CN106452104A - 单极电流交错连接三电平子模块 - Google Patents

单极电流交错连接三电平子模块 Download PDF

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Abstract

本发明提出的单极电流交错连接三电平子模块，属于电力电子技术和电力输配电领域，所述子模块包括第一、第二直流电容器、第一、第二全控电力电子开关器件、全控电力电子开关单元、第一、第二二极管以及二极管单元；根据正向电流方向的不同有正向电流流出的单极电流交错连接三电平子模块和正向电流流入的单极电流交错连接三电平子模块两种结构。本发明的单极电流交错连接三电平子模块在实现模块化多电平变流器直流故障穿越的同时，可以提高子模块输出电平数，增加子模块的功率密度，不仅降低成本，而且节省辅助驱动设备和空间体积。

Description

单极电流交错连接三电平子模块
技术领域
本发明属于电力电子技术和电力输配电领域，特别涉及单极电流交错连接三电平子模块。
背景技术
与传统的高压直流输电技术相比，柔性高压直流输电技术采用全控型开关器件实现对变流器的控制，因而具有控制灵活、无功可自由补偿及不依赖交流系统实现换相等优点，在近年来得到了广泛的研究和应用。尤其是基于模块化多电平变流器结构的柔性高压直流输电系统，在国内外已经有多处工程投运或正在建设。
如何处理直流短路故障是目前柔性直流输电技术亟待解决的技术问题。现有的基于模块化多电平变流器的柔性高压直流输电工程多采用直流电缆，直流故障发生的概率较小，但线路造价较高；而如果采用架空线，可大幅节省线路成本，但却容易发生直流短路故障。其中，直流侧双极性短路故障是最为严重的直流故障。模块化多电平变流器采用的子模块结构繁多，不同的子模块结构决定了变流器具有的不同特点，及其可实现的不同功能。目前，通常采用的子模块结构为半桥子模块。但是，已有文献分析，对于基于半桥子模块结构的模块化多电平变流器，当直流侧双极性短路故障发生后，由于反并联二极管的存在，交流电源会经反并联二极管与直流故障点形成三相短路回路，同时半桥子模块电容会迅速放电，造成装置直流短路电流严重过流，导致器件损坏；即便将所有全控型开关器件闭锁，仍然无法限制短路电流和保存电容能量，因而需要断开交流断路器来配合清除直流电流，故障电流清零较慢，且不利于保存电容能量并进行重启动(王姗姗，周孝信，汤广福，等.模块化多电平换流器HVDC(高压直流输电)直流双极短路子模块过电流分析[J].中国电机工程学报，2011，31(1)：1-7.)。
为解决基于半桥子模块结构的模块化多电平变流器无法处理直流短路故障的问题，已有文献提出了多种具有直流故障穿越能力的基于不同子模块结构的模块化多电平变流器方案。这些变流器可分为两大类：
第一大类是用具有直流故障穿越能力的新型子模块代替半桥子模块，作为级联单元，构成具有直流故障穿越能力的新型模块化多电平变流器，这类模块化多电平变流器采用的 子模块包括全桥子模块、单极电压子模块(Jiangchao Qin；Saeedifard,M.；Rockhill,A.；Rui Zhou,"Hybrid Design of Modular Multilevel Converters for HVDCSystems Based on Various Submodule Circuits,"in Power Delivery,IEEETransactions on,vol.30,no.1,pp.385-394,Feb.2015.)、对角桥式子模块(专利公开号CN105450045A)、箝位双子模块结构(CDSM,clamp-double sub-module)，(Marquardt,R.,"Modular Multilevel Converter:An universal concept for HVDC-Networks andextended DC-Bus-applications,"Power Electronics Conference(IPEC),2010International,vol.,no.,pp.502,507,21-24June 2010.)