一种双向功率子模块及控制方法、MMC系统与流程

本发明涉及电力电子设备领域，特别涉及一种双向功率子模块及控制方法、mmc系统。

背景技术：

1、电力电子技术在现代电力系统中起着至关重要的作用，尤其在实现可再生能源集成、提高能源效率和电网稳定性方面显示出其不可替代的作用。在众多电力电子设备中，模块化多电平换流器(modular multilevel converters，mmc)因其独特的结构和优越的性能，已成为最具前景的电力电子转换器之一。

2、模块化多电平换流器的发展源自电力电子技术对高电压、高功率转换设备的需求。现有的模块化多电平换流器通常采用mmc系统的拓扑结构，mmc系统采用功率子模块930级联的方式，具体地，如图1、2所示，传统的mmc系统包括至少一组桥臂模组900，桥臂模组900包括上桥臂单元910和下桥臂单元920，上桥臂单元910和下桥臂单元920均包括多个功率子模块930，每个功率子模块930均包括第一开关件940、第二开关件950以及储能电容960，第一开关件940的连接首端与第二开关件950的连接首端连接并且形成第一桥臂连接端，第一开关件940的连接尾端与储能电容960的首端连接，第二开关件950的连接尾端与储能电容960的尾端连接并且形成第二桥臂连接端，在同样桥臂单元中，功率子模块930的第二桥臂连接端与相邻的功率子模块930的第一桥臂连接端连接，而位于上桥臂单元910首端的功率子模块930的第一桥臂连接端用于接入直流供电电源的正极，位于上桥臂单元910尾端的功率子模块930的第二桥臂连接端用于接入交流设备，位于下桥臂单元920尾端的功率子模块930的第二桥臂连接端用于接入直流供电电源的负极，位于下桥臂单元920首端的功率子模块930的第一桥臂连接端用于接入交流设备。

3、mmc系统采用功率子模块930中的低压电容器替代了直流母线上的高压电容组；每个子模块能工作在低开关频率，具备很高的转换效率；具有非常小的电压电流尖峰；输出电压波形近似于正弦，谐波含量非常低；模块化结构，安装维护容易，易于增容扩展。但是，目前mmc系统中，上桥臂单元910和下桥臂单元920均由各自的功率子模块930组成，功率子模块930的数目过多，每个子模块中都有一个独立的储能电容960，一般情况下，整个mmc系统中，储能电容960总量就占mmc系统总体积的50％，占总重量的80％左右，导致mmc系统整体体积以及重量均较大，需要对mmc系统绝缘散热能力进行周密的考虑，布置成本相对较高。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种双向功率子模块及控制方法、mmc系统，缩减储能电容的使用量，缩小体积以及降低布置成本。

2、根据本发明的第一方面实施例的一种双向功率子模块，包括第一开关件、第二开关件、第三开关件、第四开关件、第五开关件、第六开关件以及储能电容；所述第一开关件的输电首端与所述第二开关件的输电首端连接并且形成第一桥臂连接端，所述第二开关件的输电尾端与所述第三开关件的输电首端连接并且形成第二桥臂连接端，所述第一开关件的输电尾端分别与所述储能电容的首端以及所述第四开关件的输电首端连接，所述第四开关件的输电尾端与所述第五开关件的输电首端连接并且形成第三桥臂连接端，所述第六开关件的输电首端分别与所述第三开关件的输电尾端以及所述储能电容的尾端连接，所述第五开关件的输电尾端与所述第六开关件的输电尾端连接，所述第一开关件的受控端、第二开关件的受控端、第三开关件的受控端、第四开关件的受控端、第五开关件的受控端以及第六开关件的受控端均用于与控制模块连接。

3、根据本发明实施例的一种双向功率子模块，至少具有如下

4、有益效果：

5、本发明双向功率子模块，利用第一开关件、第二开关件、第三开关件、第四开关件、第五开关件、第六开关件六个开关件以及一个储能电容形成的功率子模块，能够同时作为上桥臂单元和下桥臂单元中的功率子模块使用，无需采用两个储能电容来形成两个各自用于上桥臂单元和下桥臂单元的功率子模块，本设计缩减储能电容的使用量，缩小体积以及降低布置成本。

6、根据本发明的一些实施例，所述第一开关件、第二开关件、第三开关件、第四开关件、第五开关件和第六开关件均为半导体的开关管，其中，所述第一开关件的输电首端、所述第二开关件的输电首端、所述第三开关件的输电首端、所述第四开关件的输电首端、所述第五开关件的输电首端以及所述第六开关件的输电首端均为开关管的同一极。

7、根据本发明第二方面实施例的控制方法，应用于mmc系统，所述mmc系统包括上述任一实施例公开的一种双向功率子模块，其特征在于，所述控制方法包括：同时控制所述第一开关件、所述第三开关件以及所述第五开关件导通，并且同时控制所述第二开关件、所述第四开关件以及所述第六开关件断开；同时控制所述第一开关件、所述第三开关件以及所述第五开关件断开，并且同时控制第二开关件、所述第四开关件以及所述第六开关件导通。

