CN203104278U

CN203104278U - 一种级联式多电平变换器功率单元旁路结构

Info

Publication number: CN203104278U
Application number: CN 201220718829
Authority: CN
Inventors: 陈峻岭; 黄明星; 黄超宪; 余怀林; 李�杰; 苏春苑; 韦延清; 汤国栋
Original assignee: Zhuhai Wanlida Electric Co Ltd
Current assignee: Zhuhai Wanlida Electrical Automation Co ltd
Priority date: 2012-12-24
Filing date: 2012-12-24
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2022-12-24

Abstract

本实用新型涉及一种级联式多电平变换器功率单元旁路结构，每个功率单元均包含单元控制器、故障检测电路、单相全桥逆变器、DC/DC电源和直流耦合电路；所述单元控制器与所述故障检测电路和单相全桥逆变器连接，以及与所述级联式多电平变换器的主控制器连接，所述直流耦合电路的输入端与其所在的功率单元的直流电压两端和邻近的功率单元的直流电压两端电连接，所述DC/DC电源的输入端与所述直流耦合电路的输出端电连接，所述DC/DC电源的输出端与所述单元控制器电连接，供给各组成部件的工作电源。保证以本实用新型为主电路的装置工作正常，性能稳定、可靠，利用率高。

Description

一种级联式多电平变换器功率单元旁路结构

技术领域

本实用新型属于大容量电力电子技术领域，涉及一种级联式多电平变换器功率单元旁路结构。

背景技术

自20世纪80年代以来，随着电力电子技术的飞速发展，大容量多电平变换器得到广泛应用并日趋高性能化。大容量一般是指功率等级在数百千瓦以上。实现大容量变换的途径有高电压、大电流，在实际应用中以高电压大容量更为典型，而其中多电平变换技术则是实现高电压大容量的关键。在目前工业应用方面，多电平变换器主要有三种类型的拓扑结构：二极管箝位结构、悬浮电容结构和H桥级联结构。更高电平数目的二极管箝位结构多电平变换器，由于直流电容电压平衡问题的限制，使其与实际的应用仍有距离；悬浮电容结构多电平变换器在运行过程中必须严格控制悬浮电容电压的均衡以保证变换器的运行安全；H桥级联结构多电平变换器结构简洁，易于模块化，其缺点是：所需独立直流电源个数将随着变换器电平数的增加而急剧增多。上述几类多电平变换器各有优点和缺点，H桥级联式多电平变换器是目前工业应用较为成熟的一种拓扑结构，常用于中压大容量的交流传动系统和静止补偿器（Static Compensator，STATCOM）无功补偿等装置。

级联式多电平变换器，由结构完全相同的多个功率单元级联组成，每个功率单元是一个可输出三电平的单相全桥变换器及其控制单元组成。随着功率单元级联数目的增加，装置的容量和耐压等级也相应增加。然而大量的使用开关器件必然会增加故障发生的概率，这就有必要增加冗余功率单元，当少于或者等于冗余个数功率单元故障时，故障功率单元能被旁路，装置在故障功率单元旁路后继续运行，提高装置的利用率和可靠性。因此每个功率单元有必要设计简单、经济、可靠的旁路结构。

中国专利201010624231.1和中国专利201020700497.5提供一种采用机械开关的级联式STATCOM功率单元旁路结构，选用特殊设计的机械开关作为功率单元的旁路结构，该电路结构简单，选用原件数量小，安装操作方便。中国专利201010261610.9提供了一种采用接触器作为变频器功率单元的旁路结构。中国专利200520050490.2、中国专利200810113842.2、中国专利200810113844.1均采用可控硅作为功率单元的旁路结构。以上旁路结构均采用增加功率器件来完成功率单元旁路，这样增加了额外的成本和体积；同时采用接触器或者可控硅作为旁路的执行器件，完成旁路功能需要的时间较长。

