CN114499244B - 一种中高压五电平整流器及直流电容电压平衡控制策略 - Google Patents

一种中高压五电平整流器及直流电容电压平衡控制策略 Download PDF

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Abstract

本发明一种中高压五电平整流器及直流电容电压平衡控制策略，属于AC/DC变换技术及其控制技术。该变换器提供多种主功率电路，在构成一对中高压直流母线的同时，极大降低开关管的电压应力，所提出的直流电容电压平衡控制策略，很好的解决了负载不平衡情况下四个直流电容电压的不平衡问题。本发明提供的五电平整流器及控制策略为克服传统二极管箝位式五电平变换器四个电容电压难以平衡的问题提供了一种有效的解决方案，提供了四个可以独立控制的直流电压输出端，并且不需要使用庞大，笨重的工频变压器，极大简化了主电路拓扑，减少了开关器件的个数，提高了系统的工作效率，体积小，成本低，广泛应用于中高压直流输电、大功率变频调速等领域。

Description

一种中高压五电平整流器及直流电容电压平衡控制策略
技术领域
本发明属于中高压变频调速技术领域,特别涉及一种中高压五电平整流器及直流电容电压平衡控制策略的系统实现方案。
背景技术
近年来，多电平功率变换器”(Multilevel Converter)在高电压大功率变频调速、有源电力滤波、高压直流(HVDC)输电和电力系统无功补偿等领域已得到越来越多的成功应用。多电平变换器的基本电路拓扑结构大致可分为箝位型和单元级联型两大类。目前在工业中得到广泛应用的由西门子公司或ABB公司生产的二极管箝位型三电平中高压变频器，以及由罗宾康公司或利德华福公司生产的级联H桥中高压变频器就是这两类产品的典型代表。在这两类中高压变频器中，无论哪一类，为了应用低耐压的电力电子器件完成高电压的功率变换，均需在整流器的输入侧使用体积庞大、接线复杂、价格昂贵的工频移相变压器实现电气隔离。这使其在许多工业场合的应用受到限制。因此，无工频变压器级联式多电平变换器，近年来在电力电子技术领域受到广泛关注。此类变换器使用高频隔离DC-DC变换器取代传统级联式变换器中的工频移相变压器实现电气隔离，当用于双向功率传输时，整流侧采用级联全控H桥多电平功率变换器结构。当用于单向功率传输时，整流侧采用单向级联式多电平功率变换器结构(包括：级联二极管+Boost整流电路，级联无桥整流电路，级联VIENNA整流电路等)。与传统中高压变频器的整流级相比较，此类变换器整流级的实现方案取消了体积庞大、接线复杂、价格昂贵的工频移相变压器，从而有效地减小了系统体积、重量和制造成本。然而，此类变换器也有着明显的缺点，主要表现在：每一相N个级联整流模块会产生N组直流输出端，且由于输入端不隔离，这N组整流模块直流输出端无法直接串联联接构成一对公共的高压直流输出母线，因此无法直接用于高压直流输电，也无法直接与多电平逆变电路相连接，用于中高压变频调速。
另外，传统的共直流母线型二极管箝位式中高压变频器，当逆变器输出电平数高于三电平时，直流侧电容电压的平衡控制仅靠逆变器本身的控制策略会变得非常困难和复杂，例如二极管箝位式五电平变换器，由于难以对直流侧四个直流电容电压实现平衡控制，至今无法在工程实际中得以应用。国内外学者对此进行了深入的分析，主要是从硬件和软件两个方面展开研究。硬件方面，通过增加额外的电力电子器件或是平衡电路，虽然解决了直流电容电压难以平衡的问题，但极大提高了系统成本和硬件复杂度。从软件角度考虑，通过冗余矢量或是虚拟矢量的合理利用，虽然可以解决低调制指数下直流电容电压的平衡，但在较高调制指数下，特别是调制指数大于0.5时，直流电容电压很难达到平衡。为了解决这一问题，只能牺牲变换器的一些性能指标来达到多个直流电容电压之间的平衡，同时也增加了系统控制的复杂度，得不偿失。
发明内容
为本发明的目的是克服上述缺陷，提供一种新型中高压五电平单位功率因数整流器及直流电容电压平衡控制的实现方案，与传统中高压变频器的整流级比较，本发明提供的中高压五电平整流器无需在输入端使用工频移相变压器，可以使用低耐压的功率开关管完成高电压下的大功率单位功率因数整流变换，在直流侧构成一对公共的高压直流母线，最重要的是提供了四个可以独立控制电压的直流输出端，基于所提出的直流侧电容电压平衡控制策略，可以灵活实现对输出侧四个电容电压的平衡控制，无需复杂的电压平衡辅助电路，具有结构简单，体积小，重量轻，成本低，控制简单，系统整体工作效率高的特点，为共直流母线型二极管箝位式中高压变频器的实际应用提供了一个简单可行的解决方案，同时也可以应用在中高压直流输电(HVDC)、大功率电力电子变压器，大功率中高压交-直-交变频调速等领域。
