模块化多电平变流器子模块电容能量回收及预充电一体化装置.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010460636.X (22)申请日 2020.05.27 (71)申请人 南京航空航天大学 地址 211106 江苏省南京市江宁区将军大 道29号 (72)发明人 刘泽浩肖岚李宏旭张玺 (74)专利代理机构 南京瑞弘专利商标事务所 (普通合伙) 32249 代理人 徐激波 (51)Int.Cl. H02M 7/483(2007.01) H02M 1/36(2007.01) H02M 1/32(2007.01) (54)发明名称 一种模块化多电平变流器子模块电容能量 回收。

2、及预充电一体化装置 (57)摘要 本发明公开了一种模块化多电平变流器子 模块电容能量回收及预充电一体化装置， 包括储 能电容Uc、 IGBT半桥电路、 第一断路器QF2、 第一 接触器KM1、 第二接触器KM2、 三工位开关3PS、 放 电电阻R1、 熔断器FU、 控制器和保护外壳； 所述控 制器包括DSP控制器和FPGA控制器； 所述储能电 容输出端与IGBT半桥电路输入端相连， 构成储能 电容充放电回路； 所述IGBT半桥输出端与直流侧 输入端连接， 实现子模块系统与储能电容的连 接； 所述DSP控制器、 FPGA控制器控制IGBT半桥电 路及子模块IGBT， 驱动相应IGBT协调动作实现。

3、电 能的回收与重新利用； 上述结构固定于保护外壳 内； 本发明可实现模块化多电平变流器子模块电 容能量的回收储存和预充电， 实现了子模块电容 能量的回收利用。 权利要求书1页 说明书4页 附图4页 CN 111641344 A 2020.09.08 CN 111641344 A 1.一种模块化多电平变流器子模块电容能量回收及预充电一体化装置， 其特征在于， 包括储能电容Uc、 IGBT半桥电路、 第一断路器QF2、 第一接触器KM1、 第二接触器KM2、 三工位开 关3PS、 放电电阻R1、 熔断器FU、 控制器和保护外壳； 所述控制器包括DSP控制器和FPGA控制 器； 所述储能电容Uc正极。

4、与熔断器FU连接， 熔断器FU输出端连接三工位开关3PS的固定端； 所述三工位开关3PS接地端连接有放电电阻R1， 输出端与IGBT半桥电路连接； 所述IGBT半桥 电路由Q1和Q2两个IGBT串联构成； 所述Q1上设有第一反并联二极管D1， Q2上设有第二反并联 二极管Q2； 串联输出端与第一接触器KM1一端连接， 第一接触器KM1另一端连接至模块化多电 平变流器子模块上桥臂输入端相连； 所述IGBT半桥电路输出端与第二接触器KM2一端连接， 第二接触器KM2另一端连接至模块化多电平变流器子模块下桥臂输入端相连； 所述储能电 容Uc负极与第一断路器QF2一端相连； 所述第一断路器QF2另一端。

5、与所述IGBT半桥电路串联 输出端连接； 所述DSP控制器、 FPGA控制器通过CAN总线连接， DSP控制器将所述模块化多电平变流器 子模块开关器件的开关信号传输至FPGA控制器， 所述FPGA控制器实现对IGBT开关器件的开 关控制， 配合半桥电路对子模块电容能量的回收与利用； DSP控制器通过CAN总线与各子模 块电容电压传感器连接， 子模块电容电压传感器将所采集的电压信号经CAN总线传输给DSP 控制器， 用于对子模块电容电压的追踪与控制。 2.根据权利要求1所述的一种模块化多电平变流器子模块电容能量回收及预充电一体 化装置， 其特征在于， 所述一体化装置安装在立方体保护外壳内； 所述。

