一种五电平直流变换电路及包含该电路的发电机励磁系统技术方案

本发明专利技术公开了一种五电平直流变换电路及包含该电路的发电机励磁系统。本发明专利技术的五电平斩波电路中，第一开关管一端连接于励磁输出正端，另一端连接直流电源正端；第二开关管一端连接于励磁输出负端，另一端串联第六二极管后连接电容串联回路中点；第三开关管一端连接于励磁输出负端，另一端连接直流电源负端；第一到第三二极管分别反并联与第一至第三开关管，第四二极管一端连接于电源正端，另一端接连于励磁输出负端，第五二极管一端连接于电源负端，另一端接连于励磁输出正端。本发明专利技术基于励磁电流单向输出的特点，在实现励磁电压五电平直流斩波输出、励磁功率双向流动的同时，能够减小开关管损耗，提高全控型励磁系统效率。

A five level DC converter circuit and the generator excitation system containing the circuit

The invention discloses a five level DC converter circuit and a generator excitation system including the circuit. Five level chopper circuit of the invention, a first switch tube is connected to the excitation output is end, the other end is connected with the positive pole of DC power; second switch tube connected to the excitation output negative end, the other end is connected in series with the sixth diode connected capacitor series circuit point; third switch tube is connected to the negative terminal of the other end excitation output. DC power supply is connected to the negative terminal; the first to the third anti parallel diode respectively and first to third switches, fourth diodes connected to the power supply end of the other end is connected to the excitation, negative output end, fifth diode is connected to the negative terminal of the supply, the other end is connected to the positive output end excitation. Based on the characteristics of excitation current one-way output, the invention realizes the excitation voltage five level DC chopping output and bidirectional excitation power flow, and meanwhile, it can reduce the loss of switch tube and improve the efficiency of the fully controlled excitation system.

