CN102751891A - 基于高频隔离变换的大功率多电平变流器 - Google Patents
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Abstract
本发明基于高频隔离变换的大功率多电平变流器，包括主回路及其移相控制电路，主回路输入级为级联式H桥整流器，中间级为高频DC-DC隔离变换器，输出级为二极管嵌位式多电平逆变器。级联式H桥整流器的每个H桥整流电路输出均等的直流电压，移相控制电路通过控制各个H桥整流电路的移相角来控制直流侧的电容电压。其优点是：由于采用了级联式H桥整流器，每个H桥整流电路输出均等的直流电压，移相控制电路通过控制各个H桥整流电路的移相角来控制直流侧的电容电压，灵活地解决了拓扑结构中直流侧电容电压不平衡的问题，实现对直流侧电容电压的独立控制，并且每个开关器件承受的电压应力减小，有利于模块化设计。
Description
技术领域
本发明涉及变流技术，特别涉及一种基于高频隔离变换的大功率多电平变流器。
背景技术
随着现代电力电子技术的发展，多电平变流技术使得低耐压的功率开关管能够完成高压大功率的能量变换与传输，多电平电路结构具有输出电压谐波小、开关频率低、可改善装置的EMI特性等诸多优点，已广泛应用于中高压大功率电机的变频调速、直流输电等场合中。与传统的两电平变换器相比，多电平变换器有很大的优势：(1)随着电平数的增加，输出电压谐波降低；(2)每个开关器件承受的电压应力较小；(3)随着电平数的增加，开关器件的工作频率会进一步的降低，使得每个开关的损耗降低，同时可避免大的du/dt所导致的各种问题。目前，多电平逆变器的拓扑结构主要有三种：二极管箝位型、飞跨电容箝位型和H桥级联型。
对于多电平逆变器，控制直流侧电容电压平衡具有重要的意义。以五电平逆变器举例来说，在平衡的时候，直流侧每个电容上的电压为Ud/4，但是实际的工作过程中，每个电容都要带负载，使得每个电容的充放电时间不同，也即与系统交换的有功能量不同，这导致每个节点的平均电流不一定为零。如果不加控制，必然造成直流侧电容电压不平衡。
三电平逆变器电容电压平衡控制要相对简单许多，最普遍的方法就是根据当前中点电位的偏移方向控制电容电流的方向，直接合理的利用每个电压空间矢量及其对应的开关状态，控制矢量的作用次序和作用时间，可以达到电容电压平衡的目的。对于五电平逆变器的电容电压平衡的控制，相对于三电平的逆变器复杂许多。有人提出，用四个独立的电源分别给四个电容充电，分别进行控制，从而使直流侧电压自动实现平衡。但是，该方法控制复杂，多路独立的直流电源的引入，在实践中也将造成结构的复杂化，是相当困难的。
二极管箝位型逆变器和飞跨电容式逆变器直流侧电容都存在不平衡的问题。二极管箝位型逆变器采用了比较实用的多电平逆变技术，由于具有不需要独立的直流电源，控制简单等优点而倍受青睐。但是当电路结构高于三电平时，直流侧电容电压的平衡很难实现。因此，二极管嵌位式多电平结构一直无法在较高的供电电压等级下的大功率变流器系统中使用。飞跨电容式变流器它所需电容器的数量和容量均较大，所以在多电平变流器中，采用飞跨电容式结构的装置较少。
发明内容
本发明的目的是克服上述缺陷，提供一种基于高频隔离变换的大功率多电平变流器，解决直流侧电容电压不平衡的问题，实现独立地控制多电平变换器直流侧的电容电压，并使之平衡。
为达到上述目的，本发明提供的一种基于高频隔离变换的大功率多电平变流器，包括主回路及其移相控制电路，主回路具有三级结构，包括输入级、中间级和输出级：
输入级为级联式H桥整流器，级联式H桥整流器包括串联连接的若干个H桥整流电路，每个H桥整流电路的输出端分别并联有电容器；
中间级为高频DC-DC隔离变换器，高频DC-DC隔离变换器包括若干个带高频隔离变压器的DC/DC变换器，分别与前级电路的各个H桥整流电路的输出端对应连接；
输出级为二极管嵌位式多电平逆变器，二极管嵌位式多电平逆变器的输入端并联有直流侧电容，分别与前级电路的各个带高频隔离变压器的DC/DC变换器的输出端对应连接；
级联式H桥整流器的每个H桥整流电路输出均等的直流电压，移相控制电路通过控制各个H桥整流电路的移相角来控制直流侧的电容电压。
本发明基于高频隔离变换的大功率多电平变流器，其中所述输入级、中间级和输出级构成单相五电平拓扑结构：
输入级为单相级联式H桥整流器，单相级联式H桥整流器包括串联连接的4个H桥整流电路，每个H桥整流电路包括4个带有反并联二极管的IGBT模块，第一H桥整流电路的第一个桥臂中点和第四H桥整流电路的第二个桥臂中点之间接入单相交流输入电压，其余H桥整流电路的第二个桥臂中点与下一个H桥整流电路的第一个桥臂中点连接；
中间级为单相高频DC-DC隔离变换器，单相高频DC-DC隔离变换器包括4个带高频隔离变压器的DC/DC变换器，分别与前级电路的4个H桥整流电路的输出端对应连接，每个带高频隔离变压器的DC/DC变换器包括串联连接的H桥变流器、高频变压器和另一H桥变流器，其中，每个H桥变流器包括4个带有反并联二极管和并联电容的IGBT模块；
输出级为二极管嵌位式五电平逆变器，二极管嵌位式五电平逆变器的输入端并联有直流侧电容，分别与每个带高频隔离变压器的DC/DC变换器的输出端对应连接。
本发明基于高频隔离变换的大功率多电平变流器，其中所述输入级、中间级和输出级构成三相五电平拓扑结构：
输入级为三相级联式H桥整流器，三相级联式H桥整流器包括3个单相级联式H桥整流器，每相4个H桥整流电路，共12个H桥整流电路，在各相中，第一个H桥整流电路的第一个桥臂中点作为三相电压输入端，第四个H桥整流电路的第二个桥臂中点互相连接；
中间级为三相高频DC-DC隔离变换器，三相高频DC-DC隔离变换器包括3个单相高频DC-DC隔离变换器，每相4个带高频隔离变压器的DC/DC变换器，共12个带高频隔离变压器的DC/DC变换电路，分别与前级电路对应连接；
输出级为二极管嵌位式五电平逆变器，二极管嵌位式五电平逆变器的输入端并联有直流侧电容，每个单相高频DC-DC隔离变换器的第一个带高频隔离变压器的DC/DC变换器的输出端串联连接后，并联连接到第一个直流侧电容，以此类推，每个单相高频DC-DC隔离变换器的第n个带高频隔离变压器的DC/DC变换器的输出端串联连接后，并联连接到第n个直流侧电容，其中n=1,2,3,4。
本发明基于高频隔离变换的大功率多电平变流器，其中所述多电平逆变器为飞跨电容型多电平逆变器。
本发明基于高频隔离变换的大功率多电平变流器，其中所述五电平逆变器为飞跨电容型五电平逆变器。
本发明基于高频隔离变换的大功率多电平变流器的优点和积极效果在于：级联式H桥整流器的每个H桥整流电路输出均等的直流电压，移相控制电路通过控制各个H桥整流电路的移相角来控制直流侧的电容电压，灵活地解决了拓扑结构中直流侧电容电压不平衡的问题，实现对直流侧电容电压的独立控制。并且利用级联式H桥整流器，每个开关器件承受的电压应力减小，有利于模块化设计。
下面将结合实施例参照附图进行详细说明。
附图说明
图1是基于高频隔离变换的大功率多电平变流器单相拓扑结构的单个桥臂结构框图；
图2是基于高频隔离变换的大功率多电平变流器单相拓扑结构的电路图；
图3是基于高频隔离变换的大功率多电平变流器三相拓扑结构的单个桥臂结构框图；
图4是基于高频隔离变换的大功率多电平变流器三相拓扑结构的电路图；
图5是现有技术中采用工频变压器的多电平变换器的拓扑结构示意图；
图6是采用本发明基于高频隔离变换的大功率多电平变流器替换现有技术中工频变压器的拓扑结构示意图。
具体实施方式
本发明基于高频隔离变换的大功率多电平变流器，包括主回路及其移相控制电路，主回路具有三级结构，包括输入级、中间级和输出级：输入级为级联式H桥整流器，中间级为高频DC-DC隔离变换器，输出级为二极管嵌位式多电平逆变器。级联式H桥整流器的每个H桥整流电路输出均等的直流电压，移相控制电路通过控制各个H桥整流电路的移相角来控制直流侧的电容电压。
输入级采用级联式H桥整流器，可以承受电网侧较高的电压，对电网污染小，输入电流可根据需要灵活的调整与网侧电压的相位关系。
中间级采用高频DC-DC隔离变换器，实现了输出级负载或电网与输入级电网之间的隔离，提供了多个相互隔离独立的直流电源，这些独立的直流电源可以根据需要进行任意的串联或并联。
二极管嵌位式多电平逆变器作为输出级，在相同的耐压条件下，所使用的开关管较少，有利于系统成本的降低。与传统的多电平逆变电路不同点则在于可以使直流侧电容电压平衡问题得到有效解决和利用。
实施例1
基于高频隔离变换的大功率多电平变流器的单相拓扑结构，由输入级、中间级和输出级构成单相五电平拓扑结构。
其中，参照图1和图2，输入级为单相级联式H桥整流器，单相级联式H桥整流器包括串联连接的4个H桥整流电路Cell-n，其中n=1,2,3,4，每个H桥整流电路Cell包括4个带有反并联二极管的IGBT模块，第一H桥整流电路Cell-1的第一个桥臂中点和第四H桥整流电路Cell-4的第二个桥臂中点之间接入单相交流输入电压，其余H桥整流电路Cell的第二个桥臂中点与下一个H桥整流电路Cell的第一个桥臂中点连接，每个H桥整流电路Cell的输出端分别并联有电容Cm，其中m=1,2,3,4。
中间级为单相高频DC-DC隔离变换器，单相高频DC-DC隔离变换器包括4个带高频隔离变压器的DC/DC变换器Block-n，其中n=1,2,3,4，分别与前级电路的4个H桥整流电路Cell的输出端对应连接，每个带高频隔离变压器的DC/DC变换器Block包括串联连接的H桥变流器、高频变压器和另一H桥变流器，其中，每个H桥变流器包括4个带有反并联二极管和并联电容的IGBT模块。
输出级为二极管嵌位式五电平逆变器，二极管嵌位式五电平逆变器的输入端并联有直流侧电容Cn′，其中n=1,2,3,4，分别与每个带高频隔离变压器的DC/DC变换器Block的输出端对应连接。
实施例2
基于高频隔离变换的大功率多电平变流器的三相拓扑结构，由输入级、中间级和输出级构成三相五电平拓扑结构。
其中，参照图3和图4，输入级为三相级联式H桥整流器，三相级联式H桥整流器包括3个单相级联式H桥整流器，每相4个H桥整流电路Cell-n，其中n=1,2,3,4，共12个H桥整流电路。在各相中，第一个H桥整流电路Cell-1的第一个桥臂中点作为三相电压输入端，第四个H桥整流电路Cell-4的第二个桥臂中点互相连接。
中间级为三相高频DC-DC隔离变换器，三相高频DC-DC隔离变换器包括3个单相高频DC-DC隔离变换器，每相4个带高频隔离变压器的DC/DC变换器Block-n，其中n=1,2,3,4，共12个带高频隔离变压器的DC/DC变换电路，分别与前级电路对应连接。
输出级为二极管嵌位式五电平逆变器，二极管嵌位式五电平逆变器的输入端并联有直流侧电容Cn′，其中n=1,2,3,4，每个单相高频DC-DC隔离变换器的第一个Block-1的输出端串联连接后，并联连接到第一个直流侧电容C1′，以此类推，每个单相高频DC-DC隔离变换器的第n个带高频隔离变压器的DC/DC变换器Block-n的输出端串联连接后，并联连接到第n个直流侧电容Cn′，其中n=1,2,3,4。
实施例3
下面以实施例3说明本发明基于高频隔离变换的大功率多电平变流器在变流技术中的应用。
参照图5，现有技术采用工频变压器的多电平变换器的拓扑结构中，三个H桥整流电路的第一个桥臂中点连接在一个公共点上，三相逆变器的输出接入三相电机。每个H桥整流电路的单个桥臂上，各开关管的导通状态可以分为-1，0，1。H桥整流电路的第二、三开关管T2、T3导通为0状态，H桥整流电路的第一、二开关管T1、T2导通为1状态，H桥整流电路的第三、四开关管T3、T4导通为-1状态。对于一个H桥整流电路，在（0,0）状态下，输出电压为0；在（0,1）状态下，输出电压为Udc/2；在（-1,1）状态下，输出电压为Udc。通过改变H桥整流电路各开关管导通状态，可以使线电压输出九电平。
参照图6，本发明中利用级联式H桥整流器和高频DC-DC隔离变换器取代上述电路中输入端的工频变压器，一方面，用隔离型的高频DC/DC变换电路取代传统的工频变压器，有效地减小了设备的体积。另一方面，也对直流侧电容进行了平衡控制。
后级的二极管嵌位式多电平逆变器为一个三电平拓扑结构，每个三电平拓扑结构直流侧有两个电容，因此，对于每个三电平逆变器，前级应与2个H桥变流器连接，故高频DC/DC变换器的H桥变流器串联以后输出至三相电机。具体连接方法与前面所述拓扑结构一致，在此不再赘述。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计方案前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。
Claims (5)
1.一种基于高频隔离变换的大功率多电平变流器，包括主回路及其移相控制电路，其特征在于：主回路具有三级结构，包括输入级、中间级和输出级：
输入级为级联式H桥整流器，级联式H桥整流器包括串联连接的若干个H桥整流电路（Cell-1，Cell-2，Cell-3，…Cell-n），每个H桥整流电路的输出端分别并联有电容器（Cm），其中m=1,2,3,…n；
中间级为高频DC-DC隔离变换器，高频DC-DC隔离变换器包括若干个带高频隔离变压器的DC/DC变换器（Block-1，Block-2，Block-3，…Block-n），并与前级电路的各个H桥整流电路的输出端对应连接；
输出级为二极管嵌位式多电平逆变器，二极管嵌位式多电平逆变器的输入端并联有直流侧电容（Cn′，其中n=1,2,3,4），分别与前级电路的各个带高频隔离变压器的DC/DC变换器的输出端对应连接；
级联式H桥整流器的每个H桥整流电路输出均等的直流电压，移相控制电路通过控制各个H桥整流电路的移相角来控制直流侧的电容电压。
2.根据权利要求1所述的基于高频隔离变换的大功率多电平变流器，其特征在于：其中所述输入级、中间级和输出级构成单相五电平拓扑结构：
输入级为单相级联式H桥整流器，单相级联式H桥整流器包括串联连接的4个H桥整流电路（Cell-n，其中n=1,2,3,4），每个H桥整流电路包括4个带有反并联二极管的IGBT模块，第一H桥整流电路（Cell-1）的第一个桥臂中点和第四H桥整流电路（Cell-4）的第二个桥臂中点之间接入单相交流输入电压，其余H桥整流电路的第二个桥臂中点与下一个H桥整流电路的第一个桥臂中点连接；
中间级为单相高频DC-DC隔离变换器，单相高频DC-DC隔离变换器包括4个带高频隔离变压器的DC/DC变换器（Block-n，其中n=1,2,3,4），分别与前级电路的4个H桥整流电路的输出端对应连接，每个带高频隔离变压器的DC/DC变换器包括串联连接的H桥变流器、高频变压器和另一H桥变流器，其中，每个H桥变流器包括4个带有反并联二极管和并联电容的IGBT模块；
输出级为二极管嵌位式五电平逆变器，二极管嵌位式五电平逆变器的输入端并联有直流侧电容（Cn′，其中n=1,2,3,4），分别与每个带高频隔离变压器的DC/DC变换器Block的输出端对应连接。
3.根据权利要求1所述的基于高频隔离变换的大功率多电平变流器，其特征在于：其中所述输入级、中间级和输出级构成三相五电平拓扑结构：
输入级为三相级联式H桥整流器，三相级联式H桥整流器包括3个单相级联式H桥整流器，每相4个H桥整流电路（Cell-n，其中n=1,2,3,4），共12个H桥整流电路，在各相中，第一个H桥整流电路（Cell-1）的第一个桥臂中点作为三相电压输入端，第四个H桥整流电路（Cell-4）的第二个桥臂中点互相连接；
中间级为三相高频DC-DC隔离变换器，三相高频DC-DC隔离变换器包括3个单相高频DC-DC隔离变换器，每相4个带高频隔离变压器的DC/DC变换器（Block-n，其中n=1,2,3,4），共12个带高频隔离变压器的DC/DC变换电路，分别与前级电路对应连接；
输出级为二极管嵌位式五电平逆变器，二极管嵌位式五电平逆变器的输入端并联有直流侧电容（Cn′，其中n=1,2,3,4），每个单相高频DC-DC隔离变换器的第一个带高频隔离变压器的DC/DC变换器Block-1的输出端串联连接后，并联连接到第一个直流侧电容（C1′），以此类推，每个单相高频DC-DC隔离变换器的第n个带高频隔离变压器的DC/DC变换器（Block-n）的输出端串联连接后，并联连接到第n个直流侧电容（Cn′，其中n=1,2,3,4）。
4.根据权利要求1所述的基于高频隔离变换的大功率多电平变流器，其特征在于：其中所述多电平逆变器为飞跨电容型多电平逆变器。
5.根据权利要求2或3所述的基于高频隔离变换的大功率多电平变流器，其特征在于：其中所述五电平逆变器为飞跨电容型五电平逆变器。
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