具有公共直流母线的单相和三相无桥多电平整流器制造技术

本发明专利技术具有公共直流母线的无桥多电平整流器，属于AC/DC变换技术及其控制技术。该变换器提供了多种主功率电路，每种主功率电路都由可以拓展的模块单元组成，用于构成一对公共高压直流母线，克服了由于功率开关管电压应力限制而不能产生高直流母线电压的缺点。本发明专利技术提供的整流器及控制策略，大大降低了所需使用有源功率开关管的数量，大大降低了此类变换器的成本以及控制的复杂度，在获得多电平电压输出的基础上，可方便的实现飞跨电容电压的平衡控制，可灵活的实现任意电平数的扩展。在中高压直流输电、大功率的中高压变频调速等领域具有重要的应用价值。重要的应用价值。重要的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
具有公共直流母线的单相和三相无桥多电平整流器


[0001]本技术属于中高压变频调速
,特别涉及一种具有公共直流母线的无桥多电平整流器的系统实现方案。

技术介绍

[0002]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。传统中高压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。
[0003]无工频变压器级联式多电平变换器，近年来在电力电子
受到广泛关注，被认为是适用于新能源发电系统接入和满足分布式发电需求的智能电网接口或新一代中高压变频器的理想实现方案。此类变换器用高频变压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。为了实现公共的高压直流输出母线或实现对N组整流输出直流电压的灵活控制，N组级联整流模块必须后接 N个高频隔离DC
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DC变换模块，从而导致整个系统拓扑结构和控制方式的复杂性增加，工作效率降低。