、五电平交叉连接子模块(5LCCSM,5-level cross-connected sub-module)(Nami A,Wang L,Dijkhuizen F,etal.Five level cross connected cell for cascaded converters[C]//EuropeanConference on Power Electronics and Applications.2013:1-9.)及其变形三电平交叉连接子模块(3LCCSM,3-level cross-connected sub-module)(Elserougi,A.A.,A.M.Massoud and S.Ahmed,A Switched-Capacitor Submodule for Modular MultilevelHVDC Converters With DC-Fault Blocking Capability and a Reduced Number ofSensors.IEEE Transactions on Power Delivery,2016.31(1):p.313-322.)等；
第二大类是混合式多电平变流器，该类变流器将模块化多电平变流器结构与两电平变流器结构混合起来，变流器中既采用全桥子模块，又采用级联IGBT(绝缘栅双极性晶体管)，这类变流器包括桥臂交替导通变流器(Merlin,M.M.C.；Green,T.C.；Mitcheson,P.D.；Trainer,D.R.；Critchley,R.；Crookes,W.；Hassan,F.,"The Alternate Arm Converter:ANew Hybrid Multilevel Converter With DC-Fault Blocking Capability,"PowerDelivery,IEEE Transactions on,vol.29,no.1,pp.310,317,Feb.2014.)和交流侧级联H桥的混合变流器(Adam,G.P.；Ahmed,K.H.；Williams,B.W.,"Mixed cells modularmultilevel converter,"Industrial Electronics(ISIE),2014IEEE 23rdInternational Symposium on,vol.,no.,pp.1390,1395,1-4June 2014)等。
与第一大类变流器相比，第二大类变流器需要解决复杂的IGBT串联均压问题，且直流侧滤波器较大，因此变流器成本和体积会随着直流电压的升高而迅速升高。而第一大类变流器的主要问题在于现有文献所提出的各种新型子模块所需IGBT和额外二极管数量较多，成本和损耗较半桥式模块化多电平变流器均有所增加。
上述具备直流故障穿越能力的模块化多电平变流器方案的共同点在于，都是针对功率潮流需要双向传输的场合，需要实现对功率潮流方向的改变。例如在上述变流器中，基于对角桥式子模块的模块化多电平变流器(专利公开号CN105450045A)是通过改变直流电压极性实现功率潮流的改变，而其他模块化多电平变流器都是通过改变直流侧电流极性实现功率潮流的改变。通过改变直流侧电流极性实现功率潮流改变的变流器方案，均不适于与常规直流LCC-HVDC(电网强迫换流变流器-高压直流输电)的混合。
现有的一种对角桥式子模块(专利公开号CN105450045A)的结构如1图所示，包括直流电容器C0、第一全控电力电子开关器件T1、第二全控电力电子开关器件T2、第一续流二极管D1、第二续流二极管D2；其中，T1和T2内部分别包括一个续流二极管；T1的集电极和D2的阴极分别与直流电容器C0的正极端相连，T2的发射极和D1的阳极分别与直流电容器C0的负极相连；T1的发射极与D1的阴极相连，其连接点作为对角桥式子模块的正极端；T2的集电极与D2的阳极相连，作为对角桥式子模块的负极端。