6、保护外壳包括电容 室、 开关室、 一次回路室和控制器二次回路室； 所述电容室位于保护外壳左上侧， 所述电容 室内放置储能电容Uc， 所述开关室位于保护外壳上侧中部， 所述开关室内放置第一断路器 QF2、 第一接触器KM1、 第二接触器KM2、 三工位开关3PS， 所述一次回路室位于保护外壳下侧， 所述一次回路室放置IGBT半桥电路中的Q1和Q2两个IGBT， 两侧有通风散热孔及散热片， 所述 控制二次回路室位于保护外壳右上侧， 所述控制回路室放置DSP控制器、 FPGA控制器。 3.根据权利要求1所述的一种模块化多电平变流器子模块电容能量回收及预充电一体 化装置， 其特征在于， 所述储能电容U。

7、C采用铝电解电容， 其容值为模块化多电平变流器所有 子模块电容容值总和的1.2倍。 4.根据权利要求1所述的一种模块化多电平变流器子模块电容能量回收及预充电一体 化装置， 其特征在于， 所述DSP控制器优选TMS320F28335控制器。 权利要求书 1/1 页 2 CN 111641344 A 2 一种模块化多电平变流器子模块电容能量回收及预充电一体 化装置 技术领域 0001 本发明涉及电容能量回收技术领域， 主要涉及一种模块化多电平变流器子模块电 容能量回收及预充电一体化装置。 背景技术 0002 随着模块化多电平技术的发展， 模块化多电平变流器(modular multilevel c。

8、onverter， MMC)逐渐应用于中高压多电平变换领域。 随着高压直流输电电压等级的不断提 升， 模块化多电平变流器子模块串联数目不断增加， 进而模块化多电平变流器中电容数目 不断增加。 MMC子模块电容起储能和能量传递的作用， 子模块电容数目越多， MMC子模块电容 储存能量越多。 MMC启动之前， 子模块电容需要预充电至相应电压； 当MMC停机后， MMC子模块 电容能量经放电电阻消耗。 最终， MMC子模块电容能量无法回收利用， 造成能量的浪费。 因 此， 急需一种MMC子模块电容能量回收及MMC预充电一体化装置， 实现子模块能量的回收利 用。 发明内容 0003 发明目的： 为解决。

9、MMC子模块电容能量无法回收、 MMC停机后子模块电容能量经电 阻消耗浪费等问题， 本发明提供一种MMC子模块电容能量回收及MMC预充电一体化装置。 0004 技术方案： 为实现上述目的， 本发明采用的技术方案为： 0005 一种模块化多电平变流器子模块电容能量回收及预充电一体化装置， 包括储能电 容Uc、 IGBT半桥电路、 第一断路器QF2、 第一接触器KM1、 第二接触器KM2、 三工位开关3PS、 放电 电阻R1、 熔断器FU、 控制器和保护外壳； 所述控制器包括DSP控制器和FPGA控制器； 0006 所述储能电容Uc正极与熔断器FU连接， 熔断器FU输出端连接三工位开关3PS的固 。

10、定端； 所述三工位开关3PS接地端连接有放电电阻R1， 输出端与IGBT半桥电路连接； 所述 IGBT半桥电路由Q1和Q2两个IGBT串联构成； 述Q1上设有第一反并联二极管D1， Q2上设有第二 反并联二极管Q2； 串联输出端与第一接触器KM1一端连接， 第一接触器KM1另一端连接至模块 化多电平变流器子模块上桥臂输入端相连； 所述IGBT半桥电路输出端与第二接触器KM2一 端连接， 第二接触器KM2另一端连接至模块化多电平变流器子模块下桥臂输入端相连； 所述 储能电容Uc负极与第一断路器QF2一端相连； 所述第一断路器QF2另一端与所述IGBT半桥电 路串联输出端连接； 0007 所述DS。

