本發明屬于電力電子技術和電力輸配電領域，特別涉及一種中點箝位三電平單極電流模塊。

背景技術：

模塊化多電平變流器因具有電流諧波特性好、有功無功解耦控制、模塊化設計、便于實現故障容錯運行等優點，在高壓大功率電力變換場合，如柔性直流輸電、高壓無功補償、電機變頻驅動等領域得到了廣泛運用。

模塊化多電平變流器的運行特性取決于內部模塊的電路結構。傳統的半橋模塊結構具有損耗較小、成本較低的優勢，但由于無法提供負電平電壓，因而無法在直流側低電壓下輸送功率，也不能在直流側短路故障后限制故障電流。此外，由半橋模塊構成的橋臂其橋臂電壓始終為正，因此不便于通過注入高頻變化的橋臂電壓來降低模塊電容電壓的波動幅度。

為提升模塊化多電平變流器的工作性能，可以采用能夠提供負電平的模塊代替半橋模塊。已有研究提出的能夠提供負電平的模塊包括：全橋模塊、箝位雙模塊(CDSM,clamp-double sub-module)，(Marquardt,R.,"Modular Multilevel Converter:An universal concept for HVDC-Networks and extended DC-Bus-applications,"Power Electronics Conference(IPEC),2010International,vol.,no.,pp.502,507,21-24June 2010.)、單極電壓模塊(Jiangchao Qin；Saeedifard,M.；Rockhill,A.；Rui Zhou,"Hybrid Design of Modular Multilevel Converters for HVDC Systems Based on Various Submodule Circuits,"in Power Delivery,IEEE Transactions on,vol.30,no.1,pp.385-394,Feb.2015.)、對角橋模塊(專利公開號CN105450045A)。

上述模塊與半橋模塊相比，全橋模塊、箝位雙模塊和單極電壓模塊均需要采用更多數量的可控開關器件，成本增加較大。而對角橋模塊采用的可控開關器件數量與半橋模塊一致，成本增加較少。然而，對角橋模塊中兩個可控開關器件分布于模塊的對角位置，因此其中的可控開關器件只能分別使用單個器件模塊，而無法像半橋模塊一樣，采用集成度更高的雙管模塊，不利于模塊的集成化設計。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服已有技術的不足之處，提出一種中點箝位三電平單極電流模塊，該模塊適于單極電流應用場合，較具有相同電平數目的其他模塊所需的開關器件少，具有節約成本和結構緊湊等特點。

一種中點箝位三電平單極電流模塊，其特征在于，包括四個全控開關器件、兩個二極管單元、兩個電容以及兩個二極管；其中，第一全控開關器件的發射極與第二全控開關器件的集電極相連于第一點，第一全控開關器件的集電極與第一二極管單元的陽極相連作為該模塊的第一端口；第三全控開關器件的發射極與第四全控開關器件的集電極相連于第二點，第四全控開關器件的發射極與第二二極管單元的陰極相連作為該模塊的第二端口(B)；第一電容的陰極與第二電容的陽極相連于第三點；第一二極管單元的陰極、第三全控開關器件的集電極與第一電容的陽極相互連接，第二二極管單元的陽極、第二全控開關器件的發射極與第二電容的陰極相互連接，第一二極管的陽極、陰極分別接入第一點、第三點，第二二極管的陽極、陰極分別接入第三點、第二點；通過該模塊的電流始終從第一端口流入、從第二端口流出，兩端口間的電壓差為該模塊的端口電壓。

所述第一電容和第二電容的額定工作電壓相同，記為U_dc；第一、第二、第三、第四全控開關器件以及第一、第二二極管均采用額定工作電壓為U_dc的開關器件；第一、第二二極管單元均分別采用額定電壓為2U_dc的一個二極管，或者均分別由兩個額定工作電壓均為U_dc的二極管串聯構成。

通過控制相應全控開關器件的導通與關斷，使所述模塊的端口電壓的額定值在±2U_dc、±U_dc和0中的任意兩者間切換。

本發明的特點及有益效果：

本發明提出的一種中點箝位三電平單極電流模塊，是一種只允許單一方向電流通過的單相中點箝位三電平電壓源模塊，適于單電流方向應用場合：

本發明與可通過雙向電流的中點箝位三電平電壓源模塊比較，所使用的全控開關器件可節省1/2；

本發明可構成僅通過單極電流的模塊化多電平變流器，當輸出相同正電平數目時，本發明使用的全控開關器件與半橋模塊相同，并且僅通過附加少量二極管即可提供與正電平數目相同的負電平，有助于改善變流器在低電壓和低頻運行下直流電壓的性能，并增加了變流器的直流故障閉鎖能力；