技术实现思路

[0004]本技术的目的是克服上述缺陷，提供一种具有公共直流母线的无桥多电平整流器实现方案，与传统中高压变频器的整流级相比，一方面，考虑在相当多的实际工业应用场合，能量并不需要在两个方向传输的实际需求，本技术提供的无桥多电平整流器可以实现能量单方向传输，通过无桥多电平可拓展的拓扑结构，使得有源功率开关管的数量减少了近一半，从而大大降低了无工频变压器级联式多电平变换器的成本以及控制的复杂度；另一方面，无需在输入端使用体积庞大的工频移相变压器，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，与无工频变压器的多电平变换器比较，本实用
新型提供的无桥多电平整流器可在直流侧构成一对公共的高压直流母线，可以灵活实现对输出侧电容电压的平衡控制，本技术提供的无桥多电平整流器可以根据不同应用场合和功率等级选择可以拓展的拓扑结构，主功率电路拓扑结构灵活，体积小，重量轻，成本低，控制简单，系统的整体工作效率高，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
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交变频器等领域具有重要的应用价值。
[0005]为达到上述目的，本技术提供的具有公共直流母线的单相无桥多电平整流器，包括主功率电路，所述主功率电路包括高频滤波器、m电平的第一模块单元(M)(m＝2
n
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1，其中m、n均为正整数)、一个输出直流电容C和一个负载电阻R，其特征在于：所述第一模块单元(M)包括两个结构完全相同的第一桥臂P和第二桥臂Q，所述第一桥臂P包括m
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1个开关器件S
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、S
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‑2、S
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‑1，i个飞跨电容支路(其中i＝1，2
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2)，所述第一桥臂P 的第i个所述飞跨电容支路直流电容数目为i个，所述第一桥臂P的所述快恢复二极管D
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的第二接线端(b)与所述第一桥臂P的所述快恢复二极管D
P2
的第一接线端(a)相连，所述第一桥臂P的所述快恢复二极管D
P2
的第二接线端(b)与所述第一桥臂P的所述快恢复二极管D
P3
的第一接线端(a)相连，以此类推，所述第一桥臂P的所述快恢复二极管D
Pm
‑2的第二接线端(b)依次与所述第一桥臂P的所述快恢复二极管D
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‑1的第一接线端(a)相连，所述第一桥臂P的所述开关器件S
P1
的第二接线端(f)与所述第一桥臂P的所述开关器件S
P2
的第一接线端(e)相连，所述第一桥臂P的所述开关器件S
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的第一接线端(e)相连，以此类推，所述第一桥臂P的所述开关器件S
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‑1的第一接线端(e)相连，所述第一桥臂P的所述快恢复二极管D
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的第二接线端(b)与所述第一桥臂P的所述开关器件S
P1
的第二接线端(f)分别与所述第1个飞跨电容支路两端相连，以此类推，所述第一桥臂P的第i个飞跨电容支路包括i个直流电容C
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.具有公共直流母线的单相无桥多电平整流器，包括主功率电路，所述主功率电路包括高频滤波器、m电平的第一模块单元(M)(m＝2
n
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1，其中m、n均为正整数)、一个输出直流电容C和一个负载电阻R，其特征在于：所述第一模块单元(M)包括两个结构完全相同的第一桥臂P和第二桥臂Q，所述第一桥臂P包括m
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2)，所述第二桥臂Q的第i个所述飞跨电容支路直流电容数目为i个，所述第二桥臂Q具有与第一桥臂P相同的连接结构，所述第一桥臂P的所述快恢复二极管D
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‑1的第二接线端(b)相连，构成直流输出母线正端，并与并联连接的所述输出直流电容C和所述负载电阻R的一端相连，所述第一桥臂P的所述开关器件S
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P1
的第一接线端(e)与高频滤波器串联接入交流电网，交流电网另一端与所述开关器件S
Q1
的第一接线端(e)相连。2.一种三相并联整流器，由具有公共直流母线的无桥多电平整流器构成，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(N)，所述第二模块单元(N)包括m电平的第一模块单元(M)(m＝2
n
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1，其中m、n均为正整数)、一个输出直流电容C和一个负载电阻R，所述第一模块单元(M)包括两个结构完全相同的第一桥臂P和第二桥臂Q，所述第一桥臂P包括m
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Qm
‑1的第二接线端(b)相连，构成直流输出母线正端，并与并联连接的所述输出直流电容C和所述负载电阻R的一端相连，所述第一桥臂P的所述开关器件S
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‑1的第二接线端(f)相连，构成直流输出母线负端，并与并联连接的所述输出直流电容C和所述负载电阻R的另一端相连，每相所述第二模块单元(N)的直流输出正端(g)相连，每相所述第二模块单元(N)的直流输出负端(h)相连，每相所述第二模块单元(N)剩余2个交流输入端，三相所述第二模块单元(N)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(N)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。3.一种三相星接整流器，由具有公共直流母线的无桥多电平整流器构成，包括三相主功率电路，其特征在于：所述主功率电路包括三个高频滤波器和三个第二模块单元(N)，所述第二模块单元(N)包括m电平的第一模块单元(M)(m＝2
n
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1，其中m、n均为正整数)、一个输出直流电容C和一个负载电阻R，所述第一模块单元(M)包括两个结构完全相同的第一桥臂P和第二桥臂Q，所述第一桥臂P包括m
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‑1，i个飞跨电容支路(其中i＝1，2
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2)，所述第一桥臂P的第i个所述飞跨电容支路直流电容数目为i个，所述第一桥臂P的所述快恢复二极管D
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‑1的第一接线端(a)相连，所述第一桥臂P的所述开关器件S
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S
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的第一接线端(e)相连，所述第一桥臂P的所述开关器件S
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的第二接线端(f)与所述第一桥臂P的所述开关器件S
P3
的第一接线端(e)相连，以此类推，所述第一桥臂P的所述开关器件S
Pm
‑2的第二接线端(f)依次与所述第一桥臂P的所述开关器件S
Pm
‑1的第一接线端(e)相连，所述第一桥臂P的所述快恢复二极管D
P1
的第一接线端(a)与所述第一桥臂P的所述开关器件S
P1
的第一接线端(e)相连，所述第一桥臂P的所述第1个飞跨电容支路包括1个直流电容C
P1
，所述第一桥臂P的所述快恢复二极管D
P1
的第二接线端(b)与所述第一桥臂P的所述开关器件S
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的第二接线端(f)分别与所述第1个飞跨电容支路两...

【专利技术属性】
技术研发人员：程红，王聪，李瑶璞，赵志浩，杨道宽，李昕，于龙飞，袁巍，李壮，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：新型
国别省市：