【技术实现步骤摘要】
一种五电平直流变换电路及包含该电路的发电机励磁系统
本专利技术属于电气工程
，具体地说是一种应用于发电机励磁系统的五电平直流变换电路及包含该电路的发电机励磁系统。
技术介绍
随着特高压直流、柔性直流的大量投运和新能源发电高渗透率趋势的迅猛发展，电力电子化电力系统在超低频功率振荡、次同步振荡、毫秒级无功电压支撑等电磁/机电混合领域的运行风险增加。励磁系统是同步发电机的重要组成部分，对电力系统的安全稳定运行有重要影响，充分利用励磁系统调控能力是提高电力系统稳定性最经济有效的手段之一。基于半控器件晶闸管（SCR）整流的常规励磁系统，受限于其控制速度慢、且仅可以控制器件开通无法控制关断，已难以适应电力电子化电网的运行需求。IGBT等全控器件可以同时控制开通和关断，因此其控制响应速度和控制灵活性具有明显优势。目前已有国内外学者提出将IGBT等全控器件构成的整流电路和斩波电路应用于发电机励磁系统，实现全控型励磁系统，在提供同步发电机直流励磁电流的同时，其交流侧可以控制无功电流分量，可以快速控制向同步发电机端注入或吸收无功。交流侧无功的毫秒级直接支撑能力可以显著提升机组的无功电压控制性能和响应速度，并为宽频带低频功率振荡、次同步振荡的抑制技术提供手段。目前，全控励磁系统拓扑结构有电压源型和电流源型之分。由于储能大电感的成本、体积和重量以及控制较复杂等原因，电流源型全控励磁系统的研究较少。电压源型全控励磁回路中，为实现励磁系统零起升流、能量交流回馈等要求，以三相全控整流和DC-DC斩波回路组合的拓扑结构为主；其中，DC-DC斩波回路以H桥或者H桥并联结构为主，能够输出前端直流电压E、0和直流电压-E三电平电压，单个开关管动作对应两端电压的变化幅值为直流电压E；由于回路中的开关管在实际中并非理想器件，使用中开通和截止过程存在电流和电压波形交叠，产生功率器件的开关损耗，该损耗随动作时对应两端电压的变化量升高而增加，会使得整体系统效率下降；同时，更高的电压变化率也会带来更严重的电磁干扰问题；在直流输出侧，较大的输出电压电平变化也影响输出电压质量，使得电压纹波增加，共模电压更高，对电机轴电流和绝缘产生更大危害。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种应用于发电机励磁系统的五电平直流变换电路，其根据励磁电流单向流通的特点，设计一种励磁电压双向输出、励磁功率双向流动的五电平直流变换电路，以降低开关动作时电压变化率，减小开关管开关损耗，提高系统效率，改善输出电压质量。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种五电平直流变换电路，其包括直流电源提供电路、第一电容器C1、第二电容器C2和五电平直流斩波电路；所述五电平直流斩波电路包括第一开关管V1、第二开关管V2、第三开关管V3、第一二极管VD1、第二二极管VD2、第三二极管VD3、第四二极管VD4、第五二极管VD5和第六二极管VD6，所述的第一电容器C1和第二电容器C2串联后并联于直流电源提供电路两端，直流电源提供电路的两端分别为正电压端P和负电压端N，两电容器之间的连接点为中间电压端O；所述第一开关管V1的一端连接正电压端P，另一端连接励磁输出正端；所述第二开关管V2的一端连接负电压端N，另一端连接励磁输出负端；所述第三开关管V3与第六二极管VD6串联，该串联支路的一端连接中间电压端O，另一端连接励磁输出负端；所述第一二极管VD1、第二二极管VD2、第三二极管VD3分别反向并联与第一开关管V1、第二开关管V2、第三开关管V3两端；所述第四二极管VD4的一端连接于正电压端P，另一端接连于励磁输出负端；第五二极管VD5的一端连接于负电压端N，另一端接连于励磁输出正端。作为上述技术方案的补充，所述第一开关管V1、第二开关管V2和第三开关管V3均采用IGBT全控器件。作为上述技术方案的补充，所述第一开关管V1的集电极连接正电压端P，发射极连接励磁输出正端；所述第二开关管V2的发射极连接负电压端N，集电极连接励磁输出负端；所述第三开关管V3的发射极与第六二极管VD6阳极连接，第六二极管VD6的阴极连接中间电压端O，第三开关管V3的集电极连接励磁输出负端；所述第四二极管VD4的阴极连接于正电压端P，阳极接连于励磁输出负端；第五二极管VD5的阳极连接于负电压端N，阴极接连于励磁输出正端。本专利技术的另一目的是提供包含上述五电平直流变换电路的发电机励磁系统，所述的第一开关管V1、第二开关管V2和第三开关管V3的控制端受发电机励磁系统励磁调节器控制。作为上述发电机励磁系统的补充，励磁系统运行时，当第一开关管V1和第二开关管V2开通时，电路输出电压+E；当第一开关管V1和第三开关管V3开通时，电路输出电压+E/2；当第一开关管V1开通时，电流通过第四二极管VD4续流，电路输出电压0；当第二开关管V2开通时，电流通过第五二极管VD5续流，电路同样输出电压0；当第三开关管V3开通时，电流通过第五二极管VD5和第六二极管VD6续流，电路输出电压-E/2；当电流通过第四二极管VD4和第五二极管V5续流，电路输出电压-E。作为上述发电机励磁系统的补充，所述励磁系统的控制方法如下：采用+E/2和0电平组合方式实现正常励磁，输出0到额定励磁电压之间的调节；采用+E/2和+E电平组合方式实现短时强励，输出额定到最大励磁电压之间的调节；采用0和-E/2电平组合方式进行逆变控制，实现缓慢灭磁；采用-E/2和-E电平组合方式进行逆变控制，实现快速强减灭磁。本专利技术所述的五电平直流变换电路，根据导通控制信号不同，能够输出E、E/2、0、-E/2、-E五电平直流励磁电压，相比于典型的H桥三电平斩波，增加E/2和-E/2两路电平输出，运行中开通关断电压能够减小E/2，进而能够降低开关管开关损耗，提高系统效率，减小电磁干扰和直流输出电压纹波；同时，当需要较小直流励磁电压输出时，E/2、0相比E、0在相同开关频率下，开通占空比增加一倍，更利于实现对直流输出电压更精准的控制。附图说明图1是本专利技术五电平直流变换电路图；图2是本专利技术五电平直流变换电路输出电压斩波波形示意图；图3是本专利技术应用于自并励励磁系统的示意图。具体实施方式以下结合说明书附图和具体实施例方式对本专利技术进行详细说明。如图1所示，本专利技术提供一种应用于发电机励磁系统的五电平直流变换电路，其由直流电源提供电路、第一电容器C1、第二电容器C2和五电平直流斩波电路组成。所述五电平直流斩波电路由第一开关管V1、第二开关管V2、第三开关管V3、第一二极管VD1、第二二极管VD2、第三二极管VD3、第四二极管VD4、第五二极管VD5、第六二极管VD6组成。所述第一电容器C1和第二电容器C2串联后并联于直流电源提供电路的两端，直流电源提供电路的两端分别为正电压端P和负电压端N，两电容器之间的连接点为中间电压端O。所述第一开关管V1的一端连接正电压端P，另一端连接励磁输出正端。所述第二开关管V2的一端连接负电压端N，另一端连接励磁输出负端。所述第三开关管V3与第六二极管VD6串联，该串联支路的一端连接中间电压端O，另一端连接励磁输出负端。所述第一二极管VD1、第二二极管VD2、第三二极管VD3分别反向并联于第一开关管V1、第二开关管V2、第三开关管本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种五电平直流变换电路，其特征在于，它包括直流电源提供电路、第一电容器C1、第二电容器C2和五电平直流斩波电路；所述五电平直流斩波电路包括第一开关管V1、第二开关管V2、第三开关管V3、第一二极管VD1、第二二极管VD2、第三二极管VD3、第四二极管VD4、第五二极管VD5和第六二极管VD6，所述的第一电容器C1和第二电容器C2串联后并联于直流电源提供电路两端，直流电源提供电路的两端分别为正电压端P和负电压端N，两电容器之间的连接点为中间电压端O；所述第一开关管V1的一端连接正电压端P，另一端连接励磁输出正端；所述第二开关管V2的一端连接负电压端N，另一端连接励磁输出负端；所述第三开关管V3与第六二极管VD6串联，该串联支路的一端连接中间电压端O，另一端连接励磁输出负端；所述第一二极管VD1、第二二极管VD2、第三二极管VD3分别反向并联与第一开关管V1、第二开关管V2、第三开关管V3两端；所述第四二极管VD4的一端连接于正电压端P，另一端接连于励磁输出负端；第五二极管VD5的一端连接于负电压端N，另一端接连于励磁输出正端。