实用新型内容

为解决现有技术中存在的上述问题，本实用新型提供了一种在任何一个开关器件出现故障时均可对功率单元进行旁路控制，性能稳定、可靠，利用率高，且可减少额外的成本和体积，同时实现旁路功能所用时间少的级联式多电平变换器功率单元旁路结构。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种级联式多电平变换器功率单元旁路结构，每个功率单元均包含单元控制器、故障检测电路、单相全桥逆变器、DC/DC电源和直流耦合电路，所述单元控制器与所述故障检测电路和单相全桥逆变器连接，以及与所述级联式多电平变换器的主控制器连接，所述直流耦合电路的输入端与其所在的功率单元的直流电压两端和邻近的功率单元的直流电压两端电连接，所述DC/DC电源的输入端与所述直流耦合电路的输出端电连接，所述DC/DC电源的输出端与所述单元控制器电连接，供给各组成部件的工作电源。

进一步地，所述单相全桥逆变器主要由四个开关器件S1～S4、四个二极管D1～D4和一个电容C组成，所述开关器件S1和开关器件S2、所述开关器件S3和开关器件S4分别串联连接，且串联连接的所述开关器件S1和开关器件S2与串联连接的所述开关器件S3和开关器件S4并联连接，并且四个所述开关器件S1～S4与四个所述二极管D1～D4依次一对一地反并联连接；其中所述开关器件S1的集电极与二极管D1的阴极相连接的一端为P端，所述开关器件S2的发射极与二极管D2的阳极相连接的一端为M端，所述开关器件S1和开关器件S2及其反并联的二极管D1和二极管D2串联电路的中点为U端，所述开关器件S3和开关器件S4及其反并联的二极管D3和二极管D4串联电路的中点为V端，所述P端和M端分别与所述电容C的正端和负端相连接，同时所述P端和M端还与所述U端和V端一并与所述故障检测电路相连接。

进一步地，所述故障检测电路包括有四组电路结构相同的第一检测单元、第二检测单元、第三检测单元和第四检测单元，每组所述检测单元均主要由一个光电隔离模块、四个二极管D5～D8、四个电阻R1～R4和两个电容C1和电容C2组成，所述二极管D5、二极管D6、电阻R1和电阻R3依次导通连接在所述光电隔离模块的其中一个输入端上，所述光电隔离模块的另一个输入端上导通连接有所述二极管D8，所述电阻R2、二极管D7和电容C1的两端均分别与所述光电隔离模块的两个输入端导通连接，彼此并联连接，且所述电阻R2和二极管D7的一端连接在所述电阻R1和电阻R3之间，所述电容C1的一端连接在所述电阻R3和所述光电隔离模块的输入端之间，所述光电隔离模块的其中一个输出端导通连接有所述电阻R4，另一输出端接5V工作电源的负端，所述电容C2的两端分别与所述光电隔离模块的两个输出端导通连接；其中所述第一检测单元的输入端与所述单相全桥逆变器的P端和U端导通连接，所述第二检测单元的输入端与所述单相全桥逆变器的U端和M端导通连接，所述第三检测单元的输入端与所述单相全桥逆变器的P端和V端导通连接，所述第四检测单元的输入端与所述单相全桥逆变器的V端和M端导通连接，而且所述第一检测单元、第二检测单元、第三检测单元和第四检测单元的输出端分别是F1端、F2端、F3端和F4端，并与所述单元控制器导通连接。

进一步地，所述直流耦合电路包括有由两个二极管正向串联而成且相互并联的两组二极管和由两个二极管反向串联而成且相互并联的两组二极管；其中所述由两个二极管正向串联而成且相互并联的两组二极管的输入端分别与其所在功率单元的单相全桥逆变器的P端和邻近功率单元的单相全桥逆变器的P’端导通连接，输出端均与其所在功率单元的DC/DC电源的V₁₊输入端导通连接；所述由两个二极管反向串联而成且相互并联的两组二极管的输入端分别与其所在功率单元的单相全桥逆变器的M端和邻近功率单元的单相全桥逆变器的M’端导通连接，输出端均与其所在功率单元的DC/DC电源的V_1-输入端导通连接。

进一步地，所述直流耦合电路包括有由三个二极管正向串联而成且相互并联的三组二极管和由三个二极管反向串联而成且相互并联的三组二极管；其中所述由三个二极管正向串联而成且相互并联的三组二极管的输入端分别与其所在功率单元的单相全桥逆变器的P端和两个邻近功率单元的单相全桥逆变器的P’端、P”导通连接，输出端均与其所在功率单元的DC/DC电源的V₁₊输入端导通连接；所述由三个二极管反向串联而成且相互并联的三组二极管的输入端分别与其所在功率单元的单相全桥逆变器的M端和两个邻近功率单元的单相全桥逆变器的M’端、M”导通连接，输出端均与其所在功率单元的DC/DC电源的V_1-输入端导通连接。

