CN114826000A

CN114826000A - 三桥臂多电平变换器

Info

Publication number: CN114826000A
Application number: CN202210495707.9A
Authority: CN
Inventors: 郑琼林; 邵天骢; 游小杰; 杨晓峰; 李凯
Original assignee: Beijing Yifei Shengjing Technology Co ltd; Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Yifei Shengjing Technology Co ltd; Beijing Jiaotong University
Priority date: 2022-05-09
Filing date: 2022-05-09
Publication date: 2022-07-29

Abstract

本发明涉及三桥臂多电平变换器(TMC)，其中的两个负载桥臂用于建立相桥臂交流端的电压和流经该交流端的电流，第三桥臂的两端分别与所述的两个负载桥臂连接并用于建立平衡电流以实现变换器电路中所有电气组件中子模块储能单元的电压平衡。本发明，通过改变三桥臂多电平变换器中可配置电路的配置方式，可以获得具有不同拓扑和不同构造、且每一相桥臂均由三个桥臂构成的一类多电平变换器。该一类多电平变换器中，有些变换器具有MMC和EO‑AAC等多电平变换器的优点，且变换器中所用的子模块数量和半导体开关数量分别比同等级的MMC和EO‑AAC减少许多。

Description

三桥臂多电平变换器

技术领域

本发明涉及多电平电力电子变换器领域，具体说是三桥臂多电平变换器(Tri-armMultilevel Converter，TMC)，尤指具有可配置电路的模块化的每相桥臂均由三桥臂构成的多电平电压源变换器。

背景技术

MMC[1，2](Modular Multilevel Converter，模块化多电平变换器)的开关器件承受电压变化小，且可以不同时开通和关断，因此消除了两电平高压变换器所必须的开关器件同时开通和关断的动态均压难题。同时，MMC具有模块化结构，易于向高电平拓展，因此MMC在高压领域得到广泛应用，特别是在高压交直流输配电领域。MMC的不足之处在于：

MMC所需的子模块很多，在工作时总有50％的子模块电容处于动态切除冗余状态。

MMC的子模块需要大的电容以承载工频和二倍频功率波动，且每相桥臂也需要两个大直流电感来抑制上下桥臂的环流脉动。

相比较而言，AAC[3](Alternate Arm Converter，交替臂变换器)具有较少的子模块数和串联功率器件数。但它对变换器交流侧和直流侧电压有严格的“sweet spot”比例要求，这就大大限制其应用。另外，AAC桥臂的子模块电容不能像MMC那样兼作直流侧的支撑电容，因此须专门的直流支撑电容，且存在6n次谐波，故在直流侧还须大的滤波电感。

在AAC基础上发展出来的HBSM-AAMC[4,5](Half Bridge Sub-Module basedAlternate Arm Multilevel Converter，基于半桥子模块的交替臂多电平变换器)，引入交流电流与桥臂电压的相位移动，解决了交直流电压比例可以像MMC那样自由选择，但没有解决AAC存在的其他问题。

EO-AAC[6](Extended Overlap Alternate Arm Multilevel Converter，扩展重叠交替臂多电平变换器)在AAC基础上通过在上下桥臂增加子模块和开关器件的办法使得上下桥臂同时导通的交叠区间扩大到每相2*60°，从而使得直流电流能经由三相桥臂的子模块电容形成独立回路(每相桥臂流通1/3工频周期时间的直流电流)，因此直流电流与整流后的交流电流相互解耦，从而可消除交直流电压的严格“sweet spot”比例要求。

MMC每相桥臂的上下桥臂在工频周期的360°区间都同时导通，可以给直流电流提供独立回路，因此每相桥臂的子模块电容都起到了直流支撑电容的作用。EO-AAC每相桥臂的上下桥臂在工频周期的120°区间同时导通，每相桥臂的子模块电容只有在1/3的工频周期内可用作直流支撑电容，因此需要三相桥臂联合起来轮序工作，桥臂子模块电容才能起到直流支撑电容的作用。AAC(也称作SO-AAC)每相桥臂的上下桥臂在工频周期内共同导通的交叠区一般小于1/10的工频周期，而HBSM-AAMC每相桥臂的上下桥臂没有同时导通，因此AAC和HBSM-AAMC两者的桥臂子模块电容无法兼作直流支撑电容的作用。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供三桥臂多电平变换器，通过改变三桥臂多电平变换器中可配置电路的配置方式，可以获得具有不同拓扑和不同构造、且每一相桥臂均由三个桥臂构成的一类多电平变换器。该一类多电平变换器中，有些变换器具有MMC和EO-AAC等多电平变换器的优点，且变换器中所用的子模块数量和半导体开关数量分别比同等级的MMC和EO-AAC减少许多。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

三桥臂多电平变换器，其特征在于，变换器由可配置的相桥臂电路和可配置的直流电路构成，可配置的相桥臂电路包含至少一相桥臂，其中每一相桥臂由上桥臂、中桥臂和下桥臂共三个桥臂构成，上桥臂和下桥臂由包含至少一个半导体开关的开关串和包含至少一个子模块的子模块串的电气组件构成，中桥臂由包含至少一个子模块的子模块串和/或包含至少两个半导体开关的开关串的电气组件构成；上桥臂的一端和下桥臂的一端连接在一起构成第一连接点作为交流端可连接到交流电源或交流负载，上桥臂的另一端构成正极端，下桥臂的另一端构成负极端，中桥臂的一端与上桥臂的电气组件连接一起构成第二连接点，第二连接点在上桥臂电气组件的位置可配置成该电气组件的开关串中半导体开关之间的连接点或子模块串中子模块之间的连结点或开关串和子模块串之间的连接点，中桥臂的另一端与下桥臂的电气组件连接一起构成第三连接点，第三连接点在下桥臂电气组件的位置可配置成该电气组件的开关串中半导体开关之间的连接点或子模块串中子模块之间的连结点或开关串和子模块串之间的连接点，中桥臂的中点和各相桥臂共同中点之间可配置成短路连接或开路连接或与包含至少一个子模块的子模块串构成的电气组件连接；可配置的直流电路，有可连接到外部直流电源或直流负载的直流正极端和直流负极端，在直流正极端和各相桥臂的共同正极端之间可配置成短路连接或与包含至少一个子模块的子模块串构成的电气组件连接，在直流负极端和各相桥臂的共同负极端之间可配置成短路连接或与包含至少一个子模块的子模块串构成的电气组件连接，在直流正极端和直流负极端之间可配置成开路连接或与包含至少一个储能单元的电气组件连接，所述包含至少一个储能单元的电气组件的中点和各相桥臂共同中点之间可配置成短路连接或开路连接。

在上述技术方案的基础上，所述的开关串由一个半导体开关构成、或由多个半导体开关串联连接构成，通过控制开关串可以实现电流的流通和阻断。

在上述技术方案的基础上，多个半导体开关是相同的半导体开关，或者是不同的半导体开关。

在上述技术方案的基础上，所述的半导体开关是由可控半导体开关器件与二极管器件反向并联连接构成的全控半导体开关，或是由晶闸管器件与二极管器件反向并联连接构成的半控半导体开关。

