專利名稱：模塊化多電平變流器中的功率模塊的工作電源的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種模塊化多電平變流器中 的功率模塊的工作電源，屬于電氣自動化 設備領域。
背景技術：
鏈式變流器是一種多電平變流器，可應用于靜止同步補償器(又稱為鏈式 STATC0M或鏈式SVG)、中高壓變頻器、中高壓動態(tài)電壓恢復器等中高壓電力電子變流裝置。 模塊化多電平變流器(又稱為MMC變流器)是一種新型的多電平變流器，可應用于靜止同 步補償器、中高壓變頻器和輕型直流輸電裝置。由于鏈式或模塊化多電平變流器常用于輸出較高交流或直流電壓的應用場合，使 得其中的功率模塊的控制電源供電困難。如果從鏈式或模塊化多電平變流器的外部供電， 其隔離變壓器需解決高耐壓和低局放問題，使得供電電源成本高。因此，需要尋找一種高可 靠、低成本且滿足功率模塊冗余運行要求的控制電源供電方式。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服現有技術之不足而提供鏈式或模塊化多電平變流器的功 率模塊控制電源裝置，解決常用的功率模塊控制電源裝置所固有的隔離變壓器高絕緣耐 壓、極低的局部放電指標實現困難及造價高等缺點。本發(fā)明提出的模塊化多電平變流器中的功率模塊的工作電源，包括一臺隔離直流電容器、一臺單相隔離變壓器、一臺直流穩(wěn)壓電源及一臺直流混合 器；所述的隔離直流電容器和所述的單相隔離變壓器的原邊串聯，串聯后的兩端與被提供 工作電源的本功率模塊的兩個交流端并聯；所述的單相隔離變壓器的副邊的二個輸出端分 別連接到所述的直流穩(wěn)壓電源的兩個交流輸入端；所述的直流穩(wěn)壓電源的直流輸入正極和 負極分別連接到本功率模塊內部的直流電容器正極和負極；所述的直流穩(wěn)壓電源的直流輸 出正極和負極分別連接到所述的直流混合器的直流輸入正極和負極；所述的直流穩(wěn)壓電源 的反饋輸入端連接到所述的直流混合器的反饋輸出端；所述的直流混合器的左側直流輸入 正極和負極分別連接到與被提供工作電源的本功率模塊相鄰的左邊功率模塊的右側直流 輸出正極和負極；所述的直流混合器的左側直流輸出正極和負極分別連接到與被提供工作 電源的本功率模塊相鄰的左邊功率模塊的右側直流輸入正極和負極；所述的直流混合器的 右側直流輸出正極和負極分別連接到與被提供工作電源的本功率模塊相鄰的右邊功率模 塊的左側直流輸入正極和負極；所述的直流混合器的右側直流輸入正極和負極分別連接到 與被提供工作電源的本功率模塊相鄰的右邊功率模塊的左側直流輸出正極和負極；所述的 直流混合器的一對直流輸出端與本功率模塊的控制電路相連。上述工作電源中的直流混合器包括一個單相全波整流橋、一個左側隔離型DC/ DC變換器和一個右側隔離型DC/DC變換器；直流混合器的左側直流輸入正極和負極分別連 接到所述的左側隔離型DC/DC變換器的直流輸入正極和負極；所述的左側隔離型DC/DC變換器的直流輸出負端連接到所述的直流混合器的右側直流輸出負端；直流混合器的右側直 流輸入端連接到所述的右側隔離型DC/DC變換器的直流輸入端；所述的左側隔離型DC/DC 變換器的直流輸出正極連接到所述的單相全波整流橋的一個交流輸入端和所述的直流混 合器的右側直流輸出正端；所述的右側隔離型DC/DC變換器的直流輸出正端連接到所述的 單相全波整流橋的另一個交流輸入端和所述的直流混合器的左側直流輸出正端；所述的右 側隔離型DC/DC變換器的直流輸出負端連接到所述的直流混合器的左側直流輸出負端；所 述的單相全波整流橋的正極端連接到所述的直流混合器的直流輸出正端，所述的單相全波 整流橋的負極端連接到所述的直流混合器的直流輸入正端；所述的直流混合器的直流輸入 負端和所述的直流混合器的直流輸出負端、左側直流輸出負端、右側直流輸出負端連接在 一起；所述的直流混合器的直流輸出正端連接到所述的直流混合器的反饋輸出端、所述的 左側隔離型DC/DC變換器的反饋輸入端和所述的右側隔離型DC/DC變換器的反饋輸入端； 所述的直流混合器的直流輸出端，與本功率模塊的控制電路相連。