本實(shí)用新型涉及輸配電技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種子模塊電路和一種模塊化多電平換流器。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，模塊化多電平換流器發(fā)展迅速，已經(jīng)成功地應(yīng)用在長(zhǎng)遠(yuǎn)距離高壓直流輸電系統(tǒng)以及海上新能源發(fā)電(包括風(fēng)力發(fā)電以及海浪發(fā)電)并網(wǎng)系統(tǒng)等大容量高電壓輸變電領(lǐng)域。而隨著技術(shù)的發(fā)展，模塊化多電平換流器已逐漸向小型化發(fā)展。

模塊化多電平換流器是由多個(gè)結(jié)構(gòu)相同的子模塊級(jí)聯(lián)構(gòu)成的，由于半橋子模塊的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、損耗小，目前的模塊化多電平換流器子模塊多采用半橋子模塊。在理想情況下，模塊化多電平換流器子模塊的電容需要同時(shí)滿足兩個(gè)條件：第一，需要足夠大的電容容值以限制紋波電壓；第二，需要其允許足夠大的紋波電流以避免電容過(guò)熱。在實(shí)際運(yùn)用中，這兩個(gè)條件總不能被同時(shí)滿足，而為了使子模塊的電容可以吸收低次的諧波以平衡交流側(cè)以及直流側(cè)的波動(dòng)功率，通常會(huì)按照紋波電壓來(lái)設(shè)置電容容值，而該方式不僅使子模塊中的電容得不到充分利用，同時(shí)也增大了電容體積和重量，使具有該電容的子模塊的體積和重量過(guò)大，從而使模塊化多電平換流器無(wú)法滿足小型化需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于此，有必要針對(duì)上述問(wèn)題，提供一種子模塊電路和模塊化多電平換流器，不僅可以充分利用子模塊的電容，而且可以降低子模塊的體積和重量。

一方面提供一種子模塊電路，包括：主回路和充放電回路；所述主回路包括一個(gè)開(kāi)關(guān)模塊；所述充放電回路包括多條充放電支路和一個(gè)支撐電容，各條充放電支路并聯(lián)后與所述支撐電容串聯(lián)；任意一條充放電支路導(dǎo)通時(shí)，其他充放電支路和所述主回路均斷開(kāi)；

主回路的兩端分別與充放電支路和支撐電容連接；所述主回路與所述充放電支路連接的一端為子模塊的第一端；

每條充放電支路包括一個(gè)輔助電容，且各個(gè)輔助電容的初始電壓不同；充電時(shí)，多條充放電支路按照其輔助電容的初始電壓從大到小的順序依次導(dǎo)通，電流從所述第一端流入，對(duì)所述支撐電容和當(dāng)前導(dǎo)通的充放電支路中的輔助電容進(jìn)行充電；放電時(shí)，多條充放電支路按照所述各輔助電容的初始電壓從小到大的順序依次導(dǎo)通，所述支撐電容和當(dāng)前導(dǎo)通的充放電支路中的輔助電容放電，放電電流從所述第一端流出。

另一方面提供一種模塊化多電平換流器，包括所述的子模塊電路。

上述實(shí)施例，應(yīng)用于模塊化多電平電壓源換流器中，相比于全橋型子模塊以及半橋型子模塊，大幅提高子模塊中電容的利用率，減少了子模塊中電容的總體積以及重量，有助于大幅減少子模塊以及換流器整體的體積以及質(zhì)量。

附圖說(shuō)明

圖1為一個(gè)實(shí)施例中子模塊電路的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為一個(gè)實(shí)施例中子模塊電路處于工作態(tài)和旁路態(tài)時(shí)的電流方向圖；

圖3為一個(gè)實(shí)施例中模塊化多電平換流器的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為更進(jìn)一步闡述本實(shí)用新型所采取的技術(shù)手段及取得的效果，下面結(jié)合附圖及較佳實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例的技術(shù)方案，進(jìn)行清楚和完整的描述。

