本發(fā)明涉及電能轉(zhuǎn)換
技術(shù)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(shù)：
：隨著大容量、新能源、特殊環(huán)境電能變換技術(shù)，特別是近年來流行的高壓直流輸電技術(shù)(HighVoltageDirectCurrent,HVDC)的不斷發(fā)展，能源系統(tǒng)對多電平變換器的靈活性和穩(wěn)定性要求也日益苛刻，傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)優(yōu)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(shù)發(fā)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(tǒng)。然而現(xiàn)有MMC子模塊電路存在器件數(shù)多，控制復雜，穩(wěn)定性不高等缺點。因而現(xiàn)有技術(shù)還有待改進和提高。技術(shù)實現(xiàn)要素：鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明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(guān)器件使用的同時能有效提高電壓利用率及輸出電平數(shù)，且提供了電流過零續(xù)流模態(tài)有效杜絕了電壓尖峰的產(chǎn)生。為了達到上述目的，本發(fā)明采取了以下技術(shù)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(jù)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(tài)處于電容充電模態(tài)、電容放電模態(tài)、電容旁路模態(tài)、電流阻斷模態(tài)和電流過零續(xù)流模態(tài)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(lián)。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(guān)管、第二功率開關(guān)管、第三功率開關(guān)管、第四功率開關(guān)管、第一功率二極管和第二功率二極管；所述第一功率開關(guān)管的發(fā)射極連接第一電容的一端和第二功率開關(guān)管的集電極，所述第一功率開關(guān)管的集電極連接第三開關(guān)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(guān)管的發(fā)射極連接第四功率開關(guān)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(guān)管的發(fā)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(guān)管的發(fā)射極；所述第四功率開關(guān)管的發(fā)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(guān)管的集電極，所述第二連接端連接第二功率開關(guān)管的發(fā)射極。所述的多電平變換器子模塊電路中，當所述多電平變換器子模塊電路處于電容充電模態(tài)時，控制第一功率開關(guān)管和第二功率二極管導通、且第二功率開關(guān)管、第三功率開關(guān)管、第四功率開關(guān)管和第一功率二極管截止。所述的多電平變換器子模塊電路中，當所述多電平變換器子模塊電路處于電容放電模態(tài)時，控制第二功率開關(guān)管和第三功率開關(guān)管導通、且第一功率開關(guān)管、第四功率開關(guān)管、第一功率二極管和第二功率二極管截止。所述的多電平變換器子模塊電路中，當所述多電平變換器子模塊電路處于電流阻斷模態(tài)時，控制第二功率開關(guān)管、第四功率開關(guān)管和第二功率二極管導通、且第一功率開關(guān)管、第三功率開關(guān)管和第一功率二極管截止。所述的多電平變換器子模塊電路中，當所述多電平變換器子模塊電路處于電容旁路模態(tài)時，控制第一功率開關(guān)管和第二功率開關(guān)管導通、且第三功率開關(guān)管、第四功率開關(guān)管、第一功率二極管和第二功率二極管截止；或者，控制第三功率開關(guān)管和第二功率二極管導通、且第一功率開關(guān)管、第二功率開關(guān)管、第四功率開關(guān)管和第一功率二極管截止。所述的多電平變換器子模塊電路中，當所述多電平變換器子模塊電路處于電流過零續(xù)流模態(tài)時，控制第四功率開關(guān)管和第一功率二極管導通、且第一功率開關(guān)管、第二功率開關(guān)管、第三功率開關(guān)管和第二功率二極管截止。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(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明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(jù)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(tài)處于電容充電模態(tài)、電容放電模態(tài)、電容旁路模態(tài)、電流阻斷模態(tài)和電流過零續(xù)流模態(tài)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(guān)器件使用的同時能有效提高電壓利用率及輸出電平數(shù)，且提供了電流過零續(xù)流模態(tài)有效杜絕了電壓尖峰的產(chǎn)生。附圖說明圖1為本發(fā)明提供的多電平變換器子模塊電路的電路圖。圖2為本發(fā)明提供的多電平變換器子模塊電路電容充電模態(tài)的示意圖。圖3為本發(fā)明提供的多電平變換器子模塊電路電容放電模態(tài)的示意圖。圖4為本發(fā)明提供的多電平變換器子模塊電路電流阻斷模態(tài)的示意圖。圖5為本發(fā)明提供的多電平變換器子模塊電路電容旁路模態(tài)第一實施例的示意圖。圖6為本發(fā)明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為本發(fā)明提供的多電平變換器子模塊電路電流過零續(xù)流模態(tài)的示意圖。圖8為本發(fā)明提供的多電變換器優(yōu)選實施例的電路圖。圖9為本發(fā)明提供的多電變換器優(yōu)選實施例仿真輸出的電壓波形圖。圖10為本發(fā)明提供的多電變換器優(yōu)選實施例仿真輸出的電流波形圖。具體實施方式本發(fā)明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(guān)器件使用的同時能有效提高電壓利用率及輸出電平數(shù)，且提供了電流過零續(xù)流模態(tài)有效杜絕了電壓尖峰的產(chǎn)生。為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及效果更加清楚、明確，以下參照附圖并舉實施例對本發(fā)明進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。