與全橋模塊，單極電壓模塊和箝位雙模塊相比，當輸出相同電平數目時，本發明采用的全控開關器件數目更少，是全橋模塊的1/2，是單極電壓模塊和箝位雙模塊的2/3，成本相對更低；

本發明提出的中點箝位三電平單極電流模塊可輸出雙極性三電平電壓，與輸出相同正負電平數目的兩個對角橋模塊相比，中點箝位三電平單極電流模塊采用的全控開關器件可以采用集成度更高的雙管模塊，更易于實現模塊的集成化設計，結構更為緊湊。

附圖說明

圖1是本發明的中點箝位三電平單極電流模塊結構圖，其中圖1(a)是基于逆阻型全控開關器件(如GTO、IGCT等)的模塊結構圖，圖1(b)是基于逆導型全控開關器件(如IGBT)的模塊結構圖；

圖2是本發明的二極管單元結構圖，圖2(a)、(b)是二極管單元D₁結構圖，圖2(c)、(d)是二極管單元D₂結構圖

圖3是由n個本發明所述中點箝位三電平單極電流模塊相互串聯構成的單極電流變流鏈的示意圖。

圖4是由本發明所述中點箝位三電平單極電流模塊構成的模塊化多電平變流器示意圖。

具體實施方式

本發明提出的中點箝位三電平單極電流模塊，結合附圖和具體實施例對其結構和功能說明如下：

本發明提出的中點箝位三電平單極電流模塊，其結構如圖1(a)所示，包括四個全控開關器件T₁、T₂、T₃、T₄、兩個二極管單元D₁、D₂、兩個電容C₁、C₂以及兩個二極管D₃、D₄；其中，T₁的發射極與T₂的集電極相連于E點，T₁的集電極與D₁的陽極相連，作為中點箝位三電平單極電流模塊的一個端口A；T₃的發射極與T₄的集電極相連于F點，T₄的發射極與D₂的陰極相連，作為中點箝位三電平單極電流模塊的另一個端口B；C₁的陰極與C₂的陽極相連于O點；D₁的陰極、T₃的集電極與C₁的陽極相互連接，D₂的陽極、T₂的發射極與C₂的陰極相互連接，D₃的陽極接入E點、D₃的陰極接入O點，D₄的陽極接入O點、D₄的陰極接入F點。

其中，C₁正極與負極之間的電壓差為U_dc1，C₂正極與負極之間的電壓差為U_dc2，通過中點箝位三電平單極電流模塊的電流i_SM，其方向始終從端口A流入，從端口B流出，端口A、B之間的電壓差為中點箝位三電平單極電流模塊的端口電壓u_SM。

電容C₁與電容C₂的額定工作電壓彼此相同，即U_dc1＝U_dc2＝U_dc；T₁、T₂、T₃、T₄、D₃、D₄均采用適于額定工作電壓為U_dc的開關器件；D₁、D₂可分別采用額定工作電壓為2U_dc的一個二極管，也可分別由兩個額定工作電壓均為U_dc的二極管串聯構成。二極管單元D₁可由1個二極管D₁₁構成，見圖2(a)，D₁₁的陰極為D₁的陰極，D₁₁的陽極為D₁的陽極，D₁₁的額定工作電壓為2U_dc；D₁也可由二極管D₁₁和D₁₂串聯構成，見圖2(b)，D₁₁的陰極作為D₁的陰極，D₁₁的陽極與D₁₂的陰極相連，D₁₂的陽極作為D₁的陽極，D₁₁、D₁₂的額定工作電壓均為U_dc。二極管單元D₂可由1個二極管D₂₁構成，見圖2(c)，D₂₁的陰極為D₂的陰極，D₂₁的陽極為D₂的陽極，D₂₁的額定工作電壓為2U_dc；D₂也可由二極管D₂₁和D₂₂串聯構成，見圖2(d)，D₂₁的陰極作為D₂的陰極，D₂₁的陽極與D₂₂的陰極相連，D₂₂的陽極作為D₂的陽極，D₂₁、D₂₂的額定工作電壓均為U_dc。

所述全控開關器件T₁、T₂、T₃、T₄可采用逆阻型全控電力電子開關器件，典型如集成門極換流晶閘管(IGCT)或門極可關斷晶閘管(GTO)，全控開關器件內部不包括續流二極管，對應中點箝位三電平單極電流模塊的結構圖如圖1(a)。

