本實用新型涉及電力電子領(lǐng)域，具體而言，涉及一種模塊化多電平換流器。

背景技術(shù)：

模塊化多電平換流器是一種具有多電平拓撲結(jié)構(gòu)的新型變換器，它通過將多個子模塊級聯(lián)的方式，可以疊加輸出很高的電壓，并且還具有輸出諧波少、模塊化程度高、開關(guān)損耗性低等特點。隨著高壓直流輸電的普及，模塊化多電平換流器在電力系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景以及研發(fā)價值。

發(fā)明人在研究過程中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的模塊化多電平換流器因為其模塊化封裝性而無法進行內(nèi)部故障檢測，不便于對模塊化多電平換流器進行更深入的分析研究。

針對上述模塊化多電平換流器因封裝性而無法進行內(nèi)部故障檢測的問題，目前尚未提出有效的解決方案。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本實用新型實施例的目的在于提供一種模塊化多電平換流器，以方便直接的實現(xiàn)模塊化多電平換流器的內(nèi)部故障檢測。

本實用新型實施例提供了一種模塊化多電平換流器，其中，該模塊化多電平換流器為三相六橋臂結(jié)構(gòu)，每個橋臂均包括一個橋臂模型和與該橋臂模型串聯(lián)的橋臂電抗器；其中，橋臂模型包括三個端口，三個端口中的第一端口通過橋臂電抗器與該橋臂模型相對的另一個橋臂模型連接，第二端口通過母線與外部系統(tǒng)連接，第三端口與模塊化多電平換流器的外部故 障設(shè)置電路連接。

本實用新型實施例提供了第一種可能的實施方式，其中，上述橋臂模型至少包括兩個級聯(lián)的子模塊。

結(jié)合第一種可能的實施方式，本實用新型實施例提供了第二種可能的實施方式，其中，上述第三端口設(shè)置于橋臂模型中任意兩個級聯(lián)的子模塊之間。

本實用新型實施例提供了第三種可能的實施方式，其中，上述橋臂模型由第三端口劃分為端口上方故障區(qū)和端口下方故障區(qū)。

結(jié)合第三種可能的實施方式，本實用新型實施例提供了第四種可能的實施方式，其中，上述端口下方故障區(qū)為模塊化多電平換流器的控制器提供采集電流值。

本實用新型實施例提供了第五種可能的實施方式，其中，上述橋臂模型為一個具有三個外端口的封裝整體。

本實用新型實施例提供了第六種可能的實施方式，其中，上述外部故障設(shè)置電路包括接地故障電路、短路故障電路和斷路故障電路。

本實用新型實施例提供了第七種可能的實施方式，其中，上述六個橋臂模型分別選用不同種類的處理器板卡并行檢測。

結(jié)合第七種可能的實施方式，本實用新型實施例提供了第八種可能的實施方式，其中，上述處理器板卡為實時數(shù)字仿真器RTDS處理器。

本實用新型實施例提供了第九種可能的實施方式，其中，上述橋臂電抗器為電感元件。

本實用新型實施例提供的一種模塊化多電平換流器，在三相六橋臂的基礎(chǔ)上，于六個橋臂所包括的各個橋臂模型均設(shè)置有三個端口，其中，橋臂模型的第一端口通過橋臂電抗器與該橋臂模型相對的另一個橋臂模型連 接，第二端口通過母線與外部系統(tǒng)連接，第三端口與外部故障設(shè)置電路連接。與現(xiàn)有技術(shù)中因橋臂模型完全封裝而不便于進行內(nèi)部故障檢測的模塊化多電平換流器相比，本實施例的模塊化多電平換流器中的各個橋臂模型通過設(shè)置有第三端口，可以與外部故障設(shè)置電路連接，進而對模塊化多電平換流器進行相關(guān)的故障檢測，使得對模塊化多電平換流器的故障檢測更加方便直接。

