[發明專利]具有公共直流母線的無橋多電平整流器及控制策略

在審

• 申請號: 202110265048.5
• 申請日: 2021-03-09
• 公開（公告）號: CN112910281A
• 公開（公告）日: 2021-06-04
• 發明（設計）人: 程紅;王聰;李瑤璞;趙志浩;楊道寬;李昕;于龍飛;袁巍;李壯
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學（北京）
• 主分類號: H02M7/217
• 分類號: H02M7/217;H02M1/32;H02J3/26
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明具有公共直流母線的無橋多電平整流器及控制策略，屬于AC/DC變換技術及其控制技術。該變換器提供了多種主功率電路，每種主功率電路都由可以拓展的模塊單元組成，用于構成一對公共高壓直流母線，克服了由于功率開關管電壓應力限制而不能產生高直流母線電壓的缺點。本發明提供的整流器及其控制策略，大大降低了所需使用有源功率開關管的數量，大大降低了此類變換器的成本以及控制的復雜度，在獲得多電平電壓輸出的基礎上，可方便的實現飛跨電容電壓的平衡控制，可靈活的實現任意電平數的擴展。在中高壓直流輸電、大功率的中高壓變頻調速等領域具有重要的應用價值。

技術領域

本發明屬于中高壓變頻調速技術領域,特別涉及一種具有公共直流母線的無橋多電平整流器及控制策略的系統實現方案。

背景技術

近年來，多電平功率變換器”(Multilevel Converter)在高電壓大功率變頻調速、有源電力濾波、高壓直流(HVDC)輸電和電力系統無功補償等領域已得到越來越多的成功應用。傳統中高壓多電平變換器的基本電路拓撲結構大致可分為箝位型和單元級聯型兩大類。目前在工業中得到廣泛應用的由西門子公司或ABB公司生產的二極管箝位型三電平中高壓變頻器，以及由羅賓康公司或利德華福公司生產的級聯H橋中高壓變頻器就是這兩類產品的典型代表。在這兩類中高壓變頻器中，無論哪一類，為了應用低耐壓的電力電子器件完成高電壓的功率變換，均需在整流輸入側使用體積龐大、接線復雜、價格昂貴的工頻移相變壓器實現電氣隔離。這使其在許多工業場合的應用受到限制。

無工頻變壓器級聯式多電平變換器，近年來在電力電子技術領域受到廣泛關注，被認為是適用于新能源發電系統接入和滿足分布式發電需求的智能電網接口或新一代中高壓變頻器的理想實現方案。此類變換器用高頻變壓器取代傳統級聯式變換器中的工頻移相變壓器實現電氣隔離，當用于雙向功率傳輸時，整流側采用級聯全控H橋多電平功率變換器結構。當用于單向功率傳輸時，整流側采用單向級聯式多電平功率變換器結構(包括：級聯二極管+Boost整流電路，級聯無橋整流電路，級聯VIENNA整流電路等)。與傳統中高壓變頻器的整流級相比較，此類變換器整流級的實現方案取消了體積龐大、接線復雜、價格昂貴的工頻移相變壓器，從而有效地減小了系統體積、重量和制造成本。然而，此類變換器也有著明顯的缺點，主要表現在：每一相N個級聯整流模塊會產生N組直流輸出端，且由于輸入端不隔離，這N組整流模塊直流輸出端無法直接串聯聯接構成一對公共的高壓直流輸出母線，因此無法直接用于高壓直流輸電，也無法直接與多電平逆變電路相連接，用于中高壓變頻調速。為了實現公共的高壓直流輸出母線或實現對N組整流輸出直流電壓的靈活控制，N組級聯整流模塊必須后接N個高頻隔離DC-DC變換模塊，從而導致整個系統拓撲結構和控制方式的復雜性增加，工作效率降低。

發明內容

本發明的目的是克服上述缺陷，提供一種具有公共直流母線的無橋多電平整流器實現方案，與傳統中高壓變頻器的整流級相比，一方面，考慮在相當多的實際工業應用場合，能量并不需要在兩個方向傳輸的實際需求，本發明提供的無橋多電平整流器可以實現能量單方向傳輸，通過無橋多電平可拓展的拓撲結構，使得有源功率開關管的數量減少了近一半，從而大大降低了無工頻變壓器級聯式多電平變換器的成本以及控制的復雜度；另一方面，無需在輸入端使用體積龐大的工頻移相變壓器，用低耐壓的功率開關管完成高電壓下的大功率單位功率因數整流變換，與無工頻變壓器的多電平變換器比較，本發明提供的無橋多電平整流器可在直流側構成一對公共的高壓直流母線，可以靈活實現對輸出側電容電壓的平衡控制，本發明提供的無橋多電平整流器可以根據不同應用場合和功率等級選擇可以拓展的拓撲結構，主功率電路拓撲結構靈活，體積小，重量輕，成本低，控制簡單，系統的整體工作效率高，在中高壓直流輸電(HVDC)、大功率電力電子變壓器，大功率中高壓交-直-交變頻器等領域具有重要的應用價值。