[发明专利]级联模块化多电平换流器的新的四电平换流器单元拓扑

说明书

技术领域

本发明涉及用于电压转换的系统和方法。更特别地，本发明涉及用级联的单独的多电平电力逆变器在电力系统中将DC电压转换成AC电压的方法和系统。

背景技术

多电平换流器由于诸如HVDC、SVC以及AC驱动之类的高功率和高电压应用的需求而变得流行。不同于常规的两电平换流器，多电平逆变器提供了基于从若干dc电压电平（voltagelevel）合成ac电压波形来消除谐波的高效方式，其具有如在以下中描述的许多优点：“[1]O.Lopez、S.Bernet、J.Alvarez、J.D.Gandoy和F.D.Freijedo，‘MultilevelmultiphasespacevectorPWMalgorithm’，IEEETrans.Ind.,Electron.,vol.55,no.5,pp.1933-1942,2008年5月”；“[2]J.Rodriguez、J.Lai和F.Z.Peng，‘Multilevelinverters:asurveyoftopologies,controls,andapplications’，IEEETrans.Ind.,Electron.,vol.49,no.4,pp.724-738,2002年8月”；“[3]S.Bernet、D.Krug和K.Jalili，‘Designandcomparisonof4-kVneutral-point-clamped,flying-capacitor,andseries-connectedH-bridgemultilevelconverters’，IEEETrans.Ind.,Appl,vol.43,no.4,pp.1032-1040,2007年7月/8月”以及“[4]S.Kouro、M.Malinowski、K.Gopakumar、J.Pou、L.G.Franquelo、B.Wu、J.Rodriguez、M.A.Peroez和J.I.Leon，‘Recentadvancesandindustrialapplicationsofmultilevelconverters’，IEEETrans.Ind.,Electron.,vol.57,no.8,pp.2553-2580,2010年8月”。

多电平换流器的优点是：

a）在电压受限设备的情况下的高电压能力；

b）低谐波失真和较少滤波要求；

c）归因于低开关频率的减少的开关损耗；

d）增加的电力转换效率；以及

e）好的电磁兼容性。

已经研究和应用若干多电平换流器拓扑，例如，也被称作中性点钳位（NPC）拓扑的二极管钳位多电平换流器、飞跨电容器多电平换流器、级联H桥多电平换流器（CHB）、模块化多电平换流器（MMC或M2C），所述模块化多电平换流器如在“[5]A.Lesnicar和R.Marquardt，‘Aninnovativemodularmultilevelconvertertopologysuitableforawidepowerrange’，inProc.IEEEBolognaPowerTechConf.,2003,pp.1-3”中描述的那样。已知在NPC换流器中存在某些问题，诸如当电压电平的数量超过三个时的电压不平衡，如在“[2]J.Rodriguez、J.Lai和F.Z.Peng，‘Multilevelinverters:asurveyoftopologies,controls,andapplications’，IEEETrans.Ind.,Electron.,vol.49,no.4,pp.724-738,2002年8月”中描述的那样。在飞跨电容器多电平换流器中也发现了类似的问题。为了解决这些问题，许多研究人员近年来已经研究了模块化多电平换流器。级联H桥多电平换流器是在电压高于6kV时通常使用的那些中的一个。

M2C拓扑使用半桥子模块并且已被西门子（Siemens）公司——本公开的受让人商业化。模块化多电平换流器的优点包括1）模块化设计的可扩展性的容易，2）较小且可靠的电容器的分布式定位，以及3）冗余的简单实现。

当前，具有至多4个开关的多电平换流器中的电压电平的数量被认为是受限的，其还限制级联换流器的电路中的电压电平的数量。

因此，要求新颖的和改进的多电平（也被称作多电平）换流器，其具有较大数量的电压电平且可以在级联拓扑中应用。

发明内容