[发明专利]一种带辅助二极管模块化多电平变换器

说明书

技术领域

本发明涉及一种多电平变换器拓扑结构，特别是关于一种用于中压或高压电网的无功补偿和谐波治理等场合中的带辅助二极管模块化多电平变换器。

背景技术

随着电力电子技术的不断发展，高电压、大容量已经成为电力电子技术的重要发展方向，并且高电压、大容量的电力电子变换器已经在高电压和大容量场合中得到越来越多的应用，如：新型高压直流输电和轻型高压直流输电，中压或高压的静止无功发生器（Static Var Generator，SVG）、有源滤波器（Active Power Filter，APF）、高压变频器，还有新型的发电技术：风力发电、光伏发电等等，并且高电压、大容量的电力电子变换器正得到了全面关注，有巨大的发展和应用空间。

近年来对高电压、大容量的多电平电力电子变换器的研究和应用越来越多，包括二极管箝位多电平结构、悬浮电容多电平结构、H桥级联多电平结构、模块化多电平变换器结构（modular multilevel converter，MMC）以及混合结构等等。其中，适合中压或高压电网并且在中压电网有较为成功应用的拓扑结构主要是：H桥级联多电平变换器拓扑和MMC拓扑。H桥级联多电平变换器由于结构简单、模块性强，通过串联很容易将电压升高，无需变压器可直接并入电网，在中压无功补偿方面已经有较多应用。MMC拓扑是一种较为新颖的拓扑结构，这种拓扑结构可以含有直流母线，有利于进行有功功率的传输，在高压直流输电方面有成功应用，也已经有将MMC拓扑用于中压电网无功补偿的研究，该拓扑是当前的研究热点。

在H桥级联多电平变换器拓扑和MMC拓扑这两类拓扑中，单元电容处于悬浮状态，在实际运行过程中，由于单元的损耗不同，驱动信号不理想有延时等因素，使得阀体中单元的电容电压在不被专门控制的情况下出现不平衡问题，这是这两类多电平变换器拓扑应用中的一个重要问题。目前其解决方法主要通过以下两种途径：一种是通过硬件辅助均压电路的方式来进行单元电容电压的均压控制；另一种是通过控制算法将阀体中每个单元的直流电压进行单独控制，实现均压。

在硬件辅助均压电路的方法中，可以功率交换辅助电路等形式。功率交换辅助电路法是为每个单元的直流电容配置辅助逆变器，并通过隔离变压器将各个单元的辅助电路连接起来，进行能量交换，从而平衡各个单元的直流电压。在这种方法下，电容电压能够得到较好的均衡控制，但是每个单元都增加了辅助逆变器，隔离变压器等，以及相应的控制、检测电路，使得电路的复杂度大大增加，而且成本也被提高。另一方面，通过增加电容电压均压算法来实现电容电压的平衡控制是最近比较热门的研究内容。由于阀体中单元以串联形式连接，阀体输出电压是单元逆变器输出电压之和，因此在不改变阀体输出电压的情况下，可以灵活调整单元输出电压，从而配合阀体电流来调整每个单元的有功功率，实现均压控制。目前的方法可以大致总结如下。

Peng F,McKeever J W,Adams D J.发表的“A power line conditioner using cascade multilevel inverters for distribution systems.IEEE Transactions on Industrial Applications,1998,34(6):1293-1298.”一文中，研究了脉冲轮换实现单元电容电压均衡控制。针对工频斩波的级联多电平变换器，通过轮换开关管的触发脉冲，使得各个单元的有功功率比较均衡，有利于降低单元电容电压不平衡程度，但是往往达不到消除电容电压不平衡的效果，可以作为辅助控制手段。

Liu Z,Liu B,Duan S,et al.发表的“A novel DC capacitor voltage balance control method for cascade multilevel STATCOM.IEEE Transactions on Power Electronics,2012,27(1):14-26.”一文中提出了通过调节每个单元调制波的幅值和相位来调节输出电压，在设备进行无功功率补偿时，阀体输出基波电流，且相位只可能超前或滞后电网电压π/2。根据电网电流调整单元输出电压的相位以及幅值，进而调整单元的有功功率，实现电容电压的均衡控制。但是此法应用于谐波补偿时，阀体输出电流主要含有谐波分量，谐波电流与基波电压产生的有功功率为零，而阀体输出电流的基波分量只有很小的有功电流，因此这种方法用于谐波补偿时，均压能力比较弱。