CN101867313B - 一种级联型换流器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种级联型换流器，其特征在于：它包括至少两个换流器桥臂，每一所述换流器桥臂包括串接的的第一桥臂单元和第二桥臂单元；所述每一换流器桥臂中的第一、二桥臂单元的串联接点处连接一交流出线，所述第一、二桥臂单元剩下的另外两端分别连接一直流母线的正极和负极；所述第一桥臂单元包括n个串接的B形桥(Mj1)，所述第二桥臂单元包括n个串接的B形桥(Mj2)，j1＝1...n，j2＝n+1...2n，n为级联数，n≥1。本发明主要用于中高电压等级的电网和负荷。

Description

一种级联型换流器
技术领域
本发明涉及一种适用于中高电压等级的电网和负荷的换流器，特别是关于一种级联型换流器。
背景技术
随着新能源发电、电气化铁路等中高压电网和负荷的发展，对轻型直流输电系统、背靠背型的补偿设备的需求大大增加。中高压换流器是这些补偿设备的关键部件，其拓扑主要包括：器件串联型(如图1所示)和H桥级联型(也称为链式)(如图2所示)。其中，器件串联型换流器易于控制，且多相桥臂可以共用直流侧电容器，便于实现直流输电和背靠背运行，但是器件串联时的动态均压不容易实现，且这种换流器的有效电平数少，输出波形畸变率高，运行效率略低。H桥级联型换流器基于简单单元的级联，有效电平数较多，输出波形畸变率较低，运行效率较高，但是它不允许多相桥臂共用直流侧电容器，不适用于直流输电和背靠背运行。
发明内容
为实现一种适用于直流输电和背靠背运行，且有效电平数多、输出波形畸变率低的级联型换流器。
本发明采取以下技术方案：
一种级联型换流器，其特征在于：它包括至少两个换流器桥臂，每一所述换流器桥臂包括串接的第一桥臂单元和第二桥臂单元；所述每一换流器桥臂中的第一、二桥臂单元的串联接点处连接一交流出线，所述第一、二桥臂单元剩下的另外两端分别连接一直流母线的正极和负极；所述第一桥臂单元包括n个串接的B形桥(Mj1)，所述第二桥臂单元包括n个串接的B形桥(Mj2)，j1＝1...n，j2＝n+1…2n，n为级联数，n≥1。
每一所述换流器桥臂中的各所述B形桥(Mj1、Mj2)分别包括四电力电子器件(S1～S4)、两电容器(C1、C2)，以及一所述X端和一所述Y端；所述电力电子器件(S2)的发射极和集电极分别连接所述电力电子器件(S3)的集电极和所述电力电子器件(S1)的发射极，所述电力电子器件(S3)的发射极连接所述电力电子器件(S4)的集电极，所述电力电子器件(S1)的集电极和所述电力电子器件(S4)的发射极之间串接所述两电容器(C1、C2)；所述两电容器(C1、C2)之间的一点通过一导线接在所述电力电子器件(S2)的发射极与所述电力电子器件(S3)的集电极之间；所述X端连接所述电力电子器件(S1)的发射极和所述电力电子器件(S2)的集电极的接点，所述Y端连接所述电力电子器件(S3)的发射极和所述电力电子器件(S4)的集电极的接点。
所述B形桥(Mj1、Mj2)的XY端口输出0、UC、2UC三种有效电平之一。
所述第一、二桥臂单元的两端、相邻两B形桥(Mj1)的接点和相邻两B形桥(Mj2)的接点中的一处连接一电抗器Li，j1＝1...n，j2＝n+1…2n，i＝1...2n+2。
所述第一、二桥臂单元的两端、相邻两B形桥(Mj1)的接点和相邻两B形桥(Mj2)的接点中的多处连接一电抗器Li，j1＝1...n，j2＝n+1…2n，i＝1...2n+2。
所述第一、二桥臂单元的两端、相邻两B形桥(Mj1)的接点和相邻两B形桥(Mj2)的接点中的每一处连接一电抗器Li，j1＝1...n，j2＝n+1…2n，i＝1...2n+2。
当所述第一桥臂单元中第n个B形桥(Mn)的Y端和所述第二桥臂单元中第n+1个B形桥(Mn+1)的X端分别连接有所述电抗器(Ln+1、Ln+2)时，所述交流出线连接在所述电抗器(Ln+1、Ln+2)的接点处；当第一个B形桥(M1)的X端连接电抗器(L1)时，所述直流母线的正极直接连接电抗器(L1)；当第2n个B形桥(M2n)的Y端连接电抗器(L2(n+1))时，所述直流母线的负极直接连接电抗器(L2(n+1))。
