一種有直流母線的電容自均壓三相多電平變換器電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多電平變換器，特別涉及一種有直流母線的電容自均壓三相多電平變換器電路，屬于電力設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]大容量、高電壓、高可控性和信息化是功率變換技術(shù)的發(fā)展潮流，高電壓大容量多電平變換器越來越廣泛的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和生活當中，正在迅速取代傳統(tǒng)的基于低頻晶閘管的變換器，尤其在電力無功補償、直流輸電和高壓電機驅(qū)動方面。多電平變換器較傳統(tǒng)兩電平變換器在承受電壓和提高容量方面有極大發(fā)展，同時多電平變換器輸出電壓dv/dt小，等效開關(guān)頻率高，尤其是基于H橋結(jié)構(gòu)的級聯(lián)多電平變換器，模塊性好，系統(tǒng)冗余度高，是當前中壓領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛的多電平拓撲結(jié)構(gòu)；近些年迅速發(fā)展的模塊化多電平拓撲結(jié)構(gòu)在直流輸電方面也獲得了成功應(yīng)用；在電機驅(qū)動方面，除了應(yīng)用廣泛的級聯(lián)多電平逆變電路之外，常規(guī)二極管電位多電平、中點箝位多電平變換器也獲得一定的應(yīng)用。整體上多電平變換器發(fā)展呈現(xiàn)出欣欣向榮的態(tài)勢。
[0003]然而在上述兩大類多電平變換器拓撲當中，每種結(jié)構(gòu)也都有顯著的不足:
[0004]對于H橋級聯(lián)拓撲和模塊化多電平拓撲結(jié)構(gòu)，由于每個級聯(lián)的單元直流側(cè)電容處于懸浮狀態(tài)，由于實際電路參數(shù)差異、功率開關(guān)驅(qū)動脈沖延時等不理想因素，造成各個單元的直流側(cè)電容電壓出現(xiàn)不平衡的情況。這是這類多電平變換器拓撲的一個關(guān)鍵問題。通過專門軟件控制可以在穩(wěn)態(tài)下實現(xiàn)這類多電平拓撲的電容均壓控制，但是大大增加了控制復雜度。
[0005]對于常規(guī)二極管箝位多電平變換器拓撲，由于箝位二極管電路較為復雜，在變換器電平數(shù)比較低時電路比較簡潔，但是隨著電平數(shù)的增加，箝位二極管數(shù)目迅速增加，并且模塊性很差，整個電路連接錯綜復雜，在實際工程中大大增加工程實現(xiàn)復雜度，并降低可靠性。另外常規(guī)二極管箝位多電平變換器在電平數(shù)目增加后，箝位電容數(shù)目也會增加，而每個電容的電壓也需要進行專門控制，增加工程實現(xiàn)的難度，這些都是常規(guī)二極管箝位多電平變換器拓撲的關(guān)鍵問題。
[0006]文獻:最少電壓傳感器的二極管箝位模塊化多電平變換器直流電容自均壓方 法(Congzhe Gao, Xinjian Jiang, Yongdong Li,et al.A DC-1ink VoltageSelf-balance Method for D1de-Clamped Modular Multilevel Converter WithMinimum Number of Voltage Sensors，IEEE Transact1ns on Power Electronics, vol28, n0.5pp:2125-2139, May 2013.)和一種新型自均壓二極管箝位級聯(lián)有源濾波器(高聰哲，姜新建，李永東.一種新型自均壓二極管箝位級聯(lián)有源濾波器.電力系統(tǒng)自動化，第36卷，第12期，pp: 94-100，2012.)對一種有新型二極管箝位的多電平變換器進行了研宄，但是電路只能單一方向均壓，不能實現(xiàn)雙向均壓，需要能量反饋電路或者軟件算法來進行專門控制，均壓能力差；同時三相閥體星型連接，不具備直流母線，不利于負序分量處理，也不能用于電機驅(qū)動等場合，實用性受到限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是針對上述問題，提供一種有直流母線的電容自均壓三相多電平變換器電路，該電路具有電壓自動均衡、結(jié)構(gòu)簡單、模塊性好的特點。
[0008]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0009]一種有直流母線的電容自均壓三相多電平變換器電路，包括公共直流母線、電容和三相電容自均壓多電平逆變電路；三相電容自均壓多電平逆變電路與公共直流母線直接相連，公共直流母線的正負極間通過電容相連；所述三相電容自均壓多電平逆變電路由三相電容自均壓閥體組成，三相電容自均壓閥體并聯(lián)后與公共直流母線相連。
[0010]作為優(yōu)選，所述電容為I個電容或2個以上電容相串聯(lián)構(gòu)成的電容組，電容正極連接公共直流母線正極，電容負極連接公共直流母線負極。
[0011 ] 作為優(yōu)選，所述三相電容自均壓閥體，包括三個結(jié)構(gòu)相同的電容自均壓閥體，每個閥體由6個連接電感，一個中間二極管和左右兩組準對稱串聯(lián)功率單元結(jié)構(gòu)；
[0012]所述左右兩組準對稱串聯(lián)功率單元結(jié)構(gòu)中每組結(jié)構(gòu)包含N個功率單元，N為大于零的偶數(shù)；
