一种新型模块化多电平换流器拓扑制造技术

一种新型模块化多电平换流器拓扑，涉及一种模块化多电平换流器。本发明专利技术是为了解决现有传统模块化多电平换流器电容电压波动幅值大、电容的容量大、功率密度低、所需模块数较多的问题。本发明专利技术通过修改传统模块化多电平换流器的上下功率子模块的连接方式，并添加中间功率模块，保留了传统模块化多电平换流器的优点，并克服了传统拓扑的部分不足；在输出相同电平数时，新型拓扑需要的模块数更少，有助于降低成本；在相同负载时，新型拓扑的电容电压波动更小，有助于减少模块化多电平换流器电容的容量，降低成本，减少损耗。本发明专利技术适用于高压大功率电能变换场合。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种模块化多电平换流器。
技术介绍
模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)作为一种新型的高压大功率电能变换技术，已日益获得了各国研究人员的普遍关注。与传统两电平、三电平换流器相比，模块化多电平环流器具有如下明显优势： (1)、制造难度降低：不需要基于IGBT串联而构成的阀，降低了制造技术门槛； (2)、损耗降低：模块化多电平换流器的开关频率成倍降低，换流器损耗大大减小； (3)、阶跃电压降低：由于模块化多电平换流器的阶梯电压较小，因而产生的阶跃电压和阶跃电流都较小，从而使得开关应力、电磁干扰都大大减小； (4)、波形质量高：由于模块化多电平换流器输出电平数较多，波形质量高，含有谐波量少，因而滤波器的体积也随之大大减小； (5)、模块化的结构：模块化多电平换流器模块化的结构使得该拓扑理论上能达到任意的电压和功率要求，降低制造和维护成本。 但是，根据理论分析，模块化多电平换流器电容电压波动的幅值与频率成反比，当工作频率降低时，电容电压的波动幅值将显著增大，以至于模块化多电平换流器在低频状态很难应用，限制了模块化多电平换流器在高压驱动方面的应用范围。为了抑制电容电压波动，最直接的办法是增大电容的容量，但这将造成系统成本升高，功率密度降低等一系列问题。 郑琼林等人的申报的公开号为CN101546964A，名称为《模块组合型多电平换流器》专利申请中提出了对模块化多电平拓扑的改进，但仅仅针对功率不平衡的问题改进了顶端和底端的功率模块，没有针对如何减少换流器模块数，如何降低电容电压波动幅值，如何降低电容的容量，如何提高功率密度以及如何降低成本等问题来进一步改进模块化多电平换流器的拓扑。
技术实现思路
本专利技术是为了解决现有传统模块化多电平换流器电容电压波动幅值大、电容的容量大、功率密度低、所需模块数较多的问题，从而提供一种新型模块化多电平换流器拓扑。 一种新型模块化多电平换流器拓扑，它包括三个顶端子模块M1、三个底端子模块M5、三个中间子模块M3、3n个上桥臂子模块M2、3n个下桥臂子模块M4、第一电抗器1、第二电抗器2、第三电抗器3、第四电抗器4、第五电抗器5和第六电抗器6，n为正整数； 所述三个顶端子模块M1并联组成顶端模块组7；三个底端子模块M5并联组成底端模块组9；三个中间子模块M3组成中间模块组8；所述三个中间子模块M3上分别带有输出端子a、b和c； 一个顶端子模块M1依次串联n个上桥臂子模块M2构成换流器第一相的上桥臂； 一个底端子模块M5依次串联n个下桥臂子模块M4构成换流器第一相的下桥臂； 第一相上桥臂和下桥臂间分别通过第一电抗器1和第二电抗器2与一个中间子模块M3相连，形成第一相电路； 一个顶端子模块M1依次串联n个上桥臂子模块M2构成换流器第二相的上桥臂； 一个底端子模块M5依次串联n个下桥臂子模块M4构成换流器第二相的下桥臂； 第二相上桥臂和第二相下桥臂间分别通过第三电抗器3和第四电抗器4与一个中间子模块M3相连，形成第二相电路； 一个顶端子模块M1依次串联n个上桥臂子模块M2构成换流器第三相的上桥臂； 一个底端子模块M5依次串联n个下桥臂子模块M4构成换流器第三相的下桥臂； 第三相上桥臂和第三相下桥臂间分别通过第五电抗器5和第六电抗器6与一个中间子模块M3相连，形成第三相电路； 顶端模块组7与直流电源的正极P相连，底端模块组9与直流电源的负极N相连； 每一相电路中的所有子模块的数量为N1个，所述N1为取值为： N1＝(k–1)/2–1 式中：k为电平数。 