[发明专利]高压背靠背变流器

说明书

技术领域

本发明涉及一种多电平背靠背变流器，特别涉及高电压交流传动系统中能实现能量双向流动与控制的多电平背靠背变流器。

背景技术

随着电力电子以及交流传动技术的发展，高压交流传动系统，例如高压变频调速系统等作为节能减排的主要手段之一，在国民经济的各个领域得到了越来越广泛的应用。在高压交流传动系统的实际应用当中，很多场合需要在电机制动时将其能量回馈至电网侧，以便节约能源，因此具备能量双向流动与控制能力的背靠背型变流器也获得了广泛的应用。

然而，在目前的电力电子技术发展水平下单台以及单个使用的电力电子开关器件一般不能承受高电压，例如6kV、10kV等场合的耐压要求。因此，通过变压器、功率模块串联、开关器件串联和多电平变流器等来实现的高压背靠背变流器得到了关注和应用。目前，高压变流器的主要拓扑形式有：

1、通过变压器将多个低压的变流器组合成高压变流器。例如，中国专利200320121533、200720190811、200780018970、200910184413、02114225.4、03126473.5、97100477.3、200410009469.8、200710114461.1、200820014044.X、200820238870.2采用了工频变压器与低压变流器结合的方式构成高压多电平变流器；而中国专利200820208579和美国专利US7554824B2、US7558087B2、US2008/0198637A1、US 2008/0158921A1则采用了中频变压器与低压变流器结合的方式构成高压多电平变流器。这种拓扑结构实施容易，模块化程度高，但由于变压器的大量采用导致其装置体积大，重量大，成本高。

2、通过电力电子开关器件的直接串联实现的高压变流器。例如，中国专利200720140987、200720148108采用了IGBT直接串联两电平变流器的方式构成了高压变流器。这种结构的变流器结构简单，体积小，重量轻，但开关器件动态和静态均压问题不易解决，输出电压dv/dt大，谐波含量高，容易对电机造成损害。

3、通过采用多电平的变流器，例如二极管箝位式、飞跨电容式多电平变流器、级联H桥型多电平变流器等构成的高压变流器。例如，美国专利US 5644483、US 5532575和US2007/0159749A1采用了二极管箝位式的多电平变流器构成高压变流器；而美国专利US6005788通过级联H桥型多电平变流器构成高压变流器，但是这一结构的变流器作为背靠背变流器时又需要变压器进行电气隔离。而美国专利US 2006/0044857A1将二极管箝位式多电平变流器中需要的多个直流母线所需的多个隔离的交流电源集成到了发电机的绕组中，虽然省去了变压器，却需要对发电机进行改造，这在很多实际应用当中尤其是与电网连接的情况下是不现实的。这一结构的变流器不需要变压器，也不存在开关器件的动态均压问题。但是，这些类型的变流器的高压直流母线一般需要高压直流电容，随着电平数量的增加二极管或高压电容的数量也会急剧增加，且存在电容均压问题，因此在实际应用当中三电平的结构应用最广，然而在目前的电力电子开关器件水平下三电平变流器承受7kV以上的高压是几乎不可能的。

发明内容

本发明旨在克服现有高压交流传动领域用背靠背变流器的缺点，简化装置结构，减小装置的体积和重量，降低制造成本，提出一种高电压交流传动系统背靠背变流器。

本发明由多个结构相同的桥臂构成，每个桥臂的上桥臂和下桥臂均由数量相同的n个(n≥1)低压功率单元级联构成，每一相输入或输出分别对应一个桥臂。每个桥臂的上端连接在一起，每个桥臂的下端连接在一起，直流母线不需要支撑电容。同时，每相桥臂包含一个电感模块，电感模块由两个电感构成，这两个电感既可以是相互独立的分立电感，也可以是耦合系数很高的两个耦合电感。两个电感直接串联，若为耦合电感则为顺接串联。两个电感的共同连接点作为该相桥臂的输出端子；两个电感的另外两个端子一个与该相桥臂上桥臂的下端相连，另外一个端子与该相桥臂下桥臂的上端相连。桥臂的数量根据应用场合的不同来确定，例如，当电网和电机均为三相三线制时，则电网侧需要三个桥臂，电机侧需要三个桥臂，也就是总共需要六个桥臂；当电网为单相而电机为三相时，则电网侧需要一个桥臂，电机侧需要三个桥臂，也就是总共需要四个桥臂。

本发明高电压交流传动系统模块化多电平背靠背变流器具有以下特点和优势：

1.采用级联式模块化结构，只要级联足够的低压功率单元，可以承受非常高的电压。同时，模块化的结构便于生产制造和安装调试。