本发明公开了一种模块组合型多电平变换器,属于多电平变换技术领域。第一功率单元(U
1.模块组合型多电平变换器,其特征在于:第一功率单元(U1)的第一交 流接线端子(11)依次串联n个第三功率单元(U₃)构成A相上桥臂,第二功 率单元(U₂)的第一交流接线端子(21)依次串联n个第四功率单元(U₄)构 成A相下桥臂,A相上桥臂和A相下桥臂之间通过第一电抗器(1)和第二电抗 器(2)连接,所述第一电抗器(1)和第二电抗器(2)之间的连接点为A相桥 臂的交流输出端(U); 第一功率单元(U₁)的第二交流接线端子(12)依次串联n个第三功率单元 (U₃)构成B相上桥臂,第二功率单元(U₂)的第二交流接线端子(22)依次 串联n个第四功率单元(U₄)构成B相下桥臂,B相上桥臂和B相下桥臂之间 通过第三电抗器(3)和第四电抗器(4)连接,所述第三电抗器(3)和第四电 抗器(4)之间的连接点为B相桥臂的交流输出端(V); 第一功率单元(U₁)的第三交流接线端子(13)依次串联n个第三功率单元 (U₃)构成C相上桥臂,第二功率单元(U₂)的第三交流接线端子(23)依次 串联n个第四功率单元(U₄)构成C相下桥臂,C相上桥臂和C相下桥臂之间 通过第五电抗器(5)和第六电抗器(6)连接,所述第五电抗器(5)和第六电 抗器(6)之间的连接点为C相桥臂的交流输出端(W); 第一功率单元(U₁)的直流接线端子(10)连接直流母线的正极(101), 第二功率单元(U₂)的直流接线端子(20)连接直流母线的负极(102);功率 单元数量n=k-2,电平数k取大于等于2的任意正整数。
2.根据权利要求1所述的模块组合型多电平变换器,其特征在于:第一功 率单元(U₁)的开关(S₁₁)、(S₁₃)、(S₁₅)的阳极相连构成的直流接线端子(10) 与模块组合型多电平变换器的直流母线的正极(101)相连,开关(S₁₂)、(S₁₄)、 (S₁₆)的阴极相连构成的直流接线端子悬空,第一交流接线端子(11)、第二交 流接线端子(12)、第三交流接线端子(13)分别连接第三功率单元(U₃)或者 第四功率单元(U₄)的第一接线端子。
3.根据权利要求1所述的模块组合型多电平变换器,其特征在于:第二功 率单元(U₂)的开关(S₂₁)、(S₂₃)、(S₂₅)的阳极相连构成的直流接线端子悬 空,开关(S₂₂)、(S₂₄)、(S₂₆)的阴极相连构成的直流接线端子(20)与模块组 合型多电平变换器的直流母线的负极(102)相连,第一交流接线端子(21)、 第二交流接线端子(22)、第三交流接线端子(23)分别连接第四功率单元(U4) 或者第三功率单元(U₃)的第二接线端子。
4.根据权利要求1所述的模块组合型多电平变换器,其特征在于:第三功 率单元(U₃)、第四功率单元(U₄)能够相互替换。
5.根据权利要求1所述的模块组合型多电平变换器,其特征在于:增加或 减少A、B、C相上桥臂和下桥臂的功率单元数量n,能改变多电平变换器的电 平数。
6.根据权利要求1所述的模块组合型多电平变换器,其特征在于:第一至 第四功率单元的开关是可关断型电子开关元件。 技术领域 本发明涉及一种多电平变换技术,特别涉及一种可以实现功率变换整流和 逆变的模块组合型多电平变换器。 背景技术 两电平变换器电路在铁路、工业生产等各个领域应用十分广泛,然而在高 压领域的应用中,由于受到器件耐压的限制,常用的方式是通过工频变压器接 入高压电网或者负载,笨重的工频变压器大大增加了电力电子变换装置的成本 和体积,并限制了系统的效率。 近年来,多电平变换器在高压、大功率场合的应用受到广泛的关注,相对 于普通的两电平电路,多电平变换器具有以下优点: (1)交流侧输出的电压波形更容易接近于正弦,输出电压谐波含量小,有 利于减小滤波器件的体积和重量。 (2)利用开关器件分担输入电压和功率,开关器件电压应力小,适用于高 压、大功率场合;同时交流输出侧的电压的du/dt小,对负载(比如电机)的绝 缘影响小,同时大大降低了电磁干扰的水平。 (3)多电平变换器的开关器件工作频率低,降低了开关损耗,同时无需大 的滤波器,滤波器本身损耗较低,变换器整机效率高。 