一种具有公共高压直流母线的五电平整流器及控制策略

摘要

本发明一种具有公共高压直流母线的五电平整流器及控制策略，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，用于构成一对公共高压直流母线，极大降低了功率开关管的电压应力，克服了传统整流器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。本发明提供的整流器及控制策略平衡了输出侧各串联电容电压，即使在三相电网电压不平衡的情况下，也能保持正常工作，并且不需要使用庞大，笨重，接线复杂的工频移相变压器的隔离，极大简化了主功率电路拓扑，减少了功率开关器件的个数，提高了系统的工作效率，体积小，重量轻，成本低，控制简单，在中高压直流输电、大功率的中高压变频器等领域具有重要的应用价值。

说明书

技术领域

本发明属于中高压变频调速技术领域,特别涉及一种具有公共高压直流母线的五电平整流器及控制策略的系统实现方案。

背景技术

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。

无工频变压器级联式多电平变换器，近年来在电力电子技术领域受到广泛关注，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-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。

发明内容

本发明的目的是克服上述缺陷，提供一种新型具有公共高压直流母线的五电平单位功率因数整流器实现方案，与传统中高压变频器的整流级比较，本发明提供的新型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，与无工频变压器的多电平变换器比较，本发明提供的新型五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，本发明提供的新型五电平整流器主功率电路拓扑结构简单，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-直-交变频器等领域具有重要的应用价值。

为达到上述目的，本发明提供的一种具有公共高压直流母线的五电平整流器，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S

为达到上述目的，本发明提供的采用一种具有公共高压直流母线的五电平整流器构成的三相并联整流器，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)，所述第一模块单元(A)包括四个开关器件S

为达到上述目的，本发明提供的采用一种具有公共高压直流母线的五电平整流器构成的三相星接整流器，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)，所述第一模块单元(A)包括四个开关器件S

为达到上述目的，本发明提供的采用一种具有公共高压直流母线的五电平整流器构成的三相角接整流器，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)，所述第一模块单元(A)包括四个开关器件S

为达到上述目的，本发明提供的采用一种具有公共高压直流母线的五电平整流器构成的三相双星接整流器，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)，所述第一模块单元(A)包括四个开关器件S

为达到上述目的，本发明提供的一种具有公共高压直流母线的五电平整流器及控制策略，其特征在于，一种具有公共高压直流母线的五电平整流器的控制策略步骤如下：

(1)对一种具有公共高压直流母线的五电平整流器的输出侧直流电压进行采样，得到两个输出侧直流电压信号U

(2)利用下式计算步骤(1)中的两个输出侧直流电压信号U

(3)将步骤(2)中的U

(4)将步骤(1)中的两个输出侧直流电压信号U

(5)将步骤(4)中直流电流信号幅值I

(6)对三相电网电压进行采样，得到输入侧交流电压信号U

利用下式计算A相输入侧交流电压信号负序分量U

U

利用下式计算A相需要注入的负序分量U

式中，I

i

(7)将步骤(5)中给定的电流比较信号i

(8)利用下式计算U

式中，U

U

利用下式计算B相需要注入的负序分量U

式中，I

i

式中，I

(9)将步骤(5)中给定的电流比较信号i

(10)利用下式计算U

式中，U

U

利用下式计算C相需要注入的负序分量U

式中，I

i

式中，I

(11)将步骤(5)中给定的电流比较信号i

(12)将步骤(7)中的PWM

本发明一种具有公共高压直流母线的五电平整流器及控制策略的优点和积极效果在于：与传统中高压变频器整流器比较，本发明提供的具有公共高压直流母线的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。本发明提供的五电平整流器，在单相输入时可在直流侧构成一对公共的高压直流母线，三相输入时即可以在直流侧构成一对统一的公共高压直流母线，又可以在三相各自整流器输出的直流侧构成三对独立的公共高压直流母线，同时还可以灵活的实现对整流模块输出侧电容电压的平衡控制。本发明提供的五电平整流器主功率电路拓扑结构简单，系统的工作效率高，体积小，重量轻，成本低，在高压直流输电(HVDC)、大功率电力电子变压器，大功率中高压交-直-交变频器等领域具有重要的应用价值。

