CN105553311B - 新型的模块化多电平逆变器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型的模块化多电平逆变器，包括直流电源、模块化多电平控制器及电网，模块化多电平控制器与直流电源连接，电网与模块化多电平控制器连接。本发明用快速晶闸管和门极可关断晶闸管GTO代替IGBT，能够在满足传统三相模块化多电平逆变器全部性能及功能的前提下节约成本；同时，本发明提出的新型拓扑结构，易于用在模块化多电平变换器中，在提高电力电子装置容量的同时，降低成本。

Description

新型的模块化多电平逆变器
技术领域
本发明属于电力电子变换和电力系统等领域，特别涉及一种新型的模块化多电平逆变器，可用于柔性直流输电工程，中、高压电机传动，分布式发电，电力牵引，电能质量治理等高压大功率场合。
背景技术
随着电力电子技术的快速发展，多电平逆变器在存在远离负荷中心的可再生能源发电并网，城市电网供电，电机的传动等工业领域发挥着积极的作用，取得了较大的成果。但在高压大功率应用领域存在一定的劣势。模块化多电平逆变器( Modular MultilevelConverter，MMC ) 具有经济、灵活、电能质量高、电压及电流等级高、可控性强等优点，可以将小型的分散电源通过经济、环保的方式接入交流电网。
MMC采用子模块串联的方法，通过电压叠加使得交流侧实现多电平、高电压输出，在系统等效开关频率不变的情况下降低开关频率。与传统的逆变器相比在技术上具有明显的优势，主要表现在：高度模块化的拓扑结构、易于冗余设计、可替代性强、具有公共直流母线、模块电容电压易于均衡、具有较低的谐波含量和电磁干扰、故障穿越能力强、开关损耗小、逻辑器件少等优势。另外由于这种结构每个子模块都是由相同的组成，所以当一个子模块出现问题的时候，可以及时切除坏损模块，投入新模块，保证系统的正常运行。 同时也方便向更高电平拓展。其子模块数越多，直流侧的电压可以越高，等效开关频率越高，交流侧输出电压的谐波含量越小。
电力电子器件对电力电子装置的发展起着决定性的作用。1904年出现的电子管、晶体管为电力电子变流技术奠定了基础。70年代出现的晶闸管使整流、逆变技术逐渐进入了电力电子变频时代。80年代出现的自关断大功率双极性晶体管（GTO）其性能远远超过半控型器件晶闸管，使其在变频领域迅速占领主导地位。80年代初期出现的电力场效应管（MOSFET）属于电压型器件，驱动功率小，安全工作区大，开关频率高，但是这种器件耐电压、电流能力低，限制了它的应用范围。在80年代后期，以绝缘栅双极型晶体管（IGBT）为代表的复合型器件异军突起。IGBT是MOSFET和BJT的复合，将MOSFET的驱动功率小、开关速度快的优点和BJT通态压降小、载流能力大的优点集于一体，性能非常优越。使之成为现代电力电子技术的主导器件。进入90年代，为了使电力电子装置的结构紧凑、体积减小，出现了将检测、驱动、保护等功能集成在一起的功率集成器件（IPM）。后来又在IPM的基础上，将逻辑、控制等功能集成在一起，构成功率集成电路（PIC）。目前，电力电子器件制造技术正向着高压大功率、高开关频率、高度集成、低驱动功率的方向发展。
电力电子器件的不断革新，使其应用技术得到了迅速发展，在模块化多电平逆变器子模块SM的设计上，出现了大量的新型拓扑结构。如基于IGBT的半桥模块，全桥模块，双箝位模块，箝位型三电平模块和飞跨电容型三电平模块等等。
新型功率器件的出现及新型拓扑结构的发展，在一定程度上提高了电力电子装置的性能及容量。但大量电力电子元件的使用，势必会降低电力电子装置的安全稳定性，提高电力电子装置的成本。
因此，亟待研发出在满足模块化多电平逆变器的全部性能、功能的前提下，提高电力电子装置容量的同时，降低成本的电力电子装置。
发明内容
发明目的
本发明提供一种电力电子装置，用于实现三相电源的变压、变频，将此功能用于模块化多电平逆变装置中，目的在于调节负载电压、电流、频率及转速等，可大幅降低系统成本。
技术方案
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种新型的模块化多电平逆变器，其特征在于：包括直流电源、模块化多电平控制器及电网，模块化多电平控制器与直流电源连接，电网与模块化多电平控制器连接。
模块化多电平控制器是由六个桥臂和电抗器组成，电抗器连接桥臂；每个桥臂均由2N个SM子模块及缓冲电感组成，SM子模块相互串联后连接缓冲电感；六个桥臂分为第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂、第五桥臂和第六桥臂；第一桥臂与第四桥臂串联，第二桥臂与第五桥臂串联，第三桥臂与第六桥臂串联；第一桥臂与第二桥臂及第三桥臂并联，第四桥臂与第五桥臂及第六桥臂并联。
