CN104883084B - 一种中点箝位型级联h桥混合多电平变流器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种中点箝位型级联H桥混合多电平变流器，属于电力电子技术和电力输配电领域。本发明提出的中点箝位型级联H桥混合多电平变流器，结合了中点箝位型变流器与模块化多电平变流器的特点，由三个相单元、三个交流电抗器以及第一直流电容器、第二直流电容器构成，利用级联的全控半导体开关和级联的H桥实现宽范围的高压大功率交、直流变换。与已有各种多电平变流器相比，本发明提出的中点箝位型多电平变流器可具备穿越直流短路故障的能力，所需的全控半导体开关和电容数均较少，同时由级联的全控半导体开关构成的导通开关的开关频率和开关损耗均较低，因而可为高压直流输电、电机驱动等领域提供更低成本的解决方案。

Description

一种中点箝位型级联H桥混合多电平变流器
技术领域
本发明涉及一种中点箝位型级联H桥混合多电平变流器，属于电力电子技术和电力输配电领域。
背景技术
应用在高压柔性直流输电领域的传统两电平、三电平，结合半导体开关串联技术虽可实现功率转换，但存在的问题是开关频率高、损耗大、输出谐波特性差而需要安装专门的交流滤波装置，同时均不具备直流故障闭锁或直流故障穿越的能力。而模块化多电平变流器具有可模块化设计、谐波特性好、dv/dt低、开关频率低、损耗小等优点，因而在高压直流输电、电机驱动、风电场低电压穿越等领域得到了较为广泛的应用和研究。但与传统的两电平、三电平变流器相比，模块化多电平变流器也存在使用器件数和电容数较多的缺点，尤其是所需的电容数量多、体积大，大幅增加了变流器整体的成本和体积。此外，采用半桥子模块结构的模块化多电平变流器并不具有直流故障闭锁或穿越的能力，而如果采用H桥子模块或其他具有直流故障穿越能力的子模块，装置所需的器件和损耗会显著增加，成本进一步攀升。
为解决模块化多电平变流器的这一问题，已有文献结合两电平变流器与模块化多电平变流器的优点，提出了两种新型的混合式多电平变流器拓扑，如M.M.C.Merlin,T.C.Green,P.D.Mitcheson,D.Trainer,W.Critchley,R.Crookes,and F.Hassan,“TheAlternate Arm Converter:A New Hybrid Multilevel Converter With DC-FaultBlocking Capability,”IEEE Trans.Power Del.,vol.29,no.1,pp.310–317,2014.提出的桥臂交替导通型多电平变流器(AAC)，以及文献G.P.Adam,K.H.Ahmed,S.J.Finney,K.Bell,and B.W.Williams,“New breed of network fault-tolerant voltage-source-converter HVDC transmission system,”IEEE Trans.Power Syst.,vol.28,no.1,pp.335–346,Feb.2012.提出的交流侧H桥级联型混合多电平变流器(以下简称HCMC)。在需要考虑直流故障穿越能力的场合下，这两种变流器可以在保证变流器交流电流谐波特性的前提下，减少模块化多电平变流器的开关器件数及电容数，同时使变流器具备直流故障穿越能力。这两种变流器的共同特点是均采用串联的绝缘栅双极性晶体管(以下简称IGBT)作为导通开关，同时采用多个H桥级联，因而可以应用于高压领域。与HCMC相比，AAC内的导通开关串联的IGBT个数较少，均压相对容易，同时导通开关在一个周期内只开通或关断一次，因此导通开关的器件功率损耗也相对较小。