CN103762856B - 一种无变压器交直交级联多电平变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无变压器交直交级联多电平变换器，A、B、C三相的功率单元二的端子2连接在一起，功率单元二左侧为整流侧与多个功率单元一级联，上述级联的功率单元一之间的端子1和2相互连接，最外层的功率单元一的端子1与电网相连，最内层的功率单元一的端子2与功率单元二整流侧的端子1相连；功率单元二右侧为逆变侧与多个功率单元一级联，上述级联的功率单元一之间的端子1和2相互连接，最外层的功率单元一的端子1与负载相连，最内层的功率单元一的端子2与功率单元二逆变侧的端子3相连。本发明主要用于高压大功率场合，可在保留级联多电平优点的情况下实现能量双向传输，并方便地向更多电平进行扩展，满足不同电压等级需求。

Description

一种无变压器交直交级联多电平变换器

技术领域

本发明是一种适用于高压大功率场合的多电平变换器，且可方便地实现能量的双向传输。

背景技术

近年来，多电平变换器是高压大功率场合的研究热点。较多电平的输出使得变换器的输出电压更接近正弦，对负载的冲击也减小，同时可显著降低变换器的开关损耗。

目前主流的多电平变换器拓扑有：二极管钳位型、飞跨电容型以及级联型三种。二极管钳位型随着电平数的增多，钳位二极管的数量急剧增加，而飞跨电容型也存在电容数剧增的问题，所以这两种拓扑主要用于五电平以下的多电平拓扑应用中。

传统的级联多电平变换器采用多个低压功率单元串联的方式实现高压的输出。级联型多电平变换器为实现逆变侧多电平的输出，需要采用笨重的多抽头移相变压器获得多组独立直流电源，而为实现能量的双向传输，需要在整流测增加许多功率开关，这些都造成变换器成本的上升及故障率的增加。随着电压等级的提高，传统级联多电平变换器在以上两处的缺陷愈发明显。此外，传统的级联多电平无法实现交直交功率变换器中的背靠背连接，在电机调速场合应用受到了限制。

发明内容

为克服现有多电平变换器技术上的问题，本发明提出一种无变压器交直交级联多电平变换器。本拓扑在功率单元器件只承受本单元直流侧低压的情况下，实现多电平的整流、逆变侧输出，且直接支持级联多电平变换器的背靠背运行。

本发明的技术方案如下：

一种无变压器交直交级联多电平变换器，A、B、C三相的功率单元二的端子2连接在一起，功率单元二左侧为整流侧与多个功率单元一级联，上述级联的功率单元一之间的端子1和2相互连接，最外层的功率单元一的端子1与电网相连，最内层的功率单元一的端子2与功率单元二整流侧的端子1相连；功率单元二右侧为逆变侧与多个功率单元一级联，上述级联的功率单元一之间的端子1和2相互连接，最外层的功率单元一的端子1与负载相连，最内层的功率单元一的端子2与功率单元二逆变侧的端子3相连。

所述的无变压器交直交级联多电平变换器，所述功率单元一包括功率开关S1、S2、S3、S4及电容，功率开关S1的集电极与功率开关S3的集电极、电容的正极相连；功率开关S1的发射极与功率开关S2的集电极相连，同时作为与外部连接的端子1；功率开关S3的发射极与功率开关S4的集电极相连，同时作为与外部连接的端子2；功率开关S2的发射极与功率开关S4的发射极相连，同时与电容的负极相连。

所述的无变压器交直交级联多电平变换器，所述功率单元二包括功率开关S5、S6、S7、S8、S9、S10及电容，功率开关S5的集电极与功率开关S7、S9的集电极、电容的正极相连；功率开关S5的发射极与功率开关S6的集电极相连，同时作为与外部连接的端子1；功率开关S7的发射极与功率开关S8的集电极相连，同时作为与外部连接的端子2；功率开关S9的发射极与功率开关S10的集电极相连，同时作为与外部连接的端子3；功率开关S6的发射极与功率开关S8、S10的发射极相连，同时与电容的负极相连。