虽然该对角桥式子模块可以通过改变直流侧电压极性实现功率潮流的改变，但该子模块电平数为2电平。随着电压等级的提高，模块数量大幅提高，导致基于该子模块的模块化多电平变流器体积较大，功率密度较低。
同时，在某些特定直流输电应用场合，如风电汇集并网、光伏汇集并网、无源海岛供电等场合中，直流输电线路的功率潮流方向始终是单一方向的，所采用的模块化多电平变流器并不需要具备双向功率传输功能。前述适于功率潮流双向传输的模块化多电平变流器，应用在这种单向功率潮流的直流输电场合，通常存在着较为显著的器件成本和功率损耗的浪费。因此，在这种场合下，充分利用柔性直流换流站的潮流单向传输特点，对变流器结构进行改造，将可以减少变流器的成本和损耗。
公开号为CN102969732A的专利提出一种在直流侧串联二极管阀组的柔性直流变流器，在基于半桥子模块的模块化多电平变流器的基础上，在直流侧串联部分二极管，从而以较少的额外成本和损耗实现了功率单向传递场合下换流站的直流故障穿越。然而，采用该方案的柔性直流换流站只能作为直流输电系统的功率受端，不能作为输电系统功率发端，因此应用场合受到限制；同时，该方案由于全部采用半桥子模块构成，构成的直流输电系统的直流电压运行范围非常有限，无法适应直流电压在较大范围内运行控制的需求，不利于直流故障恢复和缺乏对交流电网的电压波动的适应性。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出单极电流交错连接三电平子模块，本发明提高了子模块的功率密度，节省辅助驱动设备和空间体积。
本发明提出的一种正向电流流出的单极电流交错连接三电平子模块(10)，其特征在于，包括第一直流电容器(C1)、第二直流电容器(C2)、第一全控电力电子开关器件(T1)、第二全控电力电子开关器件(T2)、全控电力电子开关单元(Tu)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、二极管单元(Du)；其中，第一全控电力电子开关器件的发射极与第一二极管的阴极相连，其连接点作为该子模块的正极端(11)，第一全控电力电子开关器件的集 电极与第一直流电容器的正极端相连作为第一正极端(Pa1+)，第一二极管的阳极与第一直流电容器的负极端相连作为第一负极端(Pa1-)；第二全控电力电子开关器件的集电极与第二二极管的阳极相连，其连接点作为该子模块的负极端(12)，第二二极管的阴极与第二直流电容器的正极端相连作为第二正极端(Pa2+)，第二全控电力电子开关器件的发射极与第二直流电容器的负极端相连作为第二负极端(Pa2-)；二极管单元的阴极与第一正极端相连、阳极与第二负极端相连，全控电力电子开关单元的集电极与第二正极端相连，发射极与第一负极端相连。流经该子模块的电流方向始终从该子模块的正极端(11)流出、负极端(12)流入。
本发明提出的一种正向电流流入的单极电流交错连接三电平子模块(20)，其特征在于，包括第一直流电容器(C1)、第二直流电容器(C2)、第一全控电力电子开关器件(T1)、第二全控电力电子开关器件(T2)、全控电力电子开关单元(Tu)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、二极管单元(Du)；其中，第一全控电力电子开关器件的集电极与第一二极管的阳极相连，其连接点作为该子模块的正极端(21)，第一二极管的阴极与第一直流电容器的正极端相连作为第一正极端(Pa1+)，第一全控电力电子开关器件的发射极与第一直流电容器的负极端相连作为第一负极端(Pa1-)；第二全控电力电子开关器件的发射极与第二二极管的阴极相连，其连接点作为该子模块的负极端(22)，第二全控电力电子开关器件的集电极与第二直流电容器的正极端相连作为第二正极端(Pa2+)，第二二极管的阳极与第二直流电容器的负极端相连作为第二负极端(Pa2-)；全控电力电子开关单元的集电极与第一正极端相连、发射极与第二负极端相连，二极管单元的阴极与第二正极端相连，阳极与第一负极端相连。流经该子模块的电流方向始终从该子模块的正极端(21)流入、负极端(22)流出。