在上述技术方案的基础上，所述的子模块串由一个子模块构成、或由多个子模块级联连接构成，通过控制子模块串可以产生不同电平的可变电压源。

在上述技术方案的基础上，多个子模块是相同的子模块，或者是不同的子模块。

在上述技术方案的基础上，所述的子模块可以是半桥子模块、凸桥子模块、全桥子模块中的任意之一，其中，

半桥子模块是指一个子模块储能单元与半桥形式同方向布置的2个全控半导体开关并联连接构成的两象限子模块，该两象限子模块的电流可以双向流动、且通过控制全控半导体开关能够产生零电压或正电压，其中半桥形式布置的2个全控半导体开关的每一个都是由二极管器件与可控半导体开关器件反向并联连接构成；

凸桥子模块是指一个子模块储能单元与全桥形式同方向布置的1个二极管和3个全控半导体开关并联连接构成的三象限子模块，该三象限子模块的电流可以双向流动、且通过控制全控半导体开关能够产生一个电流方向的负电压或零电压或正电压而另一个电流方向的零电压或正负电压之一，其中全桥形式布置的1个二极管由二极管器件构成、3个全控半导体开关中的每一个都是由二极管器件与可控半导体开关器件反向并联连接构成；

全桥子模块是指一个子模块储能单元与全桥形式同方向布置的4个全控半导体开关并联连接构成的四象限子模块，该四象限子模块的电流可以双向流动、且通过控制全控半导体开关能够产生负电压或零电压或正电压，其中全桥形式布置的4个全控半导体开关的每一个都是由二极管器件与可控半导体开关器件反向并联连接构成。

在上述技术方案的基础上，所述的可控半导体开关器件是能通过控制流通电流、也能通过控制阻断电流的半导体开关器件，优选为绝缘栅双极晶体管、门极可关断晶闸管、场效应晶体管或达灵顿双极晶体管中的任意之一。

在上述技术方案的基础上，子模块储能单元由一个储能单元构成、或由多个储能单元串联连接构成。

在上述技术方案的基础上，所述的储能单元中储存的能量以电压的形式表现出来，优选为由至少一个电容器构成的储能设备。

在上述技术方案的基础上，所述变换器电路中的不同配置，会获得许多种不同拓扑的三桥臂多电平变换器，其中，所述的不同拓扑的变换器的电压平衡控制原理会存在差异。

在上述技术方案的基础上，所述电气组件中不同半导体开关和/或不同子模块的采用，会获得许多种不同构造的三桥臂多电平变换器，其中，所述不同构造的三桥臂多电平变换器的功能会存在差异。

在上述技术方案的基础上，其中每一相桥臂的上桥臂和下桥臂用于建立交流端输出到交流电源或交流负载的所需电压和电流，中桥臂用于建立平衡电流以实现三桥臂变换器中所有子模块中储能单元的电压平衡。

在上述技术方案的基础上，不同拓扑和不同构造的三桥臂多电平变换器都有独立的平衡电流支路，其中独立的平衡电流支路是指所述的中桥臂的支路或中桥臂的中点和各相共同中点之间的支路。

在上述技术方案的基础上，其中的独立的平衡电流支路中可以接入滤波电感以抑制平衡电流的谐波分量。

在上述技术方案的基础上，所述储能单元也可以是其他形式的电压源，优选的是储能电池或光伏电池或燃料电池或交流电源整流后得到的直流电源。

在上述技术方案的基础上，各相桥臂的半导体开关选型和子模块选型可以相同，也可以不同。

在上述技术方案的基础上，每一相桥臂的三个桥臂中的子模块选型可以相同，也可以不同。

在上述技术方案的基础上，所述的储能单元可以与外部电源临时连接对该储能单元进行充电或放电。

本发明所述的三桥臂多电平变换器，具有以下有益效果：

通过改变三桥臂多电平变换器中可配置电路的配置方式，从而改变电路的拓扑和构造，可以获得具有不同拓扑和不同构造、且每一相桥臂均由三个桥臂构成的一类多电平变换器；

该一类多电平变换器中，有些拓扑和构造的三桥臂多电平变换器可以分别有MMC和EO-AAC等多电平变换器的优点，且变换器中所用的子模块数量和半导体开关数量分别比同等级的MMC和EO-AAC减少许多。

本发明所述的三桥臂多电平变换器，可用于高压直流输电(HVDC)和电能质量改善等领域。

附图说明

本发明的目的、特色和优点，将通过结合以下附图的详细描述而变得更加直观和丰富。下面的附图和实施例，是为了便于理解而对本发明所述三桥臂多电平变换器以及改变其中可配置电路的配置方式后获得的部分具有不同拓扑和不同构造、且每一相桥臂均由三个桥臂构成的一类多电平变换器的具体描述。本发明所述三桥臂多电平变换器包括但不限于下面附图和实施例。本发明有如下附图：

附图用于更好地理解本发明，不构成对本发明的不当限定。其中：

图1所示是本发明的三桥臂多电平变换器的示意图。

图2a所示是半导体开关示意图。

图2b所示是开关串的示意图。

图3a所示是半桥子模块示意图。

图3b所示是凸桥子模块示意图。

图3c所示是全桥子模块示意图。

图3d所示是子模块示意图。

图3e所示是子模块串示意图。

图4a所示是储能单元示意图。

图4b所示是储能单元串示意图。

通过改变可配置电路的配置方式，可构造出图5-图20所示实施例，其中：

图5所示是三桥臂多电平变换器实施例1(TMC 01)。

图6所示是三桥臂多电平变换器实施例2(TMC 02)。

图7所示是三桥臂多电平变换器实施例3(TMC 03)。

图8所示是三桥臂多电平变换器实施例4(TMC 04)。

图9所示是三桥臂多电平变换器实施例5(TMC 05)。

图10所示是三桥臂多电平变换器实施例6(TMC 06)。

图11所示是三桥臂多电平变换器实施例7(TMC 07)。

图12所示是三桥臂多电平变换器实施例8(TMC 08)。

图13所示是三桥臂多电平变换器实施例9(TMC 09)。

图14所示是三桥臂多电平变换器实施例10(TMC 10)。

图15所示是三桥臂多电平变换器实施例11(TMC 11)。

图16所示是三桥臂多电平变换器实施例12(TMC 12)。

图17所示是三桥臂多电平变换器实施例13(TMC 13)。

图18所示是三桥臂多电平变换器实施例14(TMC 14)。

图19所示是三桥臂多电平变换器实施例15(TMC 15)。

图20所示是三桥臂多电平变换器实施例16(TMC 16)。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步详细说明。所述详细说明，为结合本发明的示范性实施例作出的说明，其中包括本发明实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本发明的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。

本发明给出了三桥臂多电平变换器，所述变换器包括可配置的相桥臂电路和可配置的直流电路；所述可配置的相桥臂电路和可配置的直流电路构成可配置电路100，简称电路100；