[0013]每個功率單元含有兩個上下串聯(lián)的功率開關(guān)(橋臂)、一個電容、與一個二極管；橋臂兩端與電容兩端并聯(lián)構(gòu)成半橋電路；
[0014]在左組結(jié)構(gòu)中，電容正極連接二極管陰極，二極管陽極、橋臂中點、電容負極與電容正極是功率單元的連接端口 ；橋臂中點連接上一級功率單元的電容負極；電容負極連接下一級功率單元的橋臂中點；電容正極連接上一級功率單元的二極管的陽極，二極管的陽極連接下一級功率單元的電容正極；
[0015]在右組結(jié)構(gòu)中，電容負極連接二極管陽極，二極管陰極、橋臂中點、電容負極與電容正極是功率單元的連接端口 ；電容正極連接上一級功率單元的橋臂中點；橋臂中點連接下一級功率單元的電容正極；二極管陰極連接上一級功率單元的電容負極，電容負極連接下一級功率單元的二極管陰極；
[0016]左組結(jié)構(gòu)中第N單元無二極管，右組結(jié)構(gòu)中第一單元無二極管；
[0017]閥體左側(cè)第I單元橋臂中點經(jīng)第一連接電感1^連接公共直流母線正極；右側(cè)第I單元電容正極經(jīng)第二連接電感1^2連接公共直流母線正極；左側(cè)第I單元電容負極經(jīng)第三電感1^3連接右側(cè)第I單元橋臂中點；左側(cè)第N/2單元電容負極經(jīng)第四連接電感1^4連接第五連接電感1^作為閥體的交流輸出端口，第五連接電感L 5的另一端連接右側(cè)第N/2單元橋臂中點；左側(cè)第N單元電容正極連接中間二極管Dam的陰極，D M的陽極連接右側(cè)第N單元的電容正極；左側(cè)第N單元的電容負極與右側(cè)第N單元的橋臂中點直接相連并經(jīng)第六連接電感L6連接至公共直流母線的負極。
[0018]作為優(yōu)選，所述功率開關(guān)為IGBT、GTO或IGCT功率半導體開關(guān)。
[0019]作為優(yōu)選，所述每相閥體左側(cè)第k單元橋臂的上下開關(guān)驅(qū)動信號為互鎖關(guān)系；左側(cè)第k單元橋臂上管與同一閥體右側(cè)第k單元橋臂下管驅(qū)動信號相同；左側(cè)第k單元橋臂下管與同一閥體右側(cè)第k單元橋臂上管驅(qū)動信號相同。
[0020]有益效果
[0021]本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點:
[0022]1、本發(fā)明由于采用輔助二極管利用主電路工作時電路模態(tài)切換中，相鄰單元產(chǎn)生并聯(lián)電路模態(tài)，使得變換器的各個單元直流電容電壓自動保持均衡；
[0023]2、本發(fā)明中各個單元由電路模態(tài)切換保持電容電壓均衡，無需對單個電容電壓進行單獨專門控制，只需對直流母線電壓進行控制即可，控制電路和復雜度大大降低；
[0024]3、本發(fā)明的多電平變換器具有直流母線結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)負序分量的輸出，以及有利于交/直流雙向功率流動的實現(xiàn)；
[0025]4、本發(fā)明提供的電路由于具有直流母線，用于驅(qū)動電機時，網(wǎng)側(cè)無需變壓器，較傳統(tǒng)H橋級聯(lián)型結(jié)構(gòu)電路簡單，成本低；
[0026]5、本發(fā)明中電路拓撲中保持電路模塊性的特征，電路簡潔，有利于工程實現(xiàn)。
【附圖說明】
[0027]圖1是本發(fā)明實施例閥體單元數(shù)目N= 6單元串聯(lián)的整體電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實施例多電平變換器用于電機驅(qū)動時的整流/逆變示意圖；
[0028]圖3是本發(fā)明實施例多電平變換器用于背靠背式應(yīng)用(直流輸電)時的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0029]下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明加以詳細說明，同時也敘述了本發(fā)明技術(shù)方案解決的技術(shù)問題及有益效果，需要指出的是，所描述的實施例僅旨在便于對本發(fā)明的理解，而對其不起任何限定作用。
[0030]本發(fā)明電路為一種可以應(yīng)用于中壓/高壓直流輸電、無功補償、諧波抑制、電機驅(qū)動等場合中的交/直流變換電路。
[0031]本發(fā)明的思想是在采用基本半橋逆變結(jié)構(gòu)單元的基礎(chǔ)上，增添一個二極管，構(gòu)成有向上均壓功能的功率單元，將上下對稱的N/2個(N為偶數(shù))功率單元串聯(lián)構(gòu)成閥體的一半，另一側(cè)采用數(shù)目相同，結(jié)構(gòu)對稱，但均壓方向向下的功率單元串聯(lián)而成，兩部分之間由電感和二極管連接，實現(xiàn)均壓閉環(huán)回路，使得整個閥體電路在運行過程中保持每個單元的電容電壓相等，由三個結(jié)構(gòu)相同的閥體構(gòu)成三相結(jié)構(gòu)，閥體兩端分別連接著正負直流母線，組成本發(fā)明提出的最終拓撲結(jié)構(gòu)。
[0032]實施例如圖1所示，本發(fā)明所提出的電路主要為三相電容自均壓閥體并聯(lián)在直流母線上，三相閥體中間輸出為交流三相輸出端，變換器直流母線分為正極母線和負極母線。其中，每相閥體含有2N個功率單元，每個功率單