第一桥臂通过缓冲电感与第四桥臂的缓冲电感串联，第二桥臂通过缓冲电感与第五桥臂的缓冲电感串联，第三桥臂通过缓冲电感与第六桥臂的缓冲电感串联。
SM子模块由第一晶闸管、第二晶闸管、第三晶闸管、第四晶闸管、第一续流二极管、第二续流二极管、第三续流二极管、第四续流二极管、第一吸收电容、第二吸收电容、第三吸收电容第四吸收电容第五吸收电容、第六吸收电容、第一GTO、第二GTO、第一反向二极管、第二反向二极管、第一正向二极管、第二正向二极管、驱动电路、控制电路、子模块电容组成；第一晶闸管与第一续流二极管及第一吸收电容并联后与第一GTO串联并与第二晶闸管串联；第一GTO与第一反向二极管及第一正向二极管串联后与第二吸收电容并联；第二晶闸管与第二续流二极管及第三吸收电容并联；第三晶闸管与第三续流二极管及第四吸收电容并联后与第二GTO串联并与第四晶闸管串联；第二GTO与第二反向二极管及第二正向二极管串联后与第五吸收电容并联；第四晶闸管与第四续流二极管及第六吸收电容并联；第一晶闸管及第三晶闸管并联，第二晶闸管及第四晶闸管并联；控制电路分别与检测电路及SM子模块连接；子模块电容并联在第一晶闸管的阳极及第二晶闸管的阴极之间。
优点及效果
本发明具有如下优点及有益效果：
本发明涉及一种新型的模块化多电平逆变器，用快速晶闸管和门极可关断GTO代替IGBT，能够在满足传统三相多电平逆变器全部性能、功能的前提下，节约成本；同时，本发明提出的新型拓扑结构，易于用在模块化多电平变换器中，在提高电力电子装置容量的同时，降低成本。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为子模块结构示意图。
附图标记说明：
1、直流电源 2、模块化多电平控制器 3、电网4、第一桥臂 5、第二桥臂6、第三桥臂7、第四桥臂 8、第五桥臂 9、第六桥臂 10、电抗器 11、SM子模块 12、缓冲电感 13、第一晶闸管 14、第二晶闸管 15、第三晶闸管 16、第四晶闸管 17、第一续流二极管 18、第二续流二极管 19、第三续流二极管 20、第四续流二极管 21、第一吸收电容 22、第二吸收电容23、第三吸收电容 24、第四吸收电容 25、第五吸收电容 26、第六吸收电容 27、第一GTO28、第二GTO 29、第一反向二极管 30、第二反向二极管 31、第一正向二极管 32、第二正向二极管 33、驱动电路 34、控制电路 35、子模块电容。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
本发明提出的一种新型的模块化多电平逆变器，用门极可关断晶闸管GTO及快速晶闸管代替IGBT，能够在满足模块化多电平逆变器的全部性能、功能的前提下，由于GTO及晶闸管的价格要远低于IGBT，从而节约成本；同时，本发明提出的新型拓扑结构，易于用模块化多电平变换器中，可在提高电力电子装置容量的同时，降低成本。
图1为本发明的拓扑结构示意图，如图所示，包括直流电源1、模块化多电平控制器2及电网3，模块化多电平控制器2与直流电源1连接，电网3与模块化多电平控制器2连接。
模块化多电平控制器2是六个桥臂和电抗器10组成，电抗器10连接桥臂；每个桥臂均由2N（N为自然数）个SM子模块11及缓冲电感12组成，SM子模块11相互串联后连接缓冲电感12。六个桥臂分为第一桥臂4、第二桥臂5、第三桥臂6、第四桥臂7、第五桥臂8和第六桥臂9；第一桥臂4与第四桥臂7串联，第二桥臂5与第五桥臂8串联，第三桥臂6与第六桥臂9串联；第一桥臂4与第二桥臂5及第三桥臂6并联，第四桥臂7与第五桥臂8及第六桥臂9并联。
第一桥臂4通过缓冲电感12与第四桥臂7的缓冲电感12串联，第二桥臂5通过缓冲电感12与第五桥臂8的缓冲电感12串联，第三桥臂6通过缓冲电感12与第六桥臂9的缓冲电感12串联。
SM子模块11采用桥式接法，解决了半桥不能通过阀控技术限制直流侧短路时的故障电流问题。SM子模块11由第一晶闸管13、第二晶闸管14、第三晶闸管15、第四晶闸管16、第一续流二极管17、第二续流二极管18、第三续流二极管19、第四续流二极管20、第一吸收电容21、第二吸收电容22、第三吸收电容23第四吸收电容24第五吸收电容25、第六吸收电容26、第一GTO 27、第二GTO 28、第一反向二极管29、第二反向二极管30、第一正向二极管31、第二正向二极管32、驱动电路33、控制电路34、子模块电容35组成；第一晶闸管13与第一续流二极管17及第一吸收电容21并联后与第一GTO 27串联并与第二晶闸管14串联；第一GTO27与第一反向二极管29及第一正向二极管31串联后与第二吸收电容22并联；第二晶闸管14与第二续流二极管18及第三吸收电容23并联；第三晶闸管15与第三续流二极管19及第四吸收电容24并联后与第二GTO 28串联并与第四晶闸管16串联；第二GTO 28与第二反向二极管30及第二正向二极管32串联后与第五吸收电容25并联；第四晶闸管16与第四续流二极管20及第六吸收电容26并联；第一晶闸管13及第三晶闸管15并联，第二晶闸管14及第四晶闸管16并联；控制电路34分别与检测电路33及SM子模块11连接；子模块电容35并联在第一晶闸管13的阳极及第二晶闸管14的阴极之间。