与AAC相比，HCMC所需的开关器件数和电容数大大减少，但导通开关的串联IGBT个数较多，动态均压难度相对较大，且导通开关的开关频率较高，功率损耗也更大。此外，在不需要考虑直流故障穿越能力时，AAC与HCMC相当于半桥式模块化多电平变流器并未节省器件数量，因而成本优势并不明显。文献Sepahvand,H.；Ferdowsi,M.；Corzine,K.A.,"Fault recovery strategy for hybrid cascaded H-bridge multi-level inverters,"Applied Power Electronics Conference andExposition(APEC),2011Twenty-Sixth Annual IEEE,vol.,no.,pp.1629,1633,6-11March 2011则提出了一种三电平中点箝位变流器与级联H桥多电平变流器的混合逆变器(以下简称HCHMI)，但该逆变器中并未采用级联的IGBT作为导通开关，且每个桥臂级联的H桥数目只有两个，因此只能应用于低压、中压领域，无法扩展应用到高压领域。
发明内容
本发明的目的是提出一种中点箝位型级联H桥混合多电平变流器，采用级联IGBT(或其他全控半导体开关)和级联H桥构成混合变流器，从而以较低的成本、体积和损耗实现宽范围的交、直流变换，为中、高压直流输电、电机驱动等领域提供新的解决方案。
本发明提出的点箝位型级联H桥混合多电平变流器，包括第一相单元、第二相单元、第三相单元、第一交流电抗器La、第二交流电抗器Lb、第三交流电抗器Lc、第一直流电容器C1和第二直流电容器C2；所述的第一直流电容器的正极作为多电平变流器的正极直流母线，第一直流电容器的负极与所述的第二直流电容器的正极相连，作为多电平变流器的公共中点N，第二直流电容器的负极作为多电平变流器的负极直流母线；所述的第一相单元、第二相单元和第三相单元的正极同时与第一直流电容器的正极相连，第一相单元、第二相单元和第三相单元的负极同时与第二直流电容器的负极相连，第一相单元、第二相单元和第三相单元的中点同时与多电平变流器的公共中点相连，第一相单元、第二相单元和第三相单元的交流侧端点Ac、Bc和Cc分别通过所述的第一交流电抗器La、第二交流电抗器Lb和第三交流电抗器Lc与交流电网相连；
所述的第一相单元、第二相单元和第三相单元的电路原理图相同，均由第一导通开关S1、第二导通开关S2、第三导通开关S3、第四导通开关S4、桥臂电路、第一箝位开关D1和第二箝位开关D2构成；所述的第一导通开关S1的正极作为相单元的正极，第一导通开关S1的负极同时与第二导通开关S2的正极和第一箝位开关D1的阳极相连，第二导通开关S2的负极同时与所述的桥臂电路的一个端点和第三导通开关S3的正极相连，第三导通开关S3的负极同时与第四导通开关S4的正极和第二箝位开关D2的阴极相连，第四导通开关S4的负极作为相单元的负极，第一箝位开关D1的阴极与第二箝位开关D2的阳极相连，作为相单元的中点，桥臂电路的另一个端点作为相单元的交流侧端点。
上述多电平变流器相单元中的导通开关，由多个含有反并联二极管的全控半导体开关串联而成，串联的多个全控半导体开关中，第一个全控半导体开关的集电极作为导通开关的正极，最后一个全控半导体开关的发射极作为导通开关的负极；全控半导体开关的个数为Udc/(2Uc)，其中Udc为多电平变流器的直流母线额定电压，Uc为每个全控半导体开关的额定电压；
上述多电平变流器的相单元中的箝位开关，由多个二极管串联构成，多个串联的二极管中，第一个二极管的阳极作为箝位开关的阳极，最后一个二极管的阴极作为箝位二极管的阴极，二极管的个数为Udc/(2Ucd)，其中Udc为多电平变流器的直流母线额定电压，Ucd每个二极管的额定电压；