进一步地，每个所述功率单元与所述级联式多电平变换器的主控制器之间通过光纤导通连接。

本实用新型的有益效果是：

采用了本实用新型所述的级联式多电平变换器功率单元旁路结构作为主电路的各类装置，如静止同步补偿器（STATCOM）、静止无功发生器（SVG）、变频器等系统，在任何一个开关器件出现短路和开路故障及其它特定故障时，均可对该出现故障的开关器件所在的功率单元进行旁路控制，保证了该装置的正常工作，性能稳定、可靠，利用率高，解决了必须退出运行并排除故障后方才投入使用的问题，而且无需额外附加旁路器件，减少了额外的成本和体积，同时实现旁路功能所用时间少于采用接触器和可控硅完成旁路功能所用时间。

附图说明

图1是本实用新型所述一种级联式多电平变换器功率单元旁路结构实施例的结构示意图；

图2是本实用新型所述一种级联式多电平变换器功率单元旁路结构实施例中功率单元与主控制器的结构示意图；

图3是本实用新型所述一种级联式多电平变换器功率单元旁路结构实施例中单相全桥逆变器的结构示意图；

图4是本实用新型所述一种级联式多电平变换器功率单元旁路结构实施例中故障检测电路的结构示意图；。

图5是本实用新型所述一种级联式多电平变换器功率单元旁路结构实施例中单相全桥逆变器的门极触发信号波形图；

图6是本实用新型所述一种级联式多电平变换器功率单元旁路结构实施例中直流耦合电路的结构示意图；

图7是本实用新型所述一种级联式多电平变换器功率单元旁路结构实施例中另一直流耦合电路的结构示意图；

图8是本实用新型所述一种级联式多电平变换器功率单元旁路结构实施例中开关器件没有发生开路故障时的检测波形图；

图9是本实用新型所述一种级联式多电平变换器功率单元旁路结构实施例中开关器件S1和开关器件S2发生开路故障时的检测波形图；

图10是本实用新型所述一种级联式多电平变换器功率单元旁路结构实施例中开关器件S3和开关器件S4发生开路故障时的检测波形图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1、图2、图3和图5中所示：

本实用新型实施例所述的一种级联式多电平变换器功率单元旁路结构，每个功率单元1均包含单元控制器11、故障检测电路12、单相全桥逆变器13、DC/DC电源14和直流耦合电路15，所述单元控制器11与故障检测电路12和单相全桥逆变器13连接，以及通过光纤与级联式多电平变换器的主控制器2连接，所述直流耦合电路15的输入端与其所在的功率单元 1的直流电压两端和邻近的功率单元1的直流电压两端电连接，所述DC/DC电源14的输入端与直流耦合电路15的输出端电连接，所述DC/DC电源14的输出端与单元控制器11电连接，供给各组成部件的工作电源。

本实用新型实施例所述的单相全桥逆变器13主要由四个开关器件S1～S4、四个二极管D1～D4和一个电容C组成，所述开关器件S1～S4均为IGBT管，所述开关器件S1和开关器件S2、所述开关器件S3和开关器件S4分别串联连接，且串联连接的开关器件S1和开关器件S2与串联连接的开关器件S3和开关器件S4并联连接，并且四个开关器件S1～S4与四个二极管D1～D4依次一对一地反并联连接；其中开关器件S1的集电极与二极管D1的阴极相连接的一端为P端，开关器件S2的发射极与二极管D2的阳极相连接的一端为M端，开关器件S1和开关器件S2及其反并联的二极管D1和二极管D2串联电路的中点为U端，开关器件S3和开关器件S4及其反并联的二极管D3和二极管D4串联电路的中点为V端，所述P端和M端分别与电容C的正端和负端相连接，同时P端和M端还与U端和V端一并与故障检测电路12相连接。