这样即可实现传统模块化多电平逆变器每个子模块的全部功能，对于提高电力电子装置容量及节约成本具有显著的效果。
本发明提出的新型的模块化多电平逆变器，采用晶闸管及GTO代替传统IGBT可大大节约成本的同时，提高逆变器装置的容量，具有切频简单、抗瞬态干扰能力强等优势。
工作过程如下：
本发明提出的这种新型的模块化多电平逆变器，应用于直流发电系统并入电网3时，子模块电容35通过第一晶闸管13和第一GTO 27进行分频，流入第一正向二极管31，经过电网3，流入第二反向二极管30，经过第二GTO 28进行分频，流入第四晶闸管16；下一时刻，子模块电容35通过第三晶闸管15和第二GTO 28进行分频，流入第二正向二极管32，经过电网3，流入第一反向二极管29，经过第一GTO27进行分频，流入第二晶闸管14，完成工作过程。

Claims (2)

1.一种新型的模块化多电平逆变器，其特征在于：包括直流电源（1）、模块化多电平控制器（2）及电网（3），模块化多电平控制器（2）与直流电源（1）连接，电网（3）与模块化多电平控制器（2）连接；
模块化多电平控制器（2）是由六个桥臂和电抗器（10）组成，电抗器（10）连接桥臂；每个桥臂均由2N个SM子模块（11）及缓冲电感（12）组成，SM子模块（11）相互串联后连接缓冲电感（12）；六个桥臂分为第一桥臂（4）、第二桥臂（5）、第三桥臂（6）、第四桥臂（7）、第五桥臂（8）和第六桥臂（9）；第一桥臂（4）与第四桥臂（7）串联，第二桥臂（5）与第五桥臂（8）串联，第三桥臂（6）与第六桥臂（9）串联；第一桥臂（4）与第二桥臂（5）及第三桥臂（6）并联，第四桥臂（7）与第五桥臂（8）及第六桥臂（9）并联；
SM子模块（11）由第一晶闸管（13）、第二晶闸管（14）、第三晶闸管（15）、第四晶闸管（16）、第一续流二极管（17）、第二续流二极管（18）、第三续流二极管（19）、第四续流二极管（20）、第一吸收电容（21）、第二吸收电容（22）、第三吸收电容（23）第四吸收电容（24）第五吸收电容（25）、第六吸收电容（26）、第一GTO（27）、第二GTO（28）、第一反向二极管（29）、第二反向二极管（30）、第一正向二极管（31）、第二正向二极管（32）、驱动电路（33）、控制电路（34）、子模块电容（35）组成；第一晶闸管（13）与第一续流二极管（17）及第一吸收电容（21）并联后与第一GTO（27）串联并与第二晶闸管（14）串联；第一GTO（27）与第二吸收电容（22）并联组成的并联支路一端连接到第一反向二极管（29）的阴极，另一端再与第一正向二极管（31）的阳极连接，第一正向二极管（31）的阴极一端与第一反向二极管（29）的阳极一端连接；
第二晶闸管（14）与第二续流二极管（18）及第三吸收电容（23）并联；第三晶闸管（15）与第三续流二极管（19）及第四吸收电容（24）并联后与第二GTO（28）串联并与第四晶闸管（16）串联；第二GTO（28）与第五吸收电容（25）并联组成的并联支路一端连接到第二反向二极管（30）的阴极，另一端再与第二正向二极管（32）的阳极连接，第二正向二极管（32）的阴极一端与第二反向二极管（30）的阳极一端连接；
第四晶闸管（16）与第四续流二极管（20）及第六吸收电容（26）并联；第一晶闸管（13）与第一GTO（27）及第二晶闸管（14）的串联组与第三晶闸管（15）与第二GTO（28）及第四晶闸管（16）的串联组并联；控制电路（34）分别与检测电路（33）及SM子模块（11）连接；子模块电容（35）并联在第一晶闸管（13）的阳极及第二晶闸管（14）的阴极之间。
2.根据权利要求1所述新型的模块化多电平逆变器，其特征在于：第一桥臂（4）通过缓冲电感（12）与第四桥臂（7）的缓冲电感（12）串联，第二桥臂（5）通过缓冲电感（12）与第五桥臂（8）的缓冲电感（12）串联，第三桥臂（6）通过缓冲电感（12）与第六桥臂（9）的缓冲电感（12）串联。
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