所述换流器桥臂输出电压的电平数为2n+1个；所述级联数n＝2时，所述换流器桥臂输出的电压具有5个电平；所述级联数n＝4时，所述换流器桥臂输出的电压具有9个电平。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、由于本发明采用B形桥级联，多个桥臂共用直流侧电容器时不存在相间短路等问题，因此可以允许多个换流器共用直流侧电容器。2、由于本发明每一换流器桥臂包括2n+2个电抗器和2n个B形桥，电抗器值允许为零，2n+2个电抗器与2n个B形桥依次交替级联，第n+1个电抗器和第n+2个电抗器的连接点接一交流出线，第一个电抗器的一端接直流母线的正极，另一端接第1个B桥的X端，第2n+2个电抗器的一端接直流母线负极，另一端接第2n个B桥的Y端，所述n为级联数，n≥1，因此便于实现冗余设计，可靠性高，实际应用时，便于模块化设计、制造和安装。3、由于本发明中的每一换流器桥臂中的各B形桥分别采用了四电力电子器件和两电容器，因此每一换流器桥臂结构简单，易于实现。4、由于本发明中的换流器为级联形式，因此每个B形桥的开关频率较低，而整个换流器的等效开关频率较高，故运行效率较高。5、由于本发明中的各B形桥的XY端口可以输出0、UC、2UC三种有效电平，因此可以使换流器桥臂输出的有效电平数较多，交流输出波形畸变率低，输出电压的dV/dt小。本发明主要用于中高电压等级的电网和负荷。
附图说明
图1是器件串联型换流器的拓扑结构示意图
图2是H桥级联型换流器的拓扑结构示意图
图3是本发明的实施例一的结构示意图
图4是本发明的实施例二的结构示意图
图5是本发明的实施例三的结构示意图
图6是本发明中B形桥的原理图
图7是本发明中B形桥第一种工作状态的等效电路图
图8是本发明中B形桥第二种工作状态的等效电路图
图9是本发明中B形桥第三种工作状态的等效电路图
图10是本发明中B形桥第四种工作状态的等效电路图
图11是本发明中B形桥的一具体实施例的结构示意图
图12是本发明的级联数为2时，桥臂输出电压的波形图
图13是本发明的级联数为4时，桥臂输出电压的波形图
图14是本发明的基于B形桥级联的三相桥输出的三相电压波形图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图3～5所示，本发明包括至少两个换流器桥臂1，其中，每一换流器桥臂1包括两桥臂单元11、12，桥臂单元11包括n个串接的B形桥Mj1(j1＝1...n)，桥臂单元12包括n个串接的B形桥Mj2(j2＝n+1...2n)。上述n为级联数，n≥1，其根据具体实际情况进行选定。两个换流器桥臂1组成一个单相桥换流器2，三个换流器桥臂1组成三相桥换流器3。本发明的换流器拓扑主要用于研制中高电压等级的电压源型换流器，包括脉冲电源、变频器、静止无功发生器、有源电力滤波器、直流输电、统一潮流控制器等，但不限于上述换流器。
如图6所示，本发明的桥臂单元11、12中的每一B形桥Mj1、Mj2分别包括电力电子器件S1～S4、电容器C1和C2，以及一X端和一Y端。电力电子器件S1～S4与电容器C1和C2构成一串连回路，其具体连接为：电力电子器件S2的发射极和集电极分别连接电力电子器件S3的集电极和电力电子器件S1的发射极，电力电子器件S3的发射极连接电力电子器件S4的集电极，电力电子器件S1的集电极和电力电子器件S4的发射极之间串接电容器C1和C2。电容器C1与C2之间的一点通过一导线4连接在电力电子器件S2的发射极与电力电子器件S3的集电极之间。X端连接在电力电子器件S1的发射极与电力电子器件S2的集电极的接点，Y端连接在电力电子器件S3的发射极与电力电子器件S4的集电极的接点。X端和Y端均是输出端，若记电容器C1和C2的电压均为UC，则B形桥Mj1、Mj2的XY端口可以输出0、UC、2UC三种有效电平，其工作原理如表1所示。