所述可配置的相桥臂电路中至少包括一相桥臂，每一相桥臂均包括三个桥臂，分别为上桥臂、中桥臂和下桥臂；中桥臂的两端分别与上桥臂和下桥臂连接的第二连接点和第三连接点的位置可根据需要进行配置，所述配置是指：第二连接点和第三连接点分别在上桥臂和下桥臂的电气组件中的位置可以是开关串中半导体开关之间的连接点或子模块串中子模块之间的连结点或开关串和子模块串之间的连接点；在可配置的相桥臂电路中至少要有一相桥臂，根据应用需要，可以包括一相桥臂，也可以包括两相桥臂，也可以包括三相桥臂，还可以包括更多相桥臂，最常用的是可配置的相桥臂电路中包括三相桥臂；图16所示实施例为一相桥臂，所述一相桥臂包括三个桥臂；图12、图13所示实施例为两相桥臂，每一相桥臂均包括三个桥臂；图5-图11，图14-图15，以及图17-图20所示实施例为三相桥臂，每一相桥臂均包括三个桥臂；

所述可配置的相桥臂电路还包括中桥臂的中点和各相桥臂共同中点之间的电气组件；所述电气组件可根据需要进行配置，所述配置是指：将电气组件替换为短路连接，或将电气组件替换为开路连接；

所述可配置的相桥臂电路中还包括交流端，所述交流端可连接到交流电源或交流负载；

所述可配置的直流电路包括直流正极端和直流负极端；

直流正极端和直流负极端可连接到直流电源或直流负载；

在直流正极端和直流负极端之间设有电气组件；

在直流正极端和各相桥臂共同正极端之间设有电气组件；

在直流负极端和各相桥臂共同负极端之间设有电气组件；

所述各电气组件可根据需要进行配置，所述配置是指：将电气组件替换为短路连接，或者将电气组件替换为开路连接；

所述可配置的直流电路还包括连接于直流正负极端之间的电气组件的中点和各相桥臂中点之间的电气连接，所述电气连接可根据需要进行配置，所述配置是指：电气连接或者是短路连接，电气连接或者是开路连接。

本发明中，上桥臂和下桥臂用于建立交流端输出到交流电源或交流负载的所需电压和电流，中桥臂用于建立平衡电流以实现三桥臂变换器中所有子模块中储能单元的电压平衡；

通过不同的配置，会获得许多种不同拓扑结构的三桥臂多电平变换器，拓扑结构不同时，变换器的电压平衡控制原理会存在差异；

不同拓扑结构的三桥臂多电平变换器都有独立的平衡电流支路，其中独立的平衡电流支路是指所述的中桥臂的支路或中桥臂的中点和各相共同中点之间的支路。

为了抑制平衡电流的谐波分量，可以在平衡电流回路中的任何支路上串联接入滤波电感。为使得流过滤波电感的电流尽可能小，该滤波电感优先串联接入在独立的平衡电流支路中。

在上述技术方案的基础上，当所述可配置的相桥臂电路中包括n相桥臂，n值大于等于2时，各相桥臂的拓扑结构相同，各相桥臂的元器件选型相同或不同。

图1所示实施例中，电路100中的可配置的相桥臂电路包括三相桥臂(n值为3)，分别为A相桥臂、B相桥臂和C相桥臂，图1中示出了A相桥臂的具体构成和可配置的直流电路的具体构成，B相桥臂和C相桥臂的拓扑结构与A相桥臂相同，需要说明的是，B相桥臂和C相桥臂亦可根据具体应用的需求进行增减；

图1所示实施例中，A相桥臂包括上桥臂A1、中桥臂A2和下桥臂A3，上桥臂A1包含第一电气组件A10，中桥臂A2包含第二电气组件A20，下桥臂A3包含第三电气组件A30；

上桥臂A1的一端和下桥臂A3的一端均连接到第一连接点13A，第一连接点13A作为交流端，所述交流端可连接到交流电源或交流负载；

上桥臂A1的另一端作为正极端连接到各相桥臂的共同正极端12P；图1所示实施例中，各相桥臂是指A相桥臂、B相桥臂和C相桥臂；

下桥臂A3的另一端作为负极端连接到各相桥臂的共同负极端12N；

中桥臂A2的一端和第一电气组件A10均连接到第二连接点21A；第二连接点21A在第一电气组件A10中的位置可以变化；

中桥臂A2的另一端和第三电气组件A30均连接到第三连接点23A；第三连接点23A在第三电气组件A30中的位置可以变化；

中桥臂A2的中点24A与各相桥臂的共同中点12M之间设有第四电气组件04A；第四电气组件04A可根据需要进行配置，所述配置是指：将电气组件替换为短路连接，或者将电气组件替换为开路连接；即：第四电气组件04A可以用开路连接替换，也可以用短路连接替换；

图1所示实施例中，可配置的直流电路具体包括：直流正极端11P和直流负极端11N；直流正极端11P和直流负极端11N可连接到直流电源或直流负载；

在直流正极端11P和负极端11N之间设有第七电气组件07；第七电气组件07可根据需要进行配置，所述配置是指：将电气组件替换为开路连接；即：第七电气组件07可以用开路连接替换；

所述第七电气组件07的中点11M与各相桥臂的共同中点12M之间可根据需要配置为以下任意之一连接方式：短路连接，开路连接；

在直流正极端11P与各相桥臂的共同正极端12P之间设有第五电气组件05；第五电气组件05可根据需要进行配置，所述配置是指：将电气组件替换为短路连接；即：第五电气组件05可以用短路连接替换；

在直流负极端11N与各相桥臂的共同负极端12N之间设有第六电气组件06；第六电气组件06可根据需要进行配置，所述配置是指：将电气组件替换为短路连接；即：第六电气组件06可以用短路连接替换。

在上述技术方案的基础上，第一电气组件A10由开关串600和子模块串700串联连接构成；开关串600包含至少一个半导体开关60，子模块串700包含至少一个子模块70；

第二电气组件A20由开关串600构成，或者由子模块串700构成，或者由开关串600和子模块串700串联连接构成；开关串600包含至少两个半导体开关60；子模块串700包含至少一个子模块70；

第三电气组件A30由开关串600和子模块串700串联连接构成；开关串600包含至少一个半导体开关60，子模块串700包含至少一个子模块70；

第四电气组件04A由子模块串700构成；子模块串700包含至少一个子模块70；

第五电气组件05由子模块串700构成；子模块串700包含至少一个子模块70；

第六电气组件06由子模块串700构成；子模块串700包含至少一个子模块70；

第七电气组件07由储能单元串800构成，或者由子模块串700构成，或者由储能单元串800和子模块串700串联连接构成；储能单元串800包含至少一个储能单元80；子模块串700包含至少一个子模块70。

在上述技术方案的基础上，前文所述各相桥臂的元器件选型不同是指：各相桥臂中的半导体开关60选型不同和/或各相桥臂中的子模块70选型不同。

需要说明的是：本领域现有技术中，提及元器件选型不同，一般不包含子模块，仅指无源元件和开关器件。本申请不同于现有技术，本申请中，如果半导体开关60选型不同，其功能不变；但子模块70选型不同，功能会发生变化(功能有差异)。因此，各相桥臂中的子模块70选型可以相同，也可以不同；同样，在同一相桥臂的上、中和下三个桥臂中的子模块选型可以相同，也可以不同。例如：当变换器直流侧发生短路故障，变换器需为交流侧电源提供无功支撑时，子模块70采用不同的子模块结构以减少变换器所需的可控半导体开关数量。详见下述各具体实施例，例如子模块70选型不同的具体实施例可参见图9所示。

