CN104883072A

CN104883072A - 一种无变压器交直交级联多电平变换器

Info

Publication number: CN104883072A
Application number: CN201510274593.5A
Authority: CN
Inventors: 叶宗彬; 王志川; 吴远; 吴翔; 王晓杰; 杨飞; 陈好; 陈冬; 张远征; 姜林林; 肖柱; 张志国
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2015-05-27
Filing date: 2015-05-27
Publication date: 2015-09-02

Abstract

本发明公开了一种无变压器交直交级联多电平变换器，所述的变换器A、B、C三相为对称的电路结构，主要包括功率单元一和功率单元二，所述功率单元一的主电路由两个半桥式二极管钳位型三电平变换器连接构成，所述功率单元二的主电路由三个半桥式二极管钳位型三电平变换器连接构成。本发明主要用于高压大功率场合，可在保留级联多电平优点的情况下实现能量双向传输、提高变换器的功率密度，并方便地向更多电平进行扩展，满足不同电压等级需求。

Description

一种无变压器交直交级联多电平变换器

技术领域

本发明涉及一种可实现能量双向传输并易于模块化扩展的新型多电平变换器，具体涉及一种无变压器交直交级联多电平变换器。

背景技术

近年来发展的多电平变换器以其较好的电压谐波特性、较低的电压变化率、较低的开关损耗在大容量变频领域应用广阔。

目前主流的多电平变换器拓扑有二极管箝位型、飞跨电容箝型以及级联型三种。随着电平数的增多，前两者使用的器件急剧增加、控制方法复杂，所以在五电平及以上多使用级联型结构。现有的级联型多电平变换器为实现逆变侧多电平的输出，需要采用笨重的多抽头移相变压器获得多组独立直流电源，为实现能量的双向传输，需要在整流测增加许多功率开关，这些都造成变换器成本的上升及故障率的增加。随着电压等级的提高，传统级联多电平变换器在以上两处的缺陷愈发明显。

发明内容

为克服现有多电平变换器技术上的问题，本发明提出一种无变压器交直交级联多电平变换器。本拓扑在功率单元器件只承受本单元直流侧低压的情况下，实现多电平的整流、逆变侧输出，且直接支持级联多电平变换器的背靠背运行。

本发明的技术方案如下：

一种无变压器交直交级联多电平变换器， A、B、C三相为对称的电路结构，主要包括功率单元一和功率单元二，所述功率单元一的主电路由两个半桥式二极管钳位型三电平变换器I、II构成，所述的功率单元二的主电路由三个半桥式二极管钳位型三电平变换器III、IV、V构成。

所述的无变压器交直交级联多电平变换器，所述的功率单元一包括半桥式二极管钳位型三电平变换器I、II和电容C1、C2，功率开关S1的集电极与功率开关S5的集电极、电容C1的正极相连，作为节点N4；电容C1的负极与电容C2的正极相连，作为节点N5；功率开关S4的发射极与功率开关S8的发射极、电容C2的负极相连，作为节点N6；节点N3、N5、N9依次连接，S6的发射极与S7的集电极相连，同时作为与外部连接的端子2。

所述的无变压器交直交级联多电平变换器，所述的功率单元二包括半桥式二极管钳位型三电平变换器III、IV、V和电容C3、C4，功率开关S10的发射极与功率开关S11的集电极相连，作为功率单元二与外部连接的端子1；功率开关S9的集电极与功率开关S13的集电极、电容C3的正极相连，作为节点N14；电容C3的负极与电容C4的正极相连，作为节点N14；功率开关S12的发射极与功率开关S19的发射极、电容C4的负极相连，作为节点N15；功率开关N16的集电极与功率开关S17的集电极相连，作为节点N16；功率开关S14的发射极与功率开关S15的集电极相连，作为功率单元二与外部连接的端子2；功率开关S16的发射极与功率开关S20的发射极相连作为端子N19；功率开关S18的发射极与功率开关S19集电极相连，作为功率单元二与外部连接的端子3；节点N12、N14、N20、N23依次连接。

所述的无变压器交直交级联多电平变换器，所述的半桥式二极管钳位型三电平变换器也可以为半桥式T型三电平变换器或半桥式飞跨电容钳位型三电平变换器的一种，所述电容采用电解电容或薄膜电容，功率开关采用绝缘栅型双极晶体管IGBT、集成门极换流晶闸管IGCT或金属-氧化层半导体场效晶体管MOSFET等器件。

本发明的有益效果：

本发明提供一种易于向更多电平扩展，且能实现能量双向传输的新型无变压器交直交级联多电平变换器拓扑。本发明易于实现模块化设计，易于提高变换器的功率密度，且能满足不同电压等级需求。