8、根据本发明实施例的控制方法，至少具有如下有益效果：

9、本发明控制方法，双向功率子模块能够同时作为上桥臂单元和下桥臂单元中的功率子模块使用，双向功率子模块通过第一桥臂连接端和第二桥臂连接端接入上桥臂单元，并且双向功率子模块通过第三桥臂连接端和第四桥臂连接端接入下桥臂单元，控制模块可以同时控制所述第一开关件、所述第三开关件以及所述第五开关件导通，并且同时控制所述第二开关件、所述第四开关件以及所述第六开关件断开，在上桥臂单元的一侧，电流可以经过第一开关件、储能电容以及第二开关件，根据电流的方向，能够为储能电容充电或者储能电容放电，而在下桥臂单元一侧，第五开关件导通，双向功率子模块被旁路，控制模块也可以同时控制所述第一开关件、所述第三开关件以及所述第五开关件断开，并且同时控制第二开关件、所述第四开关件以及所述第六开关件导通，此时在上桥臂单元的一侧，第二开关件导通，而在下桥臂单元的一侧，电流可以经过第四开关件、储能电容以及第六开关件，根据电流的方向，能够为储能电容充电或者储能电容放电，本设计缩减储能电容的使用量，缩小体积以及降低布置成本。

10、根据本发明的一些实施例，控制所述双向功率子模块运行以至少具有第一状态、第二状态、第三状态以及第四状态，其中，在第一状态中，所述第一开关件、所述第三开关件以及所述第五开关件导通，并且所述第二开关件、所述第四开关件以及所述第六开关件断开，所述储能电容被充电；在第二状态中，所述第一开关件、所述第三开关件以及所述第五开关件导通，并且所述第二开关件、所述第四开关件以及所述第六开关件断开，所述储能电容放电；在第三状态中，所述第一开关件、所述第三开关件以及所述第五开关件断开，并且所述第二开关件、所述第四开关件以及所述第六开关件导通，所述储能电容被充电；在第四状态中，所述第一开关件、所述第三开关件以及所述第五开关件断开，并且所述第二开关件、所述第四开关件以及所述第六开关件导通，所述储能电容放电。

11、根据本发明第三方面实施例的mmc系统，包括桥臂模组以及控制模块，所述桥臂模组包括依次连接的多个上述任一实施例公开的的一种双向功率子模块，在所述桥臂模组中，所述双向功率子模块的第二桥臂连接端与相邻的所述双向功率子模块的第一桥臂连接端连接并且所述双向功率子模块的第三桥臂连接端与相邻的所述双向功率子模块的第四桥臂连接端连接以实现依次连接，位于所述桥臂模组首端的所述双向功率子模块的第一桥臂连接端用于与直流供电源的正极连接，位于所述桥臂模组尾端的所述双向功率子模块的第四桥臂连接端用于与直流供电源的负极连接，位于所述桥臂模组首端的所述双向功率子模块的第三桥臂连接端和位于所述桥臂模组尾端的所述双向功率子模块的第二桥臂连接端均用于与交流侧负载连接，所述控制模块分别与各个双向功率子模块中的所述第一开关件的受控端、第二开关件的受控端、第三开关件的受控端、第四开关件的受控端、第五开关件的受控端以及第六开关件的受控端连接以控制运行。

12、根据本发明实施例的mmc系统，至少具有如下有益效果：

13、本发明mmc系统，桥臂模组中，双向功率子模块的第二桥臂连接端与相邻的所述双向功率子模块的第一桥臂连接端连接从而形成上桥臂单元的支路，而双向功率子模块的第三桥臂连接端与相邻的所述双向功率子模块的第四桥臂连接端连接而形成下桥臂单元的支路，控制模块同时控制所述第一开关件、所述第三开关件以及所述第五开关件导通，并且同时控制所述第二开关件、所述第四开关件以及所述第六开关件断开，在上桥臂单元的一侧，电流可以经过第一开关件、储能电容以及第二开关件，根据电流的方向，能够为储能电容充电或者储能电容放电，而在下桥臂单元一侧，第五开关件导通，双向功率子模块被旁路，控制模块也可以同时控制所述第一开关件、所述第三开关件以及所述第五开关件断开，并且同时控制第二开关件、所述第四开关件以及所述第六开关件导通，此时在上桥臂单元的一侧，第二开关件导通，而在下桥臂单元的一侧，电流可以经过第四开关件、储能电容以及第六开关件，根据电流的方向，能够为储能电容充电或者储能电容放电，本设计缩减储能电容的使用量，缩小体积以及降低布置成本。

14、根据本发明的一些实施例，在同一双向功率子模块中，当所述第一开关件、所述第三开关件以及所述第五开关件导通，则所述第二开关件、所述第四开关件以及所述第六开关件断开；当所述第二开关件、所述第四开关件以及所述第六开关件导通，则所述第一开关件、所述第三开关件以及所述第五开关件断开。

15、根据本发明的一些实施例，当直流供电源对位于所述桥臂模组首端的所述双向功率子模块的第一桥臂连接端施加正向电流，所述第一开关件、所述第三开关件以及所述第五开关件导通，并且所述第二开关件、所述第四开关件以及所述第六开关件断开，所述储能电容被充电。

16、根据本发明的一些实施例，当直流供电源对位于所述桥臂模组首端的所述双向功率子模块的第一桥臂连接端施加反向电流，所述第一开关件、所述第三开关件以及所述第五开关件导通，并且所述第二开关件、所述第四开关件以及所述第六开关件断开，所述储能电容放电。

17、根据本发明的一些实施例，当直流供电源对位于所述桥臂模组尾端的所述双向功率子模块的第四桥臂连接端施加反向电流，所述第一开关件、所述第三开关件以及所述第五开关件断开，并且所述第二开关件、所述第四开关件以及所述第六开关件导通，所述储能电容被充电。

18、根据本发明的一些实施例，当直流供电源对位于所述桥臂模组尾端的所述双向功率子模块的第四桥臂连接端施加正向电流，所述第一开关件、所述第三开关件以及所述第五开关件断开，并且所述第二开关件、所述第四开关件以及所述第六开关件导通，所述储能电容放电。

19、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。