[发明专利]一种新型模块化多电平换流器拓扑

说明书

技术领域

本发明涉及一种模块化多电平换流器。

背景技术

模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)作为一种新型的高压大功率电能变换技术，已日益获得了各国研究人员的普遍关注。与传统两电平、三电平换流器相比，模块化多电平环流器具有如下明显优势：

(1)、制造难度降低：不需要基于IGBT串联而构成的阀，降低了制造技术门槛；

(2)、损耗降低：模块化多电平换流器的开关频率成倍降低，换流器损耗大大减小；

(3)、阶跃电压降低：由于模块化多电平换流器的阶梯电压较小，因而产生的阶跃电压和阶跃电流都较小，从而使得开关应力、电磁干扰都大大减小；

(4)、波形质量高：由于模块化多电平换流器输出电平数较多，波形质量高，含有谐波量少，因而滤波器的体积也随之大大减小；

(5)、模块化的结构：模块化多电平换流器模块化的结构使得该拓扑理论上能达到任意的电压和功率要求，降低制造和维护成本。

但是，根据理论分析，模块化多电平换流器电容电压波动的幅值与频率成反比，当工作频率降低时，电容电压的波动幅值将显著增大，以至于模块化多电平换流器在低频状态很难应用，限制了模块化多电平换流器在高压驱动方面的应用范围。为了抑制电容电压波动，最直接的办法是增大电容的容量，但这将造成系统成本升高，功率密度降低等一系列问题。

郑琼林等人的申报的公开号为CN101546964A，名称为《模块组合型多电平换流器》专利申请中提出了对模块化多电平拓扑的改进，但仅仅针对功率不平衡的问题改进了顶端和底端的功率模块，没有针对如何减少换流器模块数，如何降低电容电压波动幅值，如何降低电容的容量，如何提高功率密度以及如何降低成本等问题来进一步改进模块化多电平换流器的拓扑。

发明内容

本发明是为了解决现有传统模块化多电平换流器电容电压波动幅值大、电容的容量大、功率密度低、所需模块数较多的问题，从而提供一种新型模块化多电平换流器拓扑。

一种新型模块化多电平换流器拓扑，它包括三个顶端子模块M1、三个底端子模块M5、三个中间子模块M3、3n个上桥臂子模块M2、3n个下桥臂子模块M4、第一电抗器1、第二电抗器2、第三电抗器3、第四电抗器4、第五电抗器5和第六电抗器6，n为正整数；

所述三个顶端子模块M1并联组成顶端模块组7；三个底端子模块M5并联组成底端模块组9；三个中间子模块M3组成中间模块组8；所述三个中间子模块M3上分别带有输出端子a、b和c；

一个顶端子模块M1依次串联n个上桥臂子模块M2构成换流器第一相的上桥臂；

一个底端子模块M5依次串联n个下桥臂子模块M4构成换流器第一相的下桥臂；

第一相上桥臂和下桥臂间分别通过第一电抗器1和第二电抗器2与一个中间子模块M3相连，形成第一相电路；

一个顶端子模块M1依次串联n个上桥臂子模块M2构成换流器第二相的上桥臂；

一个底端子模块M5依次串联n个下桥臂子模块M4构成换流器第二相的下桥臂；

第二相上桥臂和第二相下桥臂间分别通过第三电抗器3和第四电抗器4与一个中间子模块M3相连，形成第二相电路；

一个顶端子模块M1依次串联n个上桥臂子模块M2构成换流器第三相的上桥臂；

一个底端子模块M5依次串联n个下桥臂子模块M4构成换流器第三相的下桥臂；

第三相上桥臂和第三相下桥臂间分别通过第五电抗器5和第六电抗器6与一个中间子模块M3相连，形成第三相电路；

顶端模块组7与直流电源的正极P相连，底端模块组9与直流电源的负极N相连；

每一相电路中的所有子模块的数量为N1个，所述N1为取值为：

N1＝(k–1)/2–1

式中：k为电平数。

顶端模块组7的具体电路结构为：第一相电路中的顶端子模块M1包括一号可控开关S11和二号可控开关S12；第二相电路中的顶端子模块M1包括三号可控开关S13和四号可控开关S14；第三相电路中的顶端子模块M1包括五号可控开关S15和六号可控开关S16；

所述一号可控开关S11的集电极、三号可控开关S13的集电极和五号可控开关S15的集电极同时与直流电源的正极P相连；

所述二号可控开关S12的发射极、四号可控开关S14的发射极和六号可控开关S16的发射极连接；

一号可控开关S11的发射极与二号可控开关S12的集电极连接，且引出第一接线端子10；