[发明专利]一种模块化多电平变换器及其子模块拓扑结构

说明书

本发明公开了一种模块化多电平变换器及其子模块拓扑结构，包含左、右半桥，连接电路，其中，左半桥包括T1、T2、D1、D2、M1、DM1和C1，T1、T2、M1分别与D1、D2、DM1反并联，M1与电容串联且电容正极连接M1漏极，T1集电极连接M1源极，T2发射极连接电容负极。右半桥包括T3、T4、D3、D4、DM2、M2、C2，T3、T4、M2分别与D3、D4、DM2反并联，M2与电容串联且电容正极连接M2漏极，T3集电极连接M2源极，T4发射极与电容负极相连。左半桥与右半桥通过连接电路相连。本发明的拓扑结构有主动输出四种电平的能力，基于该拓扑结构的MMC系统可以实现直流故障穿越和提压运行。

技术领域

本发明属于模块化多电平换流器拓扑结构领域，更具体地，涉及一种基于SiCMOSFET和Si IGBT具有输出负电平和直流故障穿越能力的高效率新型模块化多电平变换器及其子模块拓扑结构。

背景技术

基于电压源换流器的高压直流输电系统(Voltage Source Converter HighVoltage Direct Current，VSC-HVDC)相较于传统的基于电网换相换流器高压直流输电技术(Line Commutated Converter High Voltage Direct Current，LCC-HVDC)而言具有多种优势，如：换流器有功、无功功率可以独立控制；交流输电系统阻尼及稳定性提高，可作为黑启动电源，输出电压谐波含量更少，滤波器体积更小。模块化多电平换流器(ModularMultilevel Converter，MMC)相较于传统的两电平、三电平换流器而言，具有开关损耗低，模块化设计，输出电压谐波含量小，电平易于扩展等优点。因此，MMC已经成为柔性直流输电首选拓扑。

传统的MMC子模块结构有如下三种：半桥子模块(Half Bridge Sub-Module，HBSM)、全桥子模块(Full Bridge Sub-Module，FBSM)、箝位双子模块(Clamp Double Sub-Module，CDSM)。HBSM具有结构简单，成本、损耗低等优点。但是，基于HBSM的MMC-HVDC自身不具有直流故障穿越能力。当系统直流侧发生短路或者接地故障时，无法通过闭锁换流器主动抑制故障电流。基于FBSM的MMC换流器具有负电平输出能力，可以主动抑制直流故障。但其成本高，损耗大。CDSM可以实现直流故障穿越，且其成本和损耗比FBSM低。但该子模块不能主动输出负电平，不能实现提压运行。简而言之，常见的子模块拓扑结构HBSM、FBSM和CDSM无法兼顾效率、直流故障穿越能力和负电平输出能力。

已有的新型子模块结构——半桥与全桥混合型串联子模块(Half and FullBridge Sub-Module，H&FB SM)、半全桥子模块(Semi Full Bridge Sub-Module，SFB SM)虽然实现了效率、直流故障穿越能力、负电平输出能力的兼顾，但是由于Si IGBT以及SiDiode的局限性，其效率依然不够理想。

基于碳化硅(Silicon Carbide，SiC)的电力电子开关器件——碳化硅金属氧化物半导体场效应管(Silicon Carbide Power Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor，SiC MOSFET)正得到迅速的发展，在未来十年内有望应用到3.3KV到6.5KV电压等级的应用场合。SiC MOSFET相较于基于硅的电力电子开关器件——绝缘栅双极型晶体管(Silicon Insulated Gate Bipolar Transistor，Si IGBT)而言具有导通电阻低，开关速度快以及高温特性优良的优点，使得子模块效率的进一步提升成为了可能，但其成本较高，不能简单的应用于现有的拓扑结构中。

综上，现有的基于Si开关器件的子模块损耗较高，亟需一种合理利用SiC开关器件的新型高效率子模块拓扑结构。

发明内容