模块化多电平变换器及其多重交叉子模块制造技术

本发明专利技术公开一种模块化多电平变换器及其多重交叉子模块，多重交叉子模块包括两端并联的第一电路和第二电路；第一电路和第二电路均包括m个依次正反串联的开关管，m至少为3；开关管均反向并联有二极管；第一电路和第二电路开关管串连结构的两端并联，其中第一电路第1个开关管的发射极与第二电路第1个开关的集电极并联；第一电路的第i个开关管与第i+1个开关管之间的连接点与所述第二电路的第i个开关管与第i+1个开关管之间的连接点之间连接有直流电容，直流电容正极与开关管的集电极连接，负极与另一开关管的发射极连接，1≤i

Modular multilevel converter and its multiple crossover sub modules

The present invention discloses a modular multilevel converter and its multiple crossover sub-modules, which include a first circuit and a second circuit in parallel at both ends; both the first circuit and the second circuit include m switching transistors in series, m being at least 3; both the switching transistors are reversely parallel connected with diodes; the first circuit and the second circuit are in parallel. The two ends of the circuit switch in series are connected in parallel, in which the emitter of the first switch of the first circuit is connected in parallel with the collector of the first switch of the second circuit; the connection point between the first switch of the first circuit and the i+1 switch of the first circuit is connected with the connection point between the i+1 switch of the second circuit and the i+1 switch of the second circuit. Connected with a DC capacitor, the DC capacitor cathode is connected with the collector of the switching tube, and the cathode is connected with the emitter of another switching tube, 1 < I