本发明的特点及有益效果：
本发明提出的单极电流交错连接三电平(CC3L)子模块，是一种仅允许单一方向电流通过的三电平电压源子模块。与对角桥子模块仅输出双极性2电平相比较，本发明提出的单极电流CC3L子模块可输出双极性3电平电压，因而具有更多的电平数目。在使用器件方面，当单极电流CC3L子模块内部全控电力电子开关单元和二极管单元均采用2只器件串联时，其器件数量与2只对角桥子模块相当；当其内部全控电力电子开关单元和二极管单元均采用1只器件时，其器件数量比2只对角桥子模块可节省1只全控电力电子开关和1只二极管，可提高子模块功率密度，节省辅助驱动设备和空间体积。
本发明的单极电流CC3L子模块，与CDSM子模块相比，其器件数量虽然增加1只二极管，但节省2只全控电力电子开关，整体上降低了成本及子模块功率密度；与5LCCSM 子模块相比，其器件数量虽增加2只二极管，但节省了3只全控电力电子开关器件，整体上同样降低了成本及子模块功率密度；与3LCCSM子模块相比，其器件数量节省了2只全控电力电子开关，也提高了子模块的功率密度，节省辅助驱动设备和空间体积。
附图说明
图1是现有的一种对角桥式子模块结构图；
图2是本发明的正向电流流出的CC3L子模块结构图，其中图2(a)是基于GTO、IGCT等全控电力电子开关器件的子模块结构图，图2(b)是基于IGBT等全控电力电子开关器件的子模块结构图；
图3是本发明的正向电流流入的CC3L子模块结构图，其中图3(a)是基于GTO、IGCT等全控电力电子开关器件的子模块结构图，图3(b)是基于IGBT等全控电力电子开关器件的子模块结构图；
图4是本发明的CC3L子模块中二极管单元的两种电路结构图；
图5(a)、(b)分别是本发明基于IGBT等的CC3L子模块中全控电力电子开关单元的两种结构图，图5(c)是本发明基于GTO或IGCT等的CC3L子模块中全控电力电子开关单元的第一种结构图；
图6是基于本发明的单极电流交错连接三电平子模块的模块化多电平变流器30(40)结构图；
图7(a)是基于电流流出的CC3L子模块10的模块化多电平变流器的上桥臂结构图，图7(b)是基于电流流出的CC3L子模块10的模块化多电平变流器的下桥臂结构图；
图8(a)是基于电流流入的CC3L子模块20的模块化多电平变流器的上桥臂结构图，图8(b)是基于电流流入的CC3L子模块20的模块化多电平变流器的下桥臂结构图。
具体实施方式
本发明提出的单极电流交错连接三电平(Cross-Connected3Level，CC3L)子模块，该子模块采用一种新型的交错连接拓扑，在增加子模块电平数的同时，减少全控电力电子开关数量，提高子模块功率密度，节省辅助驱动设备和空间体积。下面结合附图和具体实施例进一步说明如下。
本发明提出的单极电流交错连接三电平子模块，包括正向电流流出的CC3L子模块10和正向电流流入的CC3L子模块20两类子模块，其中：
1)正向电流流出的CC3L子模块10，如图2(a)所示，包括第一直流电容器C1、第二直流电容器C2、第一全控电力电子开关器件T1、第二全控电力电子开关器件T2、全控 电力电子开关单元Tu、第一二极管D1、第二二极管D2、二极管单元Du；其中，T1的发射极与D1的阴极相连，其连接点作为该子模块的正极端11，T1的集电极与C1的正极端相连作为第一正极端Pa1+，D1的阳极与C1的负极端相连作为第一负极端Pa1-；T2的集电极与D2的阳极相连，其连接点作为该子模块的负极端12，D2的阴极与C2的正极端相连作为第二正极端Pa2+，T2的发射极与C2的负极端相连作为第二负极端Pa2-；Du的阴极与Pa1+相连、阳极与Pa2-相连，Tu的集电极与Pa2+相连，发射极与Pa1-相连。所述C1正极与负极之间的电压差为Udc1，C2正极与负极之间的电压差为Udc2，流经正向电流流出的CC3L子模块的电流为iSM1，其方向始终从该子模块的正极端11流出、负极端12流入。