11、P控制器、 FPGA控制器通过CAN总线连接， DSP控制器将所述模块化多电平变 流器子模块开关器件的开关信号传输至FPGA控制器， 所述FPGA控制器实现对IGBT开关器件 的开关控制， 配合半桥电路对子模块电容能量的回收与利用； DSP控制器通过CAN总线与各 子模块电容电压传感器连接， 子模块电容电压传感器将所采集的电压信号经CAN总线传输 给DSP控制器， 用于对子模块电容电压的追踪与控制。 0008 进一步地， 所述一体化装置安装在立方体保护外壳内； 所述保护外壳包括电容室、 说明书 1/4 页 3 CN 111641344 A 3 开关室、 一次回路室和控制器二次回路室； 所述电容。

12、室位于保护外壳左上侧， 所述电容室内 放置储能电容Uc， 所述开关室位于保护外壳上侧中部， 所述开关室内放置第一断路器QF2、 第 一接触器KM1、 第二接触器KM2、 三工位开关3PS， 所述一次回路室位于保护外壳下侧， 所述一 次回路室放置IGBT半桥电路中的Q1和Q2两个IGBT， 两侧有通风散热孔及散热片， 所述控制二 次回路室位于保护外壳右上侧， 所述控制回路室放置TMS320F2812控制器、 FPGA控制器。 。 0009 进一步地， 所述储能电容Uc采用铝电解电容， 其容值为模块化多电平变流器所有 子模块电容容值总和的1.2倍。 0010 进一步地， 所述DSP控制器优选TMS。

13、320F28335控制器。 0011 有益效果： 0012 (1)采用IGBT半桥结构加储能电容结构实现了子模块电容能量在停机条件下的电 容能量回收与利用； 处于能量回收工作阶段时， Q1始终处于开路状态， Q2与Q1的二极管D1、 MMC桥臂电感构成装置的能量回收BOOST回路， 通过对Q2的固定占空比控制与MMC各个子模 块IGBT协调控制实现对MMC子模块电容能量的回收与利用； 通过控制器协调控制MMC各子模 块IGBT通断及IGBT半桥电路实现每个子模块电容能量依次回收并转移至储能电容， 最终实 现所有子模块电容能量的完全转移； 因能量回收电路损耗小， 能量实现了高效率回收， 弥补 了。

14、现有MMC子模块能量回收的技术空白； 0013 (2)采用IGBT半桥结构加储能电容结构实现了储能电容中储备能量至子模块电容 能量转移， 实现了MMC启动情况下的预充电功能； 所述装置处于子模块电容预充电阶段时， Q2始终处于开路状态， Q1与Q2的二极管D2、 MMC桥臂电感构成装置的预充电BUCK回路， 通过对 Q1的固定占空比控制与MMC各个子模块IGBT协调控制实现对MMC子模块电容的预充电功能； 0014 (3)采用固定占空比的PWM控制， 控制简单， 降低了控制系统的复杂程度， 节约了控 控器设计开发成本， 有利于产品的后期维护和保养。 附图说明 0015 图1为本发明的电路结构图。

15、； 0016 图2为本发明的控制结构图； 0017 图3为能量回收阶段IGBT半桥电路、 子模块IGBT控制信号图； 0018 图4为预充电阶段IGBT半桥电路、 子模块IGBT控制信号图； 0019 图5为保护外壳结构图； 0020 图6为子模块SM1电容预充电情况下的电容电压仿真波形图； 0021 图7为子模块SM1电容能量回收情况下的电容电压仿真波形图； 0022 图8为子模块SM1-SM4电容预充电情况下的子模块电容电压仿真波形图； 0023 图9为子模块SM1-SM4电容能量回收情况下的子模块电容电压仿真波形图。 具体实施方式 0024 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。 002。

