[發明專利]高壓APF/高壓SVG和高壓APF/高壓SVG用的功率模塊

在審

• 申請號: 202011058009.X
• 申請日: 2020-09-29
• 公開（公告）號: CN112186769A
• 公開（公告）日: 2021-01-05
• 發明（設計）人: 劉浩;羅自永;董以恒;梁新
• 申請（專利權）人: 深圳市庫馬克新技術股份有限公司
• 主分類號: H02J3/01
• 分類號: H02J3/01;H02J3/18;H05K7/20
• 代理公司: 深圳世科豐專利代理事務所(特殊普通合伙) 44501
• 代理人: 杜啟剛

本發明公開了一種高壓APF/高壓SVG和功率模塊。高壓APF/高壓SVG包括三個接于電網的單相無功補償電路，單相無功補償電路由電抗器和多個功率模塊組成，單相無功補償電路中的功率模塊串聯后經電抗器接于電網上。功率模塊包括兩個單元電路，單元電路的二電平H橋逆變電路的直流端與直流電壓支撐電容并接，控制端接控制電路；第一二電平H橋逆變電路的第一交流端接功率模塊的第一交流輸入輸出端，第二二電平H橋逆變電路的第二交流端接功率模塊的第二交流輸入輸出端；兩個二電平H橋逆變電路的另外兩個交流端通過模塊內部級聯線連接。本發明的功率模塊輸出電壓高，但元器件電壓等級仍然較低；高壓APF/高壓SVG使用的功率模塊數量少，功率密度高，整體成本較低。

[技術領域]

本發明涉及高壓電網輔助設備，尤其涉及一種高壓APF/高壓SVG和高壓APF/高壓SVG用的功率模塊。

[背景技術]

鏈式高壓有源濾波器(高壓APF)是一種用于動態諧波抑制、無功補償的電力電子產品，可對大小和頻率都變化的諧波和無功進行補償，相比于傳統的LC濾波、鏈式高壓有源濾波具有更好的無功補償特性和諧波治理效果，控制精度高、治理效果好、不與系統發生諧振。鏈式高壓有源濾波器已經成為諧波治理和無功補償的重要電力電子設備。

高壓靜止式無功發生器(高壓SVG)又稱高壓動態無功補償發生裝置或高壓靜止式無功補償器，是由自換相的橋式逆變模塊來進行動態無功補償的裝置。相比于傳統的調相器、電容器、電抗器和SVC等無功補償裝置，SVG具有精確補償，補償功率因素可達0.98以上、動態響應快，在5-20ms內即可完成一次補償、故障率低使用壽命長的優勢，已成為電網、工礦企業用于調節電網功率因數的最先進和最重要的電力電子設備。

鏈式高壓有源濾波器(高壓APF)和高壓靜止式無功發生器(高壓SVG)最核心的部分就是其功率模塊的高壓逆變技術。目前，高壓逆變技術受制于逆變功率器件(IGBT等)基板耐壓的限制，多采用器件串聯或模塊級聯的拓撲結構，模塊級聯拓撲結構也稱為鏈式拓撲結構，它是利用疊加升壓原理，將數個低壓輸出的功率模塊串聯起來，形成高壓輸出。采用低壓模塊級聯拓撲結構來實現高壓輸出的優勢在于模塊內部只需要使用低壓器件，容易實現，成本低。但其缺點也非常明顯，功率模塊的逆變模塊受制于逆變功率器件(IGBT等)基板耐壓的限制，其額定輸入/輸出電壓一般較低，所以需要將多個低壓模塊串聯起來形成高壓。

專利號為CN201921242929.X的實用新型公開了一種采用無線通信的高壓SVG無功補償系統，包括SVG控制器和三個以Y形或三角形接于電網上的單相無功補償電路，單相無功補償電路由電抗器和多個功率單元組成，同一單相無功補償電路中的所有功率單元串聯后經電抗器接于電網上。所述功率單元為由逆變電路和控制電路組成的SVG逆變單元，逆變電路的輸入端接于直流母線上，控制電路與無線通信模塊相連接。所述逆變電路為絕緣柵雙極型晶體管IGBT、集成門極換流晶閘管IGCT或功率MOSFET組成的H橋逆變電路(二電平H橋逆變電路)，逆變電路在控制電路輸出信號的控制下實現DC/AC變換。

二電平H橋逆變功率模塊的構成如圖1所示，在高壓輸出情況下，各串聯功率模塊的輸出端子的對地電壓非常高，遠遠超過了模塊內部功率器件的基板耐壓，為了防止功率器件被對地的高電壓損壞，只好將功率器件散熱器及模塊框架殼體進行浮地處理，這樣，各串聯功率模塊的功率器件散熱器及模塊框架殼體的電位互不相同，必須對各模塊進行電氣絕緣隔離處理。目前的做法是，將所有功率模塊固定在絕緣材料上，且相互之間留有一定的絕緣距離，以便滿足各功率模塊電位互不相同的要求。

但是，功率模塊之間的絕緣距離占用了很大空間。高壓輸出的電壓等級越高，所需要串聯的低壓功率模塊數量也就越多，模塊電氣絕緣隔離所占用的總空間也就越大，整機裝置的體積也就越大。如果能提高模塊輸出電壓，減少模塊的數量，就能減小整機體積，提高功率密度，降低整機成本。