表1
  第一种工作状态   第二种工作状态   第三种工作状态   第四种工作状态
  电力电子器件状态   S1：截止S2：导通S3：导通S4：截止   S1：导通S2：截止S3：导通S4：截止   S1：截止S2：导通S3：截止S4：导通   S1：导通S2：截止S3：截止S4：导通
XY端口输出电压 0 UC UC 2UC
如图7～10所示，通过合理控制电力电子器件S1～S4的开关规律，或者在电容器C1和C2两端并联均压电路，可以保持电容器C1和C2的电压均衡。
如图3～5所示，桥臂单元11中二相邻的B形桥Mj1的X、Y端相连接，且第一个B形桥M1的X端连接一直流母线的正极P，第n个B形桥Mn的Y端连接一交流出线0。桥臂单元12中二相邻的B形桥Mj2的X、Y端相连接，且第n+1个B形桥Mn+1的X端也连接交流出线0，第2n个B形桥M2n的Y端连接直流母线的负极N。
上述实施例中，第1个B形桥M1的X端、第n+1个B形桥Mn+1的X端、第n个B形桥Mn的Y端、第2n个B形桥M2n的Y端、二B形桥Mj1接点和二B形桥Mj2接点中的一处连接有-电抗器Li(i＝1...2n+2)。
上述各实施例中，第1个B形桥M1的X端、第n+1个B形桥Mn+1的X端、第n个B形桥Mn的Y端、第2n个B形桥M2n的Y端、二B形桥Mj1接点和二B形桥Mj2接点中的多处分别连接一电抗器Li。
上述各实施例中，第一个B形桥M1的X端、第n+1个B形桥Mn+1的X端、第n个B形桥Mn的Y端、第2n个B形桥M2n的Y端、二B形桥Mj1(j1＝1...n)接点和二B形桥Mj2接点中的每一处分别连接一电抗器Lj。
上述各实施例中，当桥臂单元11中Mn的Y端和桥臂单元12中Mn+1的X端分别连接有电抗器Ln+1、Ln+2时，交流出线0连接在二电抗器Ln+1、Ln+2的接点处。当M1的X端连接电抗器L1时，直流母线的正极P直接连接电抗器L1。当M2n的Y端连接电抗器L2(n+1)时，直流母线的负极N直接连接电抗器L2(n+1)。
采用不同的电力电子器件时，B形桥Mj1、Mj2的实际机械结构有所不同，但均是器件级联的形式。以压装型电力电子器件为例，B形桥Mj1、Mj2的实际结构如图11所示，图11中的D是冷却基板。
本发明的换流器桥臂输出电压的电平数为2n+1个，例如：当级联数n＝2时，换流器桥臂1输出的电压具有5个电平(如图12所示)；当级联数n＝4时，换流器桥臂1输出的电压具有9个电平(如图13所示)；当级联数继续增加时，电平数也随之增加，换流器桥臂1输出电压的波形就更加逼近正弦。级联数n＝4时，三相桥换流器3输出的电压波形(如图14所示)。随着级联数的增加，三相桥换流器3输出电压增大，可以用于中高压的场合。
上述各实施例中，各部件的结构、设置位置、及其连接都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，对个别部件进行的改进和等同变换，不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (12)

1.一种级联型换流器，其特征在于：它包括至少两个换流器桥臂，每一所述换流器桥臂包括串接的的第一桥臂单元和第二桥臂单元；所述每一换流器桥臂中的第一、二桥臂单元的串联接点处连接一交流出线，所述第一、二桥臂单元剩下的另外两端分别连接一直流母线的正极和负极；所述第一桥臂单元包括n个串接的B形桥Mj1，所述第二桥臂单元包括n个串接的B形桥Mj2，j1＝1...n，j2＝n+1...2n，n为级联数，n≥1；
