[发明专利]多电平变流器系统

说明书

本发明提供一种电力变流器。所述电力变流器包括至少一个臂。电力变流器的至少一个臂包括多个开关单元。多个开关单元以串联方式彼此耦合。此外，在电力变流器中，开关单元被选择为使得电力变流器中的至少两个开关单元具有不同的工作电压。

技术领域

本发明总体上涉及电力变流器(power converter)，更具体而言，涉及多电平配置的变流器。

背景技术

电力变换的实用性和重要性随着在诸如电机驱动、可再生能源系统和高压直流(HVDC)系统等应用中获得的优势已经增长。多电平变流器作为一种用于各种中高压应用的有前途的电力变流技术而兴起。

与传统的两电平变流器相比，多电平变流器(Multilevel converter)提供多种优势。例如，多电平变流器的电源质量和效率优于两电平变流器。此外，多电平变流器是电网和可再生能源(例如光伏(PV)电池、燃料电池和风力涡轮机)之间的理想接口。

已经使用模块化结构设计了无变压器的多电平变流器。这种多电平变流器通常包括在DC总线之间耦合的多个电源模块。变流器的模块化结构允许堆叠这些变流器以提供不同的功率和电压水平。

在一些模块化多电平变流器实施例中，控制电源模块以控制在变流器的输出端子处观察到的电压。通常，每个电源模块促成变流器中电压控制的一个步骤。在对称配置中，考虑变流器的额定电压和电力变流器控制所需的电压阶跃变化，可以计算开发具有理想额定电压的变流器所需的电源模块的数量。

例如，在具有10kV额定电压和1kV电压阶跃的电力变流器的对称配置中，需要至少10个1kV的电源模块，以获得理想结果。这样，设计具有对称配置的理想电力变流器所需的电源模块的数量随着电力变流器额定电压的增大而增加。

电源模块数量的增加导致电力变流器成本的增加。此外，电源模块的增加还导致电力变流器的效率降低。

还可能增大电压阶跃变化。在这种情况下，开发理想额定电压需要较少的模块，但是对于相同的平均开关频率，最终的交流电压谐波将增大。

因此，需要一种模块化多电平电力变流器系统，其提供与对称式变流器相同的额定电压和谐波性能，同时减少使用的电源模块的数量。

发明内容

在本发明的一个实施例中，提供一种电力变流器。所述电力变流器包括至少一个臂(leg)。至少一个臂包括多个开关单元。至少两个开关单元的工作电压彼此不同。

优选地，所述多个开关单元中的至少一些开关单元的每一个包括多个完全可控半导体开关和至少一个能量存储装置。

优选地，所述多个完全可控半导体开关包括绝缘栅双极晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管、门极可关断晶闸管、绝缘门极换向晶闸管、注入增强栅晶体管或其中任意组合。所述多个完全可控半导体开关包括碳化硅基开关、氮化镓基开关、砷化镓基开关或其其中任意组合。

优选地，多个开关单元限定第一串。所述第一串耦合至第一DC或AC总线，以及第二DC或AC总线。

优选地，还包括第二串，所述第二串包括多个完全可控半导体开关、第一连接节点和第二连接节点。所述第二串耦合至第一DC或AC总线，以及第二DC或AC总线。

优选地，所述第一串通过所述第一连接节点和第二连接节点与所述第二串耦合。

优选地，所述第二串包括第一支路和第二支路，其中所述第二支路通过第三连接节点可操作地耦合至所述第一支路。所述第三连接节点可操作地耦合至第三总线。所述第三总线包括直流或交流总线。

优选地，所述第一串包括第一部分和第二部分。所述第一串的第一部分和第二部分可操作地耦合至第四总线。

优选地，所述第四总线包括交流相。