为达到上述目的，本发明提供的一种中高压单相五电平整流器，包括主功率电路，所述主功率电路包括高频滤波器、单相二极管整流桥、升压电感L和第一模块单元(A)，其特征在于：所述第一模块单元(A)包括四个开关器件S1、S2、S3、S4，八个快恢复二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8，两个飞跨电容C1、C2，四个输出直流电容C3、C4、C5、C6和四个负载电阻R1、R2、R3、R4，所述开关器件S1的第一接线端(a)与所述快恢复二极管D1的阳极相连，所述快恢复二极管D1的阴极与所述快恢复二极管D2的阳极及所述飞跨电容C1的第一接线端(e)相连，所述快恢复二极管D2的阳极与所述快恢复二极管D3的阴极相连，所述快恢复二极管D2的阴极与并联连接的所述输出直流电容C3和所述负载电阻R1的第一接线端(m)相连，所述开关器件S1的第二接线端(b)与所述飞跨电容C1的第二接线端(f)及所述快恢复二极管D4的阳极相连，所述快恢复二极管D4的阴极与所述快恢复二极管D3的阳极及并联连接的所述输出直流电容C3和所述负载电阻R1的第二接线端(n)相连，并联连接的所述输出直流电容C3和所述负载电阻R1的第二接线端(n)与并联连接的所述输出直流电容C4和所述负载电阻R2的第一接线端(m)相连，所述开关器件S1的第二接线端(b)与所述开关器件S2的第一接线端(a)相连，所述开关器件S2的第二接线端(b)与所述开关器件S3的第一接线端(a)及并联连接的所述输出直流电容C4和所述负载电阻R2的第二接线端(n)相连，并联连接的所述输出直流电容C4和所述负载电阻R2的第二接线端(n)与并联连接的所述输出直流电容C5和所述负载电阻R3的第一接线端(m)相连，所述开关器件S3的第二接线端(b)与所述开关器件S4的第一接线端(a)及所述快恢复二极管D8的阴极相连，所述快恢复二极管D8的阳极与并联连接的所述输出直流电容C5和所述负载电阻R3的第二接线端(n)及并联连接的所述输出直流电容C6和所述负载电阻R4的第一接线端(m)相连，所述开关器件S4的第二接线端(b)与所述快恢复二极管D5的阴极相连，所述快恢复二极管D5的阳极与所述快恢复二极管D6的阴极及所述飞跨电容C2的第二接线端(f)相连，所述飞跨电容C2的第一接线端(e)与所述快恢复二极管D8的阴极相连，所述快恢复二极管D8的阳极与所述快恢复二极管D7的阴极相连，所述快恢复二极管D7的阳极与所述快恢复二极管D6的阴极相连，所述快恢复二极管D6的阳极与并联连接的所述输出直流电容C6和所述负载电阻R4的第二接线端(n)相连，所述开关器件S4的第二接线端(b)与所述升压电感L的一端相连，所述升压电感L的另一端与所述单相二极管整流桥的整流输出负端相连，所述单相二极管整流桥的整流输出正端与所述开关器件S1的第一接线端(a)相连，所述单相二极管整流桥的交流输入端经所述高频滤波器串联接入交流电网。
为达到上述目的，本发明提供的采用一种中高压单相五电平整流器构成的一种中高压三相五电平整流器，包括三相主功率电路，其特征在于：所述三相主功率电路包括三个高频滤波器和三个第二模块单元(B)，所述第二模块单元(B)包括单相二极管整流桥、升压电感L和第一模块单元(A)，每相所述第二模块单元(B)的直流输出正端(g)相连，每相所述第二模块单元(B)的直流输出负端(h)相连，每相所述第二模块单元(B)剩余2个交流输入端，三相所述第二模块单元(B)的第一交流输入端构成一组接线端，三相所述第二模块单元(B)的第二交流输入端构成另一组接线端，其中一组接线端连接到一个公共的中性点上，另外一组接线端分别与三个所述高频滤波器串联，接入三相电网，构成三相并联连接。
为达到上述目的，本发明提供的采用一种中高压单相五电平整流器构成的一种中高压三相五电平整流器，包括三相主功率电路，其特征在于：所述三相主功率电路包括三个高频滤波器和三个第二模块单元(B)，所述第二模块单元(B)包括单相二极管整流桥、升压电感L和第一模块单元(A)，每相所述第二模块单元(B)剩余2个交流输入端，三相所述第二模块单元(B)的第一交流输入端构成一组接线端，三相所述第二模块单元(B)的第二交流输入端构成另一组接线端，其中一组接线端连接到一个公共的中性点上，另外一组接线端分别与三个所述高频滤波器串联，接入三相电网，构成星形连接。
为达到上述目的，本发明提供的采用一种中高压单相五电平整流器构成的一种中高压三相五电平整流器，包括三相主功率电路，其特征在于：所述三相主功率电路包括三个高频滤波器和三个第二模块单元(B)，所述第二模块单元(B)包括单相二极管整流桥、升压电感L和第一模块单元(A)，每相所述第二模块单元(B)剩余2个交流输入端，三相所述第二模块单元(B)的第一交流输入端构成一组接线端，三相所述第二模块单元(B)的第二交流输入端构成另一组接线端，其中一组接线端分别经三个所述高频滤波器接至三相电网输入端，另一组接线端依次连接至三相电网中的下一相输入端，构成角形连接。