請參閱圖1，本發(fā)明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(jù)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(tài)處于電容充電模態(tài)、電容放電模態(tài)、電容旁路模態(tài)、電流阻斷模態(tài)和電流過零續(xù)流模態(tài)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，本發(fā)明通過控制橋式電路單元20的工作狀態(tài)實現(xiàn)了多種工作模態(tài)，實現(xiàn)了子模塊電路的高可控性，同時在實現(xiàn)了傳統(tǒng)全橋子模塊電路直流側(cè)電容充電、電容放電及電容旁路三種工作模態(tài)外還具有一個電流過零續(xù)流模態(tài)，有效杜絕了電壓尖峰的產(chǎn)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(cè)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(lián)，所述橋式電路單元20包括第一功率開關(guān)管T1、第二功率開關(guān)管T2、第三功率開關(guān)管T3、第四功率開關(guān)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(guān)管T1的發(fā)射極連接第一電容C1的一端和第二功率開關(guān)管T2的集電極，所述第一功率開關(guān)管T1的集電極連接第三開關(guān)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(guān)管T2的發(fā)射極連接第四功率開關(guān)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(guān)管T3的發(fā)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(guān)管T4的發(fā)射極；所述第四功率開關(guān)管T4的發(fā)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(guān)管T1、第二功率開關(guān)管T2、第三功率開關(guān)管T3和第四功率開關(guān)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(guān)管，本發(fā)明對此不作限定。本發(fā)明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(tǒng)模塊化多電平變換器全橋子模塊電路，本發(fā)明減少了開關(guān)器件的使用，有效節(jié)約成本，且通過對四個功率開關(guān)管和兩個功率二極管的開關(guān)狀態(tài)的不同組合控制，使得采用本發(fā)明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(tǒng)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(guān)管T1的集電極，所述第二連接端A2連接第二功率開關(guān)管T2的發(fā)射極，本發(fā)明的第一連接端A1從第一功率開關(guān)管T1和第三功率開關(guān)管T3的中間點引出，第二連接端A2從第二功率開關(guān)管T2和第四功率開關(guān)管T4的中間點引出，根據(jù)工作模態(tài)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。本發(fā)明提供的多電平變換器子模塊電路通過對四個功率開關(guān)管和兩個功率二極管的狀態(tài)控制存在五種工作模態(tài)，如圖2所示，當處于電容充電模態(tài)時，控制第一功率開關(guān)管T1和第二功率二極管D2導通、且第二功率開關(guān)管T2、第三功率開關(guān)管T3、第四功率開關(guān)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(jīng)過第一功率開關(guān)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(tài)時，控制第二功率開關(guān)管T2和第三功率開關(guān)管T3導通、且第一功率開關(guān)管T1、第四功率開關(guān)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(jīng)過第三功率開關(guān)管T3、第一電容C1和第二功率開關(guān)管T2后從b點流出。如圖4所示，當處于電流阻斷模態(tài)時，控制第二功率開關(guān)管T2、第四功率開關(guān)管T4和第二功率二極管D2導通、且第一功率開關(guān)管T1、第三功率開關(guān)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(tài)時，存在兩種情況，第一實施例中，控制第一功率開關(guān)管T1和第二功率開關(guān)管T2導通、且第三功率開關(guān)管T3、第四功率開關(guān)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(jīng)過第一功率開關(guān)管T1和第二功率開關(guān)管T2后從b點流出；第二實施例中，控制第三功率開關(guān)管T3和第二功率二極管D2導通、且第一功率開關(guān)管T1、第二功率開關(guān)管T2、第四功率開關(guān)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(jīng)過第三功率開關(guān)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(xù)流模態(tài)時，控制第四功率開關(guān)管T4和第一功率二極管D1導通、且第一功率開關(guān)管T1、第二功率開關(guān)管T2、第三功率開關(guān)管T3和第二功率二極管D2截止，此時電流從b點流入，經(jīng)過第四功率開關(guān)管T4和第一功率二極管D1后從a點流出。因此，本發(fā)明通過對各個功率開關(guān)管和功率二極管的精準控制，實現(xiàn)了不同的工作模態(tài)，在傳統(tǒng)全橋子模塊電路直流側(cè)電容充電、電容放電及電容旁路等工作模態(tài)外還增加了電流過零續(xù)流模態(tài)，有效杜絕了電壓尖峰的產(chǎn)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(shù)。本發(fā)明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，本發(fā)明優(yōu)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(huán)流電感以及負載電阻進行仿真，對本發(fā)明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(shù)及電壓值如表1、表2所示。表1電路電平數(shù)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(shù)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(shù)，即該電路可輸出單相13電平。將變換器仿真參數(shù)設置如下：直流輸入電壓設置為Vin=2VC=200V，輸出電感L5=0.2mH，環(huán)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(guān)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(jié)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，本發(fā)明提供的多電平變換器可輸出單相13電平，相比傳統(tǒng)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(tǒng)MMC電路電壓利用率提高了2倍。由此可見，本發(fā)明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(shù)，可附帶降低總諧波畸變率（THD），從而有效提高了系統(tǒng)性能，且開關(guān)器件數(shù)量少也有效節(jié)約了成本。綜上所述，本發(fā)明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(jù)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(tài)處于電容充電模態(tài)、電容放電模態(tài)、電容旁路模態(tài)、電流阻斷模態(tài)和電流過零續(xù)流模態(tài)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(guān)器件使用的同時能有效提高電壓利用率及輸出電平數(shù)，且提供了電流過零續(xù)流模態(tài)有效杜絕了電壓尖峰的產(chǎn)生。可以理解的是，對本領域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)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發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護范圍。當前第1頁1 2 3