新型的模塊化多電平逆變器的制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種新型的模塊化多電平逆變器，包括直流電源、模塊化多電平控制器及電網(wǎng)，模塊化多電平控制器與直流電源連接，電網(wǎng)與模塊化多電平控制器連接。本實用新型用快速晶閘管和門極可關(guān)斷晶閘管GTO代替IGBT，能夠在滿足傳統(tǒng)三相模塊化多電平逆變器全部性能及功能的前提下節(jié)約成本；同時，本實用新型提出的新型拓撲結(jié)構(gòu)，易于用在模塊化多電平變換器中，在提高電力電子裝置容量的同時，降低成本。
【專利說明】
新型的模塊化多電平逆變器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型屬于電力電子變換和電力系統(tǒng)等領(lǐng)域，特別涉及一種新型的模塊化多電平逆變器，可用于柔性直流輸電工程，中、高壓電機傳動，分布式發(fā)電，電力牽引，電能質(zhì)量治理等高壓大功率場合。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，多電平逆變器在存在遠離負荷中心的可再生能源發(fā)電并網(wǎng)，城市電網(wǎng)供電，電機的傳動等工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著積極的作用，取得了較大的成果。但在高壓大功率應用領(lǐng)域存在一定的劣勢。模塊化多電平逆變器(Modular MultilevelConverter,MMC )具有經(jīng)濟、靈活、電能質(zhì)量高、電壓及電流等級高、可控性強等優(yōu)點，可以將小型的分散電源通過經(jīng)濟、環(huán)保的方式接入交流電網(wǎng)。
[0003]MMC采用子模塊串聯(lián)的方法，通過電壓疊加使得交流側(cè)實現(xiàn)多電平、高電壓輸出，在系統(tǒng)等效開關(guān)頻率不變的情況下降低開關(guān)頻率。與傳統(tǒng)的逆變器相比在技術(shù)上具有明顯的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在:高度模塊化的拓撲結(jié)構(gòu)、易于冗余設計、可替代性強、具有公共直流母線、模塊電容電壓易于均衡、具有較低的諧波含量和電磁干擾、故障穿越能力強、開關(guān)損耗小、邏輯器件少等優(yōu)勢。另外由于這種結(jié)構(gòu)每個子模塊都是由相同的組成，所以當一個子模塊出現(xiàn)問題的時候，可以及時切除壞損模塊，投入新模塊，保證系統(tǒng)的正常運行。同時也方便向更高電平拓展。其子模塊數(shù)越多，直流側(cè)的電壓可以越高，等效開關(guān)頻率越高，交流側(cè)輸出電壓的諧波含量越小。
[0004]電力電子器件對電力電子裝置的發(fā)展起著決定性的作用。1904年出現(xiàn)的電子管、晶體管為電力電子變流技術(shù)奠定了基礎。70年代出現(xiàn)的晶閘管使整流、逆變技術(shù)逐漸進入了電力電子變頻時代。80年代出現(xiàn)的自關(guān)斷大功率雙極性晶體管(GTO)其性能遠遠超過半控型器件晶閘管，使其在變頻領(lǐng)域迅速占領(lǐng)主導地位。80年代初期出現(xiàn)的電力場效應管(MOSFET)屬于電壓型器件，驅(qū)動功率小，安全工作區(qū)大，開關(guān)頻率高，但是這種器件耐電壓、電流能力低，限制了它的應用范圍。在80年代后期，以絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)為代表的復合型器件異軍突起。IGBT是MOSFET和BJT的復合，將MOSFET的驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快的優(yōu)點和BJT通態(tài)壓降小、載流能力大的優(yōu)點集于一體，性能非常優(yōu)越。使之成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的主導器件。進入90年代，為了使電力電子裝置的結(jié)構(gòu)緊湊、體積減小，出現(xiàn)了將檢測、驅(qū)動、保護等功能集成在一起的功率集成器件(IPM)。后來又在IPM的基礎上，將邏輯、控制等功能集成在一起，構(gòu)成功率集成電路(PIC)。目前，電力電子器件制造技術(shù)正向著高壓大功率、高開關(guān)頻率、高度集成、低驅(qū)動功率的方向發(fā)展。