为达到上述目的，本发明提供的采用一种中高压单相五电平整流器构成的一种中高压三相五电平整流器，包括三相主功率电路，其特征在于：所述三相主功率电路包括三个高频滤波器、六个桥臂电感、一个直流电容和六个第二模块单元(B)，六个所述第二模块单元(B)构成对接的两组星形连接，在每组星形连接中，所述第二模块单元(B)包括单相二极管整流桥、升压电感L和第一模块单元(A)，每相所述第二模块单元(B)剩余2个交流输入端，三相所述第二模块单元(B)的第一交流输入端构成一组接线端，三相所述第二模块单元(B)的第二交流输入端构成另一组接线端，其中一组接线端连接到一个公共中性点，另一组接线端分别与三个所述桥臂电感的一端相连，而在每相桥臂上的两个所述桥臂电感的另一端各自相连，并分别经三个所述高频滤波器之一接至三相电网输入端，同时，第一组星形连接中的公共中性点和第二组星形连接中的公共中性点分别与所述直流电容的两端相连，构成双星形连接。
为达到上述目的，本发明提供的一种中高压五电平整流器的直流电容电压平衡控制策略，其特征在于，控制策略步骤如下：
(1)对一种中高压五电平整流器的输出侧直流电容电压和飞跨电容电压进行采样，得到四个输出侧直流电容电压信号Uo1、Uo2、Uo3、Uo4和两个飞跨电容电压信号Uc1、Uc2，利用下式计算四个输出侧直流电容电压信号Uo1、Uo2、Uo3、Uo4的和Uo；
Uo＝Uo1+Uo2+Uo3+Uo4
(2)将步骤(1)中的信号Uo与整流器直流电压给定信号Uo *比较后送入PI电压调节器，得到PI电压调节器输出直流电流信号给定值Id，将步骤(1)中的两个输出侧直流电容电压信号Uo1与Uo2相加得到信号Um1；
(3)将步骤(1)中的信号Uo乘以0.5，所得结果与步骤(2)中的信号Um1比较后送入PI电压调节器，得到PI电压调节器输出直流电流信号给定值Id1，将信号Id1与步骤(2)中的信号Id相加得到开关器件S1的输出直流电流信号给定值Ig1；
(4)将步骤(2)中的信号Um1乘以0.5，所得结果与步骤(1)中的输出侧直流电容电压信号Uo2比较后送入PI电压调节器，得到PI电压调节器输出直流电流信号给定值Id2；
(5)将步骤(2)中的整流器直流电压给定信号Uo *乘以0.25，所得结果与步骤(1)中的飞跨电容电压信号Uc1比较后送入PI电压调节器，得到PI电压调节器输出直流电流信号给定值Id3，将信号Id3与步骤(4)中的信号Id2相加，所得结果与步骤(3)中的信号Id1相加，所得结果再与步骤(2)中的信号Id相加，得到开关器件S2的输出直流电流信号给定值Ig2；
(6)将步骤(1)中的两个输出侧直流电容电压信号Uo3和Uo4相加得到信号Um2，将信号Um2乘以0.5，所得结果与步骤(1)中的输出侧直流电容电压信号Uo3比较后送入PI电压调节器，得到PI电压调节器输出直流电流信号给定值Id4；
(7)将步骤(2)中的直流电压给定信号Uo *乘以0.25，所得结果与步骤(1)中的飞跨电容电压信号Uc2比较后送入PI电压调节器，得到PI电压调节器输出直流电流信号给定值Id5，将Id5与步骤(2)中的输出直流电流信号给定值Id相加，所得结果再与步骤(6)中的输出直流电流信号给定值Id4相加，得到开关器件S3的输出直流电流信号给定值Ig3；
(8)步骤(2)中的输出直流电流信号给定值Id等于开关器件S4的输出直流电流信号给定值Ig4；
(9)对电网电压进行采样，得到整流器输入侧交流电压信号vS，并通过锁相环PLL得到电网电压相位信号
Figure BDA0003496160280000031
(10)将步骤(9)中的电网电压相位信号
Figure BDA0003496160280000032
分别与步骤(3)中的信号Ig1，步骤(5)中的信号Ig2，步骤(7)中的信号Ig3，步骤(8)中的信号Ig4相乘得到整流器交流电流给定信号ig1 *，ig2 *，ig3 *和ig4 *；
(11)将步骤(10)中的交流电流给定信号ig1 *，ig2 *，ig3 *和ig4 *分别与实际电流信号iL比较后送入电流调节器，得到开关器件S1，S2，S3，S4的交流调制波信号G1，G2，G3，G4；
(12)将步骤(11)中开关器件S1的交流调制波信号G1与三角载波信号W比较产生开关器件S1的PWM控制信号PWM1，将三角载波信号W移相90°，再与步骤(11)中的开关器件S2的交流调制波信号G2比较产生开关器件S2的PWM控制信号PWM2，将三角载波信号W移相180°，再与步骤(11)中开关器件S3的交流调制波信号G3比较产生开关器件S3的PWM控制信号PWM3，将三角载波信号W移相270°，再与步骤(11)中开关器件S4的交流调制波信号G4比较产生开关器件S4的PWM控制信号PWM4；