作为可选择的优选实施方案之一，各相桥臂不但电气连接关系相同(拓扑结构相同)，而且元器件选型亦相同；

作为可选择的优选实施方案之二，各相桥臂电气连接关系相同(拓扑结构相同)，但子模块70选型不同，子模块70之外的其他元器件选型相同；

在上述技术方案的基础上，开关串600如图2所示，在图2a中，半导体开关60是由可控半导体开关器件65与二极管器件66反向并联连接构成的全控半导体开关62，或者是由晶闸管器件67与二极管器件66反向并联连接构成的半控半导体开关64；

需要说明的是，在图2a中的可控半导体开关器件65采用绝缘栅双极晶体管IGBT符号来表示，仅是为方便画图，并不表示可控半导体开关器件65仅指IGBT；可控半导体开关器件65是指既可以控制导通也可以控制阻断的半导体开关器件，优选的是绝缘栅双极晶体管IGBT、或者是门极可关断晶闸管GTO、或者是金属氧化物场效应管MOSFET、或者达灵顿双极晶体管BJT；

在图2b中，开关串600至少包括一个半导体开关60；当包括两个以上的半导体开关60时，各半导体开关60串联连接；

开关串600可以是单一的全控半导体开关62串联而成，也可以是单一的半控半导体开关64串联而成，也可以是全控半导体开关62和半控半导体开关64混合串联而成。通过控制开关串可以实现电流的流通和阻断。

在上述技术方案的基础上，子模块串700如图3所示，在图3a中，半桥子模块72(HBSM)是指一个子模块储能单元84与半桥形式同方向布置的两个全控半导体开关62并联连接构成的两象限子模块，该两象限子模块的电流可以双向流动、且通过控制全控半导体开关62能够产生零电压或者正电压；

在图3b中，凸桥子模块74(TBSM)是指一个子模块储能单元84与全桥形式同方向布置的一个二极管68和三个全控半导体开关62并联连接构成的三象限子模块，该三象限子模块的电流可以双向流动、且通过控制全控半导体开关62能够产生一个电流方向的负电压或者零电压或者正电压而另一个电流方向的零电压或者正负电压之一；同方向布置是指一个二极管68的方向与三个全控半导体开关62中的二极管器件66的方向是同方向布置；

由于三个全控半导体开关62的位置不同，凸桥子模块74按结构形式划分可分为四类，分别为第一类凸桥子模块741、第二类凸桥子模块742、第三类凸桥子模块743和第四类凸桥子模块744，其中：

第一类凸桥子模块741和第三类凸桥子模块743是能工作在Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ象限的三象限子模块，电流可以双向流动、且通过控制全控半导体开关62能够在正电流方向上产生负电压或者零电压或者正电压而在负电流方向上产生负电压或者零电压；

第二类凸桥子模块742和第四类凸桥子模块744是能工作在Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ象限的三象限子模块，电流可以双向流动、且通过控制全控半导体开关62能够在负电流方向上产生负电压或者零电压或者正电压而在正电流方向上产生零电压或者正电压；

在图3c中，全桥子模块76(FBSM)是指一个子模块储能单元84与全桥形式同方向布置的4个全控半导体开关62并联连接构成的四象限子模块，该四象限子模块的电流可以双向流动、且通过控制全控半导体开关62能够产生负电压或者零电压或者正电压；

在图3d中，子模块70(SM)可以是以下任意之一：半桥子模块72，第一类凸桥子模块741，第二类凸桥子模块742，第三类凸桥子模块743，第四类凸桥子模块744，全桥子模块76；

在图3e中，子模块串700至少包括一个子模块70；当包括两个以上的子模块70时，各子模块70级联连接；

子模块串700可以是单一的半桥子模块72级联连接而成，也可以是单一的凸桥子模块74级联连接而成，也可以是单一的全桥子模块76级联连接而成，也可以是半桥子模块72、凸桥子模块74和全桥子模块76中的任意两种或全部级联连接而成。通过控制子模块串可以产生不同电平的可变电压源。

可以设想，一个基波周期的电压波形和电流波形构成的波形图中，当电流和电压不同相位时，会存在4个区域：电压为正电流也为正的第一区域，电压为正电流为负的第二区域，电压为负电流也为负的第三区域，电压为负电流为正的第四区域；

显然，由单一的半桥子模块72级联连接而成的子模块串700，可以工作在第一和第二区域，即可工作在电压为正的半个周期；由第一类凸桥子模块741和/或第三类凸桥子模块743级联连接而成的子模块串700，可以工作在第一、第三和第四区域；由第二类凸桥子模块742和/或第四类凸桥子模块744级联连接而成的子模块串700，可以工作在第一、第二和第三区域；由单一的全桥子模块76级联连接而成的子模块串700，可以工作在第一、第二、第三和第四区域，即可以在整个基波周期正常工作；

因此，子模块70的选用，要根据三桥臂多电平变换器实现不同功能的需要进行合理和优化配置。

在上述技术方案的基础上，储能单元串800如图4所示，在图4a中，储能单元80是一个储存能量且以电压形式表现出来的储能设备；储能单元80可以是一个电容器，也可以是若干并联连接的电容器；

在图4b中，储能单元串800至少包括一个储能单元80；当包括两个以上的储能单元80时，各储能单元80串联连接；

需要说明的是，所述子模块储能单元84至少包括一个储能单元80，以匹配全控半导体开关62能承受的阻断电压；当子模块储能单元84包括两个以上的储能单元80时，各储能单元80串联连接。

所述的储能单元80可以与外部电源临时连接对该储能单元进行充电或放电。

储能单元80也可以是其他形式的电压源，例如可以是以下任意之一：储能电池，光伏电池，燃料电池，交流电源整流后得到的直流电源。

以下为电路100的若干具体实施例。各个具体实施例中，有的是三相变换器，有的是两相变换器(习惯称单相变换器)，有的是一相变换器(也称单相半桥变换器)，每一相桥臂均包括三个桥臂(上桥臂、中桥臂和下桥臂)。

第1个从电路100配置出的变换器110如图5所示。变换器110是2N+1电平三相变换器。

变换器110的相桥臂电路中每相桥臂的元器件选型相同，每相桥臂均由半桥子模块72构成的子模块串和全控半导体开关62构成的开关串组成。变换器110跟MMC一样，子模块采用的半桥子模块，且每相桥臂的子模块储能单元都在整个基波周期区间起到直流支撑电容的作用。但变换器110所需的子模块数量是MMC的75％。

A相桥臂组成如下：上桥臂A1的电气组件是半桥子模块72构成的子模块串与全控半导体开关62构成的开关串连接构成，中桥臂A2的电气组件是半桥子模块72构成的子模块串构成，下桥臂A3的电气组件是半桥子模块72构成的子模块串与全控半导体开关62构成的开关串连接构成；中桥臂A2与上桥臂A1的第二连接点21A位于上桥臂A1的子模块串与开关串的连接点，中桥臂A2与下桥臂A3的第三连接点23A位于下桥臂A3子模块串与开关串的连接点，上桥臂A1与下桥臂A3的第一连接点13A构成A相桥臂的交流端；中桥臂A2的中点与A、B和C三相桥臂的共同中点之间开路。

