CN101546964A - 模块组合型多电平变换器 - Google Patents

Abstract

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(U₁)的三相交流接线端子分别依次串联n个第三功率单元(U₃)(n为正整数，下同)构成三相上桥臂，第二功率单元(U₂)的三相交流接线端子分别依次串联n个第四功率单元(U₄)组成三相下桥臂，三相上桥臂和三相下桥臂之间通过两个电抗器连接，所述两电抗器之间的连接点为三相交流输出端。第一功率单元(U₁)的直流接线端子连接直流母线的正极(101)，第二功率单元(U₂)的直流接线端子连接直流母线的负极(102)。通过增加或减少上、下桥臂的功率单元数量n，能改变变换器的电平数。本模块组合型多电平变换器既保留了传统多电平变换器优点，克服了其不足，可应用于中高压大功率场合的能量变换系统。

Description

模块组合型多电平变换器

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。

Claims (6)

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。

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