2)正向电流流入的CC3L子模块20，如图3(a)所示，包括第一直流电容器C1、第二直流电容器C2、第一全控电力电子开关器件T1、第二全控电力电子开关器件T2、全控电力电子开关单元Tu、第一二极管D1、第二二极管D2、二极管单元Du；其中，T1的集电极与D1的阳极相连，其连接点作为该子模块的正极端21，D1的阴极与C1的正极端相连作为第一正极端Pa1+，T1的发射极与C1的负极端相连作为第一负极端Pa1-；T2的发射极与D2的阴极相连，其连接点作为该子模块的负极端22，T2的集电极与C2的正极端相连作为第二正极端Pa2+，D2的阳极与C2的负极端相连作为第二负极端Pa2-；Tu的集电极与Pa1+相连、发射极与Pa2-相连，Du的阴极与Pa2+相连，阳极与Pa1-相连。所述C1正极与负极之间的电压差为Udc1，C2正极与负极之间的电压差为Udc2，流经正向电流流入的CC3L子模块的电流为iSM2，其方向始终从该子模块的正极端21流入、负极端22流出。
在正向电流流出的CC3L子模块10或正向电流流入的CC3L子模块20中，所述二极管单元Du均由一个或多个二极管串联而成，前一个二极管的阳极与后一个二极管的阴极相连，第一个二极管的阳极、最后一个二极管的阴极分别作为该二极管单元Du的阳极、阴极，其中，所述二极管个数(记为NDu)与每个二极管的额定耐压值(可查询二极管器件的数据表，记为UDumax)，以及该二极管单元所在子模块的最大电压值(记为Udmax，Udmax大于等于子模块的额定电压)有关；所述全控电力电子开关单元Tu均由一个全控电力电子开关器件或多个全控电力电子开关器件串联而成，前一个全控电力电子开关器件的发射极与后一个全控电力电子开关器件的集电极相连，第一个全控电力电子开关器件的集电极、最后一个全控电力电子开关器件的发射极分别作为该全控电力电子开关单元Tu的集电极、发射极，所述全控电力电子开关器件个数(记为NTu)与每个全控电力电子开关器件的额定耐压值(可查询全控电力电子开关器件的数据表，记为UTumax)，以及该全控电力电子开关单元所在子模块的最大电压值(根据实际工程情况得到，记为Udmax)有关，其关系满足：
所述各CC3L子模块内构成全控电力电子开关单元Tu的全控电力电子开关器件的个数与构成二极管单元Du的二极管的个数无固定对应关系，且为提高子模块功率密度，减少子模块中器件数量，各单元内器件数量为满足(1)式的前提下的最小取值。各CC3L子模块内所采用的全控电力电子开关器件类型相同。
当全控电力电子开关器件T1、T2以及全控电力电子开关单元Tu内的全控电力电子开关器件类型均为IGBT(绝缘门极双极型晶体管)时，每个全控电力电子开关器件内部分别包括一个续流二极管，所述正向电流流出、正向电流流入CC3L子模块的电路结构分别参见图2(b)、图3(b)；当全控电力电子开关器件T1、T2及全控电力电子开关单元Tu内的全控电力电子开关器件类型全部为GTO(门极可关断晶闸管)或IGCT(集成门极换流晶闸管)时，每个全控电力电子开关器件内部均不包括续流二极管，所述正向电流流出、正向电流流入CC3L子模块的电路结构分别如图2(a)、图3(a)所示。
本实施例给出二极管单元Du的两种电路结构：第一种结构中，Du仅包含一个二极管Du1，该二极管的阳极和阴极分别作为该二极管单元的阳极和阴极，如图4(a)；第二种结构中，Du由第一二极管Du1及第二二极管Du2串联构成，Du1的阳极与Du2的阴极相连，Du1的阴极、Du2的阳极分别作为该二极管单元的阴极、阳极，如图4(b)所示。
