[go: up one dir, main page]

CN113258794B - 一种双向能量均衡换流链、电能路由器及控制方法 - Google Patents

一种双向能量均衡换流链、电能路由器及控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113258794B
CN113258794B CN202010089449.5A CN202010089449A CN113258794B CN 113258794 B CN113258794 B CN 113258794B CN 202010089449 A CN202010089449 A CN 202010089449A CN 113258794 B CN113258794 B CN 113258794B
Authority
CN
China
Prior art keywords
port
unit
power
switch
balancing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010089449.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113258794A (zh
Inventor
谢晔源
王宇
李海英
孙乐
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NR Electric Co Ltd
NR Engineering Co Ltd
Original Assignee
NR Electric Co Ltd
NR Engineering Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NR Electric Co Ltd, NR Engineering Co Ltd filed Critical NR Electric Co Ltd
Priority to CN202010089449.5A priority Critical patent/CN113258794B/zh
Priority to PCT/CN2020/140665 priority patent/WO2021159873A1/zh
Publication of CN113258794A publication Critical patent/CN113258794A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113258794B publication Critical patent/CN113258794B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/40—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into DC
    • H02M5/42—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into DC by static converters
    • H02M5/44—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into DC by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate DC into AC
    • H02M5/453—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into DC by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate DC into AC using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M5/458—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into DC by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate DC into AC using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M5/4585—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into DC by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate DC into AC using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having a rectifier with controlled elements
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/40—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into DC
    • H02M5/42—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into DC by static converters
    • H02M5/44—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into DC by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate DC into AC