上述多电平变流器相单元中的桥臂电路，由多个H桥子模块串联而成，每个H桥子模块包括一个直流电容器、第一全控半导体开关、第二全控半导体开关、第三全控半导体开关、第四全控半导体开关、第一续流二极管、第二续流二极管、第三续流二极管和第四续流二极管，所述的第一全控半导体开关、第二全控半导体开关、第三全控半导体开关和第四全控半导体开关的集电极分别与所述的第一续流二极管、第二续流二极管、第三续流二极管和第四续流二极管的阴极相连，所述的第一全控半导体开关、第二全控半导体开关、第三全控半导体开关和第四全控半导体开关的发射极分别与所述的第一续流二极管、第二续流二极管、第三续流二极管和第四续流二极管的阳极相连，所述的第一全控半导体开关的集电极同时与第四全控半导体开关的集电极和直流电容器的正极端相连，所述的第一全控半导体开关的发射极与第二全控半导体开关的集电极相连，作为H桥子模块的一个端点；所述的第二全控半导体开关的发射极同时与第三全控半导体开关的发射极和直流电容器的负极端相连，所述的第三全控半导体开关的集电极与第四全控半导体开关的发射极相连，作为H桥子模块的另一个端点；当多电平变流器不需要具备直流故障穿越能力时，每个桥臂电路中串联的H桥子模块个数大于或等于Udc/(4Ucm)，当多电平变流器需要具备直流故障穿越能力时，每个桥臂电路中串联的H桥子模块个数大于或等于其中Udc为多电平变流器的直流母线额定电压，Ucm为每个子模块电容的额定电压。
本发明提出一种新型的中点箝位型级联H桥混合多电平变流器(以下简称NHMC)，其优点是：与HCHMI相比，本发明提出的变流器采用多个IGBT或其他全控半导体开关串联作为导通开关，级联的H桥个数也不限于2个，因此可以扩展应用于高压输电领域；与HCMC相比，本发明提出的新型多电平变流器中的每个导通开关所串联的IGBT个数是HCMC的一半，动态均压难度相对较低，且每周期导通开关只需开通和关断一次，导通开关的开关频率仅为HCMC的1/3，导通开关的开关损耗也近似为HCMC的1/3，因此能量转换效率更高；在不需要考虑直流故障闭锁或穿越能力的场合下，如背靠背直流输电、海底电缆直流输电等时，本发明提出的NHMC所需的IGBT数较半桥模块化多电平变流器、HCMC及AAC均更少，因而在IGBT和电容的成本上均小于上述三种多电平变流器；在需要考虑直流故障穿越能力的场合下，如远距离架空线输电时，本发明提出的NHMC所需的IGBT数仍较H桥MMC及AAC更少，因而具有更小的成本和体积。综合以上，本发明提出的NHMC能够为高压输电领域提供一种成本更少、体积更小、损耗更低的新型解决方案。
附图说明
图1是本发明提出的中点箝位型级联H桥混合多电平变流器的电路结构图。
图2是本发明提出的中点箝位型级联H桥混合多电平变流器中的导通开关电路结构图。
图3是本发明提出的中点箝位型级联H桥混合多电平变流器中的箝位开关电路结构图。
图4是本发明提出的中点箝位型级联H桥混合多电平变流器中的桥臂电路结构图。
图5为采用本发明提出的中点箝位型级联H桥混合多电平变流器结构的整流器的工作效果示意图，其中，图5(a)为输出功率的波形图，图5(b)网侧电流、图5(c)子模块电容电压、图5(d)直流母线电压、图5(e)直流侧电流和图5(f)直流电容器电压的波形图。
具体实施方式
本发明提出的中点箝位型级联H桥混合多电平变流器，其电路原理图如图1所示，包括第一相单元、第二相单元、第三相单元、第一交流电抗器La、第二交流电抗器Lb、第三交流电抗器Lc、第一直流电容器C1和第二直流电容器C2；所述的第一直流电容器的正极作为多电平变流器的正极直流母线，第一直流电容器的负极与所述的第二直流电容器的正极相连，作为多电平变流器的公共中点N，第二直流电容器的负极作为多电平变流器的负极直流母线；所述的第一相单元、第二相单元和第三相单元的正极同时与第一直流电容器的正极相连，第一相单元、第二相单元和第三相单元的负极同时与第二直流电容器的负极相连，第一相单元、第二相单元和第三相单元的中点同时与多电平变流器的公共中点相连，第一相单元、第二相单元和第三相单元的交流侧端点Ac、Bc和Cc分别通过所述的第一交流电抗器La、第二交流电抗器Lb和第三交流电抗器Lc与交流电网相连；
