CN102097967A - 一种级联式多电平变流器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种级联式多电平变流器，属于电力电子功率变换领域。包括采用单相飞跨电容嵌位三电平变流器构成功率单元，每个桥臂是由N个功率单元依次顺序级联构成，变流器的每一相包括上桥臂和下桥臂，每相的上桥臂下端和下桥臂上端各通过一个电感连接在一起，电感中点为此相交流母线，所有相的上桥臂上端连接在一起为直流正母线，所有相的下桥臂下端连接在一起为直流负母线。本发明的变流器，由于每个功率单元可以产生三电平输出电压状态，输出电压能力也可以提高一倍，当实现同样的电压等级时每个桥臂所需的功率单元数目和旁路开关数目可以大为减少，大幅度减小装置的复杂性，并且可以较大程度的降低成本。

Description

一种级联式多电平变流器
技术领域
本发明涉及一种级联式多电平变流器，属于电力电子功率变换领域。
背景技术
在柔性交流输电、轻型直流输电、高压交流传动等应用场合，通过多电平变流器可以实现电压等级和容量等级的提高，并且可以实现降低谐波等目的。目前主要的多电平变流器包括二极管嵌位式多电平变流器、飞跨电容嵌位式多电平变流器和H桥级联式多电平变流器。当需要实现较高的电压等级和电平数目时，二极管嵌位式多电平变流器和飞跨电容嵌位式多电平变流器所需的嵌位二极管器件或者嵌位电容器件数目将急剧增加，并且存在电容电压平衡控制困难的问题。H桥级联式多电平变流器比较容易实现较大的电平数目和电压等级。但是H桥级联式多电平变流器拓扑结构不能提供一个共用的直流母线连接点，这样难以实现两组变流器的背靠背运行，使其在电力系统背靠背换流、轻型直流输电以及交流电机调速四象限运行等领域的应用都受到限制。
一种如在文献“New transformerless，scalable Modular Multilevel Converters forHVDC-transmission”(Proceeding of IEEE Power Electronics Specialists Conference，2008.Pp.174-179)所记述的级联式模块化多电平变流器，变流器的每一相包括上桥臂和下桥臂，每个桥臂均由N个相同的功率单元级联构成，每相的上桥臂下端和下桥臂上端各通过一个电感连接在一起，电感中点为此相交流母线，所有相的上桥臂上端连接在一起为直流正母线，所有相的下桥臂下端连接在一起为直流负母线。这种模块化多电平变流器具有与H桥级联式多电平变流器类似的优点，可以容易实现大电平数目和高电压等级，并且能够提供一个公共的直流母线连接点，可以较为容易的实现背靠背的应用，尤其适用于轻型直流输电等应用场合。但是所公开的模块化多电平变流器的低压功率单元是主要由两个开关器件和一个电容构成的两电平功率单元，所能实现的电压等级较低。当需要实现较高电压等级的功率变换时需要相当多的功率单元级联数目。例如在轻型直流输电系统的应用中，由于电压等级非常高，每个桥臂需要级联几十至数百个功率单元。功率单元数目的增加将使装置的设计非常复杂，也会带来较高的成本。另外为了保证可靠性，当功率单元内部出现故障时一般需要通过由双向晶闸管实现的旁路开关将此单元旁路。当功率单元数目很大时所需的双向晶闸管数目也非常多，将带来非常高的成本。
发明内容
本发明的目的是提出一种级联式多电平变流器，针对现有的模块化多电平变流器的缺点，采用单相飞跨电容嵌位三电平变流器构成的功率单元，以简化变流器的结构，降低产品成本。
本发明提出的级联式多电平变流器，变流器的每一相包括上桥臂和下桥臂，每个桥臂分别由N个相同的低压功率单元级联构成，每相的上桥臂下端和下桥臂上端各通过一个电感连接在一起，电感中点成为该相的交流母线，所有相的上桥臂上端连接在一起成为直流正母线，所有相的下桥臂下端连接在一起成为直流负母线，其特征在于所述的上桥臂和下桥臂分别由N个功率单元依次顺序级联而成，所述的功率单元由第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一电容、第二电容和双向开关组成；所述的第一开关的集电极与第一二极管的阴极相连，第一开关的发射极与第一二极管的阳极相连；所述的第二开关的集电极与第二二极管的阴极相连，第二开关的发射极与第二二极管的阳极相连；所述的第三开关的集电极与第三二极管的阴极相连，第三开关的发射极与第三二极管的阳极相连；所述的第四开关的集电极与第四二极管的阴极相连，第四开关的发射极与第四二极管的阳极相连；所述的第一二极管的阴极与第一电容的正极相连；所述的第一二极管的阳极同时与第二二极管的阴极和第二电容的正极相连；所述的第二二极管的阳极与第三二极管的阴极相连，相连的连接点成为功率单元的正端子；所述的第三二极管的阳极同时与第四二极管的阴极和第二电容的负极相连；所述的第四二极管的阳极与第一电容的负极相连，第一电容的负极成为功率单元的负端子；所述的双向开关的一极与正端子连接，另一极与负端子连接。
本发明提出的级联式多电平变流器，用单相飞跨电容嵌位三电平变流器构成功率单元，相对于传统两电平功率单元，每个功率单元可以产生三种输出电压状态，输出电压等级也可以提高一倍。相对于传统的采用两电平功率单元的模块式多电平变流器，当实现同样的电压等级时，每个桥臂所需的功率单元数目可以减少一半，同时所需的旁路开关数目也可以减少一半，大幅度减小装置的复杂性，并且可以较大程度的降低设备成本。
附图说明
图1是本发明提出的三相级联式变流器的结构示意图。
图2是本发明三相级联式变流器中功率单元的结构示意图。
图3、图4和图5是本发明三相级联式变流器中功率单元的三种电压输出状态示意图。
具体实施方式
本发明提出的级联式多电平变流器，其结构如图1所示，变流器的每一相包括上桥臂和下桥臂，每个桥臂分别由N个相同的低压功率单元级联构成，每相的上桥臂下端和下桥臂上端各通过一个电感连接在一起，电感中点成为该相的交流母线，所有相的上桥臂上端连接在一起成为直流正母线，所有相的下桥臂下端连接在一起成为直流负母线。其中的上桥臂和下桥臂分别由N个功率单元依次顺序级联而成。功率单元的结构如图2所示，由第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一电容C1、第二电容C2和双向开关S5组成；所述的第一开关S1的集电极与第一二极管D1的阴极相连，第一开关S1的发射极与第一二极管D1的阳极相连；所述的第二开关S2的集电极与第二二极管D2的阴极相连，第二开关S2的发射极与第二二极管D2的阳极相连；所述的第三开关S3的集电极与第三二极管D3的阴极相连，第三开关S3的发射极与第三二极管D3的阳极相连；所述的第四开关S4的集电极与第四二极管D4的阴极相连，第四开关S4的发射极与第四二极管D4的阳极相连；所述的第一二极管D1的阴极与第一电容C1的正极相连；所述的第一二极管D1的阳极同时与第二二极管D2的阴极和第二电容C2的正极相连；所述的第二二极管D2的阳极与第三二极管D3的阴极相连，相连的连接点成为功率单元的正端子T1；所述的第三二极管D3的阳极同时与第四二极管D4的阴极和第二电容C2的负极相连；所述的第四二极管D4的阳极与第一电容C1的负极相连，第一电容C1的负极成为功率单元的负端子T2；所述的双向开关S5的一极与正端子T1连接，另一极与负端子T2连接。
以下结合附图，详细介绍本发明的工作原理和工作过程：
设低压功率单元内电容C2上的直流电压为E，电容C1上的直流电压将为2E，功率单元的控制方式和电压输出状态如下：
1)当开关S1开通，开关S2导通，开关S3关断，开关S4关断，开关S5关断，如图3所示，功率单元端口的输出电压为2E。
2)当开关S1关断，开关S2导通，开关S3关断，开关S4开通，开关S5关断，如图4所示，功率单元端口的输出电压为E；
3)当开关S1关断，开关S2关断，开关S3开通，开关S4开通，开关S5关断，如图5所示，功率单元端口的输出电压为0；
4)如果开关S5导通，功率单元将被旁路，功率单元端口的输出电压将为0。
如上所述，功率单元的端口可以输出0、E、2E三种电压状态。
将N个三电平功率单元端口的T1和T2端子依次级联构成一个桥臂，桥臂的电压状态就可以在0、E、2E…2N×E之间变化。
变流器的每相由两个桥臂和两个电感构成，上桥臂下端和下桥臂上端各通过一个电感连接在一起，电感中点为此相交流出线，上桥臂上端为直流正出线，下桥臂下端为直流负出线。通过控制各桥臂的功率单元端口的输出电压状态，可以分别控制交流出线电压和直流出线电压。
本发明的一个实施例中，变流器包括U、V和W三相，如图1所示。所有相的上桥臂上端连接在一起为直流正母线DC+，所有相的下桥臂下端连接在一起为直流负母线DC-，各相电感中点为此相交流出线，在图1中分别标为ACU、ACV和ACW。
当任意功率单元内部存在故障时，可以将功率单元内部的双向S5闭合，使此功率单元被旁路。
由于本发明的变流器中采用了单相飞跨电容嵌位三电平功率单元，相对于传统两电平功率单元，每个功率单元可以产生三电平输出电压状态，输出电压能力也可以提高一倍。相对于传统的采用两电平功率单元的模块式多电平变流器，当实现同样的电压等级时，每个桥臂所需的功率单元数目可以减少一半，所需的旁路开关数目也可以减少一半，大幅度减小装置的复杂性，并且可以较大程度的降低成本。