所述全控開關器件T₁、T₂、T₃、T₄亦可采用逆導型全控電力電子開關器件，典型如絕緣門極雙極型晶體管(IGBT)，每個全控開關器件內部包括一個續流二極管，續流二極管的陽極與全控開關器件的發射極相連，續流二極管的陰極與全控開關器件的集電極相連，對應中點箝位三電平單極電流模塊的結構圖如圖1(b)，其中T₁內部的續流二極管為D_1e、T₂內部的續流二極管為D_2e、T₃內部的續流二極管為D_3e、T₄內部的續流二極管為D_4e。

本發明提出的中點箝位三電平單極電流模塊只能流通從A端口流向B端口的電流，當T₁、T₂、T₃和T₄均關斷時，模塊端口電壓u_SM近似等于2U_dc；當T₁導通、T₂、T₃和T₄關斷，或T₄導通、T₁、T₂和T₃關斷時，模塊端口電壓u_SM近似等于U_dc；當T₂關斷、T₁、T₃和T₄導通，或T₃關斷、T₁、T₂和T₄導通時，模塊端口電壓u_SM近似等于-U_dc；當T₁、T₂、T₃和T₄均導通時，模塊端口電壓u_SM近似等于-2U_dc；當T₁、T₂導通、T₃、T₄關斷，或T₁、T₂關斷、T₃、T₄導通，或T₁、T₄導通，T₂、T₃關斷時，模塊端口電壓u_SM近似等于0。

將本發明提出的中點箝位三電平單極電流模塊多個相互串聯，可構成單極電流變流鏈10。如圖3所示，是由n(n為大于1的自然數)個中點箝位三電平單極電流模塊串聯構成的單極電流變流鏈10，其中第一個箝位中點三電平單極電流模塊M₁的A端口作為變流鏈的一個端點H₁，M₁的B端口接入第二個箝位中點三電平單極電流模塊M₂的A端口，第k(k＝1,2，…，n-1)個箝位中點三電平單極電流模塊M_k的B端口接入第k+1個箝位中點三電平單極電流模塊M_k+1的A端口，第n個箝位中點三電平單極電流模塊M_n的B端口作為單極電流變流鏈的另一個端點H₂；H₁與H₂之間的電壓差為單極電流變流鏈10的端口電壓U_SM。

在所述單極電流變流鏈10中，流經電流i_SM的方向始終從H₁端流向H₂端，其中流經第k個中點箝位三電平單極電流模塊M_k的電流方向，始終從M_k的A端口流入，從B端口流出。令第k個(k＝1,2，…，n-1)中點箝位三電平單極電流模塊的端口電壓為u_SMk，如前所述，控制M_k中全控開關器件T₁、T₂、T₃、T₄的關斷和導通狀態，可使得M_k的端口電壓u_SMk近似等于±2U_dc、±U_dc、0共計五種電平；相應地，n個中點箝位三電平單極電流模塊中每個模塊的端口電壓均可得到上述五種電平；由于n個中點箝位三電平單極電流模塊相互串聯，該變流鏈的端口電壓U_SM為n個中點箝位三電平單極電流模塊端口電壓之和，故該變流鏈的端口電壓U_SM能夠形成近似±2n·U_dc、±(2n-1)·U_dc、±(2n-2)·U_dc、±3U_dc、±2U_dc、±U_dc、0，共4n+1個電平。

作為中點箝位三電平單極電流模塊和單極電流變流鏈10的一種應用實施例，由單極電流變流鏈10可進一步構成模塊化多電平變流器。

如圖4所示，所述模塊化多電平變流器30、40通常由結構相同的三相A,B,C及直流側正極DC+、直流側負極DC-構成；每相均由上、下兩個相同橋臂串聯構成，每個橋臂均由1臺濾波電抗器L與1個單極電流變流鏈10或1個中點箝位三電平單極電流模塊相互串聯構成；各相上橋臂正極端P+作為該相直流側正極端，各相下橋臂負極端N-作為該相直流側負極端；變流器各相的直流側正極端共同連接形成變流器的直流側正極DC+，變流器各相的直流側負極端共同連接形成變流器的直流側負極DC-；每相上橋臂負極端P-與下橋臂正極端N+的連接點分別為每相交流側端Ac,Bc,Cc；Ac,Bc,Cc分別與交流電壓每相線端Ag,Bg,Cg連接。

模塊化多電平變流器30的每個橋臂電流i_SM的方向，與橋臂中的變流鏈10或單極電流模塊的電流方向相同，始終從橋臂正極端P+流向橋臂負極端N-，變流器30的功率始終從直流側流向交流側；模塊化多電平變流器40的每個橋臂電流i_SM的方向，與橋臂中的變流鏈10或單極電流模塊的電流方向相反，始終從橋臂負極端N-流向橋臂正極端P+，40的功率始終從交流側流向直流側。

模塊化多電平變流器30、40亦可用結構相同的兩相構建或一般而言可以多相構建。