上桥臂A1的开关串和下桥臂A3的开关串都靠近上下桥臂的第一连接点13A一侧。图5中变换器110的中桥臂A2的平衡电流支路上还串接了一个抑制平衡电流谐波分量的滤波电感。

上桥臂A1的子模块串能产生的电压幅值为N倍的储能单元电压、开关串能承受的阻断电压为N倍的储能单元电压；中桥臂A2的子模块串能产生的电压幅值为N倍的储能单元电压；下桥臂A3的子模块串能产生的电压幅值为N倍的储能单元电压、开关串能承受的阻断电压为N倍的储能单元电压。

B相桥臂和C相桥臂都是A相桥臂的重复，不再赘述。

变换器110的直流电路组成如下：直流正极端11P与A、B和C相桥臂的共同正极端12P之间的连接为短路连接，相当于第五电气组件05被旁路掉；直流负极端11N与A、B和C相桥臂的共同负极端12N之间的连接也为短路连接，相当于第六电气组件06被旁路掉；直流正极端11P和直流负极端11N之间的连接为开路，相当于第七电气组件07的两端连接被断开。由此，第七电气组件07的中点到A、B和C相桥臂共同中点之间的连接也就不必要了。

第2个从电路100配置出的变换器112如图6所示。变换器112是2N+1电平三相变换器。

变换器112跟HBSM-AAMC一样采用半桥子模块72构成的子模块串和全控半导体开关62构成的开关串组成相桥臂；但跟EO-AAC的三相桥臂的子模块储能单元联合起到直流支撑电容的功能一样，即每一相桥臂的子模块储能单元都在三分之一的基波周期区间起到直流支撑电容的作用。变换器112所需的子模块数量是MMC的62.5％，所需的半导体开关数量是MMC的87.5％；而HBSM-AAMC所需的子模块数量是MMC的82％，所需的半导体开关数量是MMC的91％，且在直流电路中需要专门的直流支撑电容和抑制6倍频脉动的直流滤波电感。

变换器112也可以从图5的变换器110修改中获得。

把变换器110的相桥臂电路中A相桥臂的中桥臂A2的子模块串中的子模块数量减少50％，然后把中桥臂A2与上桥臂A1的第二连接点21A位置从半桥子模块72构成的子模块串与全控半导体开关62构成的开关串之间的连接点更换到了开关串中间位置的全控半导体开关62之间的连接点、把中桥臂A2与下桥臂A3的第三连接点23A位置从半桥子模块72构成的子模块串与全控半导体开关62构成的开关串之间的连接点更换到了开关串中间位置的全控半导体开关62之间的连接点，再把B相桥臂和C相桥臂进行与A相桥臂同样的修改，就获得了变换器112。

变换器112的中桥臂电气组件的子模块串能产生的电压幅值为0.5*N倍的储能单元电压，中桥臂与上、下桥臂连接点所在的开关串中的位置与相桥臂交流端之间能承受的阻断电压也为0.5*N倍的储能单元电压。

A相桥臂组成如下：上桥臂A1的电气组件是半桥子模块72构成的子模块串与全控半导体开关62构成的开关串连接构成，中桥臂A2的电气组件是半桥子模块72构成的子模块串构成，下桥臂A3的电气组件是半桥子模块72构成的子模块串与全控半导体开关62构成的开关串连接构成；中桥臂A2与上桥臂A1的第二连接点21A位于A1桥臂开关串中间位置全控半导体开关62之间的连接点，中桥臂A2与下桥臂A3的第三连接点23A位于A3桥臂电气组件的开关串中间位置全控半导体开关62之间的连接点，上桥臂A1与下桥臂A3的第一连接点13A构成A相桥臂的交流端；中桥臂A2的中点与A、B和C三相桥臂的共同中点之间开路。

上桥臂A1电气组件的子模块串能产生的电压幅值为N倍的储能单元电压、开关串能承受的阻断电压为N倍的储能单元电压；中桥臂A2的子模块串能产生的电压幅值为0.5*N倍的储能单元电压；下桥臂A3的子模块串能产生的电压幅值为N倍的储能单元电压、开关串能承受的阻断电压为N倍的储能单元电压。中桥臂A2和上桥臂A1的第二连接点21A与相桥臂交流端13A之间能承受的阻断电压为0.5*N倍的储能单元电压；相桥臂交流端13A与中桥臂A2和下桥臂A3的第三连接点23A之间能承受的阻断电压为0.5*N倍的储能单元电压。

B相桥臂和C相桥臂都是A相桥臂的重复。不再赘述。

变换器112的直流电路与变换器110的直流电路相同，也不再赘述。

第3个从电路100配置出的变换器114如图7所示。变换器114是2N+1电平三相变换器。

变换器114具有EO-AAC一样的特点。一是变换器114的三相桥臂的子模块储能单元联合起到直流支撑电容的作用，即每一相桥臂的子模块储能单元都在三分之一的基波周期区间起到直流支撑电容的作用；二是变换器114直流侧短路时，可为交流侧电网提供无功功率以支撑电压稳定，即具有直流短路故障穿越能力。对于2N+1电平的三相变换器来说，EO-AAC共需子模块电容数量为8N、共需半导体开关数量为40N，变换器114共需子模块电容数量7.5N、共需半导体开关数量为33N。

变换器114也可以从图6的变换器112修改中获得。

把变换器112的三个相桥臂电路的上、下桥臂电气组件的子模块串的半桥子模块72用全桥子模块76替换，就获得了变换器114。

当直流侧发生短路故障时，变换器114的三相上桥臂组成了一个无功发生器，三相下桥臂也组成了一个无功发生器，共同为交流侧提供电压支撑。

第4个从电路100配置出的变换器116如图8所示。变换器116是2N+1电平三相变换器，也可以从图7的变换器114修改中获得。

把变换器114相桥臂电路中的三个相桥臂的下桥臂电气组件的子模块串的全桥子模块76用凸桥子模块74替换，就获得了变换器116。这里的凸桥子模块74可采用第一类凸桥子模块741、第二类凸桥子模块742、第三类凸桥子模块743、第四类凸桥子模块744任意之一。

当直流侧发生短路故障时，变换器116的三相上桥臂组成了一个无功发生器，为交流侧提供电压支撑。

对于2N+1电平的三相变换器来说，变换器116共需数量为30N的全控半导体开关和3N的二极管，而变换器114则共需数量为33N的全控半导体开关。

第5个从电路100配置出的变换器118如图9所示。变换器118是2N+1电平三相变换器，也可以从图7的变换器114修改中获得。

把变换器114的A相桥臂和C相桥臂中子模块串的全桥子模块76替换成凸桥子模块74后，就获得了变换器118。具体替换方法是：变换器116的A相桥臂的上桥臂A1和C相桥臂的下桥臂C3的子模块串采用第二类凸桥子模块742或者第四类凸桥子模块744，A相桥臂的下桥臂A3和C相桥臂的上桥臂C1的子模块串采用第一类凸桥子模块741或者第三类凸桥子模块743。