(13)将步骤(12)中开关器件S1，S2，S3，S4的PWM控制信号PWM1、PWM2、PWM3、PWM4送给相应的驱动电路控制开关器件的通断，实现有源功率因数校正和直流电容电压的平衡，使得整流器输入电流正弦化，即使在负载不平衡情况下也能实现对输出侧四个直流电容电压的均衡控制。
本发明一种中高压五电平整流器及直流电容电压平衡控制策略的优点和积极效果在于：与传统中高压变频器整流器比较，本发明提供的一种中高压五电平整流器无需在输入端使用工频移相变压器，可以使用低耐压的功率开关管完成高电压下的大功率单位功率因数整流变换，提供了四个可以独立控制电压的直流输出端，在单相输入时可在直流侧构成一对公共的高压直流母线，三相输入时即可以在直流侧构成一对统一的公共高压直流母线，又可以在三相各自整流器输出的直流侧构成三对独立的公共高压直流母线，最重要的是还可以灵活的实现对整流模块输出侧多个直流电容电压的平衡控制。本发明提供的中高压五电平整流器主功率电路拓扑结构简单，系统的工作效率高，体积小，重量轻，成本低，在高压直流输电(HVDC)、大功率电力电子变压器，大功率中高压交-直-交变频调速等领域具有重要的应用价值。
下面结合附图对本发明进行说明。
附图说明
图1为本发明一种中高压五电平整流器及直流电容电压平衡控制策略中第一模块单元(A)的电路图；
图2为本发明一种中高压五电平整流器及直流电容电压平衡控制策略中第二模块单元(B)的电路图；
图3为本发明一种中高压五电平整流器及直流电容电压平衡控制策略的三相并联整流器电路图；
图4为本发明一种中高压五电平整流器及直流电容电压平衡控制策略的三相星接整流器电路图；
图5为本发明一种中高压五电平整流器及直流电容电压平衡控制策略的三相角接整流器电路图；
图6为本发明一种中高压五电平整流器及直流电容电压平衡控制策略的三相双星接整流器电路图；
图7为本发明一种中高压五电平整流器及直流电容电压平衡控制策略的控制策略框图；
图8为本发明一种中高压三相五电平整流器的三相输入电流波形；
图9为本发明一种中高压单相五电平整流器输出侧四个直流电容电压波形；
图10为本发明一种中高压单相五电平整流器输入侧交流电压波形；
图11为本发明一种中高压单相五电平整流器输出侧四个直流电容电压在负载突变时又恢复平衡的波形；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式和工作原理做进一步的描述：
参照图1和图2，一种中高压单相五电平整流器，包括主功率电路，主功率电路包括高频滤波器、单相二极管整流桥、升压电感L和第一模块单元(A)，第一模块单元(A)包括四个开关器件S1、S2、S3、S4，八个快恢复二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8，两个飞跨电容C1、C2，四个输出直流电容C3、C4、C5、C6和四个负载电阻R1、R2、R3、R4，开关器件S1的第一接线端(a)与快恢复二极管D1的阳极相连，快恢复二极管D1的阴极与快恢复二极管D2的阳极及飞跨电容C1的第一接线端(e)相连，快恢复二极管D2的阳极与快恢复二极管D3的阴极相连，快恢复二极管D2的阴极与并联连接的输出直流电容C3和负载电阻R1的第一接线端(m)相连，开关器件S1的第二接线端(b)与飞跨电容C1的第二接线端(f)及快恢复二极管D4的阳极相连，快恢复二极管D4的阴极与快恢复二极管D3的阳极及并联连接的输出直流电容C3和负载电阻R1的第二接线端(n)相连，并联连接的输出直流电容C3和负载电阻R1的第二接线端(n)与并联连接的输出直流电容C4和负载电阻R2的第一接线端(m)相连，开关器件S1的第二接线端(b)与开关器件S2的第一接线端(a)相连，开关器件S2的第二接线端(b)与开关器件S3的第一接线端(a)及并联连接的输出直流电容C4和负载电阻R2的第二接线端(n)相连，并联连接的输出直流电容C4和负载电阻R2的第二接线端(n)与并联连接的输出直流电容C5和负载电阻R3的第一接线端(m)相连，开关器件S3的第二接线端(b)与开关器件S4的第一接线端(a)及快恢复二极管D8的阴极相连，快恢复二极管D8的阳极与并联连接的输出直流电容C5和负载电阻R3的第二接线端(n)及并联连接的输出直流电容C6和负载电阻R4的第一接线端(m)相连，开关器件S4的第二接线端(b)与快恢复二极管D5的阴极相连，快恢复二极管D5的阳极与快恢复二极管D6的阴极及飞跨电容C2的第二接线端(f)相连，飞跨电容C2的第一接线端(e)与快恢复二极管D8的阴极相连，快恢复二极管D8的阳极与快恢复二极管D7的阴极相连，快恢复二极管D7的阳极与快恢复二极管D6的阴极相连，快恢复二极管D6的阳极与并联连接的输出直流电容C6和负载电阻R4的第二接线端(n)相连，开关器件S4的第二接线端(b)与升压电感L的一端相连，升压电感L的另一端与单相二极管整流桥的整流输出负端相连，单相二极管整流桥的整流输出正端与开关器件S1的第一接线端(a)相连，单相二极管整流桥的交流输入端经高频滤波器串联接入交流电网。