所述的无变压器交直交级联多电平变换器，所述电容值选取均为5000μF的电容，所有功率开关均选用100A/1200V的绝缘栅型双极晶体管IGBT。

提供一种易于向更多电平扩展，且能方便实现能量双向传输的新型无变压器交直交级联多电平变换器拓扑。本设计易于实现模块化设计，便于扩展，所需元器件数量较少。

附图说明

图1一种无变压器交直交级联多电平变换器拓扑图；

图2功率单元一的结构图；

图3功率单元二的结构图；

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

变换器为三相对称的电路结构，主要包括功率单元(1)及功率单元(2)。

如图1所示，A、B、C三相的功率单元二的端子2连接在一起，对于功率单元二的左侧(后称为整流侧，同样的，功率单元二右侧称为逆变侧)。多个扩展的不同功率单元一之间的端子1和2相互连接，最外层的功率单元一的端子1与电网相连，最内层的功率单元一的端子2与功率单元二的端子1相连；对于逆变侧，多个扩展的不同功率单元一之间的端子1和2相互连接，最外层的功率单元一的端子1与负载相连，最内层的功率单元一的端子2与功率单元二的端子3相连。

变换器的输出电平数可通过增加功率单元一的方式进行扩展性增加。扩展方式为，A、B、C三相的功率单元二的端子2连接在一起，并以此为中心进行对称扩展。对于功率单元二的左侧(后称为整流侧，同样的，功率单元二右侧称为逆变侧)。多个扩展的不同功率单元一之间的端子1和2相互连接，最外层的功率单元一的端子1与电网相连，最内层的功率单元一的端子2与功率单元二的端子1相连；对于逆变侧，多个扩展的不同功率单元一之间的端子1和2相互连接，最外层的功率单元一的端子1与负载相连，最内层的功率单元一的端子2与功率单元二的端子3相连。扩展的功率单元个数按照所需输出的电压电平数来确定。

如图2、图3所示，图中的电容值选取均为5000μF的电容，所有功率开关均选用100A/1200V的绝缘栅型双极晶体管(IGBT)。

功率单元一包括以下组件：功率开关S1、S2、S3、S4及电容。功率开关S1的集电极与功率开关S3的集电极、电容的正极相连；功率开关S1的发射极与功率开关S2的集电极相连，同时作为与外部连接的端子1；功率开关S3的发射极与功率开关S4的集电极相连，同时作为与外部连接的端子2；功率开关S2的发射极与功率开关S4的发射极相连，同时与电容的负极相连。

功率单元二包括以下组件：功率开关S5、S6、S7、S8、S9、S10及电容。功率开关S5的集电极与功率开关S7、S9的集电极、电容的正极相连；功率开关S5的发射极与功率开关S6的集电极相连，同时作为与外部连接的端子1；功率开关S7的发射极与功率开关S8的集电极相连，同时作为与外部连接的端子2；功率开关S9的发射极与功率开关S10的集电极相连，同时作为与外部连接的端子3；功率开关S6的发射极与功率开关S8、S10的发射极相连，同时与电容的负极相连。

A、B、C三相的功率单元二的端子2连接在一起，并以此为中心可根据电压等级的需要进行对称扩展。对于整流侧，多个扩展的不同功率单元一之间的端子1和2相互连接，最外层的功率单元以的端子1与电网相连，最内层的功率单元以的端子2与功率单元二的端子1相连；对于逆变侧，多个扩展的不同功率单元一之间的端子1和2相互连接，最外层的功率单元一的端子1与负载相连，最内层的功率单元一的端子2与功率单元二的端子3相连。