本实用新型实施例所述的一种链式有源电力滤波器功率单元旁路的工作原理为：实时地对链式多电平逆变器中每一功率单元1中开关器件的状态进行检测，并对其故障类型进行分类判断，充分利用该故障开关器件所在的功率单元1中非故障开关器件的控制来达到旁路该故障功率单元1的目的。具体包括有以下步骤：首先，故障检测电路12实时检测其所在功率单元1中单相全桥逆变器13的开关器件的状态，并将检测的故障信息传送给其所在功率单元1的单元控制器11；接着，该故障功率单元1的单元控制器11接收到该故障检测电路12传送过来的故障信息进行判断和故障分类，并将故障分类发送、上报给主控制器2；然后，主控制器2根据故障功率单元1的单元控制器11上报的故障分类发出相应的旁路控制命令；最后，该故障功率单元1的单元控制器11根据接收到主控制器2发出的旁路控制命令对单相全桥逆变器13的开关器件进行合理的开通控制，使该故障功率单元1的单相全桥逆变器13输出短路，实现旁路该故障功率单元1的目的。

其中，所述该故障功率单元1的单元控制器11根据接收到主控制器2发出的脉冲信号和旁路控制命令对单相全桥逆变器13的开关器件进行合理的开通控制，具体为：该故障功率单元1的单元控制器11根据接收到主控制器2发出的旁路控制命令向单相全桥逆变器13中非故障的开关器件发出开关信号，使开关器件S1和开关器件S3或者开关器件S2和开关器件S4导通，从而输出短路，实现旁路控制。

而且在工作时，主控制器2向单元控制器11发送的代表单相全桥逆变器13中开关器件S1的开关信号，经过单元控制器11内的开关器件驱动电路后给出开关器件S1门极触发信号；主控制器1向单元控制器211发送的代表单相全桥逆变器13中开关器件S3的开关信号，经过单元控制器11内的开关器件驱动电路后给出开关器件S3门极触发信号；为避免单相全桥逆变器13中开关器件S1和开关器件S2以及开关器件S3和开关器件S4直通现象，引入死区时间，开关器件S2门极触发信号和开关器件S4门极触发信号逻辑（如图5），其中“1”代表触发开关器件导通，“0”代表触发开关器件关断。主控制器2将运行、停止、旁路命令，以数据编码方式，通过传递到单元控制器11；单元控制器11将本功率单元1的开关器件的开路故障、短路故障和直流电压欠压和过压等信息，以数据编码方式，通过传递到主控制器2。

如图4、图8至图10中所示：

本实用新型实施例所述的一种级联式多电平变换器功率单元旁路结构中的故障检测电路12包括有四组电路结构相同的第一检测单元121、第二检测单元122、第三检测单元123和第四检测单元124，每组检测单元121～124均主要由一个光电隔离模块125、四个二极管D5～D8、四个电阻R1～R4和两个电容C1和电容C2组成；所述光电隔离模块125为TLP521或6N137芯片，所述二极管D5、二极管D6、电阻R1和电阻R3依次导通连接在光电隔离模块2125的其中一个输入端上，且二极管D5～D7为（单极性或双极性）瞬态电压吸收管或者稳压二极管，其中二极管D5和D6主要起到电压截止作用，只有施加在回路上的电压超过D5和D6的稳压值时，光电隔离模块125中发光二极管才有电流流过，所述光电隔离模块125的另一个输入端上导通连接有二极管D8，二极管D8主要用于避免光电隔离模块125中发光二极管承受反向电压，所述电阻R2、二极管D7和电容C1的两端均分别与光电隔离模块125的两个输入端导通连接，彼此并联连接，且电阻R2和二极管D7的一端连接在电阻R1和电阻R3之间，二极管D7主要用于起到稳压作用，避免施加到光电隔离模块125的发光二极管两端的电压过高，所述电容C1的一端连接在电阻R3和光电隔离模块125的输入端之间，所述光电隔离模块125的其中一个输出端导通连接有电阻R4，另一输出端接5V工作电源的负端，所述电容C2的两端分别与光电隔离模块125的两个输出端导通连接，并且所述电阻R1～R3为限流分压电阻，主要用于限制流过光电隔离模块125中发光二极管的电流，所述电阻R4是上拉电平电阻，所述电容C1和C2为滤除高频信号的滤频电容；其中第一检测单元121的输入端与单相全桥逆变器13的P端和U端导通连接，第二检测单元122的输入端与单相全桥逆变器13的U端和M端导通连接，第三检测单元123的输入端与单相全桥逆变器13的P端和V端导通连接，第四检测单元124的输入端与单相全桥逆变器13的V端和M端导通连接，而且第一检测单元121、第二检测单元122、第三检测单元123和第四检测单元124的输出端分别是F1端、F2端、F3端和F4端，并与单元控制器11导通连接。