所述的第一相单元、第二相单元和第三相单元的电路原理图相同，均由第一导通开关S1、第二导通开关S2、第三导通开关S3、第四导通开关S4、桥臂电路、第一箝位开关D1和第二箝位开关D2构成；所述的第一导通开关S1的正极作为相单元的正极，第一导通开关S1的负极同时与第二导通开关S2的正极和第一箝位开关D1的阳极相连，第二导通开关S2的负极同时与所述的桥臂电路的一个端点和第三导通开关S3的正极相连，第三导通开关S3的负极同时与第四导通开关S4的正极和第二箝位开关D2的阴极相连，第四导通开关S4的负极作为相单元的负极，第一箝位开关D1的阴极与第二箝位开关D2的阳极相连，作为相单元的中点，桥臂电路的另一个端点作为相单元的交流侧端点。
上述多电平变流器相单元中的导通开关，由多个含有反并联二极管的全控半导体开关(例如绝缘栅双极性晶体管)串联而成，串联的多个全控半导体开关中，第一个全控半导体开关的集电极作为导通开关的正极，最后一个全控半导体开关的发射极作为导通开关的负极；全控半导体开关的个数为Udc/(2Uc)，其中Udc为多电平变流器的直流母线额定电压，Uc为每个全控半导体开关的额定电压。导通开关的电路原理图如图2所示。其每个相单元的导通开关存在正电平、零电平、负电平三种调制状态，其中正电平状态是指第一导通开关和第二导通开关导通，第三导通开关和第四导通开关关断；零电平状态是指第一导通开关和第四导通开关关断，第二导通开关和第三导通开关导通；负电平状态是指第一导通开关和第二导通开关关断，第三导通开关和第四导通开关导通。导通开关的调制方法可以采用包括但不限于基波调制方法、特定谐波消除方法、载波调制方法等调制方法，各导通开关的开关频率在50Hz～2kHz之间。
上述多电平变流器相单元中的箝位开关，由多个二极管串联构成，多个串联的二极管中，第一个二极管的阳极作为箝位开关的阳极，最后一个二极管的阴极作为箝位二极管的阴极，二极管的个数为Udc/(2Ucd)，其中Udc为多电平变流器的直流母线额定电压，Ucd每个二极管的额定电压。箝位开关的电路原理图如图3所示。
上述多电平变流器的相单元中的桥臂电路，由多个H桥子模块串联而成，每个H桥子模块包括一个直流电容器、第一全控半导体开关、第二全控半导体开关、第三全控半导体开关、第四全控半导体开关、第一续流二极管、第二续流二极管、第三续流二极管和第四续流二极管，所述的第一全控半导体开关、第二全控半导体开关、第三全控半导体开关和第四全控半导体开关的集电极分别与所述的第一续流二极管、第二续流二极管、第三续流二极管和第四续流二极管的阴极相连，所述的第一全控半导体开关、第二全控半导体开关、第三全控半导体开关和第四全控半导体开关的发射极分别与所述的第一续流二极管、第二续流二极管、第三续流二极管和第四续流二极管的阳极相连，所述的第一全控半导体开关的集电极同时与第四全控半导体开关的集电极和直流电容器的正极端相连，所述的第一全控半导体开关的发射极与第二全控半导体开关的集电极相连，作为H桥子模块的一个端点；所述的第二全控半导体开关的发射极同时与第三全控半导体开关的发射极和直流电容器的负极端相连，所述的第三全控半导体开关的集电极与第四全控半导体开关的发射极相连，作为新型箝位子模块的另一个端点；桥臂电路的电路原理图如图4所示。当多电平变流器不需要具备直流故障穿越能力时，每个桥臂电路中串联的H桥子模块个数大于或等于Udc/(4Ucm)，当多电平变流器需要具备直流故障穿越能力时，每个桥臂电路中串联的H桥子模块个数大于或等于其中Udc为多电平变流器的直流母线额定电压，Ucm为每个子模块电容的额定电压。桥臂电路的调制方法可以采用包括但不限于最近电平逼近方法、载波调制方法等调制方法，电容均压方法可以采用包括但不限于开环排序法、闭环控制法等均压方法。