目前,多电平变换器的拓扑结构通常可分为二极管箝位型、飞跨电容型、 级联型多电平变换器。前两种多电平变换器的拓扑结构,随着电平数量的增多, 所需的半导体器件的数量急剧增加,且随着电平数增加,各个电容电压不容易 平衡,使得多电平在实际应用中有一定的限制。级联型多电平变换器的结构相 对简单,技术成熟、易于模块化,在实际工业应用中也较多采用这种结构。但 传统级联型多电平变换器用于交-直-交电能变换系统时,其交流输入侧须使用 体积庞大、结构复杂的多绕组移相工频变压器,且用于电能质量改善领域中, 无法实现负序电流补偿功能。 发明内容 本发明所要解决的技术问题是:解决两电平变换器以及传统多电平变换器 在高压大功率领域应用的局限性,提供一种既保留传统级联型多电平变换器优 点,又克服其不足之处的新型多电平变换器。 本发明的技术方案如下: 模块组合型多电平变换器,其第一功率单元U₁的第一交流接线端子依次串 联n个第三功率单元U₃构成A相上桥臂,第二功率单元U₂的第一交流接线端子 依次串联n个第四功率单元U₄构成A相下桥臂,A相上桥臂和A相下桥臂之间 通过第一电抗器和第二电抗器连接,所述第一电抗器和第二电抗器之间的连接 点为A相桥臂的交流输出端; 第一功率单元U₁的第二交流接线端子依次串联n个第三功率单元U₃构成B 相上桥臂,第二功率单元U₂的第二交流接线端子依次串联n个第四功率单元U₄构成B相下桥臂,B相上桥臂和B相下桥臂之间通过第三电抗器和第四电抗器 连接,所述第三电抗器和第四电抗器之间的连接点为B相桥臂的交流输出端; 第一功率单元U₁的第三交流接线端子依次串联n个第三功率单元U₃构成C 相上桥臂,第二功率单元U₂的第三交流接线端子依次串联n个第四功率单元U₄构成C相下桥臂,C相上桥臂和C相下桥臂之间通过第五电抗器和第六电抗器 连接,所述第五电抗器和第六电抗器之间的连接点为C相桥臂的交流输出端; 第一功率单元U₁的直流接线端子连接直流母线的正极,第二功率单元U₂的 直流接线端子连接直流母线的负极。这样就构成了k电平三相模块组合型多电平 变换器,通过增加或减少上、下桥臂的功率单元数量n,来改变多电平变换器的 电平数。电平数k取大于等于2的任意正整数,功率单元数量n=k-2。 本发明的有益效果:本发明提出的多电平变换器无需工频变压器,能直接 应用于高压领域,与传统的多电平变换器相比,既保留传统级联型多电平变换 器优点,同时克服了传统级联多电平电路使用的局限性。 附图说明 图1为本发明的k电平三相模块组合型多电平变换器结构示意图。 图2为第一功率单元U₁的结构示意图。 图3为第二功率单元U₂的结构示意图。 图4为第三功率单元U₃的结构示意图。 图5为第四功率单元U₄的结构示意图。 图6(a)、(b)、(c)为功率单元的开关示意图。 图7为三电平三相模块组合型多电平变换器结构示意图。 图8为202电平三相模块组合型多电平变换器结构示意图。 具体实施方式 结合附图对本发明的实施方式作进一步说明: 图1是本发明的k电平三相模块组合型多电平变换器结构示意图,功率单元 数量n=k-2。第一功率单元U1的第一交流接线端子11依次串联n个第三功率单 元U₃构成A相上桥臂,第二功率单元U₂的第一交流接线端子21依次串联n个第 四功率单元U₄构成A相下桥臂,A相上桥臂和A相下桥臂之间通过第一电抗器 1和第二电抗器2连接,所述第一电抗器1和第二电抗器2之间的连接点为A 相桥臂的交流输出端U;第一功率单元U₁的第二交流接线端子12依次串联n个 第三功率单元U₃构成B相上桥臂,第二功率单元U₂的第二交流接线端子22依 次串联n个第四功率单元U₄构成B相下桥臂,B相上桥臂和B相下桥臂之间通 过第三电抗器3和第四电抗器4连接,所述第三电抗器3和第四电抗器4之间 的连接点为B相桥臂的交流输出端V;第一功率单元U₁的第三交流接线端子13 依次串联n个第三功率单元U₃构成C相上桥臂,第二功率单元U₂的第三交流接 线端子23依次串联n个第四功率单元U₄构成C相下桥臂,C相上桥臂和C相下 桥臂之间通过第五电抗器5和第六电抗器6连接,所述第五电抗器5和第六电 抗器6之间的连接点为C相桥臂的交流输出端W;第一功率单元U₁的直流接线 端子10连接直流母线的正极101,第二功率单元U₂的直流接线端子20连接直流 母线的负极102。 