本实用新型提出的故障检测电路12中开关器件故障检测原理如下：

例如：设定单相全桥逆变器13中电容C两端直流电压最低工作电压为，最高工作电压为。作为本功率单元直流电压欠压，上报主控制器2；作为本功率单元直流电压过压，上报主控制器2。当故障检测电路212中检测单元输入电压、、和分别大于，小于时，第一检测单元121、第二检测单元122、第三检测单元123和第四检测单元124中光电隔离模块125各自导通，其F1端、F2端、F3端和F4端分别输出低电平；当故障检测电路12中检测单元输入电压、、和低于时，第一检测单元121、第二检测单元122、第三检测单元123和第四检测单元124中光电隔离模块125不导通，F1端、F2端、F3端和F4端输出高电平。下面以单相全桥逆变器13中电容C两端电压处在正常工作状态下，详述开关器件的开路故障和短路故障检测方法。

开关器件的短路故障检测是在开关器件门极触发脉冲被封锁情况下进行。当开关器件S1出现短路故障时，单相全桥逆变器13中电容C两端电压直接加到第二检测单元122的U端和M端，第二检测单元122中的光电隔离模块125导通，第二检测单元122的F2端输出低电平。同理，当开关器件S2出现短路故障时，第一检测单元121的F1端输出低电平；当开关器件S3出现短路故障时，第四检测单元124的F4端输出低电平；当开关器件S4出现短路故障时，第三检测单元123的F3端输出低电平。对于单相全桥逆变器13中同一桥臂的开关器件S1和开关器件S2或开关器件S3和开关器件S4同时出现短路故障，会造成单相全桥逆变器13中电容C放电，变为0，造成本功率单元欠压故障，上报主控制器2，其它情况的开关器件短路故障或者组合短路故障，通过检测F1端、F2端、F3端和F4端的高低电平状态，就可以判断相应开关器件的是否出现短路故障。

开关器件S1～S4的开路故障检测是在开关器件门极触发脉冲正常动作情况下进行实时判断。图8给出了开关器件S1和开关器件S2没有发生开路故障时第一检测单元121的F1端和第二检测单元122的F2端的波形（因检测单元的延时以及开关器件的开通和关断过渡过程不影响本方法的分析结果，因此分析时不考虑这部分的影响），其中开关器件S1和开关器件S2的信号为“1”代表开关管子导通，开关器件S1和开关器件S2的信号为“0”代表开关管子关断；F1端和F2端的信号为“1”代表高电平，F1端和F2端的信号为“0”代表低电平。从图8可以看出，F1端的信号的高电平和低电平与开关器件S2的关断和开通相对应；F2端的信号的高电平和低电平与开关器件S1的关断和开通相对应。图9给出了开关器件S1发生开路故障情况下F1端和F2端的波形。从图9可以看出，开关器件S1发生开路故障时，F2端的信号总是处于高电平。图10给出了开关器件S2发生开路故障情况下F1端和F2端的波形。从图10可以看出，开关器件S2发生开路故障时，F1端的信号总是处于高电平。同理，对于开关器件S3和开关器件S4发生开路故障可以做出相同分析。对于单相全桥逆变器13中开关器件开路故障，通过检测F1端、F2端、F3端和F4端的高低电平状态，与开关器件的触发信号、、和比较，就可以判断相应开关器件的是否出现开路故障。这样可以在一个开关周期内，判断出开关器件的开路故障，实现了开关器件开路故障的快速检测。