这样替换后，当直流侧发生短路故障时，变换器118的三相上桥臂和三相下桥臂共同组成了一个无功发生器，为交流侧提供电压支撑。对于2N+1电平的三相变换器来说，与变换器116相比，变换器118进一步减少了全控半导体开关的数量，共需29N全控半导体开关和4N二极管。

第6个从电路100配置出的变换器120如图10所示。变换器120是2N+1电平三相变换器，也可以从图6的变换器112修改中获得。

把变换器112的A相桥臂的中桥臂A2子模块串中的子模块数量由0.5N增加到0.87N，然后把中桥臂A2与上桥臂A1的第二连接点21A从开关串中0.5N的位置向上移动到0.87N位置、把中桥臂A2与下桥臂A3的第三连接点23A从开关串中0.5N的位置向下移动到0.87N位置，再把B相桥臂和C相桥臂进行与A相桥臂同样的修改，就获得了变换器120。

变换器120中桥臂电气组件的子模块串能产生的电压幅值为0.87*N倍的储能单元电压，中桥臂与上桥臂连接点所在的开关串位置21A和相桥臂交流端13A之间能承受的阻断电压也为0.87*N倍的储能单元电压，相桥臂交流端13A和中桥臂与下桥臂连接点所在的开关串位置23A之间能承受的阻断电压也为0.87*N倍的储能单元电压。

变换器120跟变换器110一样，不仅能用于无功电流补偿，也用于负序电流补偿。

第7个从电路100配置出的变换器122如图11所示。变换器122是2N+1电平三相变换器，也可以从图5的变换器110修改中获得。

变换器110的A、B、C三相桥臂的上桥臂和下桥臂共6个开关串都是由单一全控半导体开关62串联构成。用全控半导体开关62和半控半导体开关64混合串联构成的新开关串替换变换器110中的6个原开关串后就可获得变换器122。具体实施方式如下。

新开关串分为新开关串1和新开关串2两种。用三个新开关串1分别替换变换器110中A、B、C三相桥臂的上桥臂的原开关串，以及用三个新开关串2分别替换变换器110中A、B、C三相桥臂的下桥臂的原开关串后，就获得了变换器122。其中，新开关串1由一个全控半导体开关62和其余的都是半控半导体开关64串联构成，且全控半导体开关62位于负极端；新开关串2由一个全控半导体开关62和其余的都是半控半导体开关64串联构成，且全控半导体开关62位于正极端。

在变换器122中，A相桥臂的上桥臂A1的开关串中全控半导体开关62和下桥臂A3的开关串中全控半导体开关62刚好位于上下桥臂的第一连接点13A的两侧，构成了上下桥臂电流换向的半桥形式。必要时，可以在上桥臂A1的开关串中全控半导体开关62的正极端和下桥臂A3的开关串中全控半导体开关62的负极端之间并联一个吸收电容86，如图11中所示。B相桥臂和C相桥臂中的全控半导体开关62位置和吸收电容86的并联连接，是A相桥臂的重复，不再赘述。

变换器122中的新开关串1和新开关串2与变换器110中的原开关串具有相同的承受阻断电压的能力。显然，在新开关串1和新开关串2中，由半控半导体开关64串联构成的开关子串承受(N-1)倍的储能单元电压。当使用的半控半导体开关承受电压能力大于储能单元的电压时，半控半导体开关子串中的半导体开关数量可以少于(N-1)个。这里所说的开关子串是指新开关串中串联在一起半导体开关数量少于新开关串中半导体开关全部数量的称谓。

新开关串1和新开关串2中的半控半导体开关64是由晶闸管和反向并联的二极管构成，与全控半导体开关62相比，往往有更低的通态压降、更好的可靠性、更低的成本。

第8个从电路100配置出的变换器124如图12所示。变换器124是2N+1电平单相/两相变换器，也可以从图11的变换器122修改中获得。

把变换器122的C相桥臂去掉，保留A、B两相桥臂，同时在直流正极端11P和直流负极端11N之间连接2N个储能单元80串联而成的第七电气组件07，就获得了变换器124。

在图12的变换器124中，假定储能单元80的承受电压能力与子模块储能单元84的承受电压能力相同。

变换器124可以连接两个独立的单相交流负载：分别连接在A相桥臂的交流端和第七电气组件07的中点M之间、A相桥臂的交流端和第七电气组件07的中点M之间；也可以连接一个单相交流负载：连接在A相桥臂的交流端和B相桥臂的交流端之间。

第9个从电路100配置出的变换器126如图13所示。变换器126是2N+1电平单相/两相变换器，也可以从图12的变换器124修改中获得。

把变换器124在直流正极端11P和直流负极端11N之间的第七电气组件07由2N个储能单元80串联而成替换为2N个半桥子模块72级联而成，再把A和B相桥臂的所有开关串中的半控半导体开关64构成的开关子串用相同承受电压能力的全控半导体开关62构成的开关子串替换，就获得了变换器126。

这里所说的开关子串是指开关串中串联在一起半导体开关数量少于开关串中半导体开关全部数量的称谓。

当第七电气组件07的子模块72中储能单元是储能电池、太阳能光伏电池或者燃料电池等供电时，第七电气组件07可以是直流电源的一部分，与外接直流电源一起，作为传统意义上的逆变器直流侧电源为逆变器负载供电；也可作为独立的可调节幅值的直流侧电源为逆变器负载供电。

变换器126的负载可以是连接在A相桥臂的交流端和B相桥臂的交流端之间的单相负载，也可以是以第七电气组件07的中点11M作为共同端分别连接到A相桥臂的交流端和B相桥臂的交流端的两相负载。

第10个从电路100配置出的变换器160如图14所示。变换器160是2N+1电平三相变换器。

变换器160的相桥臂电路中A相桥臂组成如下：上桥臂A1的第一电气组件A10是半桥子模块72级联而成的子模块串与全控半导体开关62串联而成的开关串连接构成，中桥臂A2的第二电气组件A20是全控半导体开关62串联而成的开关串构成，下桥臂A3的第三电气组件A30是半桥子模块72级联而成的子模块串与全控半导体开关62串联而成的开关串连接构成；中桥臂A2与上桥臂A1的第二连接点21A位于上桥臂A1的子模块串与开关串的连接点，中桥臂A2与下桥臂A3的第三连接点23A位于下桥臂A3的子模块串与开关串的连接点，上桥臂A1与下桥臂A3的第一连接点13A构成A相桥臂的交流端；中桥臂A2的中点24A与A相桥臂、B相桥臂和C相桥臂的共同中点12M之间连接的第四电气组件04A由至少包含一个全桥子模块76的子模块串构成。

上桥臂A1的开关串和下桥臂A3的开关串都靠近上下桥臂的第一连接点13A一侧。图14中变换器160的中桥臂A2的中点24A与A、B和C三相桥臂共同中点12M之间的平衡电流支路上还串接了一个抑制平衡电流谐波分量的滤波电感。