請(qǐng)參見(jiàn)圖1，一種子模塊電路，包括：主回路和充放電回路；所述主回路是一個(gè)開(kāi)關(guān)模塊；所述充放電回路包括N條充放電支路和一個(gè)支撐電容，其中N≥2，各條充放電支路中包含一個(gè)輔助電容，第N條充放電支路包含的輔助電容C_N初始電壓可以為零，即不包含輔助電容，各個(gè)輔助電容的初始電壓不同。其中，各條充放電支路依次并聯(lián)后與一個(gè)支撐電容串聯(lián)；主回路與充放電回路串聯(lián)；所述支撐電容與主回路連接的一端為子模塊的第一端，所述充放電支路與主回路連接的一端為子模塊的第二端；任意一條所述充放電支路導(dǎo)通時(shí)，其他充放電支路和所述主回路同時(shí)斷開(kāi)，如此可使所述子模塊電路處于工作態(tài)時(shí)，有且只有一條充放電支路處于導(dǎo)通狀態(tài)。

上述的子模塊電路處于工作態(tài)時(shí)，其中的所述支撐電容和所述輔助電容將被充電或放電。所述支撐電容和所述輔助電容的充放電狀態(tài)由流經(jīng)所述子模塊的第一端的電流方向決定，而該電流等于流經(jīng)此子模塊所屬的換流器換流臂中的電流，通常由交流與直流成分組成。交流成分中其基波頻率等于換流器交流側(cè)的電流頻率，直流成分的幅值與極性由此換流器所轉(zhuǎn)換的有功功率與直流側(cè)的電壓決定。在一個(gè)交流周期內(nèi)，子模塊中的所述支撐電容和所述輔助電容將被進(jìn)行一次充電和放電過(guò)程，下面對(duì)所述充電過(guò)程和所述放電過(guò)程做具體介紹。

充電時(shí)，由于每條充放電支路的所述輔助電容的初始電壓不同，因此，可以控制各條充放電支路按照所述各輔助電容的初始電壓的從大到小的順序依次導(dǎo)通；而電流從所述子模塊的第一端流入后，會(huì)對(duì)所述支撐電容和導(dǎo)通的充放電支路中的輔助電容進(jìn)行充電，直至所述N條充放電支路中的各個(gè)輔助電容均充滿電。充電結(jié)束后，開(kāi)始放電過(guò)程。在放電時(shí)，各條充放電支路按照所述各輔助電容的初始電壓的從小到大的順序依次導(dǎo)通；所述支撐電容和導(dǎo)通的充放電支路中的輔助電容進(jìn)行放電，產(chǎn)生的電流從所述子模塊的第二端流出。值得說(shuō)明的是，若第N條充放電支路不包含輔助電容，則直接對(duì)支撐電容進(jìn)行充放電。

在上述充放電過(guò)程中，由于在充電過(guò)程中每條充放電支路是按照各輔助電容的初始電壓的從大到小的順序依次導(dǎo)通的，因此，可以保證后一條充放電支路導(dǎo)通時(shí)，前一條充放電支路中的輔助電容是充滿電的，如此，在最后一條充放電支路中的輔助電容充滿電時(shí)，也就意味著所有N條充放電支路中的各個(gè)輔助電容均已充滿電。而在放電過(guò)程中每條充放電支路是按照各輔助電容的初始電壓的從小到大的順序依次導(dǎo)通的，因此，可以保證在最后一條充放電支路中的輔助電容放電完畢時(shí)，所述N條充放電支路中的各個(gè)輔助電容均已放完電。綜上，所述子模塊電路可以充分利用各個(gè)輔助電容，使子模塊的電容容值不需要很高，而電容的體積和重量與電容容值直接相關(guān)，因此，在保證可以充分利用各個(gè)輔助電容的同時(shí)還可以降低子模塊的電容體積和重量，從而使子模塊的體積和重量減小。

此外，上述的子模塊電路中各條充放電支路的切換控制可以采用諸如半橋型電路的子模塊的控制方法。示例性的，在一個(gè)實(shí)施例中，為了確保具有子模塊的換流器的正常工作，每個(gè)子模塊在工作態(tài)時(shí)的輸出電壓通常被要求限制在一個(gè)很窄的范圍內(nèi)，例如在其額定直流電壓的±10％內(nèi)波動(dòng)。而每個(gè)子模塊在工作態(tài)時(shí)的輸出電壓等于導(dǎo)通的充放電支路上的輔助電容與支撐電容的電壓之和。而且，在子模塊處于工作態(tài)的任意時(shí)刻，有且只有一條充放電支路處于導(dǎo)通狀態(tài)，其他充放電支路處于截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)只有一個(gè)輔助電容在進(jìn)行充放電，但在整個(gè)工作態(tài)時(shí)段內(nèi)，支撐電容都在進(jìn)行充放電。因此，子模塊的輸出電壓可以控制在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。而為了適應(yīng)不同的輸出電壓要求，所述支撐電容和所述輔助電容可以選用相同或不同的電容值以及額定電壓。此外，所述子模塊電路中各條充放電支路的切換控制以及各輔助電容的電壓平衡都只在該子模塊的范圍內(nèi)進(jìn)行，并不需要換流器內(nèi)其他子模塊或設(shè)備的輔助。這確保了子模塊在控制上的獨(dú)立性，也保留了模塊化多電平換流器的模塊化所具有的優(yōu)勢(shì)。