本实施例给出全控电力电子开关单元Tu的两种电路结构：第一种结构中，Tu仅包含一个全控电力电子开关器件Tu1，该全控电力电子开关器件的发射极、集电极分别作为该全控电力电子开关单元的发射极、集电极；第二种结构中，Tu由第一全控电力电子器件Tu1及第二全控电力电子器件Tu2串联构成，Tu1的发射极与Tu2的集电极相连，Tu1的集电极、Tu2的发射极分别作为该全控电力电子开关单元的集电极、发射极。当Tu内的全控电力电子开关器件类型均为IGBT时，全控电力电子开关单元Tu的两种电路结构分别如图5(a)、(b)所示，即其内的全控电力电子开关器件均含有一个续流二极管；当Tu内的全控电力电子开关器件类型均为IGCT或GTO时，全控电力电子开关单元Tu的第一种电路结构如图5(c)所示，即其内部的全控电力电子开关器件均不含有续流二极管。
本发明提出单极电流交错连接三电平子模块的应用说明如下：
基于本发明提出的单极电流交错连接三电平子模块的模块化多电平变流器，包括基于正向电流流出的CC3L子模块10的变流器30和基于正向电流流入的CC3L子模块20的变流器40，其结构如图6所示，所述变流器(30，40)由结构相同的三相A,B,C及直流侧正极DC+、直流侧负极DC-构成；其中，A,B,C三相均由上、下两个相同桥臂串联构成，每个桥臂均包含若干个相同的单极电流CC3L子模块；各相上桥臂正极端P+作为该相直流侧正极端，各相下桥臂负极端N-作为该相直流侧负极端；变流器各相的直流侧正极端共同连接形成变流器的直流侧正极DC+，变流器各相的直流侧负极端共同连接形成变流器的直流 侧负极DC-；每相上桥臂负极端P-与下桥臂正极端N+的连接点分别为每相交流侧端Ac,Bc,Cc；Ac,Bc,Cc分别与交流侧电网每相线端Ag,Bg,Cg连接。
其中，所述变流器30，其上、下桥臂结构如图7所示，每个桥臂均由Na个相同的正向电流流出的CC3L子模块以及一台滤波电抗器L串联组成。各上桥臂中，第i个正向电流流出的CC3L子模块的负极端12与第i+1个正向电流流出的CC3L子模块的正极端11相连(i＝1,2,…,Na-1)，第一个正向电流流出的CC3L子模块的正极端11作为该上桥臂的正极端P+，第Na个正向电流流出的CC3L子模块的负极端12与滤波电抗器L的一端相连，L的另一端作为该上桥臂的负极端P-，如图7(a)所示；各下桥臂中，第i个正向电流流出的CC3L子模块的负极端12与第i+1个正向电流流出的CC3L子模块的正极端11相连，第Na个正向电流流出的CC3L子模块的负极端12作为该下桥臂的负极端N-，第一个正向电流流出的CC3L子模块的正极端11与滤波电抗器L的一端相连，L的另一端作为该下桥臂的正极端N+，如图7(b)所示。
所述变流器40，其上、下桥臂结构如图8所示，每个上、下桥臂均由Nb个相同的正向电流流入的CC3L子模块以及一台滤波电抗器L串联组成。各上桥臂中，第j个正向电流流入的CC3L子模块的负极端22与第j+1个正向电流流入的CC3L子模块的正极端21相连(j＝1,2,…,Nb-1)，第一个正向电流流入的CC3L子模块的正极端21作为该上桥臂的正极端P+，第Nb个正向电流流入的CC3L子模块的负极端22与滤波电抗器L的一端相连，L的另一端作为该上桥臂的负极端P-，如图8(a)所示；各下桥臂中，第j个正向电流流入的CC3L子模块的负极端22与第j+1个正向电流流入的CC3L子模块的正极端21相连，第Nb个正向电流流入的CC3L子模块的负极端22作为该下桥臂的负极端N-，第一个正向电流流入的CC3L子模块的正极端21与滤波电抗器L的一端相连，L的另一端作为该下桥臂的正极端N+，如图8(b)所示。
所述2种类型的变流器，每种变流器直流侧正极DC+与其直流侧负极DC-之间的电压差为该种类型变流器的直流侧电压，每种变流器的额定直流侧电压均表示为Udc，其交流侧端Ac、Bc、Cc间额定相电压中交流分量幅值均表示为Um，则通常满足关系：
Udc＝3Um/2 (2)