单元控制器11接收主控制器2的脉冲信号以及控制命令，当功率单元1正常时，根据脉冲信号和控制命令，控制本功率单元1的单相全桥逆变器13输出补偿电压；当功率单元1发生开关器件S1～S4短路故障或者开路故障时，经过故障检测电路12，并由单元控制器11判断出本功率单元开关器件故障类型后，将此故障信息上报主控制器2，主控制器2根据本功率单元1的开关器件故障类型向本功率单元1发出相应的旁路控制命令，单元控制器11根据该旁路控制命令地合理控制开关器件的开通，使本功率单元1的单相全桥逆变器13输出短路，达到本功率单元1旁路的目的；或者当功率单元1发生其它特定故障需要旁路时，单元控制器11将此故障信息上报主控制器2，主控制器2根据该故障信息向本功率单元1发出旁路命令，单元控制器11根据该旁路控制命令地合理控制开关器件的开通，使本功率单元1的单相全桥逆变器13输出短路，达到本功率单元1旁路的目的。

如图6和图7中所示：

本实用新型实施例所述的一种级联式多电平变换器功率单元旁路结构中的直流耦合电路15包括有由两个二极管正向串联而成且相互并联的两组二极管和由两个二极管反向串联而成且相互并联的两组二极管（如图6）；其中，所述由两个二极管正向串联而成且相互并联的两组二极管的输入端分别与其所在功率单元的单相全桥逆变器13的P端和邻近功率单元的单相全桥逆变器13的P’端导通连接，输出端均与其所在功率单元的DC/DC电源14的V₁₊输入端导通连接；所述由两个二极管反向串联而成且相互并联的两组二极管的输入端分别与其所在功率单元的单相全桥逆变器13的M端和邻近功率单元的单相全桥逆变器13的M’端导通连接，输出端均与其所在功率单元的DC/DC电源14的V_1-输入端导通连接。

这样，当故障功率单元1被旁路后，该故障功率单元1的单相全桥逆变器13中电容C两端的电压变为零时，直流耦合电路15将邻近功率单元1的单相全桥逆变器13中电容C 的电压提供给DC/DC电源14电能。

作为本实用新型一优选实施方案，所述直流耦合电路15包括有由三个二极管正向串联而成且相互并联的三组二极管和由三个二极管反向串联而成且相互并联的三组二极管（如图7）；其中，所述由三个二极管正向串联而成且相互并联的三组二极管的输入端分别与其所在功率单元的单相全桥逆变器13的P端和两个邻近功率单元的单相全桥逆变器13的P’端、P”导通连接，输出端均与其所在功率单元的DC/DC电源14的V₁₊输入端导通连接；所述由三个二极管反向串联而成且相互并联的三组二极管的输入端分别与其所在功率单元的单相全桥逆变器13的M端和两个邻近功率单元的单相全桥逆变器13的M’端、M”导通连接，输出端均与其所在功率单元的DC/DC电源14的V1-输入端导通连接。这样，直流耦合电路15向DC/DC电源14提供的输入电源更为可靠。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和等效,这些改进和等效也视为本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种级联式多电平变换器功率单元旁路结构，其特征在于：每个功率单元（1）均包含单元控制器（11）、故障检测电路（12）、单相全桥逆变器（13）、DC/DC电源（14）和直流耦合电路（15），所述单元控制器（11）与所述故障检测电路（12）和单相全桥逆变器（13）连接，以及与所述级联式多电平变换器的主控制器（2）连接，所述直流耦合电路（15）的输入端与其所在的功率单元（1）的直流电压两端和邻近的功率单元（1）的直流电压两端电连接，所述DC/DC电源（14）的输入端与所述直流耦合电路（15）的输出端电连接，所述DC/DC电源（14）的输出端与所述单元控制器（11）电连接，供给各组成部件的工作电源。

2.根据权利要求1所述的级联式多电平变换器功率单元旁路结构，其特征在于：所述单相全桥逆变器（13）主要由四个开关器件S1～S4、四个二极管D1～D4和一个电容C组成，所述开关器件S1和开关器件S2、所述开关器件S3和开关器件S4分别串联连接，且串联连接的所述开关器件S1和开关器件S2与串联连接的所述开关器件S3和开关器件S4并联连接，并且四个所述开关器件S1～S4与四个所述二极管D1～D4依次一对一地反并联连接；其中所述开关器件S1的集电极与二极管D1的阴极相连接的一端为P端，所述开关器件S2的发射极与二极管D2的阳极相连接的一端为M端，所述开关器件S1和开关器件S2及其反并联的二极管D1和二极管D2串联电路的中点为U端，所述开关器件S3和开关器件S4及其反并联的二极管D3和二极管D4串联电路的中点为V端，所述P端和M端分别与所述电容C的正端和负端相连接，同时所述P端和M端还与所述U端和V端一并与所述故障检测电路（12）相连接。