本發(fā)明提出的模塊化多電平變流器中的功率模塊的工作電源，采用本功率模塊及相鄰兩個功率模塊并聯相互提供控制電源的方式，隔離變壓器承受絕緣電壓低，使隔離電 路成本低；另外，采用多套直流電源相互供電的方式也使控制電源供電可靠性大幅度提高， 并可以滿足功率模塊冗余運行的要求。
圖1是本工作電源在鏈式或模塊化多電平變流器中的電路連接圖。圖2是單橋臂模塊化多電平變流器電路原理圖。圖3是單相鏈式變流器電路原理圖。圖4為本發(fā)明中直流混合器的構成電路原理圖。圖5是本工作電源為模塊化多電平變流器中的首端功率模塊提供工作電源時的 電路連接圖。圖6是本工作電源為模塊化多電平變流器中的末端功率模塊提供工作電源時的 電路連接圖。
具體實施例方式以下結合附圖，詳細介紹本發(fā)明的內容。如圖3所示，表示了單相鏈式變流器的電路原理圖，單相鏈式變流器由多個單相H 橋變流器(又稱為功率模塊)的交流輸出端串聯而成，每個單相H橋變流器都由直流電容 器(組)和兩個功率半導體開關半橋構成。如圖2所示，表示了單橋臂模塊化多電平變流器 的電路原理圖，它由多個半橋變流器(又稱為功率模塊)的交流輸出端串聯而成，每個功率 模塊都由直流電容器(組)和一個功率半導體開關半橋構成。圖中，半導體開關器件SLA、 SLB、SRA, SRB包括各自的反并聯二極管。如圖1所示，表示了單相鏈式變流器或單橋臂模塊化多電平變流器中率模塊2到 功率模塊N-I中任一個功率模塊X的控制電源裝置的構成框圖。圖中，功率模塊由H橋或 MMC橋橋臂與直流電容器(組)組成，功率模塊X下方的虛線框內為本發(fā)明中功率模塊X的 控制電源裝置的構成框圖。圖中，隔離直流電容器C和單相隔離變壓器T的原邊串聯后，另兩端分別接到功率模塊X的兩個交流輸出端，單相隔離變壓器T的副邊輸出連接到直流穩(wěn) 壓電源的兩個交流輸入端AC1/AC2，直流穩(wěn)壓電源的兩個直流輸入端DI+/DI-分別連接到 該功率模塊的直流電容器(組)CD兩端，這樣，直流穩(wěn)壓電源可以從該功率模塊的交流輸出 和直流電容器(組)同時或單獨取得電源輸入。直流穩(wěn)壓電源的兩個直流輸出端分別連接 到直流混合器的直流輸入端DC+/DC-，直流穩(wěn)壓電源的反饋輸入端FI連接到直流混合器的 反饋輸出端FO ；直流混合器的左側直流輸入端LI+/LI-連接到相鄰的左邊功率模塊X-I的 右側直流輸出端R0+/R0-，直流混合器的左側直流輸出端L0+/L0-連接到相鄰的左邊功率 模塊X-I的右側直流輸入端RI+/RI-，直流混合器的右側直流輸出端R0+/R0-連接到相鄰的 右邊功率模塊X+1的左側直流輸入端LI+/LI-，直流混合器的右側直流輸入端連接到相鄰 的右邊功率模塊X+1的左側直流輸出端L0+/L0-，直流混合器的直流輸出VC+/VC-作為該功 率模塊的控制電源。圖4為本發(fā)明提出的工作電源中直流混合器的構成電路原理圖。圖中，二極管Dl/ D2/D3/D4構成一個單相全波整流橋，還包括一個左側隔離型DC/DC變換器和一個右側隔離 型DC/DC變換器。