一种带有能量缓冲桥臂的模块化多电平交交换流器

本发明涉及模块化多电平换流器领域，更具体的，涉及一种带有能量缓冲桥臂的模块化多电平交交换流器。

背景技术：

1、可再生能源装机容量逐步攀升，可再生能源的远距离集中送出成为工业界和学术界广泛研究的对象。柔性交流输电系统在不改变电压等级的前提下，通过降低频率来提高线路传输能力，增加电网输送容量、减轻电磁污染对环境的危害，在新能源大容量长距离传输中有独特的优势。交交换流器作为柔性交流输电系统的关键设备，能够实现电压幅值、频率、相位的变换。在高压大容量的场景中常用的交交换流器有背靠背连接的模块化多电平换流器、模块化多电平矩阵换流器。但是随着电压等级和电平数的增加，电子器件的数量也大幅增加，提高了系统的成本。

2、因此如何降低交交换流器中的元件数量已经成为了研究的热点问题。目前对于该课题，不断有新的交交换流器拓扑结构被提出，如发明专利申请公开《一种桥臂复用mmc拓扑结构》(cn 113595424a)和《一种交交换流器》(cn 115800768a)。

3、中国发明专利申请公开书cn 110752763a于2021年11月2日公开的《一种桥臂复用mmc拓扑结构》主要由上复用桥臂电路、下复用桥臂电路、三相常规mmc桥臂电路、三相滤波电感组成组合。相比于传统mmc，改拓扑可以节省1/6子模块数量，降低装置体积。但是，改桥臂复用mmc拓扑存在如下不足：

4、1)不能直接进行交交变换，需要使用大电容构成公共直流端。

5、2)电路中使用的原件数目过多，电路控制十分复杂。

6、中国发明专利申请公开书cn 1115800768a于2023年3月14日公开的《一种交交换流器》主要由电压匹配模块、频率变换模块、第一频率电压生成模块、第二频率电压生成模块、交流电抗器组合设计而成。该交交换流器可以利用六个桥臂实现三相交交变频，降低换流器拓扑复杂程度，同时大幅减少模块数及器件使用数量。但是，该交交换流器拓扑仍存在以下不足：

7、1)在一定运行工控下会产生极高电压尖峰，威胁换流器的安全稳定运行。

技术实现思路

1、本发明所要解决的问题是：现有模块化多电平换流子模块数目多，存在过高电压尖峰的问题。

2、本发明的目的是这样实现的，本发明提供了一种带有能量缓冲桥臂的模块化多电平交交换流器，包括a b c三相结构完全相同的相单元，在每个相单元中包括一个半桥子模块组、一个全桥子模块组、一个能量缓冲桥臂、一个变压器和八个相同的开关，将其中任意一个开关记为qf，f＝1，2，...，8；

3、所述半桥子模块组由n个相同的半桥子模块hbsmi级联构成，i＝1，2，...，n；其中，hbsm1的输入端记为点a1，hbsmn的输出端记为点a2；所述全桥子模块组由m个相同的全桥子模块fbsmj级联构成，j＝1，2，...，m；m≠n，其中fbsm1的输入端记为点a3，fbsmm的输出端记为点a4；

4、所述开关q1的集电极和开关q3的集电极连接后共同接点a1，开关q2的发射极和开关q4的发射极连接后共同接点a2，开关q3的发射极与开关q4的集电极相连接，开关q1的发射极与开关q2的集电极相连接，并从其接点处引出一根导线作为相单元的输入端口；所述开关q5的集电极和开关q7的集电极连接后共同接点a3，开关q6的发射极和开关q8的发射极连接后共同接点a2，开关q5的发射极与开关q6的集电极相连接、且接点接变压器副边的一端，开关q7的发射极与开关q8的集电极相连接、且接点接变压器副边的另一端；

5、所述能量缓冲桥臂由电感l、第一电阻r1、第一二极管d1、第一电容c1、第二电阻r2、第二二极管d2、第二电容c2串并联组成；所述第一电阻r1的一端、第一二极管d1的阳极、第一电容c1的正极相连接，第一电阻r1的另一端、第一电容c1的负极、第二二极管d2的阴极、桥臂电感l的一端相连接，并共同连接到点a1；所述桥臂电感l的另一端、第一二极管d1的阴极、第二电阻r2的一端、第二电容c2的正极相连接，并共同连接到点a4，第二电阻r2的另一端接第二二极管d2的阳极和第二电容c2的正极；