下面结合附图对本发明进一步说明。

附图说明

图1为本发明一种具有公共高压直流母线的五电平整流器及控制策略中第一模块单元(A)的电路图；

图2为本发明一种具有公共高压直流母线的五电平整流器及控制策略中第二模块单元(B)的电路图；

图3为本发明一种具有公共高压直流母线的五电平整流器及控制策略的三相并联整流器电路图；

图4为本发明一种具有公共高压直流母线的五电平整流器及控制策略的三相星接整流器电路图；

图5为本发明一种具有公共高压直流母线的五电平整流器及控制策略的三相角接整流器电路图；

图6为本发明一种具有公共高压直流母线的五电平整流器及控制策略的三相双星接整流器电路图；

图7为本发明一种具有公共高压直流母线的五电平整流器及控制策略的A相控制策略图；

图8为本发明一种具有公共高压直流母线的五电平整流器及控制策略的B相控制策略图；

图9为本发明一种具有公共高压直流母线的五电平整流器及控制策略的C相控制策略图；

图10为本发明一种具有公共高压直流母线的五电平整流器构成的三相并联整流器的三相输入电流波形；

图11为本发明一种具有公共高压直流母线的五电平整流器构成的三相并联整流器的两个直流电容电压波形和总的输出直流电压波形；

图12为本发明一种具有公共高压直流母线的五电平整流器构成的三相并联整流器的输入侧五电平电压波形；

具体实施模式

下面结合附图对本发明的实施方式和工作原理做进一步的描述：

参照图1和图2，一种具有公共高压直流母线的五电平整流器，包括主功率电路，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)，第一模块单元(A)包括四个开关器件S

参照图1、图2和图3，一种具有公共高压直流母线的五电平整流器构成的三相并联整流器，包括三相主功率电路，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)，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)，第一模块单元(A)包括四个开关器件S

参照图1、图2和图4，一种具有公共高压直流母线的五电平整流器构成的三相星接整流器，包括三相主功率电路，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)，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)，第一模块单元(A)包括四个开关器件S

参照图1、图2和图5，一种具有公共高压直流母线的五电平整流器构成的三相角接整流器，包括三相主功率电路，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)，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)，第一模块单元(A)包括四个开关器件S

参照图1、图2和图6，一种具有公共高压直流母线的五电平整流器构成的三相双星接整流器，包括三相主功率电路，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，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)，第一模块单元(A)包括四个开关器件S

参照图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8，一种具有公共高压直流母线的五电平整流器的控制策略，控制步骤如下：

(1)对一种具有公共高压直流母线的五电平整流器的输出侧直流电压进行采样，得到两个输出侧直流电压信号U

(2)利用下式计算步骤(1)中的两个输出侧直流电压信号U

(3)将步骤(2)中的U

(4)将步骤(1)中的两个输出侧直流电压信号U

(5)将步骤(4)中直流电流信号幅值I

(6)对三相电网电压进行采样，得到输入侧交流电压信号U

利用下式计算A相输入侧交流电压信号负序分量U

U

利用下式计算A相需要注入的负序分量U

式中，I

i

(7)将步骤(5)中给定的电流比较信号i

(8)利用下式计算U

式中，U

U

利用下式计算B相需要注入的负序分量U

式中，I

i

式中，I

(9)将步骤(5)中给定的电流比较信号i

(10)利用下式计算U

式中，U

U

利用下式计算C相需要注入的负序分量U

式中，I

i

式中，I

(11)将步骤(5)中给定的电流比较信号i

(12)将步骤(7)中的PWM

参照图(10)，为本发明实施例中一种具有公共高压直流母线的五电平整流器构成的三相并联整流器的三相输入电流波形，在三相电网电压不平衡情况下，运用本发明的控制策略也能实现三相输入电流不平衡，电流波形质量较好，近似正弦。

参照图(11)，为本发明实施例中一种具有公共高压直流母线的五电平整流器构成的三相并联整流器的两个直流侧电容电压波形U

参照图(12)，为本发明实施例中一种具有公共高压直流母线的五电平整流器构成的三相并联整流器的输入侧五电平电压波形。

在本发明一种具有公共高压直流母线的五电平整流器应用的其他实施例中，所描述的三相星接、角接和三相双星接整流器，除了采用第二模块单元(B)外，也可以是由第二模块单元(B)衍生出来的不同电路的组合。

所描述的一种具有公共高压直流母线的五电平整流器电路，可以简化应用于大功率电力电子整流拓扑结构中，通过适当的控制策略可以提高系统的工作效率，稳定且能平衡直流侧的电容电压，为后级的电能变换提供了有利条件，在中高压直流传输、大功率电力电子变压器，大功率中高压交-直-交变频器等应用领域具有重要的应用价值。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计方案前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。