    • H02M5/453—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into DC by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate DC into AC using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M5/458—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into DC by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate DC into AC using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
    • H02M7/42—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

本申请提供双向能量均衡换流链，包括M个功率单元，所述M个功率单元包括两个交流端，相邻功率单元的交流端依次串联连接。N个多端口平衡单元，N为大于等于1且小于等于M的整数；所述多端口平衡单元端口数P为3或4；当P＝3时，所述多端口平衡单元包括第一、二、三端口，第三端口连接第一直流电容的正极或负极；当P＝4时，所述多端口平衡单元包括第一、二、三、四端口；首端的多端口平衡单元的第一端口引出定义为第一平衡端口，第二端口与相邻的多端口平衡单元的第一端口连接，依此方式顺序连接，尾端的多端口平衡单元的第二端口引出定义为第二平衡端口；本发明还提供了所述双向能量均衡换流链构成的能量路由器以及控制方法。

Description

一种双向能量均衡换流链、电能路由器及控制方法
技术领域
本申请涉及电力电子技术领域，具体涉及一种双向能量均衡换流链、电能路由器及控制方法。
背景技术
随着现代电力电子技术的发展，由于单管功率半导体器件的耐压等级相对有限，其应用和发展受到了极大的限制。
功率半导体器件通过组成子模块(或称为功率单元)，再进行级联使用构成换流链，可容易满足模块的电压等级要求，与其他方案相比是性价比较高的方式。但一旦换流链承受过电压，或换流链的子模块之间存在电压不均的问题，会造成个别子模块电压过高，甚至由于过压损坏。故障扩大后会导致整个换流链故障损坏。
现有技术中有采用在模块之间增加器件连接的方式，如专利CN105471260A基于等式约束的辅助电容分布式半桥MMC自均压拓扑，是利用了二极管建立了子模块直流电容之间的充放电通道，利用三相桥臂相间的辅助回路实现直流电压平衡控制的功能，但该方式的不足之处在于：第一，当单个子模块发生故障时，即使功率单元的旁路开关闭合，辅助回路仍然会维持正常模块与故障模块的连接关系，如当有子模块直流侧短路时，相邻的子模块的直流电容会通过辅助回路向故障点放电。如果简单的通过开关分断辅助回路，又会造成辅助回路开路，使整个换流链的辅助平衡回路在此处断开，因此，该方案的可靠性低，工程可实施性较差；第二，该方案直流电压只能向单方向均衡，充放电方向不可逆。要求换流链的均衡电路必须构成闭环，这在很多拓扑中很难实现，上述方式在应用中受到很大的限制。
为了能够使换流链各个子模块之间的电压能够更好的均衡，避免子模块遭受瞬时过电压的影响，只能增加子模块中的电容容值，或增加子模块的数量，大大的增加了整个换流链的成本和占地。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种双向能量均衡换流链，可通过多端口平衡单元可实现换流链两个方向的能量均衡，实现直流电压平衡控制，同时在单个功率单元故障旁路时，可将故障功率单元从换流链中切除，且不影响换流链其他功率单元多端口平衡单元的正常运行，减小功率单元中直流电容的容值。本发明同时提供了上述双向能量均衡换流链构成的能量路由器及控制方法。
为了达到上述目的，本发明的解决方案是：
一种双向能量均衡换流链，包括：
M个功率单元，所述M个功率单元包括两个交流端，相邻功率单元的交流端依次串联连接，首端功率单元的空端口引出定义为第一功率端口，尾端功率单元的空端口引出定义为第二功率端口；所述功率单元包括并联连接的第一直流电容与功率组件，M为大于等于1 的整数；
N个多端口平衡单元，N为大于等于1且小于等于M的整数；
所述多端口平衡单元端口数P为3或4；
当P＝3时，所述多端口平衡单元包括第一、二、三端口，第三端口连接第一直流电容的正极或负极；当P＝4时，所述多端口平衡单元包括第一、二、三、四端口，第三端口与直流电容的正极连接、第四端口与直流电容的负极连接；或第三端口与直流电容的负极连接、第四端口与直流电容的正极连接；
首端的多端口平衡单元的第一端口引出定义为第一平衡端口，第二端口与相邻的多端口平衡单元的第一端口连接，依此方式顺序连接，尾端的多端口平衡单元的第二端口引出定义为第二平衡端口。
作为本发明的进一步优选方案，所述双向能量均衡换流链中的多端口平衡单元用于控制相邻功率单元第一直流电容之间的充放电。
作为本发明的进一步优选方案，所述双向能量均衡换流链还包括第一旁路开关，所述第一旁路开关并联连接于多端口平衡单元第一端口和第二端口之间。
作为本发明的进一步优选方案，P＝4，所述多端口平衡单元包括第一、二、三、四开关单元，第一、二开关单元的一端分别与第一、二端口连接；第一、二开关单元的另一端连接后与第三端口连接；第三、四开关单元的一端分别与第一、二端口连接，另一端与第四端口连接。
