[发明专利]模块化多电平换流器四象限变频器

说明书

模块化多电平换流器四象限变频器，属于电力电子领域，本发明为解决MMC低频运行时存在的电容电压波动，以及高频注入方法会带来较大的电流冲击等问题。本发明包括背靠背连接的两组模块化多电平换流器，所述两组模块化多电平换流器为网侧模块化多电平换流器和机侧模块化多电平换流器；所述网侧模块化多电平换流器的电源输入端连接交流电网，网侧模块化多电平换流器的直流母线输出端连接机侧模块化多电平换流器的直流母线输入端，机侧模块化多电平换流器的负载输出端连接电机类负载。

技术领域

本发明属于电力电子领域，具体涉及一种混合型模块化多电平拓扑结构的变频器。

背景技术

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)是近些年来迅速发展的一种适用于高压大功率电能变换应用场合的电力电子装置。除高压直流输电外，MMC也被应用于变频器领域。与现有的高压大容量变频器大多采用H桥型变频器相比，MMC不但保留了其高效率、多电平电压输出、模块化结构、安装维护容易的优点，并且省去了级联H桥变频器中成本高昂、损耗严重的移相变压器，可以直接连接电网并通过公共直流母线供电。MMC结构灵活简单、易于扩展的特点，也使其应用的电压/功率等级不再受限制。而MMC在高压电机变频调速中的应用存在着需要大量电容器支撑，并且低频下电容电压波动较为严重的问题。因此当MMC拖动电机大转矩低速运行时，务必要采用容量极大的电容器以保证电容电压波动在合理范围，造成了换流器成本昂贵、体积庞大的问题。

针对MMC低频运行时电容电压波动大的问题，以王宝安等人的《一种模块化多电平变换器的低频模式运行控制方法》(见专利CN103337977A)为例，目前主要方法是在MMC输出电压中注入共模电压，同时在桥臂电流中引入相同频率的环流，使MMC上下桥臂间形成高频的功率交换途径，令电容器能够以更高的频率进行充放电，继而降低电容电压的波动。然而这类方法存在两个严重的问题：一是会对电机施加幅值非常大的共模电压，严重威胁电机的绝缘安全并会带来轴电流问题影响电机寿命；另一个问题是桥臂中注入的环流会增大桥臂电流的幅值，加大MMC的损耗、增加散热要求，同时也不得不选用电流容量更大的半导体器件，大幅增加成本。周治国等人的《基于MMC结构的四象限高压变频器装置》(见专利CN104811057A)提出了将MMC应用于变频装置的方法，通过整流模块与交流电网相连接，输出直流电压到逆变模块最终连接电机类负载，实现了基于MMC的变频器的四象限运行。然而这种方法存在弊端，其整流模块产生的直流电压维持在较高水平不可调节，导致电机侧MMC运行效率降低，在低频运行时子模块电容电压波动严重，需要大容量的子模块电容器支撑，增加成本和体积；或是需要额外采用如上述高频注入的方法，仍存在弊端。

发明内容

本发明针对MMC低频运行时存在的电容电压波动，以及高频注入方法会带来较大的电流冲击等问题，本发明提出了一种模块化多电平换流器四象限变频器。

本发明所述模块化多电平换流器四象限变频器，包括背靠背连接的两组模块化多电平换流器，所述两组模块化多电平换流器为网侧模块化多电平换流器和机侧模块化多电平换流器；所述网侧模块化多电平换流器的电源输入端连接交流电网，网侧模块化多电平换流器的直流母线输出端连接机侧模块化多电平换流器的直流母线输入端，机侧模块化多电平换流器的负载输出端连接电机类负载。

优选地，网侧模块化多电平换流器为三相桥式整流电路，每一相包含上下两个桥臂，每个桥臂由一个电感器L和N个结构相同的子模块堆叠而成，其中上桥臂子模块包含一个全桥功率单元和一组电容器C，下桥臂子模块包含一个半桥功率单元和一组电容器C。

优选地，网侧模块化多电平换流器的全桥功率单元或半桥功率单元的开关器件采用绝缘栅双极型晶体管IGBT、集成门极换流晶闸管IGCT或门极可关断晶闸管GTO全控型电力电子器件来实现；网侧模块化多电平换流器所需开关信号由网侧开关信号生成单元提供。