6、在每相相单元中，变压器原边的一端作为相单元的输出端口；在三相相单元中，变压器原边的另一端连接在一起。

7、优选地，当所述桥臂电感l两端电压为正且大于所述第一电容c1两端电压时，所述第一二极管d1导通，桥臂电感l中的能量转移到所述第一电容c1中；当所述桥臂电感l两端电压为负且绝对值大于所述第二电容c2两端电压时，所述第二二极管d2导通，桥臂电感l中的能量转移到所述第二电容c2中。

8、优选地，所述第一电容c1的容值和所述第二电容c2的容值相同，所述第一电容c1的初始电压值和所述第二电容c2的初始电压值相同，所述第一电容c1吸收所述桥臂电感l能量后的最大电压值和所述第二电容c2吸收桥臂电感l能量后的最大电压值相同，所述第一电阻r1和所述第二电阻r2的阻值相同；

9、将第一电容c1的容值记为c，其计算式为：

10、

11、其中，l’为桥臂电感l的感值，if为流过能量缓冲桥臂的电流的最大值，u1为第一电容c1的初始电压值，uh为第一电容c1吸收桥臂电感l能量后的最大电压值；

12、将第一电阻r1的阻值记为r，其计算式为：

13、

14、其中，f为输出端口的输出交流电压的频率。

15、优选地，所述开关qf为多个igbt器件同向串联组成的igbt型开关。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

17、1、由于本发明的拓扑结构可减少换流器子模块数目。

18、2、由于本发明的拓扑结构能将换流器产生电压尖峰限制在安全范围内。

技术特征：

1.一种带有能量缓冲桥臂的模块化多电平交交换流器，其特征在于，包括a b c三相结构完全相同的相单元，在每个相单元中包括一个半桥子模块组、一个全桥子模块组、一个能量缓冲桥臂、一个变压器和八个相同的开关，将其中任意一个开关记为qf，f＝1，2，...，8；

2.根据权利要求1所述的一种带有能量缓冲桥臂的模块化多电平交交换流器，其特征在于，当所述桥臂电感l两端电压为正且大于所述第一电容c1两端电压时，所述第一二极管d1导通，桥臂电感l中的能量转移到所述第一电容c1中；当所述桥臂电感l两端电压为负且绝对值大于所述第二电容c2两端电压时，所述第二二极管d2导通，桥臂电感l中的能量转移到所述第二电容c2中。

3.根据权利要求2所述的一种带有能量缓冲桥臂的模块化多电平交交换流器，其特征在于，所述第一电容c1的容值和所述第二电容c2的容值相同，所述第一电容c1的初始电压值和所述第二电容c2的初始电压值相同，所述第一电容c1吸收所述桥臂电感l能量后的最大电压值和所述第二电容c2吸收桥臂电感l能量后的最大电压值相同，所述第一电阻r1和所述第二电阻r2的阻值相同；

4.根据权利要求1所述的一种带有能量缓冲桥臂的模块化多电平交交换流器，其特征在于，所述开关qf为多个igbt器件同向串联组成的igbt型开关。

技术总结本发明提供了一种带有能量缓冲桥臂的模块化多电平交交换流器，属于模块化多电平换流器领域。该交交换流器包括三相结构完全相同的相单元，在每相相单元中元包括一个半桥子模块组、一个全桥子模块组、一个能量缓冲桥臂、一个变压器和八个相同的开关。所述半桥子模块组由n个相同的半桥子模块级联构成，所述全桥子模块组由m个相同的全桥子模块级联构成。本发明交交换流器，在桥臂电感两端并联缓冲电路，能够吸收桥臂电感中储存的能量，限制桥臂电感过电压尖峰，确保换流器中各器件安全稳定运行。技术研发人员：马铭遥,李江源,向念文,李卫国,徐云飞,刘宗烨,刘宝受保护的技术使用者：合肥工业大学技术研发日：技术公布日：2024/7/25