【技术特征摘要】
1.一种五电平直流变换电路，其特征在于，它包括直流电源提供电路、第一电容器C1、第二电容器C2和五电平直流斩波电路；所述五电平直流斩波电路包括第一开关管V1、第二开关管V2、第三开关管V3、第一二极管VD1、第二二极管VD2、第三二极管VD3、第四二极管VD4、第五二极管VD5和第六二极管VD6，所述的第一电容器C1和第二电容器C2串联后并联于直流电源提供电路两端，直流电源提供电路的两端分别为正电压端P和负电压端N，两电容器之间的连接点为中间电压端O；所述第一开关管V1的一端连接正电压端P，另一端连接励磁输出正端；所述第二开关管V2的一端连接负电压端N，另一端连接励磁输出负端；所述第三开关管V3与第六二极管VD6串联，该串联支路的一端连接中间电压端O，另一端连接励磁输出负端；所述第一二极管VD1、第二二极管VD2、第三二极管VD3分别反向并联与第一开关管V1、第二开关管V2、第三开关管V3两端；所述第四二极管VD4的一端连接于正电压端P，另一端接连于励磁输出负端；第五二极管VD5的一端连接于负电压端N，另一端接连于励磁输出正端。2.如权利要求1所述的五电平直流变换电路，其特征在于，第一开关管V1、第二开关管V2和第三开关管V3均采用IGBT全控器件。3.如权利要求1或2所述的五电平直流变换电路，其特征在于，所述第一开关管V1的集电极连接正电压端P，发射极连接励磁输出正端；所述第二开关管V2的发射极连接负电压端N，集电极连接励磁输出负端；所述第三开...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴跨宇，吴龙，韩兵，张建承，施一峰，卢岑岑，熊鸿韬，沈轶君，房乐，卢嘉华，赵一琰，
申请(专利权)人：国网浙江省电力公司电力科学研究院，南京南瑞继保工程技术有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33