所述子模塊電路中各條充放電支路的切換控制主要在充電過(guò)程和放電過(guò)程中進(jìn)行。具體的，在充電過(guò)程中，每當(dāng)一條充放電支路中的輔助電容與支撐電容的電壓之和達(dá)到子模塊的輸出電壓上限時(shí)，就可以關(guān)斷該條充放電支路，而使其他的充放電支路導(dǎo)通，直至子模塊的輔助電容全部充滿電；同樣的，在放電過(guò)程中，每當(dāng)一條充放電支路中的輔助電容與支撐電容的電壓之和達(dá)到子模塊的輸出電壓下限時(shí)，就可以關(guān)斷該條充放電支路，而使其他的充放電支路導(dǎo)通，直至子模塊的輔助電容全部放完電。

為了防止充電過(guò)程中前一個(gè)導(dǎo)通的充放電支路中的輔助電容對(duì)后一個(gè)即將導(dǎo)通的充放電支路放電，在一個(gè)實(shí)施例中，還可以使前一個(gè)導(dǎo)通的充放電支路在將被切換為截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，先經(jīng)過(guò)短暫的死區(qū)時(shí)間，之后再導(dǎo)通下一個(gè)充放電支路。其中，死區(qū)時(shí)間可以是幾微妙。

上述的子模塊電路在穩(wěn)態(tài)情況下有兩種運(yùn)行狀態(tài)，即工作態(tài)和旁路態(tài)。如圖2所示，在一個(gè)實(shí)施例中，所述子模塊拓?fù)錂C(jī)構(gòu)電路處于旁路態(tài)時(shí)，所述第一開(kāi)關(guān)模塊導(dǎo)通，所述N條充放電支路中的各條充放電支路均斷開(kāi)。此時(shí)，子模塊電路的充放電過(guò)程如下：充電時(shí)，所述電流從所述子模塊的第一端流入，并通過(guò)所述第一開(kāi)關(guān)模塊從所述子模塊的第二端流出；放電時(shí)，所述電流從所述子模塊的第二端流入，并通過(guò)所述第一開(kāi)關(guān)模塊從所述子模塊的第一端流出。上述子模塊電路在旁路態(tài)時(shí)的輸出電壓可以為零。

為了保證在充電結(jié)束后，各條充放電支路中的輔助電容可以充滿電，在一個(gè)實(shí)施例中，還可以增設(shè)與所述各條充放電支路均并聯(lián)的開(kāi)關(guān)電路，并使所述N條充放電支路中有一條充放電支路導(dǎo)通時(shí)，其他充放電支路和所述第一開(kāi)關(guān)模塊、所述開(kāi)關(guān)電路均斷開(kāi)；所述開(kāi)關(guān)電路導(dǎo)通時(shí)，所述N條充放電支路和所述第一開(kāi)關(guān)模塊均斷開(kāi)。由于子模塊具有了該開(kāi)關(guān)電路，因此在充電時(shí)，各條充放電支路按照所述各輔助電容的初始電壓的從大到小的順序依次導(dǎo)通，導(dǎo)通的充放電支路對(duì)其輔助電容和所述支撐電容進(jìn)行充電，直至所述N條充放電支路中的各個(gè)輔助電容均充滿電后，所述開(kāi)關(guān)電路導(dǎo)通，導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)電路對(duì)所述支撐電容進(jìn)行充電。進(jìn)一步的，在一個(gè)實(shí)施例中，所述子模塊電路在放電時(shí)，所述開(kāi)關(guān)電路斷開(kāi)，各條充放電支路按照所述各輔助電容的初始電壓的從小到大的順序依次導(dǎo)通，導(dǎo)通的充放電支路對(duì)其輔助電容和所述支撐電容進(jìn)行放電。