【技术实现步骤摘要】
模块化多电平变换器及其多重交叉子模块
本专利技术属于电力电子
，具体涉及到一种模块化多电平变换器及其多重交叉子模块。
技术介绍
在高电压大功率的工业和输配电领域，对电力电子装置的容量和运行电压等级的要求越来越高，还要具有高功率密度、高效率和高性能等特点。为此产生了多种高压大功率变换器的解决思路和方法，多电平变换器技术是其中最重要的一种，被广泛应用于电力系统的无功补偿、高压直流输电以及高压大功率电动机变频调速等领域。模块化多电平变换器(ModularMultilevelConverter,MMC)是一种新型的多电平电压变换器，其结构如图1所示，采用全控型器件(如IGBT或IGCT等)并通过将多个子模块(Sub-module,SM)级联的方式，可以叠加输出很高的电压，而且还具有输出电压谐波少、模块化程度高等特点。由于其控制灵活、性能优异、在结构方面又有较好的通用性，因此具有广泛的应用前景。模块多电平变换器的性能特点和控制方法主要取决于子模块结构和级联方式，子模块一般由若干开关管和直流电容(或还有二极管)按一定的拓扑结构连接构成。传统的子模块主要有半桥子模块(HalfBridgeSub-module,HBSM)和全桥子模块(FullBridgeSub-module,FBSM)两种。在电力系统柔性直流输配电领域，换流器内采用模块化多电平变换器实现交直流电能转换，又称为换流器。当直流系统发生故障时，要求模块化多电平换流器具有强大的故障穿越能力，即：能够快速闭锁和故障电流阻断能力(又称为故障自清除)，这一性能主要取决于所采用的子模块结构和级联方式。需要子模块具备反向投入的工作模态，该模态下直流电容被反向投入(又称负投入)，所输出的负电压(负电势)有助于减小故障电流，从而达到清除故障的目的。传统的半桥子模块由一个直流电容和两个开关管组成，只有正投入和旁路两个工作模态，对应的输出电压分别为正电压和零电压，因此不具备自清除能力。全桥子模块是由一个直流电容和四个开关管组成，有正投入、负投入和旁路，能够完成快速闭锁和故障自清除，但全桥子模块所需要的开关器件数量多，运行时的开关损耗大，会给装置带来造价和运营费用高的问题。在此背景下，有研究者提出对子模块结构和级联方式进行改进这两种思路：一种是采用半桥子模块和全桥子模块混联的混合型模块化多电平换流器；另一种是采用具有自清除能力的新型子模块。其中，钳位型双子模块(ClampDoubleSub-module,CDSM)是具有代表性的一种具有自清除能力的子模块，该子模块含2个电容、5个开关管和2个二极管，平均一个电容对应2.5个开关管和1个二极管，其开关损耗介于半桥子模块和全桥子模块之间；然而，其反向投入时输出的负电压只有最大正电压的一半，其故障清除能力比全桥子模块差。
技术实现思路
本公开一方面的目的在于提供一种模块化电平变换器的多重交叉子模块。该子模块和全桥子模块都具有完全对称结构，能在任何电流方向下输出全部可能的电平数(-NUC～+NUC，其中N为电容数)，输出零电压和不同大小的正负电压及。较之全桥子模块级联构成的模块化多电平变换器，采用这类子模块级联构成的模块化多电平变换器含有同样数量电容所需的开关器件显著减少。为了实现上述目的，其技术解决方案为：一种模块化电平变换器的多重交叉子模块，所述多重交叉子模块包括两端并联的第一电路和第二电路；所述第一电路和第二电路均包括m个依次正反串联的开关管，m至少为3；所述开关管均反向并联有二极管；所述第一电路开关管串连结构的两端与所述第二电路开关管串连结构的两端并联，其中第一电路第1个开关管的发射极与第二电路第1个开关的集电极并联；所述第一电路的第i个开关管与第i+1个开关管之间的连接点与所述第二电路的第i个开关管与第i+1个开关管之间的连接点之间连接有直流电容，所述直流电容正极与开关管的集电极连接，负极与另一开关管的发射极连接，1≤i&lt;m。在上述的模块化电平变换器的多重交叉子模块，所述第一电路和第二电路中均至少有4个开关管；所述第一电路中，从第1个开关管开始两两开关管的连接点依次为p1n2、n2p3、p3n4……pin(i+1)、n(i+1)p(i+2)、p(i+2)n(i+3)……nKp(K+1)；所述第二电路中，从第1个开关管开始两两开关管的连接点依次为n1p2、p2n3、n3p4……nip(i+1)、p(i+1)n(i+2)、n(i+2)p(i+3)……pKn(K+1)；连接点nip(i+1)和连接点p(i+2)n(i+3)之间通过双向开关Sd(i+1)进行跨接。这种多重交叉子模块的跨接衍生改进型串联构成的模块化多电平变换器，也具有相同的特性，且开关损耗更小。在上述的模块化电平变换器的多重交叉子模块，所述双向开关包括两个反向并联的IGCT。在上述的模块化电平变换器的多重交叉子模块，所述双向开关包括两个正反串联的IGBT，每个IGBT均反向并联二极管。本公开另一方面的目的在于提供一种模块化电平变换器，包括上述技术方案所述的多重交叉子模块。这样的子模块既可以作为模块化多电平变换器的上桥臂或下桥臂，也可以多个这样的子模块串联作为模块化多电平变换器的上桥臂或下桥臂。附图说明图1为根据一示例性实施例示出的三相模块化多电平变换器的示意图。图2为根据一示例性实施例示出的多重交叉子模块拓扑结构示意图。图3为根据一示例性实施例示出的跨接多重交叉子模块的拓扑结构示意图。图4为根据一示例性实施例示出的跨接多重交叉子模块中的跨接交叉单元结构和双向开关的组合形式。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。一种模块化电平变换器的多重交叉子模块，所述多重交叉子模块包括两端并联的第一电路和第二电路；所述第一电路和第二电路均包括m个依次正反串联的开关管，m至少为3；所述开关管均反向并联有二极管；所述第一电路开关管串连结构的两端与所述第二电路开关管串连结构的两端并联，其中第一电路第1个开关管的发射极与第二电路第1个开关的集电极并联；所述第一电路的第i个开关管与第i+1个开关管之间的连接点与所述第二电路的第i个开关管与第i+1个开关管之间的连接点之间连接有直流电容，所述直流电容正极与开关管的集电极连接，负极与另一开关管的发射极连接，1≤i&lt;m。该子模块和全桥子模块都具有完全对称结构，能在任何电流方向下输出全部可能的电平数(-NUC～+NUC，其中N为电容数)，输出零电压和不同大小的正负电压及。较之全桥子模块级联构成的模块化多电平变换器，采用这类子模块级联构成的模块化多电平变换器含有同样数量电容所需的开关器件显著减少。这种多重交叉子模块的跨接衍生改进型串联构成的模块化多电平变换器，也具有相同的特性，且开关损耗更小。本专利技术提出的多重交叉子模块与半桥子模块、全桥子模块和双钳位子模块的综合比较如表1所示。表1多重交叉子模块与半桥子模块、全桥子模块和双钳位子模块的综合比较如图2所示，图中三重交叉子模块(N＝3)分别采用顺联方式(如图2(a))和交叉方式(如图2(b))展开模块中元器件的电路连接，并延伸拓展形成多重交叉子模块(N＝K)的通用拓扑结构。三重交叉子模块中共有3个直流电容(C1、C2和C3)、8个开关器件(Sp本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模块化电平变换器的多重交叉子模块，其特征在于，所述多重交叉子模块包括两端并联的第一电路和第二电路；所述第一电路和第二电路均包括m个依次正反串联的开关管，m至少为3；所述开关管均反向并联有二极管；所述第一电路开关管串连结构的两端与所述第二电路开关管串连结构的两端并联，其中第一电路第1个开关管的发射极与第二电路第1个开关的集电极并联；所述第一电路的第i个开关管与第i+1个开关管之间的连接点与所述第二电路的第i个开关管与第i+1个开关管之间的连接点之间连接有直流电容，所述直流电容正极与开关管的集电极连接，负极与另一开关管的发射极连接，1≤i

【技术特征摘要】
1.一种模块化电平变换器的多重交叉子模块，其特征在于，所述多重交叉子模块包括两端并联的第一电路和第二电路；所述第一电路和第二电路均包括m个依次正反串联的开关管，m至少为3；所述开关管均反向并联有二极管；所述第一电路开关管串连结构的两端与所述第二电路开关管串连结构的两端并联，其中第一电路第1个开关管的发射极与第二电路第1个开关的集电极并联；所述第一电路的第i个开关管与第i+1个开关管之间的连接点与所述第二电路的第i个开关管与第i+1个开关管之间的连接点之间连接有直流电容，所述直流电容正极与开关管的集电极连接，负极与另一开关管的发射极连接，1≤i&lt;m。2.根据权利要求1所述的一种模块化电平变换器的多重交叉子模块，其特征在于，所述第一电路和第二电路中均至少有4个开关管；所述第一电路中，从第1个开关管开始两两开关管的连接点依次为...

【专利技术属性】
技术研发人员：王朋，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42