16、5 如图1所示的一种模块化多电平变流器子模块电容能量回收及预充电一体化装 置， 包括储能电容Uc、 IGBT半桥电路、 第一断路器QF2、 第一接触器KM1、 第二接触器KM2、 三工 位开关3PS、 放电电阻R1、 熔断器FU； 说明书 2/4 页 4 CN 111641344 A 4 0026 储能电容Uc正极端+、 负极端-分别通过导线与熔断器FU的1端口和断路器QF2的10 端口连接； 所熔断器FU的2端口与三工位开关3PS的2端口连接， 熔断器FU起电路限流作用， 以保护储能电容Uc； 三工位开关3PS的3端口经导线与放电电阻R1相连， 放电电阻R1与地相连 构成能量泄放回路； 三工。

17、位开关3PS的4端口经导线与IGBT半桥电路5端口相连， 三工位开关 实现能量泄放、 工作、 停机三种工作状态切换。 0027 三工位开关3PS刀闸有停机工位、 工作工位、 能量泄放工位； 所述三工位开关的停 机工位为刀闸处于断开悬空状态， 实现储能电容与主回路断开， 停机工位为该装置的停机 状态， 实现储能电容与装置的隔离； 所述工作工位为刀闸处于2端口与4端口之间， 实现2端 口与4端口的导通， 实现储能电容与能量回收电路的连接， 通过控制IGBT半桥电路实现能量 的回收与预充电功能； 所述能量泄放工位为开关刀闸处于2端口与3端口之间， 实现端口2与 端口3的导通连接， 实现储能电容内电容。

18、的能量释放。 0028 IGBT半桥电路由Q1和Q2两个IGBT串联构成； Q1上设有第一反并联二极管D1， Q2上设 有第二反并联二极管Q2。 6端口经导线与接触器KM1的7端口相连， IGBT半桥电路12端口经导 线与接触器KM2的13端口相连， IGBT半桥电路实现子模块电容能量回收与MMC启动情况下子 模块电容预充电； 接触器KM1的8端口经导线与MMC上桥臂输入15端口连接； 接触器KM2的14端 口与MMC上桥臂输入16端口连接， 接触器KM1与接触器KM2构成与MMC子模块系统的连接通路。 接触器KM1的端口7与端口8分别通过导线连接至IGBT半桥电路的6端口与MMC上桥臂的端口。

19、 15； 所述接触器KM2的端口13与端口14分别通过导线连接至IGBT半桥电路的12端口与MMC下 桥臂的端口16； 所述接触器KM1与接触器KM2实现同步的导通与关断， 当同时导通时， 装置实 现与MMC系统的连接； 当同时关断时， 装置实现与MMC系统的断开。 0029 装置处于能量回收工作阶段时， Q1始终处于开路状态， Q2与Q1的反并联二极管D1、 MMC桥臂电感构成装置的能量回收BOOST回路， 通过对Q2的固定占空比控制与MMC各个子模 块IGBT协调控制实现对MMC子模块电容能量的回收与利用。 装置处于子模块电容预充电阶 段时， Q2始终处于开路状态， Q1与Q2的反并联二极。

20、管D2、 MMC桥臂电感构成装置的预充电 BUCK回路， 通过对Q1的固定占空比控制与MMC各个子模块IGBT协调控制实现对MMC子模块电 容的预充电功能。 0030 如图2所示， DSP控制器优选TMS320F28335控制器。 TMS320F28335控制器、 FPGA控制 器通过数据及地址(CAN)总线连接。 DSP控制器将MMC子模块开关器件的开关信号传送给 FPGA控制器， FPGA控制器实现对MMC子模块中IGBT开关器件的开关控制， 配合半桥电路对 MMC子模块电容能量的回收与利用； DSP控制器经CAN总线与MMC各子模块电容电压传感器连 接， 子模块电容电压传感器将所采集的电。