為了方便控制N條充放電支路中的第一條充放電支路的導(dǎo)通與關(guān)斷，在一個(gè)實(shí)施例中，還可以在所述第一條充放電支路中增設(shè)第二開(kāi)關(guān)模塊，并使所述第二開(kāi)關(guān)模塊與所述第一條充放電支路中的輔助電容串聯(lián)，如此，即可通過(guò)控制所述第二開(kāi)關(guān)模塊從而使所述第一條充放電支路中的輔助電容與所述支撐電容串聯(lián)。

進(jìn)一步的，為了方便控制N條充放電支路中的第i條充放電支路的導(dǎo)通與關(guān)斷，其中i為正整數(shù)，且2≤i≤N，在一個(gè)實(shí)施例中，還可以在所述第i條充放電支路中增設(shè)第2i-1開(kāi)關(guān)模塊和第2i開(kāi)關(guān)模塊，并使所述第2i-1開(kāi)關(guān)模塊與所述第2i開(kāi)關(guān)模塊反串連，而所述第2i-1開(kāi)關(guān)模塊通過(guò)所述第2i開(kāi)關(guān)模塊與所述第i條充放電支路中的輔助電容連接。

進(jìn)一步的，為了方便對(duì)所述開(kāi)關(guān)電路的控制，在一個(gè)實(shí)施例中，還可以在所述開(kāi)關(guān)電路中增設(shè)第2N+1開(kāi)關(guān)模塊和第2N+2開(kāi)關(guān)模塊，并使所述第2N+1開(kāi)關(guān)模塊和第2N+2開(kāi)關(guān)模塊反串聯(lián)。

為了節(jié)省成本并簡(jiǎn)化電路，在一個(gè)實(shí)施例中，可以使所述第一開(kāi)關(guān)模塊由反并聯(lián)的第一二極管和第一全控型器件形成，所述第二開(kāi)關(guān)模塊由反并聯(lián)的第二二極管和第二全控型器件形成，所述第2i-1開(kāi)關(guān)模塊由反并聯(lián)的第2i-1二極管和第2i-1全控型器件形成，所述第2i開(kāi)關(guān)模塊由反并聯(lián)的第2i二極管和第2i全控型器件形成，所述第2N+1開(kāi)關(guān)模塊由反并聯(lián)的第2N+1二極管和第2N+1全控型器件形成，所述第2N+2開(kāi)關(guān)模塊由反并聯(lián)的第2N+2二極管和第2N+2全控型器件形成。當(dāng)然可以根據(jù)實(shí)際需要，還可以對(duì)所述第一開(kāi)關(guān)模塊、所述第二開(kāi)關(guān)模塊、所述第2i-1開(kāi)關(guān)模塊、所述第2i開(kāi)關(guān)模塊、所述第2N+1開(kāi)關(guān)模塊、所述第2N+2開(kāi)關(guān)模塊的電路結(jié)構(gòu)做調(diào)整。此外，所述第一全控型器件、所述第二全控型器件、所述第2i-1全控型器件、所述第2i全控型器件、所述第2N+1全控型器件以及第2N+2全控型器件可以采用絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)、集成門(mén)極換流晶閘管(integrated GateCommutated Thyristors，IGCT)和門(mén)極可關(guān)斷晶閘管(Gate-Turn-Off Thyristor，GTO)等器件中的一種。

圖3所示為一個(gè)實(shí)施例中模塊化多電平換流器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中所述模塊化多電平換流器采用的是半橋子模塊，其中L₀表示橋臂電抗器，U_dc表示換流器正負(fù)極直流母線間的電壓差，P為直流母線正極，N為直流母線負(fù)極。由于所述模塊化多電平換流器的每個(gè)橋臂中的子模塊均采用了上述的子模塊電路，因此可以使整個(gè)子模塊的體積和重量減小，從而也使采用該子模塊電路的模塊化多電平換流器的體積和重量減小，使得所述模塊化多電平換流器可以滿足小型化需求。

以上所述實(shí)施例的各技術(shù)特征可以進(jìn)行任意的組合，為使描述簡(jiǎn)潔，未對(duì)上述實(shí)施例中的各個(gè)技術(shù)特征所有可能的組合都進(jìn)行描述，然而，只要這些技術(shù)特征的組合不存在矛盾，都應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是本說(shuō)明書(shū)記載的范圍。

以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本實(shí)用新型的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)實(shí)用新型專(zhuān)利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本實(shí)用新型構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。因此，本實(shí)用新型專(zhuān)利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。