直流混合器的左側直流輸入端LI+/LI-連接到左側隔離型DC/DC變換器 的直流輸入端，左側隔離型DC/DC變換器的直流輸出正端 連接到單相全波整流橋的一個交 流輸入端和直流混合器的右側直流輸出正端R0+，左側隔離型DC/DC變換器的直流輸出負 端連接到直流混合器的右側直流輸出負端RO-；直流混合器的右側直流輸入端RI+/RI-連 接到右側隔離型DC/DC變換器的直流輸入端，右側隔離型DC/DC變換器的直流輸出正端連 接到單相全波整流橋的另一個交流輸入端和直流混合器的左側直流輸出正端L0+，右側隔 離型DC/DC變換器的直流輸出負端連接到直流混合器的左側直流輸出負端LO-；單相全波 整流橋的正極端連接到直流混合器的直流輸出正端VC+，單相全波整流橋的負極端連接到 直流混合器的直流輸入正端DC+，直流混合器的直流輸入負端DC-和直流混合器的直流輸 出負端VC-、左側直流輸出負端L0-、右側直流輸出負端RO-連接在一起；直流混合器的直流 輸出正端VC+連接到直流混合器的反饋輸出正端F0、左側隔離型DC/DC變換器的反饋輸入 端FI和右側隔離型DC/DC變換器的反饋輸入端FI ；直流混合器的直流輸出端VC+/VC-，作 為本功率模塊的控制電源。直流輸入正端DC+和直流輸出正端VC+也可以短接在一起。圖5表示了單相鏈式變流器或單橋臂模塊化多電平變流器中最左側的功率模塊 (功率模塊1)的控制電源裝置的構成框圖。圖中，功率模塊1的控制電源裝置中的直流混 合器的右側直流輸出端R0+/R0-連接到相鄰的右邊功率模塊2的左側直流輸入端LI+/LI-， 直流混合器的右側直流輸入端RI+/RI-連接到相鄰的右邊功率模塊2的左側直流輸出端 L0+/L0-，直流混合器的左側直流輸入端和直流輸出端懸空，直流輸出VC+/VC-作為功率模 塊1的控制電源。圖6表示了單相鏈式變流器或單橋臂模塊化多電平變流器中最右側的功率模塊 (功率模塊N)的控制電源裝置的構成框圖。圖中，功率模塊N的控制電源裝置中的直流混 合器的左側直流輸出端L0+/L0-連接到相鄰的左邊功率模塊N-I的右側直流輸入端RI+/ RI-,直流混合器的左側直流輸入端LI+/LI-連接到相鄰的左邊功率模塊N-I的右側直流輸 出端R0+/R0-，直流混合器的右側直流輸入端和直流輸出端懸空，直流輸出VC+/VC-作為功 率模塊N的控制電源。本發(fā)明要求鏈式或模塊化多電平變流器采用自勵啟動方式啟動，即變流器通過緩充電電阻充電方式直接并入電網，當各功率模塊直流電容充電到一定電壓時，其交流輸出 兩端的交流電壓也達到一定的電壓值(不管半導體開關器件是否開始工作還是其處于閉 鎖狀態(tài))，經過各隔離直流電容和隔離變壓器或功率模塊直流電容便可以為直流穩(wěn)壓電源 提供交流輸入電源或直流輸入電源，從而為本功率模塊提供控制電源。即使本功率模塊故 障導致其交流輸出被旁路(短路)，本功率模塊仍可以從相鄰的功率模塊取得控制電源。完 全采用本發(fā)明的功率模塊控制電源裝置時，該變流器可實現2個或以上冗余功率模塊的冗 余運行方式。本發(fā)明可應用于多種采用鏈式變流器或模塊化多電平變流器的電力電子裝置。以上實施例只是本發(fā)明的 一個具體的實施電路原理圖，并不以此限定本發(fā)明的保 護范圍。任何基于本發(fā)明所作的等效變換電路，均屬于本發(fā)明保護范圍。
權利要求
