[发明专利]新型的模块化多电平逆变器

说明书

技术领域

本发明属于电力电子变换和电力系统等领域，特别涉及一种新型的模块化多电平逆变器，可用于柔性直流输电工程，中、高压电机传动，分布式发电，电力牵引，电能质量治理等高压大功率场合。

背景技术

随着电力电子技术的快速发展，多电平逆变器在存在远离负荷中心的可再生能源发电并网，城市电网供电，电机的传动等工业领域发挥着积极的作用，取得了较大的成果。但在高压大功率应用领域存在一定的劣势。模块化多电平逆变器( Modular Multilevel Converter，MMC ) 具有经济、灵活、电能质量高、电压及电流等级高、可控性强等优点，可以将小型的分散电源通过经济、环保的方式接入交流电网。

MMC采用子模块串联的方法，通过电压叠加使得交流侧实现多电平、高电压输出，在系统等效开关频率不变的情况下降低开关频率。与传统的逆变器相比在技术上具有明显的优势，主要表现在：高度模块化的拓扑结构、易于冗余设计、可替代性强、具有公共直流母线、模块电容电压易于均衡、具有较低的谐波含量和电磁干扰、故障穿越能力强、开关损耗小、逻辑器件少等优势。另外由于这种结构每个子模块都是由相同的组成，所以当一个子模块出现问题的时候，可以及时切除坏损模块，投入新模块，保证系统的正常运行。 同时也方便向更高电平拓展。其子模块数越多，直流侧的电压可以越高，等效开关频率越高，交流侧输出电压的谐波含量越小。

电力电子器件对电力电子装置的发展起着决定性的作用。1904年出现的电子管、晶体管为电力电子变流技术奠定了基础。70年代出现的晶闸管使整流、逆变技术逐渐进入了电力电子变频时代。80年代出现的自关断大功率双极性晶体管（GTO）其性能远远超过半控型器件晶闸管，使其在变频领域迅速占领主导地位。80年代初期出现的电力场效应管（MOSFET）属于电压型器件，驱动功率小，安全工作区大，开关频率高，但是这种器件耐电压、电流能力低，限制了它的应用范围。在80年代后期，以绝缘栅双极型晶体管（IGBT）为代表的复合型器件异军突起。IGBT是MOSFET和BJT的复合，将MOSFET的驱动功率小、开关速度快的优点和BJT通态压降小、载流能力大的优点集于一体，性能非常优越。使之成为现代电力电子技术的主导器件。进入90年代，为了使电力电子装置的结构紧凑、体积减小，出现了将检测、驱动、保护等功能集成在一起的功率集成器件（IPM）。后来又在IPM的基础上，将逻辑、控制等功能集成在一起，构成功率集成电路（PIC）。目前，电力电子器件制造技术正向着高压大功率、高开关频率、高度集成、低驱动功率的方向发展。

电力电子器件的不断革新，使其应用技术得到了迅速发展，在模块化多电平逆变器子模块SM的设计上，出现了大量的新型拓扑结构。如基于IGBT的半桥模块，全桥模块，双箝位模块，箝位型三电平模块和飞跨电容型三电平模块等等。

新型功率器件的出现及新型拓扑结构的发展，在一定程度上提高了电力电子装置的性能及容量。但大量电力电子元件的使用，势必会降低电力电子装置的安全稳定性，提高电力电子装置的成本。

因此，亟待研发出在满足模块化多电平逆变器的全部性能、功能的前提下，提高电力电子装置容量的同时，降低成本的电力电子装置。

发明内容

发明目的

本发明提供一种电力电子装置，用于实现三相电源的变压、变频，将此功能用于模块化多电平逆变装置中，目的在于调节负载电压、电流、频率及转速等，可大幅降低系统成本。

技术方案

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种新型的模块化多电平逆变器，其特征在于：包括直流电源、模块化多电平控制器及电网，模块化多电平控制器与直流电源连接，电网与模块化多电平控制器连接。

模块化多电平控制器是由六个桥臂和电抗器组成，电抗器连接桥臂；每个桥臂均由2N个SM子模块及缓冲电感组成，SM子模块相互串联后连接缓冲电感；六个桥臂分为第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂、第五桥臂和第六桥臂；第一桥臂与第四桥臂串联，第二桥臂与第五桥臂串联，第三桥臂与第六桥臂串联；第一桥臂与第二桥臂及第三桥臂并联，第四桥臂与第五桥臂及第六桥臂并联。

第一桥臂通过缓冲电感与第四桥臂的缓冲电感串联，第二桥臂通过缓冲电感与第五桥臂的缓冲电感串联，第三桥臂通过缓冲电感与第六桥臂的缓冲电感串联。