顶端模块组7的具体电路结构为：第一相电路中的顶端子模块M1包括一号可控开关S11和二号可控开关S12；第二相电路中的顶端子模块M1包括三号可控开关S13和四号可控开关S14；第三相电路中的顶端子模块M1包括五号可控开关S15和六号可控开关S16； 所述一号可控开关S11的集电极、三号可控开关S13的集电极和五号可控开关S15的集电极同时与直流电源的正极P相连； 所述二号可控开关S12的发射极、四号可控开关S14的发射极和六号可控开关S16的发射极连接； 一号可控开关S11的发射极与二号可控开关S12的集电极连接，且引出第一接线端子10； 三号可控开关S13的发射极与四号可控开关S14的集电极连接，且引出第二接线端子11； 五号可控开关S15的发射极与六号可控开关S16的集电极连接，且引出第三接线端子12。 底端模块组9的具体电路结构为：第一相电路中的底端子模块M5包括七号可控开关S51和八号可控开关S52；第二相电路中的顶端子模块M5包括九号可控开关S53和十号可控开关S54；第三相电路中的顶端子模块M1包括十一号可控开关S55和十二号可控开关S56； 所述七号可控开关S51的集电极、九号可控开关S53的集电极和十一号可控开关S55的集电极连接； 所述八号可控开关S52的发射极、十号可控开关S54的发射极和十二号可控开关S56的发射极同时与直流电源的负极N相连； 七号可控开关S51的发射极与八号可控开关S12的集电极连接，且引出第四接线端子13； 九号可控开关S53的发射极与十号可控开关S54的集电极连接，且引出第五接线端子14； 十一号可控开关S55的发射极与十二号可控开关S56的集电极连接，且引出第六接线端子15。 中间模块组8的具体电路结构为： 第一相电路的中间子模块M3包括第十三可控开关S31和第十四可控开关S32，所述第十三可控开关S31的集电极与第一电抗器1连接；所述第十四可控开关S32的发射极与第二电抗器2连接；所述第十三可控开关S31的发射极与第十四可控开关S32的集电极连接，且引出第七接线端子a； 第二相电路的中间子模块M3包括第十五可控开关和第十六可控开关，所述第十五可控开关的集电极与第三电抗器3连接；所述第十六可控开关的发射极与第四电抗器4连接；所述第十本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型模块化多电平换流器拓扑，其特征是：它包括三个顶端子模块(M1)、三个底端子模块(M5)、三个中间子模块(M3)、3n个上桥臂子模块(M2)、3n个下桥臂子模块(M4)、第一电抗器(1)、第二电抗器(2)、第三电抗器(3)、第四电抗器(4)、第五电抗器(5)和第六电抗器(6)，n为正整数；所述三个顶端子模块(M1)并联组成顶端模块组(7)；三个底端子模块(M5)并联组成底端模块组(9)；三个中间子模块(M3)组成中间模块组(8)；所述三个中间子模块(M3)上分别带有输出端子a、b和c；一个顶端子模块(M1)依次串联n个上桥臂子模块(M2)构成换流器第一相的上桥臂；一个底端子模块(M5)依次串联n个下桥臂子模块(M4)构成换流器第一相的下桥臂；第一相上桥臂和下桥臂间分别通过第一电抗器(1)和第二电抗器(2)与一个中间子模块(M3)相连，形成第一相电路；一个顶端子模块(M1)依次串联n个上桥臂子模块(M2)构成换流器第二相的上桥臂；一个底端子模块(M5)依次串联n个下桥臂子模块(M4)构成换流器第二相的下桥臂；第二相上桥臂和第二相下桥臂间分别通过第三电抗器(3)和第四电抗器(4)与一个中间子模块(M3)相连，形成第二相电路；一个顶端子模块(M1)依次串联n个上桥臂子模块(M2)构成换流器第三相的上桥臂；一个底端子模块(M5)依次串联n个下桥臂子模块(M4)构成换流器第三相的下桥臂；第三相上桥臂和第三相下桥臂间分别通过第五电抗器(5)和第六电抗器(6)与一个中间子模块(M3)相连，形成第三相电路；顶端模块组(7)与直流电源的正极(P)相连，底端模块组(9)与直流电源的负极(N)相连；每一相电路中的所有子模块的数量为N1个，所述N1为取值为：N1＝(k–1)/2–1式中：k为电平数。...