下面以25电平中点箝位型桥臂交替导通多电平整流器为例介绍本发明方法的一个实施例。
该实施例中25电平中点箝位型桥臂交替导通多电平整流器的参数见下表。
本实施例中的中点箝位型级联H桥混合多电平变流器，由三个相单元、三个交流电抗器以及第一直流电容器、第二直流电容器构成。其中，第一直流电容器的正极与正极直流母线相连，第一直流电容器的负极与第二直流电容器的正极相连，作为变流器的公共中点，第二直流电容器的负极与负极直流母线相连。三个相单元的正极分别与第一直流电容器的正极相连，三个相单元的负极分别与第二直流电容器的负极相连，三个相单元的中点分别与变流器的公共中点相连，三个相单元的交流侧端点分别经三个交流电抗器与交流电网相连。
本实施例中的中点箝位型级联H桥混合多电平变流器，由第一导通开关、第二导通开关、第三导通开关、第四导通开关、桥臂电路、第一箝位开关、第二箝位开关构成。其中第一导通开关的正极作为相单元的正极，第一导通开关的负极与第二导通开关的正极及第一箝位开关的阳极相连，第二导通开关的负极与桥臂电路的一个端点及第三导通开关的正极相连，第三导通开关的负极与第四导通开关的正极及第二箝位开关的阴极相连，第四导通开关的负极作为相单元的负极，第一箝位开关的阴极与第二箝位开关的阳极相连，作为相单元的中点。桥臂电路的另一个端点作为相单元的交流侧端点。
本实施例中的中点箝位型级联H桥混合多电平变流器的每个相单元中的导通开关，由12个额定电压1.7kV的含有反并联二极管的IGBT串联构成，其中第一个IGBT的集电极作为导通开关的正极，最后一个IGBT的发射极作为导通开关的负极。
本实施例中的中点箝位型级联H桥混合多电平变流器的每个相单元中的箝位开关，由12个额定电压1.7V的二极管串联构成，其中第一个二极管的阳极作为箝位开关的阳极，最后一个二极管的阴极作为箝位二极管的阴极。
本实施例中的中点箝位型级联H桥混合多电平变流器的每个相单元中的桥臂，由10个H桥子模块串联构成。
本发明提出的中点箝位型级联H桥混合多电平变流器，其每个相单元的导通开关存在正电平、零点平、负电平三种调制状态，其中正电平状态是指第一导通开关和第二导通开关导通，第三导通开关和第四导通开关关断；零点平状态是指第一导通开关和第四导通开关关断，第二导通开关和第三导通开关导通；负电平状态是指第一导通开关和第二导通开关关断，第三导通开关和第四导通开关导通。本实施例中导通开关采用基波调制方法，各导通开关的开关频率为50Hz，其每个相单元的桥臂电路的调制方法采用最近电平逼近方法，电容均压方法采用开环排序法。
在本实施例中，t＝0.3s前变流器正常工作，t＝0.3s时直流侧发生双极短路故障，变流器在检测到直流电流绝对值大于1kA时切换到故障闭锁模式，在t＝0.4s时变流器切换至故障无功补偿模式，本实施例中多电平变流器的输出功率、网侧电流、子模块电容电压、直流母线电压、直流侧电流和直流电容器电压的波形如图5(a)、5(b)、5(c)、5(d)、5(e)和5(f)所示。从图5可见，本发明提出的中点箝位型级联H桥混合多电平变流器能够实现对功率的四象限控制，网侧电流谐波特性好，并能维持子模块电容和直流电容的电压稳定，可长期平稳运行，实现交、直流变换及能量的传输；在直流短路故障后，变流器可以防止交流电网经直流故障回路形成三相短路，从而可以闭锁直流故障，保存桥臂子模块中电容的能量，且可运行为静止同步补偿装置，在直流双极故障情况下仍然为电网提供无功支撑。

Claims (1)