為使本實用新型的上述目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，并配合所附附圖，作詳細說明如下。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型實施例的技術(shù)方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應(yīng)當理解，以下附圖僅示出了本實用新型的某些實施例，因此不應(yīng)被看作是對范圍的限定，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他相關(guān)的附圖。

圖1示出了本實用新型實施例所提供的一種模塊化多電平換流器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2示出了本實用新型實施例所提供的一種模塊化多電平換流器中橋臂模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3示出了本實用新型實施例所提供的橋臂模型中的一種子模塊結(jié)構(gòu)示意圖。

主要元件符號說明：

1—橋臂模型 2—橋臂電抗器 11—第一端口

12—第二端口 13—第三端口 14—端口上方故障區(qū)

15—端口下方故障區(qū)

具體實施方式

為使本實用新型實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本實用新型實施例中附圖，對本實用新型實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本實用新型實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設(shè)計。因此，以下對在附圖中提供的本實用新型的實施例的詳細描述并非旨在限制要求保護的本實用新型的范圍，而是僅僅表示本實用新型的選定實施例?；诒緦嵱眯滦偷膶嵤├?，本領(lǐng)域技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。

考慮到現(xiàn)有的模塊化多電平換流器因為其模塊化封裝性而無法進行內(nèi)部故障檢測，本實用新型實施例提供了一種模塊化多電平換流器。下面通過實施例進行描述。

應(yīng)注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。

實施例1

參見圖1所示的一種模塊化多電平換流器的結(jié)構(gòu)示意圖，該模塊化多電平換流器為三相六橋臂結(jié)構(gòu)，每個橋臂均包括一個橋臂模型1和與該橋臂模型1串聯(lián)的橋臂電抗器2；其中，橋臂模型1包括三個端口，具體請參見圖1中右側(cè)虛線圓圈中示意的橋臂模型1的外部結(jié)構(gòu)。上述三個端口中的第一端口11通過橋臂電抗器與橋臂模型相對的另一個橋臂模型連接，第二端口12通過母線與外部系統(tǒng)連接，第三端口13與模塊化多電平換流器的外部故障設(shè)置電路連接。

為了能夠更清楚的展示橋臂模型1的結(jié)構(gòu)，具體的，請參見圖2所示 的橋臂模型1的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，其中，每個橋臂模型1內(nèi)部均由n個子模塊串聯(lián)而成，第三端口13可設(shè)置于子模塊之間。

本實施例中的模塊化多電平換流器所具有的六個橋臂模型1內(nèi)部結(jié)構(gòu)均如圖2所示，在此不再重復(fù)說明。此外，每相中的橋臂模型1上下對稱，且每個橋臂模型1具有三個端口，其中，第三端口13可以直接與外部故障設(shè)置電路連接，從而使得研究人員對模塊化多電平換流器的故障檢測更加方便直接。

為了實現(xiàn)橋臂模型1的功能，橋臂模型1所包括的上述子模塊拓撲結(jié)構(gòu)有多種，其中最典型的有兩類，一類為全橋單元并聯(lián)直流電容結(jié)構(gòu)，另一類為半橋單元并聯(lián)直流電容結(jié)構(gòu)，在此以半橋單元并聯(lián)直流電容結(jié)構(gòu)為例進行說明。

請參見圖3所示的一種子模塊結(jié)構(gòu)示意圖，其中，橋臂模型1中的每個半橋子模塊均由兩個IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管)串聯(lián)(具體請參見圖中的T1和T2)和一個直流儲能電容C并聯(lián)構(gòu)成，此外，每個IGBT均各自并聯(lián)一個二極管D。通過控制IGBT的通斷可使子模塊工作在不同的狀態(tài)。具體的，子模塊的工作狀態(tài)可歸類為三種，即鎖閉狀態(tài)，投入狀態(tài)和切除狀態(tài)。通過不同子模塊各自的工作狀態(tài)的疊加來使模塊化多電平換流器實現(xiàn)預(yù)設(shè)的換流效果。

