[發明專利]模塊化多電平變換器及其多重交叉子模塊

有效

• 申請號: 201810180375.9
• 申請日: 2018-03-05
• 公開（公告）號: CN108418454B
• 公開（公告）日: 2019-12-24
• 發明（設計）人: 王朋
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: H02M7/483
• 分類號: H02M7/483;H02M7/5387
• 代理公司: 42222 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙)
• 代理人: 鄭勤振

本發明公開一種模塊化多電平變換器及其多重交叉子模塊，多重交叉子模塊包括兩端并聯的第一電路和第二電路；第一電路和第二電路均包括m個依次正反串聯的開關管，m至少為3；開關管均反向并聯有二極管；第一電路和第二電路開關管串連結構的兩端并聯，其中第一電路第1個開關管的發射極與第二電路第1個開關的集電極并聯；第一電路的第i個開關管與第i+1個開關管之間的連接點與所述第二電路的第i個開關管與第i+1個開關管之間的連接點之間連接有直流電容，直流電容正極與開關管的集電極連接，負極與另一開關管的發射極連接，1≤i<m。該子模塊能在任何電流方向下輸出全部可能的電平數，零電壓和不同大小的正負電壓及，而且成本和功耗都較低。

技術領域

本發明屬于電力電子技術領域，具體涉及到一種模塊化多電平變換器及其多重交叉子模塊。

背景技術

在高電壓大功率的工業和輸配電領域，對電力電子裝置的容量和運行電壓等級的要求越來越高，還要具有高功率密度、高效率和高性能等特點。為此產生了多種高壓大功率變換器的解決思路和方法，多電平變換器技術是其中最重要的一種，被廣泛應用于電力系統的無功補償、高壓直流輸電以及高壓大功率電動機變頻調速等領域。模塊化多電平變換器(Modular Multilevel Converter,MMC)是一種新型的多電平電壓變換器，其結構如圖1所示，采用全控型器件(如IGBT或IGCT等)并通過將多個子模塊(Sub-module,SM)級聯的方式，可以疊加輸出很高的電壓，而且還具有輸出電壓諧波少、模塊化程度高等特點。由于其控制靈活、性能優異、在結構方面又有較好的通用性，因此具有廣泛的應用前景。

模塊多電平變換器的性能特點和控制方法主要取決于子模塊結構和級聯方式，子模塊一般由若干開關管和直流電容(或還有二極管)按一定的拓撲結構連接構成。傳統的子模塊主要有半橋子模塊(Half Bridge Sub-module,HBSM)和全橋子模塊(Full BridgeSub-module,FBSM)兩種。在電力系統柔性直流輸配電領域，換流器內采用模塊化多電平變換器實現交直流電能轉換，又稱為換流器。當直流系統發生故障時，要求模塊化多電平換流器具有強大的故障穿越能力，即：能夠快速閉鎖和故障電流阻斷能力(又稱為故障自清除)，這一性能主要取決于所采用的子模塊結構和級聯方式。需要子模塊具備反向投入的工作模態，該模態下直流電容被反向投入(又稱負投入)，所輸出的負電壓(負電勢)有助于減小故障電流，從而達到清除故障的目的。傳統的半橋子模塊由一個直流電容和兩個開關管組成，只有正投入和旁路兩個工作模態，對應的輸出電壓分別為正電壓和零電壓，因此不具備自清除能力。全橋子模塊是由一個直流電容和四個開關管組成，有正投入、負投入和旁路，能夠完成快速閉鎖和故障自清除，但全橋子模塊所需要的開關器件數量多，運行時的開關損耗大，會給裝置帶來造價和運營費用高的問題。

在此背景下，有研究者提出對子模塊結構和級聯方式進行改進這兩種思路：一種是采用半橋子模塊和全橋子模塊混聯的混合型模塊化多電平換流器；另一種是采用具有自清除能力的新型子模塊。其中，鉗位型雙子模塊(Clamp Double Sub-module,CDSM)是具有代表性的一種具有自清除能力的子模塊，該子模塊含2個電容、5個開關管和2個二極管，平均一個電容對應2.5個開關管和1個二極管，其開關損耗介于半橋子模塊和全橋子模塊之間；然而，其反向投入時輸出的負電壓只有最大正電壓的一半，其故障清除能力比全橋子模塊差。

發明內容

本公開一方面的目的在于提供一種模塊化電平變換器的多重交叉子模塊。該子模塊和全橋子模塊都具有完全對稱結構，能在任何電流方向下輸出全部可能的電平數(-NU_C～+NU_C，其中N為電容數)，輸出零電壓和不同大小的正負電壓及。較之全橋子模塊級聯構成的模塊化多電平變換器，采用這類子模塊級聯構成的模塊化多電平變換器含有同樣數量電容所需的開關器件顯著減少。

為了實現上述目的，其技術解決方案為：