适合于高压应用的变流桥臂及其应用系统技术方案

本发明专利技术涉及电力系统的控制技术，旨在提供一种适合于高压应用的变流桥臂及其应用系统。该变流桥臂包括储能电容与多个逆导型开关，由上伸缩臂、下伸缩臂与电感串联构成，而上伸缩臂、下伸缩臂分别由若干个单元级联构成。与现有主流高压变流技术相比，本发明专利技术具有简洁的模块化结构，控制简单、可靠和自平衡均压、可无变压器工作、可功率双向流动、高压电路启动简便、无须高压隔离辅助供电，并兼有适合高频工作与电磁兼容优点，能显著降低滤波器尺寸。本发明专利技术没有明显的电压、功率等级瓶颈、技术应用范围宽广，而装置的体积、重量与成本有望比现有同类产品显著降低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电力系统的控制技术，特别涉及一种适合于高压应用的变流桥臂及其应用系统，主要应用于智能电网(例如特特高压输电、交-直-交变流、电力电子变压器、 新能源高压并网发电)、大功率电力传动(高压、中压变频传动)、电力牵引。
技术介绍
高压大功率变流器一直是电力电子在电力系统与高功率电力传动中应用的关键技术。当实际应用场合所需的电压超过单个电力半导体器件的耐压值之后，必须采用开关串联技术或多电平技术。由于常规高压功率半导体器件的耐压值大致为1 5kv，而其中的普通常用器件IGBT大致仅为1200V。若采用3400V耐压的器件，则其价格远远高于前者； 即便不顾成本而用更高耐压的器件，不用开关串联技术或多电平技术仍然难以满足电力系统的高压工作要求。另一方面，器件随着耐压水平的提高，其允许开关频率越来越低，增加了变流系统的体积与重量。对于高压变流电路，器件的直接串联是不得已的方案。尽管这有其结构相对简单的优点，但是非常高的开关电压变化率还是会造成电磁兼容方面的问题，并且会使负载设备的可靠性降低，寿命缩短。况且，器件的均压控制方法随着串联数的增加而变得更加困难，需要更大的耐压裕度，因此可以说，开关串联技术并不适合在电力系统中单独使用。于是，变流器采用多电平电路就显得是顺理成章了。多电平电路可以应用于DC/ AC、DC/DC、AC/DC与AC/AC上，为叙述方便起见，以下主要从逆变(即DC/AC)的角度来阐述。(1)功率开关电压型变流器中常用到逆导型开关，可以由功率半导体开关与反并联的功率二极管这两个独立的器件组成，也可以是一体化器件，为方便起见这里简称为开关(K，符号如图 3电路中所示)，开关的正、负极方向正好与其中反并联二极管极性相反。常用的K有带反向并联二极管的绝缘栅极双极型复合晶体管(IGBT)与功率金属氧化物场效应晶体管(Power M0SFET)器件，也可以是晶闸管、集成电路门极换流晶体闸管(IGCT)、结型场效应功率器件 (Power JFET)，以及各种碳化硅功率开关等其他新型器件。图10的电路中，K应用了 Power MOSFET0用多个逆导型开关串联起来形成的组合开关，在本专利技术中依然可以看作是一个开关。(2)目前已有的几种重要多电平变流电路第一种电路二极管箝位多电平电路，该类电路最早见于1980年的IEEE IAS会议论文(A. Naba)；第二种电路飞跨电容箝位多电平电路，该类电路最早见于1992年的IEEE PESC 年会论文(T. A. Meynard)；第三种电路统一箝位多电平电路，该类电路最早见于2000年的IEEE IAS会议论文(F. Z. Peng)；第四种电路级联多电平电路，该类电路最早见于1988年的PESC会议论文 (M. Marcheson)。第一、第二种电路的主要问题是，电路的复杂度随着电平数的增加而迅速提高，元器件数量迅速上升(前者是开关器件、箝位二极管，后者是箝位电容)，更为严重的是分布电感影响和控制难度也随之极大增加，实际上七电平以上的应用就不多了。第三种电路的主要问题是，随着电平数的增加，元器件数量的增加速度比前两种还快，在工业界还是没有实际应用。事实上第三种电路仅有理论意义，前两种电路分别是第三种电路的特例。第四种电路没有上述第一、二、三种电路的上述缺点，它可以依靠独立电源平衡均压，并容易实现模块化(以H桥为单元模块)，已经广为应用于中压变频，交流电压一般在 IOkV以内。由于第四种电路一般需要为每一单元提供一套独立电源，这使装置的主变压器结构相当复杂，这也限制了电平数量的进一步提升。第四种电路在无功应用领域(例如电力系统的柔性输电装置之一 STATC0M)则没有多路独立电源这一限制，但是随着电平数的增加，均压问题却依然面临极大挑战。(3)第五种电路，平衡级联多电平变流即，，自平衡级联多电平“，它能够实现变流单元的自动均压是新电路的最显著特点，出现于2006年的浙江大学博士论文(F. Zhang)，实际上它也是第三种电路的变形。但这种电路还是留下了几个棘手问题低电压供电、高电压输出，并不适合于普通高压应用；能量需要在单元间多次传递，效率会成为问题；平衡动作时，平衡电流冲击缺乏限制机制；所有电路元件需要紧密连接成整体，难以实现模块化组合制造。(4)第六种电路，模块化多电平变流(MMC)这类电路最早出现在2003年的IEEE PowerTech Conference会议论文上 (A. Lesnicar and R. Marquardt) 0这种电路所需元器件的数量与电平数呈线性比例关系， 也适合于模块化制造，特别适合于电力系统超高压应用(如轻型直流输电)，然而其模块的均压控制还是很成问题，因此实际应用尚不多见。