進一步，可將上述每個子模塊視為一個可控電壓源，通過控制兩個IGBT的通斷，使得子模塊的端口輸出電壓在0和電容電壓VC之間切換，從而實現(xiàn)將子模塊從相應(yīng)橋臂中投入或切除的效果，進而在模塊化多電平換流器的交流輸出端來合成多電平的電壓波形。即通過控制子模塊的工作狀態(tài)來使輸出端在不同時刻產(chǎn)生不同電平，進一步實現(xiàn)對輸出電壓的調(diào)制并采用合適的控制策略來獲得所需的交流電壓?？梢愿鶕?jù)實際情況選取子模塊的其它結(jié)構(gòu)，均可參照相關(guān)技術(shù)實現(xiàn)，在此不再贅述。

通過上述子模塊的結(jié)構(gòu)，使得橋臂模型1能夠輸出所需的多電平電壓波形，更好的實現(xiàn)變換器的功能。

為了控制橋臂上的功率傳輸、濾波和抑制交流側(cè)電流波動，需要在每相上下橋臂間串入橋臂電抗器2。此外，該橋臂電抗器2還可以用于抑制三相橋臂間環(huán)流和抑制短路時橋臂電流上升過快。

具體的，上述橋臂電抗器2可以為電感元件，可以根據(jù)模塊化多電平換流器所在的實際應(yīng)用環(huán)境來選取電感元件的電感值。通過在橋臂上串聯(lián)橋臂電抗器2，可以更好的抑制橋臂環(huán)流、平穩(wěn)橋臂電流值并對橋臂上的功率傳輸產(chǎn)生良好的控制效果。

為了對模塊化多電平換流器進行相關(guān)的故障檢測實驗，需要在模塊化多電平換流器的橋臂模型1中設(shè)置可以與外界故障設(shè)置電路相連接的故障點。因而上述橋臂模型1至少包括兩個級聯(lián)的子模塊(即上述子模塊的數(shù)量n大于等于2)，由此可以將第三端口13設(shè)置于橋臂模型1中任意兩個級聯(lián)的子模塊之間。

其中，第三端口13的位置即為故障點的位置，該第三端口13的設(shè)置可以采取人工設(shè)置故障點的方式，也可以采取自動設(shè)置的方式，根據(jù)實際情況進行選取，在此不再贅述。通過在子模塊之間設(shè)置第三端口13，可以將橋臂模型1與外部故障設(shè)置電路連接，進而將故障引入至橋臂模型1中以對模塊化多電平換流器進行相關(guān)的故障檢測和故障研究。

通過上述在橋臂模型1上設(shè)置第三端口13引入故障的方式，可以方便直接的實現(xiàn)模塊化多電平換流器的內(nèi)部故障檢測，而不受模塊化多電平換流器封裝性的限制。

考慮到引入故障后，橋臂模型1內(nèi)部相對于故障點不同位置的子模塊受到的故障影響不同，因而在確定橋臂模型1中故障點位置后，利用該故障點將橋臂模型1中的眾多級聯(lián)子模塊分為上下兩部分，其中，故障點上 部分的多個級聯(lián)子模塊所流經(jīng)的電流值和分擔(dān)的電壓值、功率等與流經(jīng)故障點下部分的多個級聯(lián)子模塊的電流值和分擔(dān)的電壓值、功率等均不同。為了后續(xù)對相關(guān)值的區(qū)分與應(yīng)用，因而可再參見圖2所示的橋臂模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，其中，橋臂模型1由第三端口13劃分為端口上方故障區(qū)14和端口下方故障區(qū)15，采用劃分區(qū)域的方式使得在進行相關(guān)故障實驗時，便于分區(qū)研究。