3.根据权利要求2所述的级联式多电平变换器功率单元旁路结构，其特征在于：所述故障检测电路（12）包括有四组电路结构相同的第一检测单元（121）、第二检测单元（122）、第三检测单元（123）和第四检测单元（124），每组所述检测单元（121～124）均主要由一个光电隔离模块（125）、四个二极管D5～D8、四个电阻R1～R4和两个电容C1和电容C2组成，所述二极管D5、二极管D6、电阻R1和电阻R3依次导通连接在所述光电隔离模块（2125）的其中一个输入端上，所述光电隔离模块（125）的另一个输入端上导通连接有所述二极管D8，所述电阻R2、二极管D7和电容C1的两端均分别与所述光电隔离模块（125）的两个输入端导通连接，彼此并联连接，且所述电阻R2和二极管D7的一端连接在所述电阻R1和电阻R3之间，所述电容C1的一端连接在所述电阻R3和所述光电隔离模块（125）的输入端之间，所述光电隔离模块（125）的其中一个输出端导通连接有所述电阻R4，另一输出端接5V工作电源的负端，所述电容C2的两端分别与所述光电隔离模块（125）的两个输出端导通连接；其中所述第一检测单元（121）的输入端与所述单相全桥逆变器（13）的P端和U端导通连接，所述第二检测单元（122）的输入端与所述单相全桥逆变器（13）的U端和M端导通连接，所述第三检测单元（123）的输入端与所述单相全桥逆变器（13）的P端和V端导通连接，所述第四检测单元（124）的输入端与所述单相全桥逆变器（13）的V端和M端导通连接，而且所述第一检测单元（121）、第二检测单元（122）、第三检测单元（123）和第四检测单元（124）的输出端分别是F1端、F2端、F3端和F4端，并与所述单元控制器（11）导通连接。

4.根据权利要求3所述的级联式多电平变换器功率单元旁路结构，其特征在于：所述直流耦合电路（15）包括有由两个二极管正向串联而成且相互并联的两组二极管和由两个二极管反向串联而成且相互并联的两组二极管；其中所述由两个二极管正向串联而成且相互并联的两组二极管的输入端分别与其所在功率单元的单相全桥逆变器（13）的P端和邻近功率单元的单相全桥逆变器（13）的P’端导通连接，输出端均与其所在功率单元的DC/DC电源（14）的V₁₊输入端导通连接；所述由两个二极管反向串联而成且相互并联的两组二极管的输入端分别与其所在功率单元的单相全桥逆变器（13）的M端和邻近功率单元的单相全桥逆变器（13）的M’端导通连接，输出端均与其所在功率单元的DC/DC电源（14）的V_1-输入端导通连接。

5.根据权利要求3所述的级联式多电平变换器功率单元旁路结构，其特征在于：所述直流耦合电路（15）包括有由三个二极管正向串联而成且相互并联的三组二极管和由三个二极管反向串联而成且相互并联的三组二极管；其中所述由三个二极管正向串联而成且相互并联的三组二极管的输入端分别与其所在功率单元的单相全桥逆变器（13）的P端和两个邻近功率单元的单相全桥逆变器（13）的P’端、P”导通连接，输出端均与其所在功率单元的DC/DC电源（214）的V₁₊输入端导通连接；所述由三个二极管反向串联而成且相互并联的三组二极管的输入端分别与其所在功率单元的单相全桥逆变器（213）的M端和两个邻近功率单元的单相全桥逆变器（13）的M’端、M”导通连接，输出端均与其所在功率单元的DC/DC电源（14）的V_1-输入端导通连接。

6.根据权利要求1至5中任何一项所述的级联式多电平变换器功率单元旁路结构，其特征在于：每个所述功率单元（1）与所述级联式多电平变换器的主控制器（2）之间通过光纤导通连接。