参照图1、图2和图3，采用一种中高压单相五电平整流器构成的一种中高压三相五电平整流器，包括三相主功率电路，三相主功率电路包括三个高频滤波器和三个第二模块单元(B)，第二模块单元(B)包括单相二极管整流桥、升压电感L和第一模块单元(A)，每相第二模块单元(B)的直流输出正端(g)相连，每相第二模块单元(B)的直流输出负端(h)相连，每相第二模块单元(B)剩余2个交流输入端，三相第二模块单元(B)的第一交流输入端构成一组接线端，三相第二模块单元(B)的第二交流输入端构成另一组接线端，其中一组接线端连接到一个公共的中性点上，另外一组接线端分别与三个高频滤波器串联，接入三相电网，构成三相并联连接。
参照图1、图2和图4，采用一种中高压单相五电平整流器构成的一种中高压三相五电平整流器，包括三相主功率电路，三相主功率电路包括三个高频滤波器和三个第二模块单元(B)，第二模块单元(B)包括单相二极管整流桥、升压电感L和第一模块单元(A)，每相第二模块单元(B)剩余2个交流输入端，三相第二模块单元(B)的第一交流输入端构成一组接线端，三相第二模块单元(B)的第二交流输入端构成另一组接线端，其中一组接线端连接到一个公共的中性点上，另外一组接线端分别与三个高频滤波器串联，接入三相电网，构成星形连接。
参照图1、图2和图5，采用一种中高压单相五电平整流器构成的一种中高压三相五电平整流器，包括三相主功率电路，三相主功率电路包括三个高频滤波器和三个第二模块单元(B)，第二模块单元(B)包括单相二极管整流桥、升压电感L和第一模块单元(A)，每相第二模块单元(B)剩余2个交流输入端，三相第二模块单元(B)的第一交流输入端构成一组接线端，三相第二模块单元(B)的第二交流输入端构成另一组接线端，其中一组接线端分别经三个高频滤波器接至三相电网输入端，另一组接线端依次连接至三相电网中的下一相输入端，构成角形连接。
参照图1、图2和图6，采用一种中高压单相五电平整流器构成的一种中高压三相五电平整流器，包括三相主功率电路，三相主功率电路包括三个高频滤波器、六个桥臂电感、一个直流电容和六个第二模块单元(B)，六个第二模块单元(B)构成对接的两组星形连接，在每组星形连接中，第二模块单元(B)包括单相二极管整流桥、升压电感L和第一模块单元(A)，每相第二模块单元(B)剩余2个交流输入端，三相第二模块单元(B)的第一交流输入端构成一组接线端，三相第二模块单元(B)的第二交流输入端构成另一组接线端，其中一组接线端连接到一个公共中性点，另一组接线端分别与三个桥臂电感的一端相连，而在每相桥臂上的两个桥臂电感的另一端各自相连，并分别经三个高频滤波器之一接至三相电网输入端，同时，第一组星形连接中的公共中性点和第二组星形连接中的公共中性点分别与直流电容的两端相连，构成双星形连接。
参照图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7，一种中高压五电平整流器的直流电容电压平衡控制策略，步骤如下：
(1)对一种中高压五电平整流器的输出侧直流电容电压和飞跨电容电压进行采样，得到四个输出侧直流电容电压信号Uo1、Uo2、Uo3、Uo4和两个飞跨电容电压信号Uc1、Uc2，利用下式计算四个输出侧直流电容电压信号Uo1、Uo2、Uo3、Uo4的和Uo；
Uo＝Uo1+Uo2+Uo3+Uo4
(2)将步骤(1)中的信号Uo与整流器直流电压给定信号Uo *比较后送入PI电压调节器，得到PI电压调节器输出直流电流信号给定值Id，将步骤(1)中的两个输出侧直流电容电压信号Uo1与Uo2相加得到信号Um1；
(3)将步骤(1)中的信号Uo乘以0.5，所得结果与步骤(2)中的信号Um1比较后送入PI电压调节器，得到PI电压调节器输出直流电流信号给定值Id1，将信号Id1与步骤(2)中的信号Id相加得到开关器件S1的输出直流电流信号给定值Ig1；
(4)将步骤(2)中的信号Um1乘以0.5，所得结果与步骤(1)中的输出侧直流电容电压信号Uo2比较后送入PI电压调节器，得到PI电压调节器输出直流电流信号给定值Id2；
(5)将步骤(2)中的整流器直流电压给定信号Uo *乘以0.25，所得结果与步骤(1)中的飞跨电容电压信号Uc1比较后送入PI电压调节器，得到PI电压调节器输出直流电流信号给定值Id3，将信号Id3与步骤(4)中的信号Id2相加，所得结果与步骤(3)中的信号Id1相加，所得结果再与步骤(2)中的信号Id相加，得到开关器件S2的输出直流电流信号给定值Ig2；