[0005]電力電子器件的不斷革新，使其應用技術(shù)得到了迅速發(fā)展，在模塊化多電平逆變器子模塊SM的設計上，出現(xiàn)了大量的新型拓撲結(jié)構(gòu)。如基于IGBT的半橋模塊，全橋模塊，雙箝位模塊，箝位型三電平模塊和飛跨電容型三電平模塊等等。
[0006]新型功率器件的出現(xiàn)及新型拓撲結(jié)構(gòu)的發(fā)展，在一定程度上提高了電力電子裝置的性能及容量。但大量電力電子元件的使用，勢必會降低電力電子裝置的安全穩(wěn)定性，提高電力電子裝置的成本。
[0007]因此，亟待研發(fā)出在滿足模塊化多電平逆變器的全部性能、功能的前提下，提高電力電子裝置容量的同時，降低成本的電力電子裝置。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]發(fā)明目的
[0009]本實用新型提供一種電力電子裝置，用于實現(xiàn)三相電源的變壓、變頻，將此功能用于模塊化多電平逆變裝置中，目的在于調(diào)節(jié)負載電壓、電流、頻率及轉(zhuǎn)速等，可大幅降低系統(tǒng)成本。
[0010]技術(shù)方案
[0011 ]本實用新型是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:
[0012]—種新型的模塊化多電平逆變器，其特征在于:包括直流電源、模塊化多電平控制器及電網(wǎng)，模塊化多電平控制器與直流電源連接，電網(wǎng)與模塊化多電平控制器連接。
[0013]模塊化多電平控制器是由六個橋臂和電抗器組成，電抗器連接橋臂;每個橋臂均由2N個SM子模塊及緩沖電感組成，SM子模塊相互串聯(lián)后連接緩沖電感;六個橋臂分為第一橋臂、第二橋臂、第三橋臂、第四橋臂、第五橋臂和第六橋臂;第一橋臂與第四橋臂串聯(lián)，第二橋臂與第五橋臂串聯(lián)，第三橋臂與第六橋臂串聯(lián);第一橋臂與第二橋臂及第三橋臂并聯(lián)，第四橋臂與第五橋臂及第六橋臂并聯(lián)。
[0014]第一橋臂通過緩沖電感與第四橋臂的緩沖電感串聯(lián)，第二橋臂通過緩沖電感與第五橋臂的緩沖電感串聯(lián)，第三橋臂通過緩沖電感與第六橋臂的緩沖電感串聯(lián)。
[0015]SM子模塊由第一晶閘管、第二晶閘管、第三晶閘管、第四晶閘管、第一續(xù)流二極管、第二續(xù)流二極管、第三續(xù)流二極管、第四續(xù)流二極管、第一吸收電容、第二吸收電容、第三吸收電容第四吸收電容第五吸收電容、第六吸收電容、第一 GT0、第二 GTO、第一反向二極管、第二反向二極管、第一正向二極管、第二正向二極管、驅(qū)動電路、控制電路、子模塊電容組成；第一晶閘管與第一續(xù)流二極管及第一吸收電容并聯(lián)后與第一 GTO串聯(lián)并與第二晶閘管串聯(lián);第一 GTO與第一反向二極管及第一正向二極管串聯(lián)后與第二吸收電容并聯(lián);第二晶閘管與第二續(xù)流二極管及第三吸收電容并聯(lián);第三晶閘管與第三續(xù)流二極管及第四吸收電容并聯(lián)后與第二 GTO串聯(lián)并與第四晶閘管串聯(lián);第二 GTO與第二反向二極管及第二正向二極管串聯(lián)后與第五吸收電容并聯(lián);第四晶閘管與第四續(xù)流二極管及第六吸收電容并聯(lián);第一晶閘管及第三晶閘管并聯(lián)，第二晶閘管及第四晶閘管并聯(lián);控制電路分別與檢測電路及SM子模塊連接;子模塊電容并聯(lián)在第一晶閘管的陽極及第二晶閘管的陰極之間。
[0016]優(yōu)點及效果
[0017]本實用新型具有如下優(yōu)點及有益效果:
[0018]本實用新型涉及一種新型的模塊化多電平逆變器，用快速晶閘管和門極可關(guān)斷GTO代替IGBT，能夠在滿足傳統(tǒng)三相多電平逆變器全部性能、功能的前提下，節(jié)約成本；同時，本實用新型提出的新型拓撲結(jié)構(gòu)，易于用在模塊化多電平變換器中，在提高電力電子裝置容量的同時，降低成本。
【附圖說明】
[0019]圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖2為子模塊結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]附圖標記說明:
[0022]1、直流電源2、模塊化多電平控制器3、電網(wǎng)4、第一橋臂5、第二橋臂6、第三橋臂