作为本发明的进一步优选方案，P＝3，所述多端口平衡单元包括第一、二开关单元，第一、二开关单元的一端分别与第一、二端口连接；第一开关单元与第二开关单元的另一端连接后与第三端口连接。
作为本发明的进一步优选方案，P＝4，所述多端口平衡单元包括第一、二、三开关单元，第一、二开关单元的一端分别与第一、二端口连接；第一开关单元与第二开关单元的另一端连接后与第三端口连接；第三开关单元的一端与第一端口或第二端口连接，另一端与第四端口连接。
作为本发明的进一步优选方案，P＝3，所述多端口平衡单元包括第一、二开关单元，第一、二开关单元的一端分别与第一、二端口连接；第一开关单元的另一端与第二端口连接，第二开关单元的另一端与第三端口连接。
作为本发明的进一步优选方案，P＝4，所述多端口平衡单元包括第一、二、三开关单元，第一、二开关单元的一端分别与第一、二端口连接；第一开关单元的另一端与第二端口连接，第二开关单元的另一端与第三端口连接，第三开关单元一端连接第二端口或第一端口，另一端与第四端口连接。
作为本发明的进一步优选方案，P＝3，所述多端口平衡单元包括第一开关单元，所述第一开关单元的一端同时连接第一端口与第三端口，另一端连接第二端口。
作为本发明的进一步优选方案，所述双向能量均衡换流链中的各开关单元包括功率半导体器件或机械开关。
作为本发明的进一步优选方案，所述双向能量均衡换流链中的各开关单元还包括限流电阻或电感或熔丝或三种器件的任意组合构成的限流单元，所述限流单元与开关单元中的功率半导体器件或机械开关串联。
作为本发明的进一步优选方案，所述双向能量均衡换流链还包括隔离开关组，所述隔离开关组串联在第三、四端口与第一直流电容正、负极之间；当P＝3时，所述开关组包括1个开关，当P＝4时，所述开关组包括至少1个开关。
作为本发明的进一步优选方案，所述功率单元中的功率组件由两个全控型功率半导体器件以半桥连接形式构成，或由四个全控型功率半导体器件以全桥连接形式构成，或由一个全控型功率半导体器件与缓冲回路并联构成，所述缓冲回路由二极管与电容串联构成。
作为本发明的进一步优选方案，所述换流链还包括至少一个保护单元，所述保护单元包括保护电阻以及保护开关，串联在换流链中的任意位置或并联在第一直流电容的两端。
作为本发明的进一步优选方案，所述保护单元包括第一保护开关与第一保护电阻，第一保护开关和第一保护电阻并联；其中第一保护开关由反方向串联的两个带有反并联二极管 IGBT与机械开关串联构成。
作为本发明的进一步优选方案，所述保护单元还包括第二保护开关、第二保护电阻，以及第二直流电容；第二直流电容与第二保护开关和第二保护电阻串联后，与第一保护电阻、第一保护开关并联。
作为本发明的进一步优选方案，所述保护单元包括第二保护开关、第二保护电阻，所述第二保护开关和第二保护电阻串联后，并联在第一直流电容的两端。
作为本发明的进一步优选方案，所述功率单元还包括：第二旁路开关，并联连接在所述功率单元的交流端。
作为本发明的进一步优选方案，所述双向能量均衡换流链还包括：至少一个直流端口，连接所述第一直流电容的正极和负极；所述直流端口用于连接变换器单元的直流侧或引出作为备用端口。
本发明同时提供了一种电能路由器，所述电能路由器包括至少三个如上所述的双向能量均衡换流链。
作为本发明的进一步优选方案，所述电能路由器还包括K个变换器单元，K为大于等于1 且小于等于M的整数，所述变换器单元输入端连接第一直流电容的正极和负极，输出端接负载或电源，所述变换器单元的输入端和输出端之间有隔离单元。
作为本发明的进一步优选方案，所述电能路由器具有直流正极和直流负极，其中，所述电能路由器包含六个双向能量均衡换流链构成三相上桥臂和三相下桥臂；三相上桥臂换流链的第一功率端口与直流正极连接，同相的上桥臂换流链的第二功率端口与下桥臂换流链的第一功率端口连接；三相下桥臂换流链的第二功率端口与直流负极连接；三相上桥臂换流链的第二功率端口引出作为所述电能路由器的交流端。
作为本发明的进一步优选方案，所述电能路由器的三相上桥臂换流链的第一平衡端口连接在一起，所述电能路由器的三相下桥臂换流链的第二平衡端口连接在一起。
作为本发明的进一步优选方案，所述电能路由器的同相的上桥臂换流链的第二平衡端口与下桥臂换流链的第一平衡端口连接在一起。
作为本发明的进一步优选方案，所述电能路由器包含三个双向能量均衡换流链，所述三个换流链的第一功率端口连接在一起，第二功率端口分别连接电网的ABC三相；或者是所述三个换流链的第二功率端口连接在一起，第一功率端口分别连接电网的ABC三相。
作为本发明的进一步优选方案，所述三个换流链的第一功率端口连接在一起，且第一平衡端口连接在一起，第二功率端口分别连接电网的ABC三相；或者是所述三个换流链的第二功率端口连接在一起，且第二平衡端口连接在一起，第一功率端口分别连接电网的ABC 三相。
作为本发明的进一步优选方案，所述电能路由器包含三个双向能量均衡换流链，换流链的第一功率端口与相邻换流链的第二功率端口相互连接，构成闭环；三个换流链的第一功率端口或第二功率端口分别连接电网的ABC三相，构成角型连接方式。
作为本发明的进一步优选方案，所述三个换流链的第一平衡端口与相邻换流链的第二平衡端口相互连接，构成闭环。
本发明同时提供了上述双向能量均衡换流链的控制方法，包括：
当所述双向能量均衡换流链中功率单元的直流电压不均时，通过控制多端口平衡单元中的开关单元，建立相邻功率单元之间第一直流电容充放电的回路，维持功率单元直流电压均衡；
当任意一个功率单元直流电容电压高于相邻功率单元的直流电容电压时，电压较高的直流电容通过与功率单元连接的多端口平衡单元向相邻功率单元的直流电容放电。
作为本发明的进一步优选方案，当功率单元发生故障时，功率单元中的第二旁路开关闭合，同时第一旁路开关闭合。
有益效果：