(6)将步骤(1)中的两个输出侧直流电容电压信号Uo3和Uo4相加得到信号Um2，将信号Um2乘以0.5，所得结果与步骤(1)中的输出侧直流电容电压信号Uo3比较后送入PI电压调节器，得到PI电压调节器输出直流电流信号给定值Id4；
(7)将步骤(2)中的直流电压给定信号Uo *乘以0.25，所得结果与步骤(1)中的飞跨电容电压信号Uc2比较后送入PI电压调节器，得到PI电压调节器输出直流电流信号给定值Id5，将Id5与步骤(2)中的输出直流电流信号给定值Id相加，所得结果再与步骤(6)中的输出直流电流信号给定值Id4相加，得到开关器件S3的输出直流电流信号给定值Ig3；
(8)步骤(2)中的输出直流电流信号给定值Id等于开关器件S4的输出直流电流信号给定值Ig4；
(9)对电网电压进行采样，得到整流器输入侧交流电压信号vS，并通过锁相环PLL得到电网电压相位信号
Figure BDA0003496160280000061
(10)将步骤(9)中的电网电压相位信号
Figure BDA0003496160280000062
分别与步骤(3)中的信号Ig1，步骤(5)中的信号Ig2，步骤(7)中的信号Ig3，步骤(8)中的信号Ig4相乘得到整流器交流电流给定信号ig1 *，ig2 *，ig3 *和ig4 *；
(11)将步骤(10)中的交流电流给定信号ig1 *，ig2 *，ig3 *和ig4 *分别与实际电流信号iL比较后送入电流调节器，得到开关器件S1，S2，S3，S4的交流调制波信号G1，G2，G3，G4；
(12)将步骤(11)中开关器件S1的交流调制波信号G1与三角载波信号W比较产生开关器件S1的PWM控制信号PWM1，将三角载波信号W移相90°，再与步骤(11)中的开关器件S2的交流调制波信号G2比较产生开关器件S2的PWM控制信号PWM2，将三角载波信号W移相180°，再与步骤(11)中开关器件S3的交流调制波信号G3比较产生开关器件S3的PWM控制信号PWM3，将三角载波信号W移相270°，再与步骤(11)中开关器件S4的交流调制波信号G4比较产生开关器件S4的PWM控制信号PWM4；
(13)将步骤(12)中开关器件S1，S2，S3，S4的PWM控制信号PWM1、PWM2、PWM3、PWM4送给相应的驱动电路控制开关器件的通断，实现有源功率因数校正和直流电容电压的平衡，使得整流器输入电流正弦化，即使在负载不平衡情况下也能实现对输出侧四个直流电容电压的均衡控制。
参照图(8)，为本发明实施例中一种中高压单相五电平整流器的输入电流仿真波形，从电流的仿真波形可以看出，整流器输入电压与电流同相位，基本实现了单位功率因数，电流波形质量较好，近似正弦。
参照图(9)，为本发明实施例中一种中高压单相五电平整流器的四个直流侧电容电压Uo1、Uo2、Uo3、Uo4的仿真波形，从图中可以看出，整流器输出侧直流电容电压在短时间内达到稳定值1500V，并且二次电压纹波波动较小。
参照图(10)，为本发明实施例中一种中高压单相五电平整流器输入侧五电平电压波形，从图中可以看出整流器实现了五电平电压运行，电流谐波畸变较小。
参照图(11)，为本发明实施例中一种中高压单相五电平整流器在输出侧四个负载电阻由平衡突变为不平衡时所对应的直流电容电压波形，从图中可以看出，四个直流电容电压Uo1、Uo2、Uo3、Uo4在短时间内重新达到了平衡，也进一步验证了所提控制策略的正确性。
在本发明一种中高压五电平整流器应用的其他实施例中，所描述的三相并联、星接、角接和三相双星接整流器，除了采用第二模块单元(B)外，也可以是由第二模块单元(B)衍生出来的不同电路的组合。所描述的一种中高压五电平整流器及直流电容电压平衡控制策略，可以简化应用于大功率电力电子整流拓扑结构中且能平衡多个直流侧电容电压，为后级的电能变换提供了有利条件，在中高压直流传输、大功率电力电子变压器，大功率中高压交-直-交变频器等应用领域具有重要的应用价值。
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 (6)