这样就构成了k电平三相模块组合型多电平变换器,增加或减少A、B、C 相上桥臂和下桥臂的功率单元数量n,能改变多电平变换器的电平数。第三功率 单元U₃、第四功率单元U₄能够相互替换。 图2为第一功率单元U₁的结构示意图,开关S₁₁的阴极和开关S₁₂的阳极相 连,连接点作为第一功率单元U₁的第一交流接线端子11;开关S₁₃的阴极和开 关S₁₄的阳极相连,连接点作为第一功率单元U₁的第二交流接线端子12;开关 S₁₅的阴极和开关S₁₆的阳极相连,连接点作为第一功率单元U₁的第三交流接线 端子13;开关S₁₁、S₁₃、S₁₅的阳极和直流电容C₁₁的正极相连构成直流接线端 子10,并与模块组合型多电平变换器的直流母线的正极101相连,开关S₁₂、S₁₄、 S₁₆的阴极和直流电容C₁₁的负极相连构成的直流接线端子悬空,第一交流接线 端子11、第二交流接线端子12、第三交流接线端子13分别连接第三功率单元 U₃或者第四功率单元U₄的第一接线端子;所述的开关是可关断型电子开关元 件,见图6(a)、(b)、(c)。 当开关S₁₁开通和S1₂关断时,直流接线端子10和第一交流接线端子11之 间输出低电平,当开关S₁₁关断和S₁₂开通时,直流接线端子10和第一交流接线 端子11之间输出高电平;当开关S₁₃开通和S₁₄关断时,直流接线端子10和第 二交流接线端子12之间输出低电平,当开关S₁₃关断和S₁₄开通时,直流接线端 子10和第二交流接线端子12之间输出高电平;当开关S₁₅开通和S₁₆关断时, 直流接线端子10和第三交流接线端子13之间输出低电平,当开关S₁₅关断和S₁₆开通时,直流接线端子10和第三交流接线端子13之间输出高电平。 图3为第二功率单元U₂的结构示意图,开关S₂₁的阴极和开关S₂₂的阳极相 连,连接点作为第二功率单元U₂的第一交流接线端子21;开关S₂₃的阴极和开 关S₂₄的阳极相连,连接点作为第二功率单元U₂的第二交流接线端子22;开关 S₂₅的阴极和开关S₂₆的阳极相连,连接点作为第二功率单元U₂的第三交流接线 端子23;开关S₂₁、S₂₃、S₂₅的阳极和直流电容C₂₁的正极相连构成的直流接线 端子悬空,开关S₂₂、S₂₄、S₂₆的阴极和直流电容C₂₁的负极相连构成直流接线 端子20,并与模块组合型多电平变换器的直流母线的负极102相连,第一交 流接线端子21、第二交流接线端子22、第三交流接线端子23分别连接第四功 率单元U₄或者第三功率单元U₃的第二接线端子;所述的开关是可关断型电子 开关元件,见图6(a)、(b)、(c)。 当开关S₂₁开通和S₂₂关断时,第一交流接线端子21和直流接线端子20之 间输出高电平,当开关S₂₁关断和S₂₂开通时,第一交流接线端子21和直流接线 端子20之间输出低电平;当开关S₂₃开通和S₂₄关断时,第二交流接线端子22 和直流接线端子20之间输出高电平,当开关S₂₃关断和S₂₄开通时,第二交流接 线端子22和直流接线端子20之间输出低电平;当开关S₂₅开通和S₂₆关断时, 第三交流接线端子23和直流接线端子20之间输出高电平,当开关S₂₅关断和S₂₆开通时,第三交流接线端子23和直流接线端子20之间输出低电平。 图4是第三功率单元U₃的结构示意图,开关S₃₁的阴极和开关S₃₂的阳极相 连,连接点作为第三功率单元U₃的第二接线端子32,开关S₃₁的阳极和直流电 容C₃₁的正极相连构成直流母线正极,同时作为第三功率单元U₃的第一接线端 子31,开关S₃₂的阴极和直流电容C₃₁的负极相连构成直流母线负极;所述的开 关是可关断型电子开关元件,见图6(a)、(b)、(c)。 当开关S₃₁开通和S₃₂关断时,第一接线端子31和第二接线端子32之间输出 低电平,当开关S₃₁关断和S₃₂开通时,第一接线端子31和第二接线端子32之间 输出高电平。 