上桥臂A1第一电气组件A10的子模块串能产生的电压幅值为N倍的储能单元电压、开关串能承受的阻断电压为N倍的储能单元电压；下桥臂A3第三电气组件A30的子模块串能产生的电压幅值为N倍的储能单元电压、开关串能承受的阻断电压为N倍的储能单元电压；中桥臂A2的开关串能承受的阻断电压为上桥臂A1开关串和下桥臂A3开关串能承受的阻断电压之和，即能承受的阻断电压为2N倍的子模块储能单元电压。

B相桥臂和C相桥臂都是A相桥臂的重复，不再赘述。

变换器160的直流电路组成如下：直流正极端11P与A、B和C相桥臂的共同正极端12P之间的连接为短路连接，相当于第五电气组件05被旁路；直流负极端11N与A、B和C相桥臂的共同负极端12N之间的连接为短路连接，相当于第六电气组件06被旁路；直流正极端11P和直流负极端11N之间的连接为开路，相当于电气组件的两端被断开。由此，第七电气组件07的中点到A、B和C相桥臂共同中点12M之间的连接也就不必要了。

变换器160的每一相桥臂中点到A、B和C三相桥臂共同中点12M之间的子模块串的作用是，为每一个平衡电流支路中的电流调节提供改变电压的手段。因此，图14中的三相变换器160每一相桥臂的中桥臂中点到三相共同中点12M之间子模块串的全桥子模块76数量m*N，可依据变换器160的工况和每一相桥臂的上、下桥臂中每个半桥子模块72的储能单元的电压所允许的波动范围确定。变换器160工作在逆变工况时，m的取值可以为0；变换器160工作在整流工况时，m的取值可以是子模块72储能单元平均电压允许波动的百分比。比如，当变换器160工作在整流工况，允许桥臂中子模块的平均电压波动10％时，m的取值可以为0.1许。

第11个从电路100配置出的变换器162如图15所示。变换器162是2N+1电平三相变换器，也可以从图14的变换器160修改中获得。

在变换器160的直流正极端11P和直流负极端11N之间，连接2N个储能单元80串联而成的第七电气组件07，并把第七电气组件07的中点11M与A、B和C三相桥臂共同中点12M短路连接，就获得了变换器162。

在图15的变换器162中，假定储能单元80的承受电压能力与子模块储能单元84的承受电压能力相同。

第12个从电路100配置出的变换器164如图16所示。变换器164是2N+1电平单相变换器，也可以从图15的变换器162修改中获得。

把变换器162的B相和C相桥臂去掉，仅保留A相桥臂，就获得了变换器164。

变换器164的单相交流负载连接在相桥臂A的交流端13A和第七电气组件07的中点11M之间。

第13个从电路100配置出的变换器170如图17所示。变换器170是2N+1电平三相变换器，也可以从图15的变换器162修改中获得。

把变换器162的相桥臂电路中A相桥臂的中桥臂A2的中点到A、B和C三相桥臂共同中点12M之间的由m*N个全桥子模块串联构成的第四电气组件04A用短路连接替换，然后把中桥臂A2的开关串中靠近第二连接点21A一端的能够承受阻断电压为m*N个储能单元电压的那些数量全控半导体开关62构成的开关子串用m*N个级联在一起的半桥子模块72构成的子模块串替换、把中桥臂A2的开关串中靠近第三连接点23A一端的能够承受阻断电压为m*N个储能单元电压的那些数量全控半导体开关62构成的开关子串用m*N个级联在一起的半桥子模块72构成的子模块串替换；然后把变换器162的B相桥臂和C相桥臂也进行与A相桥臂一样的重复修改，再去掉第七电气组件07的中点11M与A、B和C三相桥臂共同中点12M之间的短路连接使之开路，就获得了变换器170。

第14个从电路100配置出的变换器180如图18所示。变换器180是2N+1电平三相变换器，像变换器170类似，也可以从图15的变换器162修改中获得。

把变换器162的相桥臂电路中A相桥臂的中桥臂A2的中点到A、B和C三相桥臂共同中点12M之间的由m*N个全桥子模块串联构成的第四电气组件04A用短路连接替换，然后把上桥臂A1电气组件中的子模块串中的半桥子模块数量由N个增加到(1+m)*N个，下桥臂A3电气组件中的子模块串中的半桥子模块数量由N个增加到(1+m)*N个；然后把变换器162的B相桥臂和C相桥臂也进行与A相桥臂一样的重复修改，再去掉第七电气组件07的中点11M与A、B和C三相桥臂共同中点12M之间的短路连接使之开路，就获得了变换器180。

变换器180和变换器170的不同之处在于，变换器170每相2组m*N个级联在一起的半桥子模块72在中桥臂上并靠近中桥臂的两端，而变换器180的每相2组m*N个级联在一起的半桥子模块72是分别在上桥臂和下桥臂上。

第15个从电路100配置出的变换器182如图19所示。变换器182是2N+1电平三相变换器，也可以从图18的变换器180修改中获得。

把变换器180的A相桥臂的上桥臂A1、中桥臂A2和下桥臂A3中的电气组件中构成开关串的所有的全控半导体开关62用半控半导体开关64替换，并使得开关串能承受的阻断电压能力维持不变，再把变换器180的B相桥臂和C相桥臂也进行与A相桥臂一样的重复修改，就获得了变换器182。

第16个从电路100配置出的变换器190如图20所示。变换器190是2N+1电平三相变换器，可以从图15的变换器162修改中获得。

把变换器162的相桥臂电路中A相桥臂的中桥臂A2的中点到A、B和C三相桥臂共同中点12M之间的由m*N个全桥子模块76级联构成的第四电气组件04A连接用短路连接替换，然后把B相桥臂和C相桥臂也进行与A相桥臂一样的重复修改；再把变换器162的直流电路中与直流正极端11P与A、B和C相桥臂的共同正极端12P之间的短路连接替换为由m*N个半桥子模块72级联在一起的子模块串构成的第五电气组件05连接，把直流负极端11N与A、B和C相桥臂的共同负极端12N之间的短路连接替换为由m*N个半桥子模块72级联在一起的子模块串构成的第六电气组件06，然后去掉第七电气组件07的中点11M与A、B和C三相桥臂的共同中点12M之间的短路连接使之开路，就获得了变换器190。

以上描述了从图1中电路100配置得到的16个三桥臂多电平变换器。这16个三桥臂多电平变换器仅是具体实施方式的说明性举例，而不是用于对本发明的范围的限定。通过对电路100的可配置的相桥臂电路中每一相桥臂的电气组件中子模块串的不同子模块的配置选择和/或者开关串的不同半导体开关的配置选择、每一相桥臂的中桥臂两端分别与上下桥臂中电气组件连接点的配置选择、每一相桥臂的中桥臂中点到各相桥臂共同中点的配置选择，以及可配置的直流电路中不同连接的配置、以及所配置的电气组件中子模块串的不同子模块的配置选择，还可以得到更多的其他构造形式的三桥臂多电平变换器。只要变换器中的每一相桥臂由三个桥臂构成且满足如下特征：其中的两个负载桥臂(如电路100的上桥臂和下桥臂)用于建立相桥臂交流端的电压和流经交流端的电流，第三桥臂(如电路100的中桥臂)的两端分别与所述的两个负载桥臂连接并用于建立平衡电流以实现变换器中所有电气组件中子模块储能单元的电压平衡，都属于本发明的保护范围。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

参考文献：

[1]A.Lesnicar,R.Marquardt.A New Modular Voltage Source InverterTopology:European Conference on Power Electronics and Applications[C].Toulouse,France:2-4Sept.2003.