每个子模块内的电容器C1、C2上存在电容电压，分别表示为Udc1、Udc2，记所有子模块的电容电压之和为Ud，且满足关系：
Ud＝Udc1+Udc2 (3)
所述2种类型的变流器，每个正向电流流出的CC3L子模块正极端11、负极端12端之间，以及每个正向电流流入的CC3L子模块正极端21、负极端22端之间均存在端子电压uSM；变流器30、40中uSM与全控电力电子器件开关状态、电容充放电状态的关系分别如 表1、2所示；其中，“1”代表全控电力电子器件处于导通状态，“0”代表其处于关断状态；电容充电状态是指电流从电容正极流入、负极流出，且电容极板间电压逐渐升高的状态，电容旁路状态是指没有电流流经电容且电容极板间电压基本不变的状态，电容放电状态是指电流从电容正极流出、负极流入且电容极板间电压逐渐降低的状态。
表1
表2
所述2种类型的变流器，设Um为所述每种变流器交流侧端Ac、Bc、Cc间相电压的交流分量幅值，且通常满足关系Udc＝3Um/2；Ud为所述每种变流器的单极电流CC3L子模块额定电压，所述变流器30上下桥臂中正向电流流出的CC3L子模块的个数Na应满足关系：
Na≥(Um+Udc/2)/Ud (4)
变流器40桥臂中正向电流流入的CC3L子模块的个数Nb应满足关系：
Nb≥(Um+Udc/2)/Ud (5)
下面以应用于三相交流电网的三相模块化多电平变流器为例说明本发明的具体实施例。
该实施例中，模块化多电平变流器的参数见表3。
表3
在本实施例中，模块化多电平变流器结构如图6所示，变流器共包括A，B，C三相，每相由上、下2个桥臂串联；上桥臂正极端P+为该相直流侧正极端，下桥臂负极端N-为该相直流侧负极端；变流器各相的直流侧正端连接到一起，形成变流器的直流侧正极DC+；变流器各相的直流侧负端连接到一起，形成变流器的直流侧负极DC-。上桥臂负极端P-与下桥臂正极端N+的连接点分别为该相交流侧端Ac,Bc,Cc；Ac,Bc,Cc分别与交流侧电网各相线端Ag,Bg,Cg连接。
该变流器的桥臂由4个相同的CC3L子模块以及一台滤波电抗器串联组成。其中，上桥臂中第1个CC3L子模块的正极端作为该桥臂的正极端P+，第K(K＝1,2,3)个CC3L子模块的负极端与第K+1个CC3L子模块的正极端相连，第4个CC3L子模块的负极端与滤波电抗器的一端相连，滤波电抗器的另一端作为该桥臂的负极端P-。下桥臂中第4个CC3L子模块的负极端作为该桥臂的负极端N-，第K(K＝1,2,3)个CC3L子模块的负极端与第K+1个CC3L子模块的正极端相连，第1个CC3L子模块的正极端与滤波电抗器的一端相连，滤波电抗器的另一端作为该桥臂的正极端N+。
在本实施例的多电平变流器中，其CC3L子模块采用如图3(b)所示结构，即采用基于IGBT的正向电流流入的CC3L子模块：该子模块包括第一直流电容器C1、第二直流电容器C2、第一全控电力电子开关器件T1、第二全控电力电子开关器件T2、全控电力电子开关单元Tu、第一二极管D1、第二二极管D2、二极管单元Du；其中，T1的集电极与D1的阳极相连，其连接点作为该子模块的正极端21，D1的阴极与C1的正极端相连，作为第一正极端Pa1+，T1的发射极与C1的负极端相连作为第一负极端Pa1-；T2的发射极与D2的阴极相连，其连接点作为该子模块的负极端22，T2的集电极与C2的正极端相连作为第二正极端Pa2+，D2的阳极与C2的负极端相连作为第二负极端Pa2-；Tu的集电极与Pa1+相连、发射极与Pa2-相连，Du的阴极与Pa2+相连，阳极与Pa1-相连。Tu单元由两个IGBT串联而成、Du单元内含有一个二极管。

Claims (8)