因上述故障點將橋臂模型1劃分為端口上方故障區(qū)14和端口下方故障區(qū)15，而端口上下方故障區(qū)流經(jīng)的電流不同；具體的，端口下方故障區(qū)15為模塊化多電平換流器的控制器提供采集電流值，從而為控制器提供在故障情況下模塊化多電平換流器的運行信息，便于控制器更好的對模塊化多電平換流器進行調(diào)控。

為了使上述模塊化多電平換流器高度集成化，橋臂模型1可以為一個具有三個外端口的封裝整體，從而使該模塊化多電平換流器的結(jié)構(gòu)更精簡，接線更簡單。

考慮到要對模塊化多電平換流器進行內(nèi)部故障檢測試驗，從而設(shè)置第三端口13與外部故障設(shè)置電路相連接，其中，外部故障設(shè)置電路包括接地故障電路、短路故障電路和斷路故障電路。具體故障電路的實現(xiàn)方式可以參照相關(guān)技術(shù)實現(xiàn)，在此不再贅述。

通過在不同的位置上連接不同類型的故障電路，來檢測模塊化多電平換流器在出現(xiàn)不同故障時的運行結(jié)果，從而在真實情況中，當模塊化多電平換流器出現(xiàn)故障時，反推故障點的位置以及故障的類型，進而使研究人員對模塊化多電平換流器能夠進行更好的研究與應(yīng)用。

考慮到如果只使用一個處理器，則處理信息的速度較慢，為了能夠在短時間內(nèi)處理大規(guī)模的模塊化多電平換流器，本實施例中六個橋臂模型1可以分別選用不同種類的處理器板卡并行檢測，通過將上述六個橋臂模型1 分配到不同的處理器板卡進行并行處理，從而加快了處理器對模塊化多電平換流器的處理速度，也便于應(yīng)用到具有眾多數(shù)量子模塊的大規(guī)模的模塊化多電平換流器中。

在具體實現(xiàn)時，上述處理器板卡為RTDS(Real Time Digital Simulator，實時數(shù)字仿真器)處理器。其中，RTDS處理器在硬件上是采用高速DSP(Digital Signal Processor，數(shù)字信號處理器)芯片和并行處理結(jié)構(gòu)以完成連續(xù)實時運行所需的快速運算?；贒SP的強大計算能力，RTDS能夠?qū)崟r計算電力系統(tǒng)狀態(tài)并輸出到工作站，并能夠測試電力系統(tǒng)的裝備或網(wǎng)絡(luò)反應(yīng)。

本實施例中的通過在模塊化多電平換流器中設(shè)置具有三個端口的橋臂模型1，且三個端口中的第三端口13可以直接與外部故障設(shè)置電路連接，從而使得研究人員對模塊化多電平換流器的故障檢測更加方便直接。

應(yīng)當注意的是，本實施例所提供的一種模塊化多電平換流器在具體實現(xiàn)時，可以采用具有上述功能的模塊或單元實現(xiàn)，這些模塊或單元可以是物理上分開的或者物理上集成的，也可以根據(jù)實際的需要選擇其中的部分或者全部單元來實現(xiàn)本實施例的目的。

實施例2

基于上述實施例1中所提供的模塊化多電平換流器的實際構(gòu)造，本實施例將上述實施例1中的模塊化多電平換流器應(yīng)用在終端上進行仿真，其中，該終端包括計算機、上位機等。具體的，對于上述模塊化多電平換流器的仿真可以在實時數(shù)字仿真器RTDS所提供的開發(fā)環(huán)境CBuilder平臺上進行。

本實施例所提供的仿真，其實現(xiàn)原理及產(chǎn)生的技術(shù)效果和前述實施例相同，為簡要描述，本實施例部分未提及之處，可參考前述實施例中相應(yīng)內(nèi)容。

在上述CBuilder平臺上搭建三相六橋臂結(jié)構(gòu)的模塊化多電平換流器仿真模型時，每個橋臂均包括一個橋臂模型和與該橋臂模型串聯(lián)的橋臂電抗器；具體的，每個橋臂模型為一個具有三個端點的封裝模型，其中的兩個端點用于接入仿真系統(tǒng)；第三端點則設(shè)定為故障點，用于通過該端點引入諸如接地、短路或斷路故障。