1.一种中点箝位型级联H桥混合多电平变流器，其特征在于该多电平变流器，包括第一相单元、第二相单元、第三相单元、第一交流电抗器La、第二交流电抗器Lb、第三交流电抗器Lc、第一直流电容器C1和第二直流电容器C2；所述的第一直流电容器C1的正极作为多电平变流器的正极直流母线，第一直流电容器C1的负极与所述的第二直流电容器C1的正极相连，作为多电平变流器的公共中点N，第二直流电容器C1的负极作为多电平变流器的负极直流母线；所述的第一相单元、第二相单元和第三相单元的正极同时与第一直流电容器C1的正极相连，第一相单元、第二相单元和第三相单元的负极同时与第二直流电容器C1的负极相连，第一相单元、第二相单元和第三相单元的中点同时与多电平变流器的公共中点相连，第一相单元、第二相单元和第三相单元的交流侧端点Ac、Bc和Cc分别通过所述的第一交流电抗器La、第二交流电抗器Lb和第三交流电抗器Lc与交流电网相连；
所述的第一相单元、第二相单元和第三相单元的电路原理图相同，均由第一导通开关S1、第二导通开关S2、第三导通开关S3、第四导通开关S4、桥臂电路、第一箝位开关D1和第二箝位开关D2构成；所述的第一导通开关S1的正极作为相单元的正极，第一导通开关S1的负极同时与第二导通开关S2的正极和第一箝位开关D1的阳极相连，第二导通开关S2的负极同时与所述的桥臂电路的一个端点和第三导通开关S3的正极相连，第三导通开关S3的负极同时与第四导通开关S4的正极和第二箝位开关D2的阴极相连，第四导通开关S4的负极作为相单元的负极，第一箝位开关D1的阴极与第二箝位开关D2的阳极相连，作为相单元的中点，桥臂电路的另一个端点作为相单元的交流侧端点；
所述的第一相单元、第二相单元和第三相单元相中的导通开关，由多个含有反并联二极管的全控半导体开关串联而成，串联的多个全控半导体开关中，第一个全控半导体开关的集电极作为导通开关的正极，最后一个全控半导体开关的发射极作为导通开关的负极；全控半导体开关的个数为Udc/(2Uc)，其中Udc为多电平变流器的直流母线额定电压，Uc为每个全控半导体开关的额定电压；
所述的第一相单元、第二相单元和第三相单元中的箝位开关，由多个二极管串联构成，多个串联的二极管中，第一个二极管的阳极作为箝位开关的阳极，最后一个二极管的阴极作为箝位二极管的阴极，二极管的个数为Udc/(2Ucd)，其中Udc为多电平变流器的直流母线额定电压，Ucd每个二极管的额定电压；
所述的第一相单元、第二相单元和第三相单元中的桥臂电路，由多个H桥子模块串联而成，每个H桥子模块包括一个直流电容器、第一全控半导体开关、第二全控半导体开关、第三全控半导体开关、第四全控半导体开关、第一续流二极管、第二续流二极管、第三续流二极管和第四续流二极管，所述的第一全控半导体开关、第二全控半导体开关、第三全控半导体开关和第四全控半导体开关的集电极分别与所述的第一续流二极管、第二续流二极管、第三续流二极管和第四续流二极管的阴极相连，所述的第一全控半导体开关、第二全控半导体开关、第三全控半导体开关和第四全控半导体开关的发射极分别与所述的第一续流二极管、第二续流二极管、第三续流二极管和第四续流二极管的阳极相连，所述的第一全控半导体开关的集电极同时与第四全控半导体开关的集电极和直流电容器的正极端相连，所述的第一全控半导体开关的发射极与第二全控半导体开关的集电极相连，作为H桥子模块的一个端点；所述的第二全控半导体开关的发射极同时与第三全控半导体开关的发射极和直流电容器的负极端相连，所述的第三全控半导体开关的集电极与第四全控半导体开关的发射极相连，作为H桥子模块的另一个端点；当多电平变流器不需要具备直流故障穿越能力时，每个桥臂电路中串联的H桥子模块个数大于或等于Udc/(4Ucm)，当多电平变流器需要具备直流故障穿越能力时，每个桥臂电路中串联的H桥子模块个数大于或等于其中Udc为多电平变流器的直流母线额定电压，Ucm为每个子模块电容的额定电压。
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