[发明专利]具有公共高压直流母线的级联多电平整流器及控制策略

说明书

本发明具有公共高压直流母线的级联多电平整流器及控制策略，属于AC/DC变换技术及其控制技术。该变换器提供多种主功率电路，每种主功率电路都由若干个模块单元级联组成，用于构成一对公共高压直流母线，极大降低了功率开关管的电压应力，克服了传统整流器由于功率开关管电压应力限制而不能产生高直流母线电压的缺点。本发明提供的整流器及控制策略平衡了输出侧各串联电容电压，实现应用低耐压的功率开关管完成高电压下的大功率整流变换，且不需要使用庞大，笨重，接线复杂的工频移相变压器的隔离，极大简化了主功率电路拓扑，提高了系统的工作效率，体积小，重量轻，成本低，在中高压直流输电、大功率的中高压变频器等领域具有重要的应用价值。

技术领域

本发明属于大功率高电压整流变换技术领域,特别涉及一种具有高电压公共直流母线的级联多电平整流电路的系统实现方案。

背景技术

近年来，“多电平功率变换器”(MultilevelConverter)在中高电压大功率变频调速、有源电力滤波、高压直流(HVDC)输电和电力系统无功补偿等领域已得到越来越多的成功应用。多电平变换器的基本电路拓扑结构大致可分为箝位型和单元级联型两大类。目前在工业中得到广泛应用的由西门子公司或ABB公司生产的二极管箝位型三电平中高压变频器，以及由罗宾康公司或利德华福公司生产的级联H桥中高压变频器就是这两类产品的典型代表。在这两类中高压变频器中，无论哪一类，为了应用低耐压的电力电子器件完成高电压的功率变换，均需在整流输入侧使用体积庞大、接线复杂、价格昂贵的工频移相变压器实现电气隔离。这使其在许多工业场合的应用受到限制[1]。

无工频变压器级联式多电平变换器[2]，近年来在电力电子技术领域受到广泛关注，被认为是适用于新能源发电系统接入和满足分布式发电需求的智能电网接口或新一代中高压变频器的理想实现方案。此类变换器用高频变压器取代传统级联式变换器中的工频移相变压器实现电气隔离，当用于双向功率传输时，整流侧采用级联全控H桥多电平功率变换器结构。当用于单向功率传输时，整流侧采用单向级联式多电平功率变换器结构(包括：级联二极管+Boost整流电路，级联无桥整流电路，级联VIENNA整流电路等)。与传统中高压变频器的整流级相比较，此类变换器整流级的实现方案取消了体积庞大、接线复杂、价格昂贵的工频移相变压器，从而有效地减小了系统体积、重量和制造成本。然而，此类变换器也有着明显的缺点，主要表现在：每一相N个级联整流模块会产生N组直流输出端，且由于输入端不隔离，这N组整流模块直流输出端无法直接串联联接构成一对公共的高压直流输出母线，因此无法直接用于高压直流输电，也无法直接与多电平逆变电路相连接，用于中高压变频调速。为了实现公共的高压直流输出母线或实现对N组整流输出直流电压的灵活控制，N组级联整流模块必须后接N个高频隔离DC-DC变换模块，从而导致整个系统拓扑结构和控制方式的复杂性增加，工作效率降低。

发明内容

本发明的目的是克服上述缺陷，提供一种新型高压大功率级联多电平单位功率因数整流器实现方案，与传统中高压变频器整流级比较，本发明提供的新型级联整流器无需在输入端使用工频移相变压器，可以使用低耐压的功率开关管完成高电压下的大功率单位功率因数整流变换。与无工频变压器级联式多电平变换器比较，本发明提供的新型级联整流器可在直流侧构成一对公共的高压直流母线，并可灵活的实现对各级联整流模块输出侧电容电压的平衡控制。本发明提供的新型级联整流器主功率电路的拓扑结构简单，系统的工作效率高，体积小，重量轻，成本低，在高压直流输电(HVDC)、大功率电力电子变压器，大功率中高压交-直-交变频器等领域具有重要的应用价值。