在實際實施時，橋臂模型在CBuilder平臺上搭建時可以定義一個故障點位置參數(shù)變量，該故障點位置參數(shù)變量用于設(shè)置故障點在子模塊之間的位置。當對橋臂模型中的子模塊進行上下故障區(qū)分組時，可直接使用上述變量。當然，也可以由人工自主設(shè)置故障點的位置，以確定橋臂模型的第三端點。

上述第三端點將橋臂模型劃分為端口上方故障區(qū)和端口下方故障區(qū)，為了得到準確的仿真結(jié)果，需要對橋臂模型進行等效。具體的，可以首先將每個子模塊等效，建立各個子模塊的戴維南等效模型，其次將屬于同一故障區(qū)中的各個子模塊的戴維南等效模型進行代數(shù)疊加，進而得到端口上方故障區(qū)和端口下方故障區(qū)的戴維南等效模型。應(yīng)當注意的是，不同故障區(qū)中流經(jīng)的電流不同，因此在建立各個故障區(qū)的等效模型時應(yīng)采用各自故障區(qū)中子模塊流經(jīng)的電流值，并將端口下方故障區(qū)所流經(jīng)的電流值作為參數(shù)提供至模塊化多電平換流器的控制器；此外，CBuilder平臺要求開發(fā)的電力系統(tǒng)模型為諾頓等效模型，因此還需要將上述故障區(qū)的戴維南等效模型轉(zhuǎn)化為諾頓等效模型，具體的模型等效過程以及轉(zhuǎn)換過程可參照相關(guān)技術(shù)實現(xiàn)，在此不再贅述。

在橋臂模型中確定故障點位置(即第三端口位置)時，可直接將第三端口與仿真系統(tǒng)中的故障模型相連接，該故障模型包括接地故障、短路故障和斷路故障等，通過在不同的位置上連接不同類型的故障模型，以檢測模塊化多電平換流器在出現(xiàn)不同故障時的運行結(jié)果，從而在真實情況中模塊化多電平換流器出現(xiàn)故障時，反推故障點的位置以及故障的類型，實現(xiàn) 對模塊化多電平換流器更好的研究與應(yīng)用。

為了能夠在短時間內(nèi)處理大規(guī)模的模塊化多電平換流器，可以分別選用不同種類的處理器板卡對六個橋臂模型同時進行檢測，其中，處理器板卡的分配方式可以選擇自動選取，也可以選擇自動分配方式。通過將上述六個橋臂模型分配到不同的處理器板卡進行并行處理，從而加快了處理器對模塊化多電平換流器的處理速度，也便于應(yīng)用到具有眾多數(shù)量子模塊的大規(guī)模的模塊化多電平換流器中。

通過上述仿真方式，可以將實施例1中所提供的模塊化多電平換流器在計算機上仿真模擬，有助于提前預(yù)測實際的模塊化多電平換流器在接受故障檢測時的運行效果，為研究人員通過對模塊化多電平換流器進行內(nèi)部故障仿真提供了更便利的研究條件。

在本實用新型的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“設(shè)置”、“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本實用新型中的具體含義。

最后應(yīng)說明的是：以上所述實施例，僅為本實用新型的具體實施方式，用以說明本實用新型的技術(shù)方案，而非對其限制，本實用新型的保護范圍并不局限于此，盡管參照前述實施例對本實用新型進行了詳細的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解：任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實用新型揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，其依然可以對前述實施例所記載的技術(shù)方案進行修改或可輕易想到變化，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換；而這些修改、變化或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本實用新型實施例技術(shù)方案的精神和范圍。都應(yīng)涵蓋在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。因此，本實用新型的保護范圍應(yīng)所述以權(quán)利要求的保護范圍為準。