一种双向能量均衡换流链、电能路由器及控制方法技术

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；本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种双向能量均衡换流链、电能路由器及控制方法
本申请涉及电力电子
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，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。本专利技术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，本专利技术的解决方案是：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。作为本专利技术的进一步优选方案，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。作为本专利技术的进一步优选方案，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。作为本专利技术的进一步优选方案，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。作为本专利技术的进一步优选方案，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。作为本专利技术的进一步优选方案，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。作为本专利技术的进一步优选方案，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。作为本专利技术的进一步优选方案，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。作为本专利技术的进一步优选方案，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。作为本专利技术的进一步优选方案，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。作为本专利技术的进一步优选方案，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。作为本专利技术的进一步优选方案，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。作为本专利技术的进一步优选方案，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。作为本专利技术的进一步优选方案，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。作为本专利技术的进一步优选方案，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。作为本专利技术的进一步优选方案，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。作为本专利技术的进一步优选方案，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。作为本专利技术的进一步优选方案，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。作为本专利技术的进一步优选方案，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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双向能量均衡换流链，其特征在于，包括：/nM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；/nN个多端口平衡单元，N为大于等于1且小于等于M的整数；/n所述多端口平衡单元端口数P为3或4；/n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；/n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。/n

【技术特征摘要】
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。


2.根据权利要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。


3.根据权利要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。


4.根据权利要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。


5.根据权利要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。


6.根据权利要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。


7.根据权利要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。


8.根据权利要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。


9.根据权利要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。


10.根据权利要4-9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包括功率半导体器件或机械开关。


11.根据权利要10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。


12.根据权利要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。


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。


14.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...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢晔源，王宇，李海英，孙乐，
申请(专利权)人：南京南瑞继保电气有限公司，南京南瑞继保工程技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32