本申请提供的技术方案，通过多端口平衡单元中的开关单元及功率组件中功率半导体器件的相互配合，可实现换流链相邻功率单元两个方向的充放电控制，以确保换流链各个功率单元直流电容电压均衡，当功率单元发生故障时，能够将故障的功率单元以及对应的多端口平衡单元旁路，不影响换流链多端口平衡单元之前的连接回路。增加的多端口平衡单元不需要流过大电流，仅需增加较小的成本即可实现。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1A是本申请实施例提供的一种双向能量均衡换流链构成示意图之一；
图1B是本申请实施例提供的一种双向能量均衡换流链构成示意图之二；
图1C是本申请实施例提供的一种双向能量均衡换流链构成示意图之三；
图2是本申请实施例提供的一种带有保护单元的双向能量均衡换流链构成示意图；
图3A是本申请实施例提供的多端口平衡单元构成示意图之一；
图3B是本申请实施例提供的多端口平衡单元构成示意图之二；
图3C是本申请实施例提供的多端口平衡单元构成示意图之三；
图3D是本申请实施例提供的多端口平衡单元构成示意图之四；
图3E是本申请实施例提供的多端口平衡单元构成示意图之五；
图3F是本申请实施例提供的多端口平衡单元构成示意图之六；
图3G是本申请实施例提供的多端口平衡单元构成示意图之七；
图3H是本申请实施例提供的多端口平衡单元构成示意图之八；
图3I是本申请实施例提供的多端口平衡单元构成示意图之九；
图3J是本申请实施例提供的多端口平衡单元构成示意图之十；
图4A是本申请实施例提供的功率单元构成示意图之一；
图4B是本申请实施例提供的功率单元构成示意图之二；
图4C是本申请实施例提供的功率单元构成示意图之三；
图5A是本申请实施例提供的保护单元构成示意图之一；
图5B是本申请实施例提供的保护单元构成示意图之二；
图5C是本申请实施例提供的保护单元构成示意图之三；
图6是本申请实施例提供的一种带有换流器单元的双向能量均衡换流链构成示意图
图7A是本申请实施例提供的电能路由器构成示意图之一；
图7B是本申请实施例提供的电能路由器构成示意图之二；
图7C是本申请实施例提供的电能路由器构成示意图之三；
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应当理解，本申请的权利要求、说明书及附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。本申请的说明书和权利要求书中使用的术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
本发明提供了一种双向能量均衡换流链1，如图1A所示，包括：
M个功率单元2，所述M个功率单元包括两个交流端，相邻功率单元的交流端依次串联连接，首端功率单元的空端口引出定义为第一功率端口D1，尾端功率单元的空端口引出定义为第二功率端口D2；所述功率单元包括并联连接的第一直流电容与功率组件，M为大于等于1的整数；
N个多端口平衡单元3，N为大于等于1且小于等于M的整数；
所述多端口平衡单元端口数P为3或4；
当P＝3时，所述多端口平衡单元包括第一、二、三端口，第三端口连接第一直流电容的正极或负极；当P＝4时，所述多端口平衡单元包括第一、二、三、四端口，第三端口与直流电容的正极连接、第四端口与直流电容的负极连接；或第三端口与直流电容的负极连接、第四端口与直流电容的正极连接；
首端的多端口平衡单元的第一端口引出定义为第一平衡端口H1，第二端口与相邻的多端口平衡单元的第一端口连接，依此方式顺序连接，尾端的多端口平衡单元的第二端口引出定义为第二平衡端口H2。
其中，所述双向能量均衡换流链还包括第一旁路开关4，所述第一旁路开关并联连接于多端口平衡单元第一端口和第二端口之间。
所述双向能量均衡换流链中的多端口平衡单元用于控制相邻功率单元第一直流电容之间的充放电。
本发明多端口平衡单元有多种组成形式：
(1)其中，P＝4，所述多端口平衡单元包括第一、二、三、四开关单元，第一、二开关单元的一端分别与第一、二端口连接；第一、二开关单元的另一端连接后与第三端口连接；第三、四开关单元的一端分别与第一、二端口连接，另一端与第四端口连接。
如图3A所示，在本实施例中，四个开关单元分别为带有反并联二极管的IGBT，构成H 桥电路。第一、二开关单元IGBT的发射极分别与第一、二端口连接；第一、二开关单元IGBT的集电极连接后与第三端口连接；第三、四开关单元IGBT的集电极分别与第一、二端口连接，发射极与第四端口连接。
如图3B所示，在本实施例中，第一、二开关单元分别为带有反并联二极管的IGBT，第三、四开关单元分别为二极管，构成H桥电路。第一、二开关单元IGBT的集电极分别与第一、二端口连接；第一、二开关单元IGBT的发射极连接后与第三端口连接；第三、四开关单元二极管的阴极分别与第一、二端口连接，阳极与第四端口连接。
(2)其中，P＝3，所述多端口平衡单元包括第一、二开关单元，第一、二开关单元的一端分别与第一、二端口连接；第一开关单元与第二开关单元的另一端连接后与第三端口连接。
如图3C所示，在本实施例中，两个开关单元分别为带有反并联二极管的IGBT。第一、二开关单元IGBT的集电极分别与第一、二端口连接；第一、二开关单元IGBT的发射极连接后与第三端口连接。
(3)其中，P＝4，所述多端口平衡单元包括第一、二、三开关单元，第一、二开关单元的一端分别与第一、二端口连接；第一开关单元与第二开关单元的另一端连接后与第三端口连接；第三开关单元的一端与第一端口或第二端口连接，另一端与第四端口连接。
如图3D所示，在本实施例中，第一、二开关单元为带有反并联二极管的IGBT，第三开关单元为二极管，二极管的阴极与第二端口连接，阳极与第四端口连接。
(4)其中，P＝3，所述多端口平衡单元包括第一、二开关单元，第一、二开关单元的一端分别与第一、二端口连接；第一开关单元的另一端与第二端口连接，第二开关单元的另一端与第三端口连接。