Claims (1)

1.一种级联式多电平变流器，变流器的每一相包括上桥臂和下桥臂，每个桥臂分别由N个相同的低压功率单元级联构成，每相的上桥臂下端和下桥臂上端各通过一个电感连接在一起，电感中点成为该相的交流母线，所有相的上桥臂上端连接在一起成为直流正母线，所有相的下桥臂下端连接在一起成为直流负母线，其特征在于所述的上桥臂和下桥臂分别由N个功率单元依次顺序级联而成，所述的功率单元由第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一电容、第二电容和双向开关组成；所述的第一开关的集电极与第一二极管的阴极相连，第一开关的发射极与第一二极管的阳极相连；所述的第二开关的集电极与第二二极管的阴极相连，第二开关的发射极与第二二极管的阳极相连；所述的第三开关的集电极与第三二极管的阴极相连，第三开关的发射极与第三二极管的阳极相连；所述的第四开关的集电极与第四二极管的阴极相连，第四开关的发射极与第四二极管的阳极相连；所述的第一二极管的阴极与第一电容的正极相连；所述的第一二极管的阳极同时与第二二极管的阴极和第二电容的正极相连；所述的第二二极管的阳极与第三二极管的阴极相连，相连的连接点成为功率单元的正端子；所述的第三二极管的阳极同时与第四二极管的阴极和第二电容的负极相连；所述的第四二极管的阳极与第一电容的负极相连，第一电容的负极成为功率单元的负端子；所述的双向开关的一极与正端子连接，另一极与负端子连接。
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