1.一种中高压单相五电平整流器，包括主功率电路，所述主功率电路包括高频滤波器、单相二极管整流桥、升压电感L和第一模块单元(A)，其特征在于：所述第一模块单元(A)包括四个开关器件S1、S2、S3、S4，八个快恢复二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8，两个飞跨电容C1、C2，四个输出直流电容C3、C4、C5、C6和四个负载电阻R1、R2、R3、R4，所述开关器件S1的第一接线端(a)与所述快恢复二极管D1的阳极相连，所述快恢复二极管D1的阴极与所述快恢复二极管D2的阳极及所述飞跨电容C1的第一接线端(e)相连，所述快恢复二极管D2的阳极与所述快恢复二极管D3的阴极相连，所述快恢复二极管D2的阴极与并联连接的所述输出直流电容C3和所述负载电阻R1的第一接线端(m)相连，所述开关器件S1的第二接线端(b)与所述飞跨电容C1的第二接线端(f)及所述快恢复二极管D4的阳极相连，所述快恢复二极管D4的阴极与所述快恢复二极管D3的阳极及并联连接的所述输出直流电容C3和所述负载电阻R1的第二接线端(n)相连，并联连接的所述输出直流电容C3和所述负载电阻R1的第二接线端(n)与并联连接的所述输出直流电容C4和所述负载电阻R2的第一接线端(m)相连，所述开关器件S1的第二接线端(b)与所述开关器件S2的第一接线端(a)相连，所述开关器件S2的第二接线端(b)与所述开关器件S3的第一接线端(a)及并联连接的所述输出直流电容C4和所述负载电阻R2的第二接线端(n)相连，并联连接的所述输出直流电容C4和所述负载电阻R2的第二接线端(n)与并联连接的所述输出直流电容C5和所述负载电阻R3的第一接线端(m)相连，所述开关器件S3的第二接线端(b)与所述开关器件S4的第一接线端(a)及所述快恢复二极管D8的阴极相连，所述快恢复二极管D8的阳极与并联连接的所述输出直流电容C5和所述负载电阻R3的第二接线端(n)及并联连接的所述输出直流电容C6和所述负载电阻R4的第一接线端(m)相连，所述开关器件S4的第二接线端(b)与所述快恢复二极管D5的阴极相连，所述快恢复二极管D5的阳极与所述快恢复二极管D6的阴极及所述飞跨电容C2的第二接线端(f)相连，所述飞跨电容C2的第一接线端(e)与所述快恢复二极管D8的阴极相连，所述快恢复二极管D8的阳极与所述快恢复二极管D7的阴极相连，所述快恢复二极管D7的阳极与所述快恢复二极管D6的阴极相连，所述快恢复二极管D6的阳极与并联连接的所述输出直流电容C6和所述负载电阻R4的第二接线端(n)相连，所述开关器件S4的第二接线端(b)与所述升压电感L的一端相连，所述升压电感L的另一端与所述单相二极管整流桥的整流输出负端相连，所述单相二极管整流桥的整流输出正端与所述开关器件S1的第一接线端(a)相连，所述单相二极管整流桥的交流输入端经所述高频滤波器串联接入交流电网。
2.根据权利要求1所述的一种中高压单相五电平整流器，包括三相主功率电路，其特征在于：所述三相主功率电路包括三个高频滤波器和三个第二模块单元(B)，所述第二模块单元(B)包括单相二极管整流桥、升压电感L和第一模块单元(A)，每相所述第二模块单元(B)的直流输出正端(g)相连，每相所述第二模块单元(B)的直流输出负端(h)相连，每相所述第二模块单元(B)剩余2个交流输入端，三相所述第二模块单元(B)的第一交流输入端构成一组接线端，三相所述第二模块单元(B)的第二交流输入端构成另一组接线端，其中一组接线端连接到一个公共的中性点上，另外一组接线端分别与三个所述高频滤波器串联，接入三相电网，构成三相并联连接。
3.根据权利要求1所述的一种中高压单相五电平整流器，包括三相主功率电路，其特征在于：所述三相主功率电路包括三个高频滤波器和三个第二模块单元(B)，所述第二模块单元(B)包括单相二极管整流桥、升压电感L和第一模块单元(A)，每相所述第二模块单元(B)剩余2个交流输入端，三相所述第二模块单元(B)的第一交流输入端构成一组接线端，三相所述第二模块单元(B)的第二交流输入端构成另一组接线端，其中一组接线端连接到一个公共的中性点上，另外一组接线端分别与三个所述高频滤波器串联，接入三相电网，构成星形连接。
4.根据权利要求1所述的一种中高压单相五电平整流器，包括三相主功率电路，其特征在于：所述三相主功率电路包括三个高频滤波器和三个第二模块单元(B)，所述第二模块单元(B)包括单相二极管整流桥、升压电感L和第一模块单元(A)，每相所述第二模块单元(B)剩余2个交流输入端，三相所述第二模块单元(B)的第一交流输入端构成一组接线端，三相所述第二模块单元(B)的第二交流输入端构成另一组接线端，其中一组接线端分别经三个所述高频滤波器接至三相电网输入端，另一组接线端依次连接至三相电网中的下一相输入端，构成角形连接。