如图3E所示，在本实施例中，第一、二开关单元为带有反并联二极管的IGBT，第一开关单元IGBT的集电极与第一端口连接，IGBT的发射极与第二开关单元IGBT的集电极连接，并与第二端口连接，第二开关单元IGBT的发射极与第三端口连接。
(5)其中，P＝4，所述多端口平衡单元包括第一、二、三开关单元，第一、二开关单元的一端分别与第一、二端口连接；第一开关单元的另一端与第二端口连接，第二开关单元的另一端与第三端口连接，第三开关单元一端连接第二端口或第一端口，另一端与第四端口连接。
如图3F所示，在本实施例中，第一、二开关单元为带有反并联二极管的IGBT，第三开关单元为二极管，第一开关单元IGBT的集电极与第一端口连接，IGBT的发射极与第二开关单元IGBT的集电极连接，并与第二端口连接，第二开关单元IGBT的发射极与第三端口连接；第三开关单元二极管的阴极与第二端口连接，阳极与第四端口连接。
(6)其中，P＝3，所述多端口平衡单元包括第一开关单元，所述第一开关单元的一端同时连接第一端口与第三端口，另一端连接第二端口。
如图3G所示，在本实施例中，第一开关单元为带有反并联二极管的IGBT，第一开关单元IGBT的集电极同时连接第一端口与第三端口，发射极与第二端口连接。
上述(1)-(6)的连接方式中第一、二、三、四开关单元可以包括单向截止的功率半导体器件如带有反并联二极管的IGBT，二极管，或者如图3H所示的双向截止的功率半导体器件。第一、二、三、四开关单元也可以包括快速机械开关。
所述双向能量均衡换流链中的第一、二、三、四开关单元还可以包括限流电阻或电感或熔丝或三种器件的任意组合构成的限流单元，所述限流单元与开关单元中的功率半导体器件或机械开关串联。
如图3I所示，在本实施例中，第二开关单元除了包含带有反并联二极管的IGBT，还包含串联连接的限流电阻14、电感15以及熔丝13。上述三种器件可任意组合。
其中，所述双向能量均衡换流链还包括隔离开关组，所述隔离开关组串联在第三、四端口与第一直流电容正、负极之间；当P＝3时，所述开关组包括1个开关，当P＝4时，所述开关组包括2个开关。
如图3J所示，在本实施例中，多端口平衡单元的第三端口通过1个隔离开关12与第一直流电容的正极连接。
其中，本实例中所述功率单元中的功率组件由三种方式构成：
(1)两个全控型功率半导体器件以半桥连接形式构成，如图4A所示。其中两个全控型功率半导体器件为带有反并联二极管的IGBT，分别为T1和T2，T1的集电极与第一直流电容C1的正极连接，T2的集电极与T1的发射极连接，T2的发射极与C1的负极连接，T1 的发射极与T2的发射极引出作为功率单元的两个交流端。
(2)由四个全控型功率半导体器件以全桥连接形式构成，如图4B所示。其中四个全控型功率半导体器件为带有反并联二极管的IGBT，分别为T3-T6，其中T3和T4构成一个桥臂，T5和T6构成一另个桥臂：T3的集电极与第一直流电容C1的正极连接，T4的集电极与T3的发射极连接，T4的发射极与C1的负极连接；T5的集电极与第一直流电容C1的正极连接，T6的集电极与T5的发射极连接，T6的发射极与C1的负极连接；两个桥臂的中点引出作为功率单元的两个交流端。
(3)由一个全控型功率半导体器件与缓冲回路并联构成，所述缓冲回路由二极管与电容串联构成，如图4C所示。其中全控型功率半导体器件T7的集电极经过二极管D1与第一直流电容C1的正极连接，T7的发射极与第一直流电容C1的负极连接。
其中，所述换流链还包括至少一个保护单元6，所述保护单元包括保护电阻以及保护开关，串联在换流链中的任意位置或并联在第一直流电容的两端。可以有以下几种组成方式：
(1)如图5A所示，在本实施例中，由第一保护开关8与第一保护电阻11构成，第一保护开关和第一保护电阻并联。其中第一保护开关由反方向串联的两个带有反并联二极管IGBT与机械开关串联构成。
(2)如图5B所示，在本实施例中，保护单元除包括第一保护开关8与第一保护电阻11还包括第二保护开关9、第二保护电阻10，以及第二直流电容C2，第二直流电容与第二保护开关和第二保护电阻串联后，与第一保护电阻、第一保护开关并联。
(3)如图5C所示，在本实施例中，保护单元包括第二保护开关9、第二保护电阻10，第二保护开关和第二保护电阻串联后，并联在第一直流电容的两端。
其中图2为本申请实施例提供的一种带有保护单元的双向能量均衡换流链构成示意图。
如图1A，所述功率单元还包括：第二旁路开关5，并联连接在所述功率单元的交流端。
图1A是本申请实施例提供的一种双向能量均衡换流链构成示意图之一；在本实施例中多端口平衡单元为图3A所示的结构，功率单元为图4B所示结构。
图1B是本申请实施例提供的一种双向能量均衡换流链构成示意图之二；在本实施例中多端口平衡单元为图3H所示的结构，功率单元为图4A所示结构。
图1C是本申请实施例提供的一种双向能量均衡换流链构成示意图之三；在本实施例中多端口平衡单元为图3G所示的结构，功率单元为图4C所示结构。
本实施例的双向能量均衡换流链还包括至少一个直流端口，连接所述第一直流电容的正极和负极；所述直流端口用于连接变换器单元的直流侧或引出作为备用端口。如图6所示，第一直流电容正负极引出后，连接直流变换器单元20。
本发明的双向能量均衡换流链可构成电能路由器，所述电能路由器包括至少三个双向能量均衡换流链。
其中所述电能路由器还包括K个变换器单元，K为大于等于1且小于等于M的整数，所述变换器单元输入端连接第一直流电容的正极和负极，输出端接负载或电源，所述变换器单元的输入端和输出端之间有隔离单元。如图6所示，K＝2，包括2个变换器单元。
其中，本发明电能路由器由以下几种构成方式。
