[发明专利]基于三电平子模块和两电平子模块的混合型模块化多电平换流器拓扑结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型的模块化多电平换流器拓扑技术。

背景技术

如今高压大功率电机驱动已成为全球工业界的一项技术难点，传统基于移相变压器的 级联H桥结构虽然能输出高质量的正弦电压和电流，但由于移相变压器加工复杂，随着 电压等级和级联H桥子模块数的增加以至于无法生产出满足要求的移相变压器，从而限 制了工业应用中电机电压和功率等级的进一步提升。

模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter,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。它不仅不再需要移相变压器的辅 助，还具有如下明显优势：

(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，从而器件的开关应力和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压的电平数较多，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，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下很难应用。而 也正是由于低频下电容电压波动较大的问题难以解决，至今为止还很少有用模块化多电平 换流器在中/高压电机驱动方面的应用范例。

郑琼林等人的专利《模块组合型多电平换流器》(公开号CN101546964A)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。

徐殿国等人的专利《一种新型模块化多电平换流器拓扑》(公开号CN103986358A) 提出了对模块化多电平拓扑的进一步改进，设计加入了中间子模块，但该拓扑的电容电压 波动仍较大，直接应用到中/高压电机驱动场合仍存在问题，因此需进一步降低电容电压 波动。

发明内容

本发明是为了解决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、驱动电机低频工作时电容电压波动大的问题，从而提供一种 基于三电平子模块和两电平子模块的混合型模块化多电平换流器拓扑结构。

基于三电平子模块和两电平子模块的混合型模块化多电平换流器拓扑结构，它包括三 个顶端子模块(3L-M1)、三个底端子模块(3L-M5)、三个中间子模块(2L-M3)、3n个 两电平普通一号子模块(2L-M2)和3n个两电平普通二号子模块(2L-M4)；n为正整数；

顶端子模块(3L-M1)为中点箝位三电平电路，三个顶端子模块(3L-M1)相互并联 构成顶端模块组(7)；

底端子模块(3L-M5)为中点箝位三电平电路，三个底端子模块(3L-M5)相互并联 构成底端模块组(9)；

中间子模块(2L-M3)为两电平结构，三个中间子模块(2L-M3)构成中间模块组(8)；

每一相均由一个顶端子模块(3L-M1)、n个两电平普通一号子模块(2L-M2)、一个中 间子模块(2L-M3)、n个两电平普通二号子模块(2L-M4)和一个底端子模块(3L-M5) 组成；

第一相中：顶端子模块(3L-M1)的一号端子(10)依次串联n个两电平的普通一号子 模块(2L-M2)构成换流器第一相的上桥臂；底端子模块(3L-M5)的四号端子(13)依 次串联n个两电平普通二号子模块(2L-M4)构成换流器第一相的下桥臂；第一相上桥臂和 下桥臂分别通过一号电抗器(1)和二号电抗器(2)与中间子模块(2L-M3)连接，并从中 间子模块(2L-M3)中引出交流输出端子a；