1.一種模塊化多電平變流器中的功率模塊的工作電源，其特征在于該工作電源包括 一臺隔離直流電容器、一臺單相隔離變壓器、一臺直流穩(wěn)壓電源及一臺直流混合器；所述的 隔離直流電容器和所述的單相隔離變壓器的原邊串聯，串聯后的兩端與被提供工作電源的 本功率模塊的兩個交流端并聯；所述的單相隔離變壓器的副邊的二個輸出端分別連接到所 述的直流穩(wěn)壓電源的兩個交流輸入端；所述的直流穩(wěn)壓電源的直流輸入正極和負極分別連 接到本功率模塊內部的直流電容器正極和負極；所述的直流穩(wěn)壓電源的直流輸出正極和負 極分別連接到所述的直流混合器的直流輸入正極和負極；所述的直流穩(wěn)壓電源的反饋輸入 端連接到所述的直流混合器的反饋輸出端；所述的直流混合器的左側直流輸入正極和負極 分別連接到與被提供工作電源的本功率模塊相鄰的左邊功率模塊的右側直流輸出正極和 負極；所述的直流混合器的左側直流輸出正極和負極分別連接到與被提供工作電源的本功 率模塊相鄰的左邊功率模塊的右側直流輸入正極和負極；所述的直流混合器的右側直流輸 出正極和負極分別連接到與被提供工作電源的本功率模塊相鄰的右邊功率模塊的左側直 流輸入正極和負極；所述的直流混合器的右側直流輸入正極和負極分別連接到與被提供工 作電源的本功率模塊相鄰的右邊功率模塊的左側直流輸出正極和負極；所述的直流混合器 的一對直流輸出端與本功率模塊的控制電路相連。
2.如權利要求1所述的工作電源，其特征在于其中所述的直流混合器包括一個單相 全波整流橋、一個左側隔離型DC/DC變換器和一個右側隔離型DC/DC變換器；直流混合器的 左側直流輸入正極和負極分別連接到所述的左側隔離型DC/DC變換器的直流輸入正極和 負極；所述的左側隔離型DC/DC變換器的直流輸出負端連接到所述的直流混合器的右側直 流輸出負端；直流混合器的右側直流輸入端連接到所述的右側隔離型DC/DC變換器的直流 輸入端；所述的左側隔離型DC/DC變換器的直流輸出正極連接到所述的單相全波整流橋的 一個交流輸入端和所述的直流混合器的右側直流輸出正端；所述的右側隔離型DC/DC變換 器的直流輸出正端連接到所述的單相全波整流橋的另一個交流輸入端和所述的直流混合 器的左側直流輸出正端；所述的右側隔離型DC/DC變換器的直流輸出負端連接到所述的直 流混合器的左側直流輸出負端；所述的單相全波整流橋的正極端連接到所述的直流混合器 的直流輸出正端，所述的單相全波整流橋的負極端連接到所述的直流混合器的直流輸入正 端；所述的直流混合器的直流輸入負端和所述的直流混合器的直流輸出負端、左側直流輸 出負端、右側直流輸出負端連接在一起；所述的直流混合器的直流輸出正端連接到所述的 直流混合器的反饋輸出端、所述的左側隔離型DC/DC變換器的反饋輸入端和所述的右側隔 離型DC/DC變換器的反饋輸入端；所述的直流混合器的直流輸出端，與本功率模塊的控制 電路相連。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種模塊化多電平變流器中的功率模塊的工作電源，屬于電氣自動化設備領域。對于多電平變流器中的任一個功率模塊，隔離直流電容器和單相隔離變壓器的原邊串聯后，另兩端分別接到該功率模塊的兩個交流輸出端，單相隔離變壓器的副邊輸出連接到直流穩(wěn)壓電源的兩個交流輸入端，直流穩(wěn)壓電源的兩個直流輸入端分別連接到該功率模塊的直流電容器(組)兩端，直流穩(wěn)壓電源的兩個直流輸出端分別連接到所述的直流混合器的直流輸入端，直流穩(wěn)壓電源的反饋輸入端連接到所述的直流混合器的反饋輸出端。采用本發(fā)明的工作電源，使得功率模塊控制電源具有很高的可靠性和很低的成本，且可以滿足功率模塊冗余運行的要求。
文檔編號H02M1/08GK102005907SQ201010531049
公開日2011年4月6日 申請日期2010年10月29日 優(yōu)先權日2010年10月29日
發(fā)明者劉文華, 劉文輝, 宋強, 李建國, 陳遠華 申請人:清華大學