技术实现思路
针对上述多电平电路优缺点，本专利技术根据高压、大功率变流系统的特殊要求，参考蚕的爬行仿生学原理，提出一种基于自由伸缩臂的多电平变流拓扑及由此而构成的各式变流电路，而这种电路充分考虑了模块化实现及模块间的电应力的平衡问题。蚕的身体由多个肢节组成，在爬行过程中，需要不断收缩和舒展身体。容易想到， 蚕收缩或舒展时每一肢节的粗细有变化而体积并没有改变。作为仿生目标的变流桥臂可看作是一对相连的蚕，上、下两个伸缩臂分别对应其中一条蚕，伸缩臂中的每一变流单元对应蚕身体的一个肢节。当桥臂调节中点电位时，是通过调节其伸缩臂中变流单元的开关来进行的，调节过程中各单元的储能水平并没有突变，但单元的端电压可以迅速改变。如果伸缩臂的端电压(由多个单元的端电压串联叠加而成)和能量分别对应蚕的长度和体积，可以看出其中点电位的调节，非常像蚕的伸缩动作，调节过程就像是伸缩臂的收缩或舒展。两个伸缩臂通过互补的收缩或舒展，共同推动中点的变动。利用这一原理就可以构造出崭新的高压变流电路。上述第六种电路实际上就是符合此种伸缩臂理念的一种拓扑，但MMC电路仅仅采用了半桥电路作为变流单元，既不能实现单元自动均压，也不能在AC/AC变流电路中使用。为解决技术问题，本专利技术提供了一种适用于高压应用的变流桥臂，包括储能电容C 与多个逆导型开关；该变流桥臂由上伸缩臂Bu、下伸缩臂Bd和电感Lb串联构成，上伸缩臂 Bu和下伸缩臂Bd分别由若干个对称型单元级联构成；所述的对称型单元由第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3、第四开关K4及储能电容C构成；其中，第一开关Kl与第二开关K2、第三开关K3与第四开关K4分别串联；第一开关Kl与第三开关K3的正端相连作为单元的正端p*，第二开关K2与第四开关K4的负端相连作为单元的η*端；储能电容C接于正端ρ*和负端η*之间；第一开关Kl与第二开关 Κ2的连接处为单元的第二级联端Ζ12，第三开关Κ3与第四开关Κ4的连接处为单元的第四级联端Ζ22 ；所述若干个对称型单元的级联方式为相邻的两个单元之间，前一单元的第四级联端Ζ22与后一单元的第二级联端Ζ12相连；桥臂的上、下端分别为桥臂的P端和N端；上伸缩臂Bu和下伸缩臂Bd两端的外侧单元中引出其正端P*和负端η*作为变流桥臂的辅助端；并以其第二级联端Ζ12为ρ端、第四级联端Ζ22为η端，ρ端、η端的排列与变流桥臂P端、N端的方向一致；上伸缩臂Bu的η端与下伸缩臂Bd的ρ端之间的连线上引出桥臂的中点即Ac本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种适用于高压应用的变流桥臂，包括储能电容Ｃ与多个逆导型开关；其特征在于，该变流桥臂由上伸缩臂Ｂｕ、下伸缩臂Ｂｄ和电感Ｌｂ串联构成，上伸缩臂Ｂｕ和下伸缩臂Ｂｄ分别由若干个对称型单元级联构成；所述的对称型单元：由第一开关Ｋ１、第二开关Ｋ２、第三开关Ｋ３、第四开关Ｋ４及储能电容Ｃ构成；其中，第一开关Ｋ１与第二开关Ｋ２、第三开关Ｋ３与第四开关Ｋ４分别串联；第一开关Ｋ１与第三开关Ｋ３的正端相连作为单元的正端ｐ＊，第二开关Ｋ２与第四开关Ｋ４的负端相连作为单元的ｎ＊端；储能电容Ｃ接于正端ｐ＊和负端ｎ＊之间；第一开关Ｋ１与第二开关Ｋ２的连接处为单元的第二级联端Ｚ１２，第三开关Ｋ３与第四开关Ｋ４的连接处为单元的第四级联端Ｚ２２；所述若干个对称型单元的级联方式为：相邻的两个单元之间，前一单元的第四级联端Ｚ２２与后一单元的第二级联端Ｚ１２相连；桥臂的上、下端分别为桥臂的Ｐ端和Ｎ端；上伸缩臂Ｂｕ和下伸缩臂Ｂｄ两端的外侧单元中：引出其正端ｐ＊和负端ｎ＊作为变流桥臂的辅助端；并以其第二级联端Ｚ１２为ｐ端、第四级联端Ｚ２２为ｎ端，ｐ端、ｎ端的排列与变流桥臂Ｐ端、Ｎ端的方向一致；上伸缩臂Ｂｕ的ｎ端与下伸缩臂Ｂｄ的ｐ端之间的连线上引出桥臂的中点即Ａｃ端；电感Ｌｂ是下述形式中的任意一种：（１）有一个电感Ｌｂ，位于上伸缩臂Ｂｕ、下伸缩臂Ｂｄ的串联支路上的任何位置；（２）有两个电感Ｌｂ，分置于上伸缩臂Ｂｕ、下伸缩臂Ｂｄ的串联支路上Ａｃ端的两侧；（３）有若干个电感Ｌｂ，分置于各对称型单元之中。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吕遥，
申请(专利权)人：吕遥，
类型：发明
国别省市：86