5.根据权利要求1所述的一种中高压单相五电平整流器，包括三相主功率电路，其特征在于：所述三相主功率电路包括三个高频滤波器、六个桥臂电感、一个直流电容和六个第二模块单元(B)，六个所述第二模块单元(B)构成对接的两组星形连接，在每组星形连接中，所述第二模块单元(B)包括单相二极管整流桥、升压电感L和第一模块单元(A)，每相所述第二模块单元(B)剩余2个交流输入端，三相所述第二模块单元(B)的第一交流输入端构成一组接线端，三相所述第二模块单元(B)的第二交流输入端构成另一组接线端，其中一组接线端连接到一个公共中性点，另一组接线端分别与三个所述桥臂电感的一端相连，而在每相桥臂上的两个所述桥臂电感的另一端各自相连，并分别经三个所述高频滤波器之一接至三相电网输入端，同时，第一组星形连接中的公共中性点和第二组星形连接中的公共中性点分别与所述直流电容的两端相连，构成双星形连接。
6.一种中高压五电平整流器的直流电容电压平衡控制方法， 应用于权利要求1所包含的一种中高压单相五电平整流器拓扑，其特征在于，控制策略步骤如下：
(1)对一种中高压五电平整流器的输出侧直流电容电压和飞跨电容电压进行采样，得到四个输出侧直流电容电压信号Uo1、Uo2、Uo3、Uo4和两个飞跨电容电压信号Uc1、Uc2，利用下式计算四个输出侧直流电容电压信号Uo1、Uo2、Uo3、Uo4的和Uo；
Uo＝Uo1+Uo2+Uo3+Uo4
(2)将步骤(1)中的信号Uo与整流器直流电压给定信号Uo *比较后送入PI电压调节器，得到PI电压调节器输出直流电流信号给定值Id，将步骤(1)中的两个输出侧直流电容电压信号Uo1与Uo2相加得到信号Um1；
(3)将步骤(1)中的信号Uo乘以0.5，所得结果与步骤(2)中的信号Um1比较后送入PI电压调节器，得到PI电压调节器输出直流电流信号给定值Id1，将信号Id1与步骤(2)中的信号Id相加得到开关器件S1的输出直流电流信号给定值Ig1；
(4)将步骤(2)中的信号Um1乘以0.5，所得结果与步骤(1)中的输出侧直流电容电压信号Uo2比较后送入PI电压调节器，得到PI电压调节器输出直流电流信号给定值Id2；
(5)将步骤(2)中的整流器直流电压给定信号Uo *乘以0.25，所得结果与步骤(1)中的飞跨电容电压信号Uc1比较后送入PI电压调节器，得到PI电压调节器输出直流电流信号给定值Id3，将信号Id3与步骤(4)中的信号Id2相加，所得结果与步骤(3)中的信号Id1相加，所得结果再与步骤(2)中的信号Id相加，得到开关器件S2的输出直流电流信号给定值Ig2；
(6)将步骤(1)中的两个输出侧直流电容电压信号Uo3和Uo4相加得到信号Um2，将信号Um2乘以0.5，所得结果与步骤(1)中的输出侧直流电容电压信号Uo3比较后送入PI电压调节器，得到PI电压调节器输出直流电流信号给定值Id4；
(7)将步骤(2)中的直流电压给定信号Uo *乘以0.25，所得结果与步骤(1)中的飞跨电容电压信号Uc2比较后送入PI电压调节器，得到PI电压调节器输出直流电流信号给定值Id5，将Id5与步骤(2)中的输出直流电流信号给定值Id相加，所得结果再与步骤(6)中的输出直流电流信号给定值Id4相加，得到开关器件S3的输出直流电流信号给定值Ig3；
(8)步骤(2)中的输出直流电流信号给定值Id等于开关器件S4的输出直流电流信号给定值Ig4；
(9)对电网电压进行采样，得到整流器输入侧交流电压信号vS，并通过锁相环PLL得到电网电压相位信号
Figure FDA0003733830920000021
(10)将步骤(9)中的电网电压相位信号
Figure FDA0003733830920000022
分别与步骤(3)中的信号Ig1，步骤(5)中的信号Ig2，步骤(7)中的信号Ig3，步骤(8)中的信号Ig4相乘得到整流器交流电流给定信号ig1 *，ig2 *，ig3 *和ig4 *；
(11)将步骤(10)中的交流电流给定信号ig1 *，ig2 *，ig3 *和ig4 *分别与实际电流信号iL比较后送入电流调节器，得到开关器件S1，S2，S3，S4的交流调制波信号G1，G2，G3，G4；
(12)将步骤(11)中开关器件S1的交流调制波信号G1与三角载波信号W比较产生开关器件S1的PWM控制信号PWM1，将三角载波信号W移相90°，再与步骤(11)中的开关器件S2的交流调制波信号G2比较产生开关器件S2的PWM控制信号PWM2，将三角载波信号W移相180°，再与步骤(11)中开关器件S3的交流调制波信号G3比较产生开关器件S3的PWM控制信号PWM3，将三角载波信号W移相270°，再与步骤(11)中开关器件S4的交流调制波信号G4比较产生开关器件S4的PWM控制信号PWM4；
(13)将步骤(12)中开关器件S1，S2，S3，S4的PWM控制信号PWM1、PWM2、PWM3、PWM4送给相应的驱动电路控制开关器件的通断，实现有源功率因数校正和直流电容电压的平衡，使得整流器输入电流正弦化，并在负载不平衡情况下实现对输出侧四个直流电容电压的均衡控制。
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