[发明专利]一种多电平变流器直流电容的动态均压电路

说明书

技术领域

本发明涉及一种多电平变流器直流电容的动态均压电路，属于电力电子技术领域。

背景技术

高压、大容量电力电子变流器在输配电系统动态无功补偿、电能质量治理、轻型直流输电、高压变频器等诸多领域应用广泛。与较早使用的中点箝位型(NPC)多电平变流器和电容箝位型(FC)多电平变流器相比较，H桥级联多电平变流器(亦称链式变流器)和模块化多电平变流器(modular multilevel converter，MMC)，具有易于模块化设计和实现冗余控制等优点，正得到日益广泛的应用。多电平变流器在运行中，开关器件的导通和关断使电流流过变流器直流支撑电容并引起电容电压在一定范围内波动。由于各链节单元或功率模块在电路参数上存在固有差异，以及其实际控制、驱动信号与理论信号的误差，同一变流器链或同一桥臂的各链节单元电容电压并不相等，即存在所谓电容电压不均的问题。多电平变流器各功率单元电容电压不均会影响装置容量利用率，减小其安全运行裕度，并恶化输出电压、电流波形，严重地还会导致运行保护失败，甚至损坏开关器件和电容。因此有必要采用适当的均压技术，确保各变流链或桥臂的各单元电容电压平均值彼此基本一致，整体波动较小。

现有的多电平电压源变流器的均压技术可分为硬件均压方法和软件均压方法两类。其中硬件均压方法是通过在已有多电平变流器结构中附加辅助变流器、电阻及变压器等硬件电路，将电容上不平衡的能量损耗掉或转移到其他电容上。如文献1(M.L.Woodhouse,M.W.Donoghue,M.M.Osborne.Type testing of the GTO valvesfor a novel STATCOM convertor.in:AC-DC Power Transmission SeventhInternational Conference,2001:84-90)提出了一种基于交流母线能量交换的均压方法，文献2(刘文华，宋强，滕乐天，等.基于链式逆变器的50MVA静止同步补偿器的直流电压平衡控制.中国电机工程学报，2004，24(4)：145-150.)则提出了一种基于直流母线能量交换的均压方法，这两种方法均是通过利用在每个链节单元增加的辅助变流器和变压器，通过共用的直流或交流母线相互交换能量而达到不同链节直流电容的动态均压目的。该方案虽然能达到较好的均压效果，但变压器、辅助变流器成本和体积较大，制约了其应用。因此，较为常用的硬件均压方案是在多电平变流器的各功率单元的直流电容两端并联均压电阻，包括直接并联功率电阻的静态电阻均压方案和通过将功率电阻和IGBT型电力电子开关串联构成的动态电阻均压方案两种。静态电阻均压方案简便、成本低廉，但由于功率电阻损耗直接决定于直流电容电压，有效损耗功率占总损耗功率的比例很低，不但损耗过大，且对于动态均压效果十分有限。动态电阻均压方案由于采用IGBT电力电子开关与功率电阻并联构成动态电阻均压电路，对变流器链节的动态均压效果明显增强，但电力电子开关需按照直流电容耐压最大值选型，IGTB开关及其驱动电路的成本较高，并且需要设计针对均压电路的过压保护电路。

软件均压方法是采用一定的控制策略，利用链节或模块自身对电容的充、放电功率进行控制，实现各单元电容均压。文献3(王志冰，于坤山，周孝信.H桥级联多电平变流器的直流母线电压平衡控制策略[J].中国电机工程学报，2012，32(6)：56-63.)针对H桥级联多电平变流器提出一种通过控制变流器负序电流、零序电压或负序电压来实现直流电容均压的策略；文献4(丁冠军，丁明，汤广福，等.新型多电平VSC子模块电容参数与均压策略[J].中国电机工程学报，2009，29(30)：1-6.)针对模块化多电平变流器提出一种基于排序算法的直流电容均压策略。软件均压方法的问题在于其均压效果往往受多电平变流器运行工况的影响，比如当多电平变流器运行在轻载条件或输出电流包含明显谐波电流成分时，均压效果往往达不到要求。

发明内容

本发明的目的是提出一种多电平变流器直流电容的动态均压电路，以应用于级联多电平变流器和模块化多电平变流器，实现对直流电容电压的动态均压的精细控制。