图5是第四功率单元U₄的结构示意图,开关S₄₁的阴极和开关S₄₂的阳极相 连,连接点作为四功功率单元U₄的第一接线端子41,开关S₄₁的阳极和直流电容 C₄₁的正极相连构成直流母线正极,开关S₄₂的阴极和直流电容C₄₁的负极相连构 成直流母线负极,同时作为第四功率单元U₄的第二接线端子42;所述的开关是 可关断型电子开关元件,见图6(a)、(b)、(c)。 当开关S₄₁开通和S₄₂关断时,第一接线端子41和第二接线端子42之间输出 高电平,当开关S₄₁关断和S₄₂开通时,第一接线端子41和第二接线端子42之间 输出低电平。 图6(a)、(b)、(c)是功率单元的开关示意图,给出了三种可以实现单 向开关的电路,其中,图6(a)为半导体功率开关的MOSFET等效示意图;图 6(b)为半导体功率开关的IGBT等效示意图。图6(c)为半导体功率开关的 IGCT等效示意图。 图7为三电平三相模块组合型多电平变换器结构示意图,功率单元数量 n=1。第一功率单元U₁的第一交流接线端子11和一个第三功率单元U₃构成A相 上桥臂,第二功率单元U₂的第一交流接线端子21和一个第四功率单元U₄构成A 相下桥臂,A相上桥臂和A相下桥臂之间通过第一电抗器1和第二电抗器2连 接,所述第一电抗器1和第二电抗器2之间的连接点为A相桥臂的交流输出端 U;第一功率单元U₁的第二交流接线端子12和一个第三功率单元U₃构成B相上 桥臂,第二功率单元U₂的第二交流接线端子22和一个第四功率单元U₄构成B 相下桥臂,B相上桥臂和B相下桥臂之间通过第三电抗器3和第四电抗器4连 接,所述第三电抗器3和第四电抗器4之间的连接点为B相桥臂的交流输出端V; 第一功率单元U₁的第三交流接线端子13和一个第三功率单元U₃构成C相上桥 臂,第二功率单元U₂的第三交流接线端子23和一个第四功率单元U₄构成C相 下桥臂,C相上桥臂和C相下桥臂之间通过第五电抗器5和第六电抗器6连接, 所述第五电抗器5和第六电抗器6之间的连接点为C相桥臂的交流输出端W; 第一功率单元U₁的直流接线端子10连接直流母线的正极101,第二功率单元U₂的直流接线端子20连接直流母线的负极102。这样就构成了三电平三相模块组 合型多电平变换器。第三功率单元U₃与第四功率单元U₄能够相互替换。 图8是202电平三相模块组合型多电平变换器结构示意图,功率单元数量 n=200。第一功率单元U₁的第一交流接线端子11依次串联200个第三功率单元 U₃构成A相上桥臂,第二功率单元U₂的第一交流接线端子21依次串联200个 第四功率单元U₄构成A相下桥臂,A相上桥臂和A相下桥臂之间通过第一电抗 器1和第二电抗器2连接,所述第一电抗器1和第二电抗器2之间的连接点为A 相桥臂的交流输出端U;第一功率单元U₁的第二交流接线端子12依次串联200 个第三功率单元U₃构成B相上桥臂,第二功率单元U₂的第二交流接线端子22 依次串联200个第四功率单元U₄构成B相下桥臂,B相上桥臂和B相下桥臂之 间通过第三电抗器3和第四电抗器4连接,所述第三电抗器3和第四电抗器4 之间的连接点为B相桥臂的交流输出端V;第一功率单元U₁的第三交流接线端 子13依次串联200个第三功率单元U₃构成C相上桥臂,第二功率单元U₂的第 三交流接线端子23依次串联200个第四功率单元U₄构成C相下桥臂,C相上桥 臂和C相下桥臂之间通过第五电抗器5和第六电抗器6连接,所述第五电抗器5 和第六电抗器6之间的连接点为C相桥臂的交流输出端W;第一功率单元U₁的 直流接线端子10连接直流母线的正极101,第二功率单元U₂的直流接线端子20 连接直流母线的负极102。这样就构成了202电平三相模块组合型多电平变换器。 第三功率单元U₃与第四功率单元U₄能够相互替换。 以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局 限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易 想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护 范围应该以权利要求的保护范围为准。