[发明专利]一种模拟MMC多个子模块的等时间常数缩小子模块板

说明书

技术领域

本发明属于电力电子领域，涉及一种用于模块化多电平(MMC)电压源换流器(VSC)的低压模拟试验装置，更具体涉及一种模拟MMC多个子模块的等时间常数缩小子模块板。

背景技术

目前应用于柔性直流输电的电压源换流器分为两种：一种是基于大功率IGBT串联技术的两电平或三电平换流器，一种是采用高压子模块级联技术的模块化多电平电压源换流器(MMC-VSC)。

对于后者，其三相换流器由六个桥臂构成，每个桥臂由多个级联高压子模块构成。而每个高压子模块使用电力电容器作为可投入或切除的单个直流电压源(可达1.2kV)，两只大功率IGBT串联作为投切开关，电容器的正极连接上管IGBT的源极，负极连接下IGBT的发射极。下管IGBT的源极和发射极分别由端子母排引出，作为模块的输出端子。下管IGBT可以与晶闸管和旁路开关并联，以在电流过大时保护IGBT。

可见在电容器电压稳定时，由控制脉冲分别控制上下管IGBT的通断，即可控制高压子模块电容投入级联或旁路。多个子模块级联连接构成电压源换流器的桥臂时，根据不同的调制算法，可以调制出多个电平阶梯。尤其当调制波为工频基波且级联模块数较多时，在其一相的上下桥臂中点可调制出接近正弦的单相电压源。而六桥臂即可构成三相电压源换流器。

由于这种换流器控制算法较复杂，针对系统不同的运行状态，其换流器的控制和保护策略需要大量的试验进行验证。

现有的换流器试验装置主要是全尺寸的高压子模块，只能以较少的数量构成试验桥臂；或是按照某种比例缩小但功率元器件之间仍采用线缆连接的拓扑，整个子模块放置与机柜架中。

以上方案由于采用高压分立元件，其电压等级高、体积大，且模块较少，调制出的阶梯波谐波大，波形较差，主要用于模块电气特性和兼容性的验证。

即使降低了电压等级，增加了单个桥臂级联的模块数，但由于每个子模块的分立元件之间仍然采用线缆和紧固螺丝连接，元件放置在绝缘板上或固定在机柜之中，体积难以缩小，且接插件的损耗较大。

发明内容

本发明提供了一种用于模块化多电平电压源换流器(MMC-VSC)换流阀试验的低压子模块板，该板为PCB板，每块板可集成1个或多个子模块。其中每个子模块包括数字处理器部分(SMC)、子模块主电路部分、通信与电源电路部分。子模块的主要作用是开关元件IGBT控制该模块中电容器的投入和切除，由于多个子模块为级联连接，投入不同数量的模块电容，可以调制出不同的阶梯电压波，从而可形成近似工频正弦波，与交流直流系统进行能量交换。

本发明的一种模拟多电平电压源换流器MMC多个子模块的等时间常数缩小子模块板，包括：

该多子模块板卡为PCB板；

一个机箱内可集成5-20个子模块板卡，板卡之间的主电路和电源回路通过机箱的背板总线进行连接，结构紧凑，可引出多个检测点；

所述每个板卡上集成了N个控制电路和主电路都相互独立的按系数缩小的MMC子模块，所述N为自然数；

所述每个MMC子模块为级联关系、功能完全独立，每个MMC子模块之间通过所述板卡上的PCB走线进行连接；

每个MMC子模块都有各自独立的数字控制芯片、编解码电路、光纤通道、AD采样电路和子模块主电路，所述主电路包括两个串联的IGBT、一个电容器、一个旁路开关和晶闸管；

所述每个MMC子模块主电路的结构为：

所述MMC子模块的主电路中：两个串联的自带反并联二极管的绝缘栅双极型功率管IGBT，所述绝缘栅双极型功率管IGBT可用低压金氧半场效晶体管MOSFET代替，作为可投入可切除的有极性电解电容器，两个串联的IGBT中的上IGBT的发射极连接下IGBT的集电极(是否正确？)，并联电容器的正极连接上IGBT的集电极，负极连接下IGBT的发射极，均压电阻与并联电容并联，所述多个MMC子模块同时投入串联回路时，相同阻值的电阻也为串联，起着均衡模块电压的作用；

所述子模块与外部电路的连接从下IGBT正负极分别引出；

所述主电路的上下两个IGBT脉冲为互锁关系，电容电压稳定时，如果给上IGBT发送开通指令，下IGBT则关断，则从外部电路看，子模块电压为电容电压；如果给上IGBT发送关断指令，则下IGBT导通，从外部电路看，子模块电压为接近于零，于是子模块在串联电路中的电平可任意控制为零或电容电压；