附图说明

图1为一种无变压器交直交级联多电平变换器拓扑图；

图2为功率单元一的结构图；

图3为功率单元二的结构图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明所述的一种无变压器交直交级联多电平变换器进行详细说明。

一种无变压器交直交级联多电平变换器，A、B、C三相为对称的电路结构，主要包括功率单元一和功率单元二，所述功率单元一的主电路由两个半桥式二极管钳位型三电平变换器I、II构成，所述的功率单元二的主电路由三个半桥式二极管钳位型三电平变换器III、IV、V构成；A、B、C三相的功率单元二的端子2连接在一起，功率单元二左侧为整流侧与多个功率单元一级联，上述级联的功率单元一之间的端子1和2相互连接，最外层的功率单元一的端子1与电网相连，最内层的功率单元一的端子2与功率单元二整流侧的端子1相连；功率单元二右侧为逆变侧与多个功率单元一级联，上述级联的功率单元一之间的端子1和2相互连接，最外层的功率单元一的端子1与负载相连，最内层的功率单元一的端子2与功率单元二逆变侧的端子3相连。

所述的无变压器交直交级联多电平变换器，所述半桥式二极管钳位型三电平变换器I、II、III、IV、V具有相同的拓扑结构和节点，所述的半桥式二极管钳位型三电平变换器I主电路包括功率开关S1、S2、S3、S4和二极管D1、D2，功率开关S1的发射极与功率开关管S2的集电极相连，作为节点N1；功率开关管S2的发射极与功率开关管S3的集电极相连，同时作为与外部连接的端子1；功率开关管S3的发射极与功率开关管S4的集电极相连，作为节点N2；二极管D1的阴极与节点N1连接，二极管D1的阳极与二极管D2的阴极相连，同时作为节点N3；二极管D2的阳极与节点N2相连。

该多电平变换器的工作原理为：

首先选定整流侧或者逆变侧作为优先控制侧，然后以另一侧作为配合控制侧进行控制。由于两种选择方式成对称关系，所以下面以整流侧作为优先控制侧进行阐述。

当以整流侧作为优先控制侧进行控制时，任一功率单元一中功率开关S1、S2、S7、S8导通，S3、S4、S5、S6关断时，该功率单元输出电压为Vdc（Vdc为直流母线电压值，且Vdc=Vdc1+Vdc2，Vdc1为电容C1端电压，Vdc2为电容C2端电压）;当功率开关S1、S2、S7、S8关断，S3、S4、S5、S6导通时，该功率单元输出电压为-Vdc；当功率开关S1、S2、S5、S6导通，S3、S4、S7、S8关断时，该功率单元输出电压为0；功率开关S1、S2、S5、S6关断，S3、S4、S7、S8导通时，该功率单元输出电压为0；当功率开关S1、S4、S5、S8关断，S2、S3、S6、S7导通时，该功率单元输出电压为0；当功率开关S1、S2、S6、S7导通，S3、S4、S5、S8关断时，该功率单元输出电压为Vdc1；当功率开关S1、S4、S7、S8关断，S2、S3、S5、S6导通时，该功率单元输出电压为-Vdc1；当功率开关S1、S4、S5、S6关断，S2、S3、S7、S8导通时，该功率单元输出电压为Vdc2；当功率开关S1、S2、S5、S8关断，S3、S4、S6、S7开通时，该功率单元输出电压为-Vdc2。

对于功率单元二，由于整流侧作为优先控制侧，所以S9、S10、S11、S12、S13、S14、S15、S16的控制权限交由整流侧，此时有功率开关S9、S10、S15、S16导通，S11、S12、S13、S14关断时，该功率单元输出电压为Vdc（Vdc=Vdc3+Vdc4，Vdc3为电容C3端电压，Vdc4为电容C4端电压）;当功率开关S9、S10、S15、S16关断，S11、S12、S13、S14导通时，该功率单元输出电压为-Vdc；当功率开关S9、S10、S13、S14导通，S11、S12、S15、S16关断时，该功率单元输出电压为0；功率开关S9、S10、S13、S14关断，S11、S12、S15、S16导通时，该功率单元输出电压为0；当功率开关S9、S12、S13、S16关断，S10、S11、S14、S15开通时，该功率单元输出电压为0；当功率开关S9、S10、S14、S15导通，S11、S12、S13、S16关断时，该功率单元输出电压为Vdc3；当功率开关S9、S12、S15、S16关断，S10、S11、S13、S14导通时，该功率单元输出电压为-Vdc3；当功率开关S9、S12、S13、S14关断，S10、S11、S15、S16导通时，该功率单元输出电压为Vdc4；当功率开关S9、S10、S13、S16关断，S11、S12、S14、S15开通时，该功率单元输出电压为-Vdc4。由于三相中各相的每个多个功率单元一是逐个串联连接，连接之后与功率单元二连接，由这些串联的功率单元输出的电平叠加，即可在A、B、C端口上获得多电平的电压输出，而整流侧配合传统的级联多电平电容电压平衡方法，即可达成电容电压平衡控制的目的。

