配电场合；二是，相比于MMC拓扑，所需子模块个数有所减少，但数量依然很多。

发明内容

因此，本发明提供的一种模块化多电平交流-直流变换系统，克服了现有技术中交流-直流变换系统集成度低、体积大、成本高的缺陷。

本发明实施例提供一种模块化多电平交流-直流变换系统，其特征在于，包括：一个控制器及多个子模块单元、隔离变压器、直流支撑电容，其中，每个子模块单元的直流侧与一个直流支撑电容并联，直流支撑电容的输出形成变换系统的直流端；每个子模块单元的交流侧连接一个隔离变压器的输出端，隔离变压器的输入端串联形成变换系统的交流端；控制器采集交流侧电流和各子模块单元电容电压，输出所有子模块单元内部功率器件的触发信号，用于交流功率控制、交流输出电压控制、直流支撑电容平均电压控制、直流输出电压控制和子模电容均压控制。

在一实施例中，子模块单元采用三个全桥结构、三个半桥结构或三相四桥臂结构在直流侧进行并联。

在一实施例中，直流支撑电容通过半桥或全桥拓扑输出后直接串联形成直流端。

在一实施例中，直流支撑电容通过半桥拓扑输出串联形成直流端时，若变换系统仅整流运行，半桥拓扑的上管采用IGBT，下管采用二极管；若变换系统仅逆变运行，半桥拓扑的上管采用二极管，下管采用IGBT；若变换系统功率双向运行，半桥拓扑的上管和下管可采用IGBT。

在一实施例中，直流支撑电容通过全桥拓扑输出串联形成直流端时，若变换系统仅整流运行，全桥拓扑的T1管和T4管采用二极管，T2和T3管采用IGBT；若变换系统仅逆变运行，全桥拓扑的T1管和T4管采用IGBT，T2和T3管采用二极管；若变换系统功率双向运行，全桥拓扑的所有管采用IGBT。

在一实施例中，直流支撑电容通过DC/DC变换器进行串联、并联或串并混合连接后形成直流端口。