一种中高压五电平整流器及直流电容电压平衡控制策略制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。频调速等领域。频调速等领域。

【技术实现步骤摘要】
一种中高压五电平整流器及直流电容电压平衡控制策略


[0001]本专利技术属于中高压变频调速
,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。

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。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
受到广泛关注。此类变换器使用高频隔离DC
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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。
[0003]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。

技术实现思路

[0004]为本专利技术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，本专利技术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
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直
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交变频调速等领域。
[0005]为达到上述目的，本专利技术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。
[0006]为达到上述目的，本专利技术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(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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.采用权利要求1所述的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。3.采用权利要求1所述的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。4.采用权利要求1所述的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。5.采用权利要求1所述的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。6.一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...

【专利技术属性】
技术研发人员：程红，王聪，赵志浩，赵晨宇，吕嘉琪，袁巍，郝俊豪，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：