对于逆变侧，由于作为配合控制侧，故必须结合整流侧的工作状态进行工作。当整流侧的功率单元二输出Vdc时，由于S13、S14关断、S15、S16导通，逆变侧的功率单元二输出电压选择范围受限，逆变侧只可使S17、S18导通、S19、S20关断输出Vdc状态；或者S17、S18关断、S19、S20导通输出0状态，如果控制中需要输出-Vdc状态时，必须借助功率单元一进行输出，比如将功率单元一进行如下控制：S1、S2、S7、S8关断，S3、S4、S5、S6导通。同样的，其他开关状态也类似。此时，逆变侧功率单元一、功率单元二的开关状态必须结合各自单元中的电容电压、流经的电流进行综合控制，组合输出所需要的端口电平。比如，Vdc、-Vdc状态可由功率单元一或者功率单元二单独输出；而0状态可由功率单元一输出Vdc，功率单元二输出-Vdc得到，或者由功率单元一输出-Vdc，功率单元二输出Vdc得到。至于采用哪种组合，由当前的电流方向及电容电压的高低进行综合判断决定。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，应当理解的是，对所属领域技术人员来说，在本发明的技术方案上不许付出创造性劳动即可获得的改进或变换都应属于本发明所属权利要求的保护范围。

Claims

1.一种无变压器交直交级联多电平变换器，A、B、C三相为对称的电路结构，主要包括功率单元一和功率单元二，其特征为：所述功率单元一的主电路由两个半桥式二极管钳位型三电平变换器I、II连接构成，所述的功率单元二的主电路由三个半桥式二极管钳位型三电平变换器III、IV、V连接构成。

2.根据权利要求1所述的无变压器交直交级联多电平变换器，其特征在于：半桥式二极管钳位型三电平变换器I主电路包括功率开关S1、S2、S3、S4和二极管D1、D2，功率开关S1的发射极与功率开关管S2的集电极相连，作为节点N1；功率开关管S2的发射极与功率开关管S3的集电极相连，同时作为与外部连接的端子1；功率开关管S3的发射极与功率开关管S4的集电极相连，作为节点N2；二极管D1的阴极与节点N1连接，二极管D1的阳极与二极管D2的阴极相连，同时作为节点N3；二极管D2的阳极与节点N2相连；其他半桥式二极管钳位型三电平变换器II、III、IV、V与I具有相同的拓扑结构和节点。

3.根据权利要求1所述的无变压器交直交级联多电平变换器，其特征在于：所述的功率单元一包括半桥式二极管钳位型三电平变换器I、II和电容C1、C2，功率开关S1的集电极与功率开关S5的集电极、电容C1的正极相连，作为节点N4；电容C1的负极与电容C2的正极相连，作为节点N5；功率开关S4的发射极与功率开关S8的发射极、电容C2的负极相连，作为节点N6；节点N3、N5、N9依次连接，S6的发射极与S7的集电极相连，同时作为与外部连接的端子2。

4.根据权利要求1所述的无变压器交直交级联多电平变换器，其特征在于：所述的功率单元二包括半桥式二极管钳位型三电平变换器III、IV、V和电容C3、C4，功率开关S10的发射极与功率开关S11的集电极相连，作为功率单元二与外部连接的端子1；功率开关S9的集电极与功率开关S13的集电极、电容C3的正极相连，作为节点N13；电容C3的负极与电容C4的正极相连，作为节点N14；功率开关S12的发射极与功率开关S16的发射极、电容C4的负极相连，作为节点N15；功率开关N16的集电极与功率开关S17的集电极相连，作为节点N16；功率开关S14的发射极与功率开关S15的集电极相连，作为功率单元二与外部连接的端子2；功率开关S16的发射极与功率开关S20的发射极相连，作为节点N19；功率开关S18的发射极与功率开关S19集电极相连，作为功率单元二与外部连接的端子3；节点N12、N14、N20、N23依次连接。

5.根据权利要求1-4任一所述的无变压器交直交级联多电平变换器，其特征在于：所述的半桥式二极管钳位型三电平变换器也可以为半桥式T型三电平变换器或半桥式飞跨电容钳位型三电平变换器的一种，所述电容采用电解电容或薄膜电容，功率开关采用绝缘栅型双极晶体管IGBT、集成门极换流晶闸管IGCT或金属-氧化层半导体场效晶体管MOSFET等器件。