21、压信号经CAN总线传输给DSP控制器， DSP控制器实 现对子模块电容电压的准确追踪与控制； DSP控制器IO输出引脚分别连接着IGBT半桥电路 Q1、 半桥电路Q2、 三工位开关3PS、 接触器KM1与KM2、 断路器QF11、 QF12、 QF2、 QF3； 并最终通过协 调控制实现能量的回收与电容预充电功能。 0031 如图5所示， 本发明提供的一体化装置安装在立方体保护外壳内； 所述保护外壳包 括电容室、 开关室、 一次回路室和控制器二次回路室； 所述电容室位于保护外壳左上侧， 开 关室位于保护外壳上侧中部， 一次回路室位于保护外壳下侧， 两侧有通风散热孔及散热片， 控制二次回路室位于。

22、保护外壳右上侧。 0032 能量回收阶段的开关驱动信号图如图3所示， 高电平代表开关管导通， 低电平代表 说明书 3/4 页 5 CN 111641344 A 5 开关管关断。 具体操作步骤如下： 0033 步骤1、 MMC直流侧断路器QF11、 断路器QF12、 负载侧断路器QF3断开， 切断功率回路与 负载回路。 0034 步骤2、 子模块SMi中的开关管S1驱动信号在时间Ti时间段内保持高电平， 开关管S2 驱动信号始终保持低电平； 在时间Ti时间段内接触器KM1与KM2驱动信号保持高电平， 其余时 间保持低电平； 所有时间段半桥电路中开关管Q1的驱动信号保持低电平、 半桥电路下桥臂 I。

23、GBT的Q2的驱动信号在Ti时间段内分别以固定的占空比进行PWM控制， 实现子模块SMi中电 容能量的回收利用。 以MMC子模块数为8为例， 在对第i个子模块进行控制时， 其Q2的占空比 为固定值0.5。 0035 子模块预充电阶段的开关驱动信号图如图4所示， 具体操作步骤如下： 0036 步骤1： MMC直流侧断路器QF11、 断路器QF12、 负载侧断路器QF3断开， 切断功率回路与 负载回路； 0037 第二步： 子模块SMi中的开关管S2驱动信号在时间Ti时间段内保持低电平， 其余时 间保持高电平； 开关管S1驱动信号始终保持低电平； 在时间Ti时间段内接触器KM1与KM2驱动 信号保。

24、持高电平， 其余时间保持低电平； 所有时间段半桥电路中开关管Q2的驱动信号保持 低电平、 半桥电路下桥臂IGBT的Q1的驱动信号在Ti时间段内分别以固定的占空比进行PWM控 制， 实现子模块SMi中电容能量的回收利用； 0038 以MMC子模块数为8为例， 当对第i个子模块电容预充电时， 其Q2的占空比从SM1-SM8 依次为0.4、 0.45、 0.5、 0.55、 0.6、 0.65、 0.7、 0.75； 因为储能电容对8个子模块电容依次充电 时， 随着充电子模块增加， 储能电容中的能量逐渐转移至各个子模块， 储能电容能量逐渐减 少， 进而电容电压逐渐降低， 所以Q2占空比随着充电子模块。

25、增加而增加。 0039 图6与图7为子模块SM1充电与能量回收过程中电容电压仿真波形， 从仿真波形中 可以看出其相应的充电过程平滑， 有效的实现了能量的回收以及预充电功能； 图8与图9为 MMC上桥臂四个子模块的能量回收与预充电的波形图， 从图中可见本拓扑及控制方式实现 了各个子模块的电容能量依次回收和各个子模块电容预充电功能； 从图中可知， 该装置及 控制方法实现了对各个子模块电容能量的依次回收。 0040 以上所述仅是本发明的优选实施方式， 应当指出： 对于本技术领域的普通技术人 员来说， 在不脱离本发明原理的前提下， 还可以做出若干改进和润饰， 这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。 说明书 4/4 页 6 CN 111641344 A 6 图1 图2 说明书附图 1/4 页 7 CN 111641344 A 7 图3 图4 图5 说明书附图 2/4 页 8 CN 111641344 A 8 图6 图7 图8 说明书附图 3/4 页 9 CN 111641344 A 9 图9 说明书附图 4/4 页 10 CN 111641344 A 10 。