7、第四橋臂8、第五橋臂9、第六橋臂10、電抗器11、SM子模塊12、緩沖電感13、第一晶閘管14、第二晶閘管15、第三晶閘管16、第四晶閘管17、第一續(xù)流二極管18、第二續(xù)流二極管19、第三續(xù)流二極管20、第四續(xù)流二極管21、第一吸收電容22、第二吸收電容23、第三吸收電容24、第四吸收電容25、第五吸收電容26、第六吸收電容27、第一GTO28、第二GTO 29、第一反向二極管30、第二反向二極管31、第一正向二極管32、第二正向二極管33、驅(qū)動電路34、控制電路35、子模塊電容。
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對本實用新型做進一步的說明:
[0024]本實用新型提出的一種新型的模塊化多電平逆變器，用門極可關(guān)斷晶閘管GTO及快速晶閘管代替IGBT，能夠在滿足模塊化多電平逆變器的全部性能、功能的前提下，由于GTO及晶閘管的價格要遠低于IGBT，從而節(jié)約成本；同時，本實用新型提出的新型拓撲結(jié)構(gòu)，易于用模塊化多電平變換器中，可在提高電力電子裝置容量的同時，降低成本。
[0025]圖1為本實用新型的拓撲結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示，包括直流電源1、模塊化多電平控制器2及電網(wǎng)3，模塊化多電平控制器2與直流電源I連接，電網(wǎng)3與模塊化多電平控制器2連接。
[0026]模塊化多電平控制器2是六個橋臂和電抗器10組成，電抗器10連接橋臂;每個橋臂均由2N(N為自然數(shù))個SM子模塊11及緩沖電感12組成，SM子模塊11相互串聯(lián)后連接緩沖電感12。六個橋臂分為第一橋臂4、第二橋臂5、第三橋臂6、第四橋臂7、第五橋臂8和第六橋臂9;第一橋臂4與第四橋臂7串聯(lián)，第二橋臂5與第五橋臂8串聯(lián)，第三橋臂6與第六橋臂9串聯(lián)；第一橋臂4與第二橋臂5及第三橋臂6并聯(lián)，第四橋臂7與第五橋臂8及第六橋臂9并聯(lián)。
[0027]第一橋臂4通過緩沖電感12與第四橋臂7的緩沖電感12串聯(lián)，第二橋臂5通過緩沖電感12與第五橋臂8的緩沖電感12串聯(lián)，第三橋臂6通過緩沖電感12與第六橋臂9的緩沖電感12串聯(lián)。
[0028]SM子模塊11采用橋式接法，解決了半橋不能通過閥控技術(shù)限制直流側(cè)短路時的故障電流問題。SM子模塊11由第一晶閘管13、第二晶閘管14、第三晶閘管15、第四晶閘管16、第一續(xù)流二極管17、第二續(xù)流二極管18、第三續(xù)流二極管19、第四續(xù)流二極管20、第一吸收電容21、第二吸收電容22、第三吸收電容23第四吸收電容24第五吸收電容25、第六吸收電容26、第一GTO 27、第二GTO 28、第一反向二極管29、第二反向二極管30、第一正向二極管31、第二正向二極管32、驅(qū)動電路33、控制電路34、子模塊電容35組成；第一晶閘管13與第一續(xù)流二極管17及第一吸收電容21并聯(lián)后與第一GTO 27串聯(lián)并與第二晶閘管14串聯(lián);第一GTO27與第一反向二極管29及第一正向二極管31串聯(lián)后與第二吸收電容22并聯(lián);第二晶閘管14與第二續(xù)流二極管18及第三吸收電容23并聯(lián);第三晶閘管15與第三續(xù)流二極管19及第四吸收電容24并聯(lián)后與第二GTO 28串聯(lián)并與第四晶閘管16串聯(lián);第二GTO 28與第二反向二極管30及第二正向二極管32串聯(lián)后與第五吸收電容25并聯(lián);第四晶閘管16與第四續(xù)流二極管20及第六吸收電容26并聯(lián);第一晶閘管13及第三晶閘管15并聯(lián)，第二晶閘管14及第四晶閘管16并聯(lián);控制電路34分別與檢測電路33及SM子模塊11連接;子模塊電容35并聯(lián)在第一晶閘管13的陽極及第二晶閘管14的陰極之間。這樣即可實現(xiàn)傳統(tǒng)模塊化多電平逆變器每個子模塊的全部功能，對于提高電力電子裝置容量及節(jié)約成本具有顯著的效果。
[0029]本實用新型提出的新型的模塊化多電平逆變器，采用晶閘管及GTO代替?zhèn)鹘y(tǒng)IGBT可大大節(jié)約成本的同時，提高逆變器裝置的容量，具有切頻簡單、抗瞬態(tài)干擾能力強等優(yōu)勢。
[0030]工作過程如下:
[0031]本實用新型提出的這種新型的模塊化多電平逆變器，應用于直流發(fā)電系統(tǒng)并入電網(wǎng)3時，子模塊電容35通過第一晶閘管13和第一GTO 27進行分頻，流入第一正向二極管31，經(jīng)過電網(wǎng)3，流入第二反向二極管30，經(jīng)過第二GTO 28進行分頻，流入第四晶閘管16;下一時刻，子模塊電容35通過第三晶閘管15和第二GTO 28進行分頻，流入第二正向二極管32，經(jīng)過電網(wǎng)3，流入第一反向二極管29，經(jīng)過第一 GT027進行分頻，流入第二晶閘管14，完成工作過程。
【主權(quán)項】
1.一種新型的模塊化多電平逆變器，其特征在于:包括直流電源(I)、模塊化多電平控制器(2)及電網(wǎng)(3)，模塊化多電平控制器(2)與直流電源(I)連接，電網(wǎng)(3)與模塊化多電平控制器(2)連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述新型的模塊化多電平逆變器，其特征在于:模塊化多電平控制器(2)是由六個橋臂和電抗器(10)組成，電抗器(10)連接橋臂；每個橋臂均由2N個SM子模塊(11)及緩沖電感(12)組成，SM子模塊(11)相互串聯(lián)后連接緩沖電感(12);六個橋臂分為第一橋臂(4)、第二橋臂(5)、第三橋臂(6)、第四橋臂(7)、第五橋臂(8)和第六橋臂(9);第一橋臂(4)與第四橋臂(7)串聯(lián)，第二橋臂(5)與第五橋臂(8)串聯(lián)，第三橋臂(6)與第六橋臂(9)串聯(lián);第一橋臂(4)與第二橋臂(5)及第三橋臂(6)并聯(lián)，第四橋臂(7)與第五橋臂(8)及第六橋臂(9)并聯(lián)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述新型的模塊化多電平逆變器，其特征在于:第一橋臂(4)通過緩沖電感(12)與第四橋臂(7)的緩沖電感(12)串聯(lián)，第二橋臂(5)通過緩沖電感(12)與第五橋臂(8)的緩沖電感(12)串聯(lián)，第三橋臂(6)通過緩沖電感(12)與第六橋臂(9)的緩沖電感(12)串聯(lián)。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述新型的模塊化多電平逆變器，其特征在于:SM子模塊(11)由第一晶閘管(13)、第二晶閘管(14)、第三晶閘管(15)、第四晶閘管(16)、第一續(xù)流二極管(17)、第二續(xù)流二極管(18)、第三續(xù)流二極管(19)、第四續(xù)流二極管(20)、第一吸收電容(21)、第二吸收電容(22)、第三吸收電容(23)第四吸收電容(24)第五吸收電容(25)、第六吸收電容(26)、第一 GTO(27)、第二 GTO(28)、第一反向二極管(29)、第二反向二極管(30)、第一正向二極管(31)、第二正向二極管(32)、驅(qū)動電路(33)、控制電路(34)、子模塊電容(35)組成;第一晶閘管(13)與第一續(xù)流二極管(17)及第一吸收電容(21)并聯(lián)后與第一 GTO(27)串聯(lián)并與第二晶閘管(14)串聯(lián);第一 GTO(27)與第一反向二極管(29)及第一正向二極管(31)串聯(lián)后與第二吸收電容(22)并聯(lián);第二晶閘管(14)與第二續(xù)流二極管(18)及第三吸收電容(23)并聯(lián);第三晶閘管(15)與第三續(xù)流二極管(19)及第四吸收電容(24)并聯(lián)后與第二 GTO(28)串聯(lián)并與第四晶閘管(16)串聯(lián);第二 GTO(28)與第二反向二極管(30)及第二正向二極管(32)串聯(lián)后與第五吸收電容(25)并聯(lián);第四晶閘管(16)與第四續(xù)流二極管(20)及第六吸收電容(26)并聯(lián);第一晶閘管(13)及第三晶閘管(15)并聯(lián)，第二晶閘管(14)及第四晶閘管(16)并聯(lián);控制電路(34)分別與檢測電路(33)及SM子模塊(11)連接;子模塊電容(35)并聯(lián)在第一晶閘管(13)的陽極及第二晶閘管(14)的陰極之間。
【文檔編號】H02M7/483GK205544321SQ201620027000
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年1月13日
【發(fā)明人】陳德志, 柴文萍, 趙文良, 白保東, 托馬斯·李普, 權(quán)柄, 權(quán)柄一
【申請人】沈陽工業(yè)大學