1.一种正向电流流出的单极电流交错连接三电平子模块(10)，其特征在于，包括第一直流电容器(C1)、第二直流电容器(C2)、第一全控电力电子开关器件(T1)、第二全控电力电子开关器件(T2)、全控电力电子开关单元(Tu)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、二极管单元(Du)；其中，第一全控电力电子开关器件的发射极与第一二极管的阴极相连，其连接点作为该子模块的正极端(11)，第一全控电力电子开关器件的集电极与第一直流电容器的正极端相连作为第一正极端(Pa1+)，第一二极管的阳极与第一直流电容器的负极端相连作为第一负极端(Pa1-)；第二全控电力电子开关器件的集电极与第二二极管的阳极相连，其连接点作为该子模块的负极端(12)，第二二极管的阴极与第二直流电容器的正极端相连作为第二正极端(Pa2+)，第二全控电力电子开关器件的发射极与第二直流电容器的负极端相连作为第二负极端(Pa2-)；二极管单元的阴极与第一正极端相连、阳极与第二负极端相连，全控电力电子开关单元的集电极与第二正极端相连，发射极与第一负极端相连。
2.根据权利要求1所述的单极电流交错连接三电平子模块，其特征在于，流经所述子模块的电流方向始终从该子模块的正极端(11)流出、负极端(12)流入。
3.一种正向电流流入的单极电流交错连接三电平子模块(20)，其特征在于，包括第一直流电容器(C1)、第二直流电容器(C2)、第一全控电力电子开关器件(T1)、第二全控电力电子开关器件(T2)、全控电力电子开关单元(Tu)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、二极管单元(Du)；其中，第一全控电力电子开关器件的集电极与第一二极管的阳极相连，其连接点作为该子模块的正极端(21)，第一二极管的阴极与第一直流电容器的正极端相连作为第一正极端(Pa1+)，第一全控电力电子开关器件的发射极与第一直流电容器的负极端相连作为第一负极端(Pa1-)；第二全控电力电子开关器件的发射极与第二二极管的阴极相连，其连接点作为该子模块的负极端(22)，第二全控电力电子开关器件的集电极与第二直流电容器的正极端相连作为第二正极端(Pa2+)，第二二极管的阳极与第二直流电容器的负极端相连作为第二负极端(Pa2-)；全控电力电子开关单元的集电极与第一正极端相连、发射极与第二负极端相连，二极管单元的阴极与第二正极端相连，阳极与第一负极端相连。
4.根据权利要求3所述的单极电流交错连接三电平子模块，其特征在于，流经所述子模块的电流方向始终从该子模块的正极端(21)流入、负极端(22)流出。
5.根据权利要求2或4所述的单极电流交错连接三电平子模块，其特征在于，所述二极管单元(Du)均含有NDu个二极管，前一个二极管的阳极与后一个二极管的阴极相连，第一个二极管的阴极、最后一个二极管的阳极分别作为该二极管单元的阴极、阳极；所述二极管个数NDu满足关系式：
NDu≥Udmax/UDumax
式中，UDumax为各个二极管的额定耐压值，Udmax为该二极管单元所在子模块的最大电压值。
6.根据权利要求2或4所述的单极电流交错连接三电平子模块，其特征在于，所述全控电力电子开关单元(Tu)均含有NTu个全控电力电子开关器件，前一个全控电力电子开关器件的发射极与后一个全控电力电子开关器件的集电极相连，第一个全控电力电子开关器件的集电极、最后一个全控电力电子开关器件的发射极分别作为该全控电力电子单元的集电极、发射极；所述全控电力电子开关器件的个数NTu满足关系式：
NTu≥Udmax/UTumax
式中，UTumax为各个全控电力电子开关器件的额定耐压值，Udmax为该全控电力电子开关单元所在子模块的最大电压值。
7.根据权利要求5所述的单极电流交错连接三电平子模块，其特征在于，所述正向电流流出的单极电流交错连接三电平子模块，其内的全控电力电子器件类型均相同。
8.根据权利要求6所述的单极电流交错连接三电平子模块，其特征在于，所述正向电流流入的单极电流交错连接三电平子模块，其内的全控电力电子器件类型均相同。
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