(1)如图7A所示，所述电能路由器具有直流正极和直流负极，其中，所述电能路由器包含六个双向能量均衡换流链构成三相上桥臂和三相下桥臂；三相上桥臂换流链的第一功率端口与直流正极连接，同相的上桥臂换流链的第二功率端口与下桥臂换流链的第一功率端口连接；三相下桥臂换流链的第二功率端口与直流负极连接；三相上桥臂换流链的第二功率端口引出作为所述电能路由器的交流端。
其中，所述电能路由器的三相上桥臂换流链的第一平衡端口连接在一起，所述电能路由器的三相下桥臂换流链的第二平衡端口可以连接在一起。
其中，所述电能路由器的同相的上桥臂换流链的第二平衡端口与下桥臂换流链的第一平衡端口可以连接在一起。
(2)如图7B所示，所述电能路由器包含三个双向能量均衡换流链，所述三个换流链的第一功率端口连接在一起，第一平衡端口连接在一起，第二功率端口分别连接电网的ABC三相；或者是所述三个换流链的第二功率端口连接在一起，第二平衡端口连接在一起，第一功率端口分别连接电网的ABC三相。
(3)如图7C所示，所述电能路由器包含三个双向能量均衡换流链，换流链的第一功率端口与相邻换流链的第二功率端口相互连接，构成闭环；三个换流链的第一功率端口分别连接电网的ABC三相，构成角型连接方式。
其中，所述三个换流链的第一平衡端口与相邻换流链的第二平衡端口相互连接，构成闭环。
本发明还提供了一种所述双向能量均衡换流链的控制方法，包括：
当所述双向能量均衡换流链中功率单元的直流电压不均时，通过控制多端口平衡单元中的开关单元，建立相邻功率单元之间第一直流电容充放电的回路，维持功率单元直流电压均衡；
当任意一个功率单元直流电容电压高于相邻功率单元的直流电容电压时，电压较高的直流电容通过与功率单元连接的多端口平衡单元向相邻功率单元的直流电容放电。
其中，当功率单元发生故障时，功率单元中的第二旁路开关闭合，同时第一旁路开关闭合。
以上对本申请实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明仅用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。同时，本领域技术人员依据本申请的思想，基于本申请的具体实施方式及应用范围上做出的改变或变形之处，都属于本申请保护的范围。综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (29)

1.一种双向能量均衡换流链，其特征在于，包括：
M个功率单元，所述M个功率单元包括两个交流端，相邻功率单元的交流端依次串联连接，首端功率单元的空端口引出定义为第一功率端口，尾端功率单元的空端口引出定义为第二功率端口；所述功率单元包括并联连接的第一直流电容与功率组件，M为大于等于1的整数；
N个多端口平衡单元，N为大于等于1且小于等于M的整数；
所述多端口平衡单元端口数P为3或4；
当P＝3时，所述多端口平衡单元包括第一、二、三端口，第三端口连接第一直流电容的正极或负极；当P＝4时，所述多端口平衡单元包括第一、二、三、四端口，第三端口与直流电容的正极连接、第四端口与直流电容的负极连接；或第三端口与直流电容的负极连接、第四端口与直流电容的正极连接；
首端的多端口平衡单元的第一端口引出定义为第一平衡端口，第二端口与相邻的多端口平衡单元的第一端口连接，依此方式顺序连接，尾端的多端口平衡单元的第二端口引出定义为第二平衡端口；
所述双向能量均衡换流链中的多端口平衡单元用于控制相邻功率单元第一直流电容之间的充放电。
2.根据权利要求1所述的双向能量均衡换流链，其特征在于，所述双向能量均衡换流链还包括第一旁路开关，所述第一旁路开关并联连接于多端口平衡单元第一端口和第二端口之间。
3.根据权利要求1所述的双向能量均衡换流链，其特征在于，P＝4，所述多端口平衡单元包括第一、二、三、四开关单元，第一、二开关单元的一端分别与第一、二端口连接；第一、二开关单元的另一端连接后与第三端口连接；第三、四开关单元的一端分别与第一、二端口连接，另一端与第四端口连接。
4.根据权利要求1所述的双向能量均衡换流链，其特征在于，P＝3，所述多端口平衡单元包括第一、二开关单元，第一、二开关单元的一端分别与第一、二端口连接；第一开关单元与第二开关单元的另一端连接后与第三端口连接。
5.根据权利要求1所述的双向能量均衡换流链，其特征在于，P＝4，所述多端口平衡单元包括第一、二、三开关单元，第一、二开关单元的一端分别与第一、二端口连接；第一开关单元与第二开关单元的另一端连接后与第三端口连接；第三开关单元的一端与第一端口或第二端口连接，另一端与第四端口连接。
6.根据权利要求1所述的双向能量均衡换流链，其特征在于，P＝3，所述多端口平衡单元包括第一、二开关单元，第一、二开关单元的一端分别与第一、二端口连接；第一开关单元的另一端与第二端口连接，第二开关单元的另一端与第三端口连接。
7.根据权利要求1所述的双向能量均衡换流链，其特征在于，P＝4，所述多端口平衡单元包括第一、二、三开关单元，第一、二开关单元的一端分别与第一、二端口连接；第一开关单元的另一端与第二端口连接，第二开关单元的另一端与第三端口连接，第三开关单元一端连接第二端口或第一端口，另一端与第四端口连接。
8.根据权利要求1所述的双向能量均衡换流链，其特征在于，P＝3，所述多端口平衡单元包括第一开关单元，所述第一开关单元的一端同时连接第一端口与第三端口，另一端连接第二端口。
9.根据权利要求4-8任一项所述的双向能量均衡换流链，其特征在于，所述双向能量均衡换流链中的各开关单元包括功率半导体器件或机械开关。
10.根据权利要求9所述的双向能量均衡换流链，其特征在于，所述双向能量均衡换流链中的各开关单元还包括限流电阻或电感或熔丝或三种器件的任意组合构成的限流单元，所述限流单元与开关单元中的功率半导体器件或机械开关串联。
11.根据权利要求1所述的双向能量均衡换流链，其特征在于，所述双向能量均衡换流链还包括隔离开关组，所述隔离开关组串联在第三、四端口与第一直流电容正、负极之间；当P＝3时，所述开关组包括1个开关，当P＝4时，所述开关组包括至少1个开关。