【技术特征摘要】
1.一种新型模块化多电平换流器拓扑，其特征是：它包括三个顶端子模块(M1)、三
个底端子模块(M5)、三个中间子模块(M3)、3n个上桥臂子模块(M2)、3n个下桥臂子
模块(M4)、第一电抗器(1)、第二电抗器(2)、第三电抗器(3)、第四电抗器(4)、第
五电抗器(5)和第六电抗器(6)，n为正整数；
所述三个顶端子模块(M1)并联组成顶端模块组(7)；三个底端子模块(M5)并联
组成底端模块组(9)；三个中间子模块(M3)组成中间模块组(8)；所述三个中间子模块
(M3)上分别带有输出端子a、b和c；
一个顶端子模块(M1)依次串联n个上桥臂子模块(M2)构成换流器第一相的上桥
臂；
一个底端子模块(M5)依次串联n个下桥臂子模块(M4)构成换流器第一相的下桥
臂；
第一相上桥臂和下桥臂间分别通过第一电抗器(1)和第二电抗器(2)与一个中间子
模块(M3)相连，形成第一相电路；
一个顶端子模块(M1)依次串联n个上桥臂子模块(M2)构成换流器第二相的上桥
臂；
一个底端子模块(M5)依次串联n个下桥臂子模块(M4)构成换流器第二相的下桥
臂；
第二相上桥臂和第二相下桥臂间分别通过第三电抗器(3)和第四电抗器(4)与一个
中间子模块(M3)相连，形成第二相电路；
一个顶端子模块(M1)依次串联n个上桥臂子模块(M2)构成换流器第三相的上桥
臂；
一个底端子模块(M5)依次串联n个下桥臂子模块(M4)构成换流器第三相的下桥
臂；
第三相上桥臂和第三相下桥臂间分别通过第五电抗器(5)和第六电抗器(6)与一个
中间子模块(M3)相连，形成第三相电路；
顶端模块组(7)与直流电源的正极(P)相连，底端模块组(9)与直流电源的负极(N)
相连；
每一相电路中的所有子模块的数量为N1个，所述N1为取值为：
N1＝(k–1)/2–1
式中：k为电平数。
2.根据要求1所述的一种新型模块化多电平换流器拓扑，其特征在于顶端模块组(7)
的具体电路结构为：第一相电路中的顶端子模块(M1)包括一号可控开关(S11)和二号
可控开关(S12)；第二相电路中的顶端子模块(M1)包括三号可控开关(S13)和四号可
控开关(S14)；第三相电路中的顶端子模块(M1)包括五号可控开关(S15)和六号可控
开关(S16)；
所述一号可控开关(S11)的集电极、三号可控开关(S13)的集电极和五号可控开关
(S15)的集电极同时与直流电源的正极(P)相连；
所述二号可控开关(S12)的发射极、四号可控开关(S14)的发射极和六号可控开关
(S16)的发射极连接；
一号可控开关(S11)的发射极与二号可控开关(S12)的集电极连接，且引出第一接
线端子(10)；
三号可控开关(S13)的发射极与四号可控开关(S14)的集电极连接，且引出第二接
线端子(11)；
五号可控开关(S15)的发射极与六号可控开关(S16)的集电极连接，且引出第三接
线端子(12)。
3.根据要求1所述的一种新型模块化多电平换流器拓扑，其特征在于底端模块组(9)
的具体电路结构为：第一相电路中的底端子模块(M5)包括七号可控开关(S5...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐殿国，李彬彬，张毅，徐聃聃，杨荣峰，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23