该多电平变换器的工作原理为：

首先选定整流侧或者逆变侧作为优先控制侧，然后以另一侧作为配合控制侧进行控制。由于两种选择方式成对称关系，所以下面以整流侧作为优先控制侧进行阐述：

当以整流侧作为优先控制侧进行控制时，任一功率单元一中功率开关S1、S4导通，S2、S3关断时，该功率单元输出电压为Vdc(Vdc为该功率单元电容端电压)；功率开关S1、S4关断，S2、S3导通时，该功率单元输出电压为-Vdc；当S1、S3导通，S2、S4关断或者S1、S3关断，S2、S4导通时，该功率单元输出电压为0。对于功率单元二，由于整流侧作为优先控制侧，所以S5、S6、S7、S8的控制权限交由整流侧，此时有：功率单元二中功率开关S5、S8导通，S6、S7关断时，该功率单元输出电压为Vdc(Vdc为该功率单元电容端电压)；功率开关S5、S8关断，S6、S7导通时，该功率单元输出电压为-Vdc；当S5、S7导通，S6、S8关断或者S5、S7关断，S6、S8导通时，该功率单元输出电压为0。由于三相中各相的每个多个功率单元一是逐个串联连接，连接之后与功率单元二连接，由这些串联的功率单元输出的电平叠加，即可在A、B、C端口上获得多电平的电压输出，而整流侧配合传统的级联多电平电容电压平衡方法，即可达成电容电压平衡控制的目的。

对于逆变侧，由于作为配合控制侧，故必须结合整流侧的工作状态进行工作。具体做法阐述如下：

当整流侧的功率单元二输出Vdc时，由于S7关断，S8导通。逆变侧的功率单元二输出电压选择范围受限，则只可使S9开通，S10关断输出Vdc状态；或者S9关断，S10开通，输出0状态，如果控制中需要输出-Vdc状态时，必须借助功率单元一进行输出，比如将功率单元一进行如下控制：功率开关S1、S4关断，S2、S3导通。同样的，其他的开关状态也类似。此时，逆变侧功率单元一、功率单元二的开关状态必须结合各自单元中的电容电压、流经的电流进行综合控制，组合输出所需要的端口电平。比如，Vdc、-Vdc状态可由功率单元一或者功率单元二单独输出；而0状态可由功率单元一输出Vdc，功率单元二输出-Vdc得到，或者由功率单元一输出-Vdc，功率单元二输出Vdc得到。至于采用哪种组合，由当前的电流方向及电容电压的高低进行综合判断决定。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种无变压器交直交级联多电平变换器，其特征为：A、B、C三相的功率单元二的端子2连接在一起，功率单元二左侧为整流侧，且所述整流侧与多个功率单元一级联，所述多个功率单元一之间相互级联，且上述级联的功率单元一之间的端子1和2相互连接，最外层的功率单元一的端子1与电网相连，最内层的功率单元一的端子2与功率单元二整流侧的端子1相连；功率单元二右侧为逆变侧，且所述逆变侧与多个功率单元一级联，所述多个功率单元一之间相互级联，上述级联的功率单元一之间的端子1和2相互连接，最外层的功率单元一的端子1与负载相连，最内层的功率单元一的端子2与功率单元二逆变侧的端子3相连；所述功率单元二包括功率开关S5、S6、S7、S8、S9、S10及电容，功率开关S5的集电极与功率开关S7、S9的集电极、电容的正极相连；功率开关S5的发射极与功率开关S6的集电极相连，同时作为与外部连接的端子1；功率开关S7的发射极与功率开关S8的集电极相连，同时作为与外部连接的端子2；功率开关S9的发射极与功率开关S10的集电极相连，同时作为与外部连接的端子3；功率开关S6的发射极与功率开关S8、S10的发射极相连，同时与电容的负极相连。

2.根据权利要求1所述的无变压器交直交级联多电平变换器，其特征在于：所述功率单元一包括功率开关S1、S2、S3、S4及电容，功率开关S1的集电极与功率开关S3的集电极、电容的正极相连；功率开关S1的发射极与功率开关S2的集电极相连，同时作为与外部连接的端子1；功率开关S3的发射极与功率开关S4的集电极相连，同时作为与外部连接的端子2；功率开关S2的发射极与功率开关S4的发射极相连，同时与电容的负极相连。

3.根据权利要求1-2任一所述的无变压器交直交级联多电平变换器，其特征在于：所述电容采用电解电容或薄膜电容，功率开关采用绝缘栅型双极晶体管IGBT、集成门极换流晶闸管IGCT或金属-氧化层半导体场效晶体管MOSFET。