12.根据权利要求1所述的双向能量均衡换流链，其特征在于，所述功率单元中的功率组件由两个全控型功率半导体器件以半桥连接形式构成，或由四个全控型功率半导体器件以全桥连接形式构成，或由一个全控型功率半导体器件与缓冲回路并联构成，所述缓冲回路由二极管与电容串联构成。
13.根据权利要求1所述的双向能量均衡换流链，其特征在于，所述换流链还包括至少一个保护单元，所述保护单元包括保护电阻以及保护开关，串联在换流链中的任意位置或并联在第一直流电容的两端。
14.根据权利要求13所述的双向能量均衡换流链，其特征在于，所述保护单元包括第一保护开关与第一保护电阻，第一保护开关和第一保护电阻并联；其中第一保护开关由反方向串联的两个带有反并联二极管IGBT与机械开关串联构成。
15.根据权利要求14所述的双向能量均衡换流链，其特征在于，所述保护单元还包括第二保护开关、第二保护电阻，以及第二直流电容；第二直流电容与第二保护开关和第二保护电阻串联后，与第一保护电阻、第一保护开关并联。
16.根据权利要求13所述的双向能量均衡换流链，其特征在于，所述保护单元包括第二保护开关、第二保护电阻，所述第二保护开关和第二保护电阻串联后，并联在第一直流电容的两端。
17.根据权利要求1所述的双向能量均衡换流链，其特征在于，所述功率单元还包括：第二旁路开关，并联连接在所述功率单元的交流端。
18.根据权利要求1所述的双向能量均衡换流链，其特征在于，还包括：
至少一个直流端口，连接所述第一直流电容的正极和负极；所述直流端口用于连接变换器单元的直流侧或引出作为备用端口。
19.一种电能路由器，其特征在于，所述电能路由器包括至少三个如权利要求1-14任一项所述的双向能量均衡换流链。
20.根据权利要求19所述的电能路由器，其特征在于，所述电能路由器还包括K个变换器单元，K为大于等于1且小于等于M的整数，所述变换器单元输入端连接第一直流电容的正极和负极，输出端接负载或电源，所述变换器单元的输入端和输出端之间有隔离单元。
21.根据权利要求19所述的电能路由器，其特征在于，所述电能路由器具有直流正极和直流负极，其中，所述电能路由器包含六个双向能量均衡换流链构成三相上桥臂和三相下桥臂；三相上桥臂换流链的第一功率端口与直流正极连接，同相的上桥臂换流链的第二功率端口与下桥臂换流链的第一功率端口连接；三相下桥臂换流链的第二功率端口与直流负极连接；三相上桥臂换流链的第二功率端口引出作为所述电能路由器的交流端。
22.根据权利要求21所述的电能路由器，其特征在于，所述电能路由器的三相上桥臂换流链的第一平衡端口连接在一起，所述电能路由器的三相下桥臂换流链的第二平衡端口连接在一起。
23.根据权利要求21所述的电能路由器，其特征在于，所述电能路由器的同相的上桥臂换流链的第二平衡端口与下桥臂换流链的第一平衡端口连接在一起。
24.根据权利要求19所述的电能路由器，其特征在于，所述电能路由器包含三个双向能量均衡换流链，所述三个换流链的第一功率端口连接在一起，第二功率端口分别连接电网的ABC三相；或者是所述三个换流链的第二功率端口连接在一起，第一功率端口分别连接电网的ABC三相。
25.根据权利要求24所述的电能路由器，其特征在于，所述三个换流链的第一功率端口连接在一起，且第一平衡端口连接在一起，第二功率端口分别连接电网的ABC三相；或者是所述三个换流链的第二功率端口连接在一起，且第二平衡端口连接在一起，第一功率端口分别连接电网的ABC三相。
26.根据权利要求19所述的电能路由器，其特征在于，所述电能路由器包含三个双向能量均衡换流链，换流链的第一功率端口与相邻换流链的第二功率端口相互连接，构成闭环；三个换流链的第一功率端口或第二功率端口分别连接电网的ABC三相，构成角型连接方式。
27.根据权利要求26所述的电能路由器，其特征在于，所述三个换流链的第一平衡端口与相邻换流链的第二平衡端口相互连接，构成闭环。
28.一种基于权利要求1-18任一项所述双向能量均衡换流链的控制方法，其特征在于，包括：
当所述双向能量均衡换流链中功率单元的直流电压不均时，通过控制多端口平衡单元中的开关单元，建立相邻功率单元之间第一直流电容充放电的回路，维持功率单元直流电压均衡；
当任意一个功率单元直流电容电压高于相邻功率单元的直流电容电压时，电压较高的直流电容通过与功率单元连接的多端口平衡单元向相邻功率单元的直流电容放电。
29.根据权利要求28所述的控制方法，其特征在于，当功率单元发生故障时，功率单元中的第二旁路开关闭合，同时第一旁路开关闭合。
CN202010089449.5A 2020-02-13 2020-02-13 一种双向能量均衡换流链、电能路由器及控制方法 Active CN113258794B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010089449.5A CN113258794B (zh) 2020-02-13 2020-02-13 一种双向能量均衡换流链、电能路由器及控制方法
PCT/CN2020/140665 WO2021159873A1 (zh) 2020-02-13 2020-12-29 一种双向能量均衡换流链、电能路由器及控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010089449.5A CN113258794B (zh) 2020-02-13 2020-02-13 一种双向能量均衡换流链、电能路由器及控制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113258794A CN113258794A (zh) 2021-08-13
CN113258794B true CN113258794B (zh) 2022-07-22