每一所述换流器桥臂中的各所述B形桥Mj1、Mj2分别包括四电力电子器件S1～S4、两电容器C1、C2，以及一X端和一Y端；所述电力电子器件S2的发射极和集电极分别连接所述电力电子器件S3的集电极和所述电力电子器件S1的发射极，所述电力电子器件S3的发射极连接所述电力电子器件S4的集电极，所述电力电子器件S1的集电极和所述电力电子器件S4的发射极之间串接所述两电容器C1、C2；所述两电容器C1、C2之间的一点通过一导线接在所述电力电子器件S2的发射极与所述电力电子器件S3的集电极之间；所述X端连接所述电力电子器件S1的发射极和所述电力电子器件S2的集电极的接点，所述Y端连接所述电力电子器件S3的发射极和所述电力电子器件S4的集电极的接点。
2.如权利要求1所述的一种级联型换流器，其特征在于：所述B形桥Mj1、Mj2的XY端口输出0、UC、2UC三种有效电平之一。
3.如权利要求1或2所述的一种级联型换流器，其特征在于：所述第一、二桥臂单元的两端、相邻两B形桥Mj1的接点和相邻两B形桥Mj2的接点中的一处连接一电抗器Li，j1＝1...n，j2＝n+1...2n，i＝1...2n+2。
4.如权利要求1或2所述的一种级联型换流器，其特征在于：所述第一、二桥臂单元的两端、相邻两B形桥Mj1的接点和相邻两B形桥Mj2的接点中的多处连接一电抗器Li，j1＝1...n，j2＝n+1...2n，i＝1...2n+2。
5.如权利要求1或2所述的一种级联型换流器，其特征在于：所述第一、二桥臂单元的两端、相邻两B形桥Mj1的接点和相邻两B形桥Mj2的接点中的每一处连接一电抗器Li，j1＝1...n，j2＝n+1...2n，i＝1...2n+2。
6.如权利要求3所述的一种级联型换流器，其特征在于：当所述第一桥臂单元中第n个B形桥Mn的Y端和所述第二桥臂单元中第n+1个B形桥Mn+1的X端分别连接有电抗器Ln+1、Ln+2时，所述交流出线连接在所述电抗器Ln+1、Ln+2的接点处；当第一个B形桥M1的X端连接电抗器L1时，所述直流母线的正极直接连接电抗器L1；当第2n个B形桥M2n的Y端连接电抗器L2(n+1)时，所述直流母线的负极直接连接电抗器L2(n+1)。
7.如权利要求4所述的一种级联型换流器，其特征在于：当所述第一桥臂单元中第n个B形桥Mn的Y端和所述第二桥臂单元中第n+1个B形桥Mn+1的X端分别连接有电抗器Ln+1、Ln+2时，所述交流出线连接在所述电抗器Ln+1、Ln+2的接点处；当第一个B形桥M1的X端连接电抗器L1时，所述直流母线的正极直接连接电抗器L1；当第2n个B形桥M2n的Y端连接电抗器L2(n+1)时，所述直流母线的负极直接连接电抗器L2(n+1)。
8.如权利要求5所述的一种级联型换流器，其特征在于：当所述第一桥臂单元中第n个B形桥Mn的Y端和所述第二桥臂单元中第n+1个B形桥Mn+1的X端分别连接有电抗器Ln+1、Ln+2时，所述交流出线连接在所述电抗器Ln+1、Ln+2的接点处；当第一个B形桥M1的X端连接电抗器L1时，所述直流母线的正极直接连接电抗器L1；当第2n个B形桥M2n的Y端连接电抗器L2(n+1)时，所述直流母线的负极直接连接电抗器L2(n+1)。
9.如权利要求1或2或6或7或8所述的一种级联型换流器，其特征在于：所述换流器桥臂输出电压的电平数为2n+1个；所述级联数n＝2时，所述换流器桥臂输出的电压具有5个电平；所述级联数n＝4时，所述换流器桥臂输出的电压具有9个电平。
10.如权利要求3所述的一种级联型换流器，其特征在于：所述换流器桥臂输出电压的电平数为2n+1个；所述级联数n＝2时，所述换流器桥臂输出的电压具有5个电平；所述级联数n＝4时，所述换流器桥臂输出的电压具有9个电平。
11.如权利要求4所述的一种级联型换流器，其特征在于：所述换流器桥臂输出电压的电平数为2n+1个；所述级联数n＝2时，所述换流器桥臂输出的电压具有5个电平；所述级联数n＝4时，所述换流器桥臂输出的电压具有9个电平。
12.如权利要求5所述的一种级联型换流器，其特征在于：所述换流器桥臂输出电压的电平数为2n+1个；所述级联数n＝2时，所述换流器桥臂输出的电压具有5个电平；所述级联数n＝4时，所述换流器桥臂输出的电压具有9个电平。
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