[2]Rainer Marquardt.Modular Multilevel Converter Topologies with DC-Short Circuit Current Limitation.8th International Conference on PowerElectronics-ECCE Asia May 30-June 3,2011,The Shilla Jeju,Korea.

[3]M.M.C.Merlin,T.C.Green,P.D.Mitcheson,D.R.Trainer,R.Critchley,W.Crookes,F.Hassan.The Alternate Arm Converter:A New Hybrid MultilevelConverter With DC-Fault Blocking Capability[J].IEEE Transactions on PowerDelivery,2014,29(1):310-317.

[4]H.Yang,S.Fan,Y.Dong,H.Yang,W.Li,X.He.Arm Phase-Shift ConductingModulation for Alternate Arm Multilevel Converter With Half-Bridge Submodules[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2021,36(5):5223-5235.

[5]杨贺雅.模块化多电平换流器拓扑构造及控制方法研究[D].杭州:浙江大学,2020.

Heya Yang.Topology Derivation and Control Strategy of ModularMultilevel Converters[D].Hangzhou,China:Zhejiang University,2020.[6]M.M.C.Merlin,D.Soto-Sanchez,P.D.Judge,G.Chaffey,P.Clemow,T.C.Green,D.R.Trainer,K.J.Dyke.The Extended Overlap Alternate Arm Converter:A Voltage-Source Converter With DC Fault Ride-Through Capability and a Compact Design[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2018,33(5):3898-3910.

Claims

1.三桥臂多电平变换器，其特征在于，变换器由可配置的相桥臂电路和可配置的直流电路构成，可配置的相桥臂电路包含至少一相桥臂，其中每一相桥臂由上桥臂、中桥臂和下桥臂共三个桥臂构成，上桥臂和下桥臂由包含至少一个半导体开关的开关串和包含至少一个子模块的子模块串的电气组件构成，中桥臂由包含至少一个子模块的子模块串和/或包含至少两个半导体开关的开关串的电气组件构成；上桥臂的一端和下桥臂的一端连接在一起构成第一连接点作为交流端可连接到交流电源或交流负载，上桥臂的另一端构成正极端，下桥臂的另一端构成负极端，中桥臂的一端与上桥臂的电气组件连接一起构成第二连接点，第二连接点在上桥臂电气组件的位置可配置成该电气组件的开关串中半导体开关之间的连接点或子模块串中子模块之间的连结点或开关串和子模块串之间的连接点，中桥臂的另一端与下桥臂的电气组件连接一起构成第三连接点，第三连接点在下桥臂电气组件的位置可配置成该电气组件的开关串中半导体开关之间的连接点或子模块串中子模块之间的连结点或开关串和子模块串之间的连接点，中桥臂的中点和各相桥臂共同中点之间可配置成短路连接或开路连接或与包含至少一个子模块的子模块串构成的电气组件连接；可配置的直流电路，有可连接到外部直流电源或直流负载的直流正极端和直流负极端，在直流正极端和各相桥臂的共同正极端之间可配置成短路连接或与包含至少一个子模块的子模块串构成的电气组件连接，在直流负极端和各相桥臂的共同负极端之间可配置成短路连接或与包含至少一个子模块的子模块串构成的电气组件连接，在直流正极端和直流负极端之间可配置成开路连接或与包含至少一个储能单元的电气组件连接，所述包含至少一个储能单元的电气组件的中点和各相桥臂共同中点之间可配置成短路连接或开路连接。

2.如权利要求1所述的变换器，其特征在于，所述的开关串由一个半导体开关构成、或由多个半导体开关串联连接构成，通过控制开关串可以实现电流的流通和阻断。

3.如权利要求2所述的变换器，其特征在于，多个半导体开关是相同的半导体开关，或者是不同的半导体开关。

4.如权利要求2所述的变换器，其特征在于，所述的半导体开关是由可控半导体开关器件与二极管器件反向并联连接构成的全控半导体开关，或是由晶闸管器件与二极管器件反向并联连接构成的半控半导体开关。

5.如权利要求1所述的变换器，其特征在于，所述的子模块串由一个子模块构成、或由多个子模块级联连接构成，通过控制子模块串可以产生不同电平的可变电压源。

6.如权利要求5所述的变换器，其特征在于，多个子模块是相同的子模块，或者是不同的子模块。

7.如权利要求5所述的变换器，其特征在于，所述的子模块可以是半桥子模块、凸桥子模块、全桥子模块中的任意之一，其中，

8.如权利要求4或7所述的变换器，其特征在于，所述的可控半导体开关器件是能通过控制流通电流、也能通过控制阻断电流的半导体开关器件，优选为绝缘栅双极晶体管、门极可关断晶闸管、场效应晶体管或达灵顿双极晶体管中的任意之一。

9.如权利要求7所述的变换器，其特征在于，子模块储能单元由一个储能单元构成、或由多个储能单元串联连接构成。

10.如权利要求1或9所述的变换器，其特征在于，所述的储能单元中储存的能量以电压的形式表现出来，优选为由至少一个电容器构成的储能设备。

11.如权利要求1所述的变换器，其特征在于，所述变换器电路中的不同配置，会获得许多种不同拓扑的三桥臂多电平变换器，其中，所述的不同拓扑的变换器的电压平衡控制原理会存在差异。

12.如权利要求1或11所述的变换器，其特征在于，所述电气组件中不同半导体开关和/或不同子模块的采用，会获得许多种不同构造的三桥臂多电平变换器，其中，所述不同构造的三桥臂多电平变换器的功能会存在差异。

13.如权利要求1或12所述的变换器，其特征在于，其中每一相桥臂的上桥臂和下桥臂用于建立交流端输出到交流电源或交流负载的所需电压和电流，中桥臂用于建立平衡电流以实现三桥臂变换器中所有子模块中储能单元的电压平衡。

14.如权利要求1或12所述的变换器，其特征在于，不同拓扑和不同构造的三桥臂多电平变换器都有独立的平衡电流支路，其中独立的平衡电流支路是指所述的中桥臂的支路或中桥臂的中点和各相共同中点之间的支路。

15.如权利要求14所述的变换器，其特征在于，其中的独立的平衡电流支路中可以接入滤波电感以抑制平衡电流的谐波分量。

16.如权利要求1或9所述的变换器，其特征在于，所述储能单元也可以是其他形式的电压源，优选的是储能电池或光伏电池或燃料电池或交流电源整流后得到的直流电源。

17.如权利要求1或14所述的变换器，其特征在于，各相桥臂的半导体开关选型和子模块选型可以相同，也可以不同。

18.如权利要求1或14所述的变换器，其特征在于，每一相桥臂的三个桥臂中的子模块选型可以相同，也可以不同。

19.如权利要求1或9所述的变换器，其特征在于，所述的储能单元可以与外部电源临时连接对该储能单元进行充电或放电。