Family

ID=77219730

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010089449.5A Active CN113258794B (zh) 2020-02-13 2020-02-13 一种双向能量均衡换流链、电能路由器及控制方法

Country Status (2)

Country Link
CN (1) CN113258794B (zh)
WO (1) WO2021159873A1 (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114285004B (zh) * 2021-12-29 2022-09-09 浙江大学 一种抗短路故障和抑爆的功率器件
WO2024061215A1 (zh) * 2022-09-20 2024-03-28 南京南瑞继保电气有限公司 柔性交流互联装置及启动控制方法
CN117175920B (zh) * 2023-09-01 2024-03-01 国网经济技术研究院有限公司 一种应用于风电功率不匹配的高效率多端口直流变换器
CN117134639B (zh) * 2023-10-27 2024-02-13 深圳市德兰明海新能源股份有限公司 换流桥臂电路控制方法、装置、电子设备和计算机设备

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7230837B1 (en) * 2006-03-27 2007-06-12 North Carolina State University Method and circuit for cascaded pulse width modulation
CN104065290B (zh) * 2014-06-26 2017-01-11 许继电气股份有限公司 模块化多电平换流器电平数倍增方法及启动方法
CN105811749A (zh) * 2016-04-20 2016-07-27 广州供电局有限公司 换流阀子模块和模块化多电平换流器
CN107276125B (zh) * 2017-07-06 2023-06-27 南京南瑞继保电气有限公司 一种链式多端口并网接口装置及控制方法
CN107769598A (zh) * 2017-10-26 2018-03-06 华北电力大学 一种新型二端口半桥‑全桥混合子模块mmc拓扑
CN108512445B (zh) * 2018-04-26 2020-07-07 南京理工大学 一种基于开关电容的模块化多电平变换器
CN208638266U (zh) * 2018-09-27 2019-03-22 唐瑭 一种基于模块化多电平变流器的动力总成系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN113258794A (zh) 2021-08-13
WO2021159873A1 (zh) 2021-08-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113258794B (zh) 一种双向能量均衡换流链、电能路由器及控制方法
JP5215455B2 (ja) 電圧源コンバータ
EP3154181B1 (en) Hybrid five-level inverter phaseleg and application circuits
CN105556787B (zh) 用于高电压的模块化多点变流器
US11075587B2 (en) Modular multilevel converter and sub-module thereof
CN206602450U (zh) 一种具有直流短路电流自清除能力的mmc子模块
CN103944430B (zh) 一种模块化多电平换流器子单元拓扑
CN104037733B (zh) 一种直流故障隔离型柔性直流输电换流站子单元拓扑
CN102097967B (zh) 一种级联式多电平变流器
CN105119511B (zh) 一种具有直流侧故障阻断能力的mmc子模块电路
CN107834854A (zh) 一种高压大容量直流变压器
CN105634315A (zh) 一种单向电流型模块化多电平换流器
CN108023494B (zh) 一种模块化多电平换流器及其子模块结构
CN112039360A (zh) 一种具备故障电流阻断和自均压能力的mmc子模块
CN108964492A (zh) 一种具备直流侧短路故障隔离能力的低损耗模块化多电平变流器拓扑
US11011911B2 (en) MMC converter and sub-modules thereof
CN209559977U (zh) 逆变器直流侧绝缘阻抗检测电路和组串式逆变器
CN104901570B (zh) 模块化多电平换流器
CN112825451B (zh) 能量均衡调节换流链及控制方法、多段式换流链、换流器
CN110022069A (zh) 一种双向开关接入的高频链双向直流变压器及其控制方法
CN206117539U (zh) 一种具有自保护功能的电流源型模块化多电平变换器
CN204906215U (zh) 具有直流侧故障阻断能力的mmc子模块电路
CN205123611U (zh) 模块化的变流器拓扑及换流器系统
CN106899216A (zh) 一种具有直流故障电流阻断能力的mmc三电平子模块拓扑及其电容电压均衡控制方法
CN117458575A (zh) 一种中频隔离配电网柔性互联系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant