CN104578869B - 一种有直流母线的电容自均压三相多电平变换器电路 - Google Patents

一种有直流母线的电容自均压三相多电平变换器电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种有直流母线的电容自均压三相多电平变换器电路，属于电力设备技术领域。该多电平变换器电路由有公共直流母线的三相阀体构成，每相阀体分为左右两部分，每部分含有N个(N为大于零的偶数)串联连接的半桥功率单元，每个半桥功率单元由一个二极管、一个电容和两个串联的功率开关组成；每相阀体左侧与右侧采用准对称形式连接，利用功率单元的二极管、六个连接电感和一个中间二极管构成有电容自均压功能的阀体拓扑结构，三相阀体并联于直流母线上，使得电路在具备电容自均压功能的基础上，也可实现负序分量处理和四象限运行等功能。本发明电路拓扑简洁、控制简单，可以广泛应用于中、高压大容量交/直流变换场合。

Description

一种有直流母线的电容自均压三相多电平变换器电路
技术领域
本发明涉及一种多电平变换器，特别涉及一种有直流母线的电容自均压三相多电平变换器电路，属于电力设备技术领域。
背景技术
大容量、高电压、高可控性和信息化是功率变换技术的发展潮流，高电压大容量多电平变换器越来越广泛的应用于工业生产和生活当中，正在迅速取代传统的基于低频晶闸管的变换器，尤其在电力无功补偿、直流输电和高压电机驱动方面。多电平变换器较传统两电平变换器在承受电压和提高容量方面有极大发展，同时多电平变换器输出电压dv/dt小，等效开关频率高，尤其是基于H桥结构的级联多电平变换器，模块性好，系统冗余度高，是当前中压领域中应用较为广泛的多电平拓扑结构；近些年迅速发展的模块化多电平拓扑结构在直流输电方面也获得了成功应用；在电机驱动方面，除了应用广泛的级联多电平逆变电路之外，常规二极管电位多电平、中点箝位多电平变换器也获得一定的应用。整体上多电平变换器发展呈现出欣欣向荣的态势。
然而在上述两大类多电平变换器拓扑当中，每种结构也都有显著的不足：
对于H桥级联拓扑和模块化多电平拓扑结构，由于每个级联的单元直流侧电容处于悬浮状态，由于实际电路参数差异、功率开关驱动脉冲延时等不理想因素，造成各个单元的直流侧电容电压出现不平衡的情况。这是这类多电平变换器拓扑的一个关键问题。通过专门软件控制可以在稳态下实现这类多电平拓扑的电容均压控制，但是大大增加了控制复杂度。
对于常规二极管箝位多电平变换器拓扑，由于箝位二极管电路较为复杂，在变换器电平数比较低时电路比较简洁，但是随着电平数的增加，箝位二极管数目迅速增加，并且模块性很差，整个电路连接错综复杂，在实际工程中大大增加工程实现复杂度，并降低可靠性。另外常规二极管箝位多电平 变换器在电平数目增加后，箝位电容数目也会增加，而每个电容的电压也需要进行专门控制，增加工程实现的难度，这些都是常规二极管箝位多电平变换器拓扑的关键问题。
文献:最少电压传感器的二极管箝位模块化多电平变换器直流电容自均压方法(Congzhe Gao,Xinjian Jiang,Yongdong Li,et al.A DC-link Voltage Self-balanceMethod for Diode-Clamped Modular Multilevel Converter With Minimum Number ofVoltage Sensors，IEEE Transactions on Power Electronics,vol 28,no.5pp:2125-2139,May 2013.)和一种新型自均压二极管箝位级联有源滤波器(高聪哲,姜新建,李永东.一种新型自均压二极管箝位级联有源滤波器.电力系统自动化,第36卷，第12期，pp:94-100，2012.)对一种有新型二极管箝位的多电平变换器进行了研究，但是电路只能单一方向均压，不能实现双向均压，需要能量反馈电路或者软件算法来进行专门控制，均压能力差；同时三相阀体星型连接，不具备直流母线，不利于负序分量处理，也不能用于电机驱动等场合，实用性受到限制。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提供一种有直流母线的电容自均压三相多电平变换器电路，该电路具有电压自动均衡、结构简单、模块性好的特点。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种有直流母线的电容自均压三相多电平变换器电路，包括公共直流母线、电容和三相电容自均压多电平逆变电路；三相电容自均压多电平逆变电路与公共直流母线直接相连，公共直流母线的正负极间通过电容相连；所述三相电容自均压多电平逆变电路由三相电容自均压阀体组成，三相电容自均压阀体并联后与公共直流母线相连。
作为优选，所述电容为1个电容或2个以上电容相串联构成的电容组，电容正极连接公共直流母线正极，电容负极连接公共直流母线负极。
作为优选，所述三相电容自均压阀体，包括三个结构相同的电容自均压阀体，每个阀体由6个连接电感，一个中间二极管和左右两组准对称串联功率单元结构；
所述左右两组准对称串联功率单元结构中每组结构包含N个功率单元，N为大于零的偶数；
每个功率单元含有两个上下串联的功率开关(桥臂)、一个电容、与一个二极管；桥臂两端与电容两端并联构成半桥电路；
在左组结构中，电容正极连接二极管阴极，二极管阳极、桥臂中点、电容负极与电容正极是功率单元的连接端口；桥臂中点连接上一级功率单元的电容负极；电容负极连接下一级功率单元的桥臂中点；电容正极连接上一级功率单元的二极管的阳极，二极管的阳极连接下一级功率单元的电容正极；
在右组结构中，电容负极连接二极管阳极，二极管阴极、桥臂中点、电容负极与电容正极是功率单元的连接端口；电容正极连接上一级功率单元的桥臂中点；桥臂中点连接下一级功率单元的电容正极；二极管阴极连接上一级功率单元的电容负极，电容负极连接下一级功率单元的二极管阴极；
左组结构中第N单元无二极管，右组结构中第一单元无二极管；
阀体左侧第1单元桥臂中点经第一连接电感L1连接公共直流母线正极；右侧第1单元电容正极经第二连接电感L2连接公共直流母线正极；左侧第1单元电容负极经第三电感L3连接右侧第1单元桥臂中点；左侧第N/2单元电容负极经第四连接电感L4连接第五连接电感L5作为阀体的交流输出端口，第五连接电感L5的另一端连接右侧第N/2单元桥臂中点；左侧第N单元电容正极连接中间二极管DAM的阴极，DAM的阳极连接右侧第N单元的电容正极；左侧第N单元的电容负极与右侧第N单元的桥臂中点直接相连并经第六连接电感L6连接至公共直流母线的负极。
作为优选，所述功率开关为IGBT、GTO或IGCT功率半导体开关。
作为优选，所述每相阀体左侧第k单元桥臂的上下开关驱动信号为互锁关系；左侧第k单元桥臂上管与同一阀体右侧第k单元桥臂下管驱动信号相同；左侧第k单元桥臂下管与同一阀体右侧第k单元桥臂上管驱动信号相同。
有益效果
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明由于采用辅助二极管利用主电路工作时电路模态切换中，相邻单元产生并联电路模态，使得变换器的各个单元直流电容电压自动保持均衡；
2、本发明中各个单元由电路模态切换保持电容电压均衡，无需对单个电容电压进行单独专门控制，只需对直流母线电压进行控制即可，控制电路和复杂度大大降低；
3、本发明的多电平变换器具有直流母线结构，可以实现负序分量的输出，以及有利于交/直流双向功率流动的实现；
4、本发明提供的电路由于具有直流母线，用于驱动电机时，网侧无需变压器，较传统H桥级联型结构电路简单，成本低；
5、本发明中电路拓扑中保持电路模块性的特征，电路简洁，有利于工程实现。
附图说明
图1是本发明实施例阀体单元数目N＝6单元串联的整体电路结构示意图；图2是本发明实施例多电平变换器用于电机驱动时的整流/逆变示意图；
图3是本发明实施例多电平变换器用于背靠背式应用(直流输电)时的电路结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明加以详细说明，同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
本发明电路为一种可以应用于中压/高压直流输电、无功补偿、谐波抑制、电机驱动等场合中的交/直流变换电路。
本发明的思想是在采用基本半桥逆变结构单元的基础上，增添一个二极管，构成有向上均压功能的功率单元，将上下对称的N/2个(N为偶数)功率单元串联构成阀体的一半，另一侧采用数目相同，结构对称，但均压方向向下的功率单元串联而成，两部分之间由电感和二极管连接，实现均压闭环回 路，使得整个阀体电路在运行过程中保持每个单元的电容电压相等，由三个结构相同的阀体构成三相结构，阀体两端分别连接着正负直流母线，组成本发明提出的最终拓扑结构。
实施例如图1所示，本发明所提出的电路主要为三相电容自均压阀体并联在直流母线上，三相阀体中间输出为交流三相输出端，变换器直流母线分为正极母线和负极母线。其中，每相阀体含有2N个功率单元，每个功率单元分为左半部分和右半部分两部分。为便于描述，所有功率单元由上至下、由左至右命名为左侧第1单元、……、左侧第N个单元、右侧第1单元、……、右侧第N个单元。
每相阀体的左侧第N单元的直流电容负极与右侧第N单元的逆变桥臂中点输出相连；右侧第N单元的电容正极经一个二极管与左侧第N单元的电容正极相连，该二极管阳极接右侧第N单元电容正极，二极管阴极与左侧第N单元电容正极相连。阀体这两部分下端连接后经一个电感(图1中A相阀体的L6)连接到直流母线的负极。
在每相阀体的左半部分中，每个功率单元交流输出侧串联，即单元的电容负极与桥臂中点为该单元的交流输出端，桥臂中点连接上一单元的电容负极，本单元的电容负极连接下一单元的桥臂中点。如图1所示，A相阀体左侧第2单元桥臂开关SAL3与SAL4的中点连接左侧第一单元电容CAL1的负极，左侧第2单元电容CAL2的负极连接左侧第3单元桥臂开关SAL5与SAL6的连接点；同时本单元的电容正极连接上一个单元的二极管的阳极，如左侧第2单元电容CAL2的正极连接左侧第1单元二极管DAL1的阳极，DAL1的阴极连接左侧第1单元电容CAL1的正极，N个单元依次串联，如图1所示构成阀体的左侧部分。在阀体左侧部分的顶端即左侧第1单元的桥臂中点经电感L1连接到直流母线的正极，左侧第1单元电容负极经电感L3连接至右侧第1单元的桥臂中点。
在每相阀体右半部分中，每个功率单元电容的正极连接上一单元桥臂的中点，如右侧第2单元电容CAR2的正极连接右侧第1单元桥臂开关SAR1与SAR2的连接点，右侧第2单元桥臂开关SAR3与SAR4的连接点连接下一单元电容CAR3的正极；同时本单元电容的负极连接一个二极管的阳极，二极管的阴极连接上一单元电容的负极，如图1中，右侧第2单元电容CAR2的负极连接二极管 DAR2的阳极，DAR2的阴极连接第一单元电容CAR1的负极，N个单元依次串联，如图1所示构成阀体的右侧部分。在阀体右侧部分的顶端即右侧第1单元桥臂开关SAR1与SAR2的连接点经电感L3连接左侧第1单元的电容CAL1的负极，右侧第1单元的电容CAR1正极经电感L2连接直流母线的正极。
在每相阀体的左右部分的中间单元，如A相阀体中左侧第3单元电容CAL3负极和左侧第4单元开关SAL7与SAL8的连接点经电感L4输出，A相阀体中右侧第3单元电容开关SAR5与SAR6的连接点和右侧第4单元CAR4正极经电感L5输出，电感L4与L5的输出端连接在一起，构成A相阀体的交流A相输出端。
三相阀体结构完全相同，图1中只给出了A相阀体的具体结构，B相阀体与C相阀体结构与A相完全相同。
每相阀体两端分别连接到直流母线的正负极上，三相阀体并联，直流母线中母线电容CdP的正极连接直流母线正极，CdP的负极连接另一电容CdN的正极，并且作为零电位点，电容CdN的负极连接直流母线的负极。
在该三相有直流母线电容自均压多电平变换器电路中，每个功率开关工作在脉宽调制状态下，功率开关的调制方法可以采用通用调制方法，如载波移相法调制，载波层叠法调制，空间电压矢量法调制等等均可，只需要保证每相阀体每个单元上、下两开关驱动信号互补，阀体中左右两部分的调制过程对称，即左右侧第一单元：SAL1与SAR2驱动脉冲来自同一信号，SAL2与SAR1驱动脉冲来自同一信号，左右侧第二单元：SAL3与SAR4驱动脉冲来自同一信号，SAL4与SAR3驱动脉冲来自同一信号，以此类推。
本发明提供的三相有直流母线电容自均压多电平变换器电路，在实际应用中，可以单独经交流端口连接到电网当中，用于电网的无功补偿、谐波抑制等方面；也可以与二极管整流电路构成整流逆变形式，如图2所示，用于电机驱动等方面；通过组合，本电路也可以用于如图3所示的背靠背结构，用于高压直流输电、四象限变换器等场合。
综上所述，本发明提供的三相交直流变换器电路在使用时，通过每个单元的开关的变化产生相邻单元中直流侧电容出现并联状态，从而实现均压功能，另外，本发明利用阀体左右两侧准对称结构，通过独特的公共连接方式实现均压环路，使得各单元电容在电路运行过程中保持电 压均衡，并且具有公共直流母线，有利于三相中负序分量的处理，这些是本发明的最大特点。该多电平变换器电路结构简单、模块化强、调制和控制方便，有良好的应用前景。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种有直流母线的电容自均压三相多电平变换器电路，其特征在于：包括公共直流母线、电容和三相电容自均压多电平逆变电路；三相电容自均压多电平逆变电路与公共直流母线直接相连，公共直流母线的正负极间通过电容相连；所述三相电容自均压多电平逆变电路由三相电容自均压阀体组成，三相电容自均压阀体并联后与公共直流母线相连；
所述电容为1个电容或2个以上电容相串联构成的电容组，电容正极连接公共直流母线正极，电容负极连接公共直流母线负极；
所述三相电容自均压阀体，包括三个结构相同的电容自均压阀体，每个阀体由6个连接电感，一个中间二极管和左右两组准对称串联功率单元结构组成；
所述左右两组准对称串联功率单元结构中每组结构包含N个功率单元，N为大于零的偶数；
每个功率单元含有构成一个桥臂的两个上下串联的功率开关、一个电容、与一个二极管；桥臂两端与电容两端并联构成半桥电路；
在左组结构中，电容正极连接二极管阴极，二极管阳极、桥臂中点、电容负极与电容正极是功率单元的连接端口；桥臂中点连接上一级功率单元的电容负极；电容负极连接下一级功率单元的桥臂中点；电容正极连接上一级功率单元的二极管的阳极，二极管的阳极连接下一级功率单元的电容正极；
在右组结构中，电容负极连接二极管阳极，二极管阴极、桥臂中点、电容负极与电容正极是功率单元的连接端口；电容正极连接上一级功率单元的桥臂中点；桥臂中点连接下一级功率单元的电容正极；二极管阴极连接上一级功率单元的电容负极，电容负极连接下一级功率单元的二极管阴极；
左组结构中第N单元无二极管，右组结构中第一单元无二极管；
阀体左侧第1单元桥臂中点经第一连接电感L1连接公共直流母线正极；右侧第1单元电容正极经第二连接电感L2连接公共直流母线正极；左侧第1单元电容负极经第三电感L3连接右侧第1单元桥臂中点；左侧第N/2单元电容负极经第四连接电感L4连接第五连接电感L5作为阀体的交流输出端口，第五连接电感L5的另一端连接右侧第N/2单元桥臂中点；左侧第N单元电容正极连接中间二极管DAM的阴极，DAM的阳极连接右侧第N单元的电容正极；左侧第N单元的电容负极与右侧第N单元的桥臂中点直接相连并经第六连接电感L6连接至公共直流母线的负极。
2.根据权利要求1所述的一种有直流母线的电容自均压三相多电平变换器电路，其特征在于：所述功率开关为IGBT、GTO或IGCT功率半导体开关。
3.根据权利要求1或2所述的一种有直流母线的电容自均压三相多电平变换器电路，其特征在于：所述每相阀体左侧第k单元桥臂的上下开关驱动信号为互锁关系；左侧第k单元桥臂上管与同一阀体右侧第k单元桥臂下管驱动信号相同；左侧第k单元桥臂下管与同一阀体右侧第k单元桥臂上管驱动信号相同。
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