专利名称：一种级联型换流器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于中高电压等级的电网和负荷的换流器，特别是关于一种级 联型换流器。
背景技术：
随着新能源发电、电气化铁路等中高压电网和负荷的发展，对轻型直流输电系统、 背靠背型的补偿设备的需求大大增加。中高压换流器是这些补偿设备的关键部件，其拓扑 主要包括器件串联型(如图1所示)和H桥级联型(也称为链式)(如图2所示)。其 中，器件串联型换流器易于控制，且多相桥臂可以共用直流侧电容器，便于实现直流输电和 背靠背运行，但是器件串联时的动态均压不容易实现，且这种换流器的有效电平数少，输出 波形畸变率高，运行效率略低。H桥级联型换流器基于简单单元的级联，有效电平数较多，输 出波形畸变率较低，运行效率较高，但是它不允许多相桥臂共用直流侧电容器，不适用于直 流输电和背靠背运行。
发明内容
为实现一种适用于直流输电和背靠背运行，且有效电平数多、输出波形畸变率低 的级联型换流器。本发明采取以下技术方案一种级联型换流器，其特征在于它包括至少两个换流器桥臂，每一所述换流器桥 臂包括串接的第一桥臂单元和第二桥臂单元；所述每一换流器桥臂中的第一、二桥臂单元 的串联接点处连接一交流出线，所述第一、二桥臂单元剩下的另外两端分别连接一直流母 线的正极和负极；所述第一桥臂单元包括η个串接的B形桥(Μ;，所述第二桥臂单元包括 η 个串接的 B 形桥(Mj2)，jl = l...n, j2 = η+1··· 2η，η 为级联数，η 彡 1。每一所述换流器桥臂中的各所述B形桥(MjlJj2)分别包括四电力电子器件(S1 S4)、两电容器(Ci、C2)，以及一所述X端和一所述Y端；所述电力电子器件(S2)的发射极和 集电极分别连接所述电力电子器件(S3)的集电极和所述电力电子器件(S1)的发射极，所述 电力电子器件(S3)的发射极连接所述电力电子器件(S4)的集电极，所述电力电子器件(S1) 的集电极和所述电力电子器件(S4)的发射极之间串接所述两电容器(CpC2)；所述两电容 器(CpC2)之间的一点通过一导线接在所述电力电子器件(S2)的发射极与所述电力电子器 件(S3)的集电极之间；所述X端连接所述电力电子器件(S1)的发射极和所述电力电子器件 (S2)的集电极的接点，所述Y端连接所述电力电子器件(S3)的发射极和所述电力电子器件 (S4)的集电极的接点。所述B形桥(Mji、Mj2)的XY端口输出0、UC、2UC三种有效电平之一。所述第一、二桥臂单元的两端、相邻两B形桥(Mjl)的接点和相邻两B形桥(Mj2)的 接点中的一处连接一电抗器 Li, jl = 1. . .η, j2 = n+1 …2n，i = 1. . . 2n+2。所述第一、二桥臂单元的两端、相邻两B形桥(Mjl)的接点和相邻两B形桥(Mj2)的接点中的多处连接一电抗器Li, jl = 1. . .η, j2 = n+1…2n，i = 1. . . 2n+2。所述第一、二桥臂单元的两端、相邻两B形桥(Mjl)的接点和相邻两B形桥(Mj2)的 接点中的每一处连接一电抗器Li, jl = 1. . .η, j2 = n+1…2n，i = 1. . . 2n+2。当所述第一桥臂单元中第η个B形桥(Mn)的Y端和所述第二桥臂单元中第n+1个 B形桥(Mn+ 1)的X端分别连接有所述电抗器(Ln+1、Ln+2)时，所述交流出线连接在所述电抗器 (Ln+1、Ln+2)的接点处；当第一个B形桥(M1)的X端连接电抗器(L1)时，所述直流母线的正 极直接连接电抗器(L1)；当第2η个B形桥(M2n)的Y端连接电抗器(L2(n+1))时，所述直流母 线的负极直接连接电抗器(L2(n+1))。所述换流器桥臂输出电压的电平数为2n+l个；所述级联数η = 2时，所述换流器 桥臂输出的电压具有5个电平；所述级联数η = 4时，所述换流器桥臂输出的电压具有9个 电平。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、由于本发明采用B形桥级联， 多个桥臂共用直流侧电容器时不存在相间短路等问题，因此可以允许多个换流器共用直流 侧电容器。2、由于本发明每一换流器桥臂包括2η+2个电抗器和2η个B形桥，电抗器值允许 为零，2η+2个电抗器与2η个B形桥依次交替级联，第n+1个电抗器和第n+2个电抗器的连 接点接一交流出线，第一个电抗器的一端接直流母线的正极，另一端接第1个B桥的X端， 第2n+2个电抗器的一端接直流母线负极，另一端接第2η个B桥的Y端，所述η为级联数， η ^ 1，因此便于实现冗余设计，可靠性高，实际应用时，便于模块化设计、制造和安装。3、由 于本发明中的每一换流器桥臂中的各B形桥分别采用了四电力电子器件和两电容器，因此 每一换流器桥臂结构简单，易于实现。4、由于本发明中的换流器为级联形式，因此每个B形 桥的开关频率较低，而整个换流器的等效开关频率较高，故运行效率较高。5、由于本发明中 的各B形桥的XY端口可以输出0、UC、2UC三种有效电平，因此可以使换流器桥臂输出的有效 电平数较多，交流输出波形畸变率低，输出电压的dV/dt小。本发明主要用于中高电压等级 的电网和负荷。
图1是器件串联型换流器的拓扑结构示意2是H桥级联型换流器的拓扑结构示意3是本发明的实施例一的结构示意4是本发明的实施例二的结构示意5是本发明的实施例三的结构示意6是本发明中B形桥的原理7是本发明中B形桥第一种工作状态的等效电路8是本发明中B形桥第二种工作状态的等效电路9是本发明中B形桥第三种工作状态的等效电路10是本发明中B形桥第四种工作状态的等效电路11是本发明中B形桥的一具体实施例的结构示意12是本发明的级联数为2时，桥臂输出电压的波形13是本发明的级联数为4时，桥臂输出电压的波形图
图14是本发明的基于B形桥级联的三相桥输出的三相电压波形图
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。如图3 5所示，本发明包括至少两个换流器桥臂1，其中，每一换流器桥臂1包 括两桥臂单元11、12，桥臂单元11包括η个串接的B形桥Mjl (j 1 = 1. . . η)，桥臂单元12包 括11个串接的8形桥^(」2 = 11+1...211)。上述η为 级联数，η彡1，其根据具体实际情况 进行选定。两个换流器桥臂1组成一个单相桥换流器2，三个换流器桥臂1组成三相桥换流 器3。本发明的换流器拓扑主要用于研制中高电压等级的电压源型换流器，包括脉冲电源、 变频器、静止无功发生器、有源电力滤波器、直流输电、统一潮流控制器等，但不限于上述换 流器。如图6所示，本发明的桥臂单元11、12中的每一 B形桥MjlJj2分别包括电力电子 器件S1 S4、电容器C1和C2，以及一 X端和一 Y端。电力电子器件S1 S4与电容器C1和 C2构成一串连回路，其具体连接为电力电子器件S2的发射极和集电极分别连接电力电子 器件S3的集电极和电力电子器件S1的发射极，电力电子器件S3的发射极连接电力电子器 件S4的集电极，电力电子器件S1的集电极和电力电子器件S4的发射极之间串接电容器C1 和c2。电容器C1与C2之间的一点通过一导线4连接在电力电子器件S2的发射极与电力电 子器件S3的集电极之间。X端连接在电力电子器件S1的发射极与电力电子器件S2的集电 极的接点，Y端连接在电力电子器件S3的发射极与电力电子器件S4的集电极的接点。X端 和Y端均是输出端，若记电容器C1和C2的电压均为Uc，则B形桥Mji、Mj2的XY端口可以输 出0、UC、2UC三种有效电平，其工作原理如表1所示。表 1
第一种工作状态第二种工作状态第三种工作状态第四种工作状态
电力S1 截止S1 导通S1 截止S1 导通
电子S2:导通S2:截止S2:导通S2:截止
器件S3:导通S3:导通S3:截止S3:截止
状态S4:截止S4:截止S4:导通S4:导通
XY端 口输
0UcUc2UC
出电 压如图7 10所示，通过合理控制电力电子器件S1 S4的开关规律，或者在电容器 C1和C2两端并联均压电路，可以保持电容器C1和C2的电压均衡。如图3 5所示，桥臂单元11中二相邻的B形桥Mjl的X、Y端相连接，且第一个B 形桥M1的X端连接一直流母线的正极P，第η个B形桥Mn的Y端连接一交流出线0。桥臂 单元12中二相邻的B形桥Mj2的X、Y端相连接，且第η+1个B形桥Μ +1的X端也连接交流出线0，第2η个B形桥M2n的Y端连接直流母线的负极N。
上述实施例中，第1个B形桥M1的X端、第η+1个B形桥Μη+1的X端、第η个B形 桥Mn的Y端、第2η个B形桥M2n的Y端、二 B形桥Mjl接点和二 B形桥Mj2接点中的一处连 接有-电抗器 Li (i = 1...2Π+2)。上述各实施例中，第1个B形桥M1的X端、第η+1个B形桥Μη+1的X端、第η个B 形桥Mn的Y端、第2η个B形桥M2n的Y端、二 B形桥M^1接点和二 B形桥M^2接点中的多处 分别连接一电抗器L”上述各实施例中，第一个B形桥M1的X端、第η+1个B形桥Μη+1的X端、第η个B 形桥Mn的Y端、第2η个B形桥M2n的Y端、二 B形桥Mjl (jl = 1. . . η)接点和二 B形桥Mj2 接点中的每一处分别连接一电抗器h。上述各实施例中，当桥臂单元11中Mn的Y端和桥臂单元12中Μη+1的X端分别连 接有电抗器Ln+1、Ln+2时，交流出线0连接在二电抗器Ln+1、Ln+2的接点处。当M1的X端连接 电抗器L1时，直流母线的正极P直接连接电抗器Lp当M2n的Y端连接电抗器L2(n+1)时，直 流母线的负极N直接连接电抗器L2(n+1)。采用不同的电力电子器件时，B形桥MpMp的实际机械结构有所不同，但均是器件 级联的形式。以压装型电力电子器件为例，B形桥MyMp的实际结构如图11所示，图11中 的D是冷却基板。本发明的换流器桥臂输出电压的电平数为2n+l个，例如当级联数η = 2时，换流 器桥臂1输出的电压具有5个电平(如图12所示)；当级联数η = 4时，换流器桥臂1输 出的电压具有9个电平(如图13所示)；当级联数继续增加时，电平数也随之增加，换流器 桥臂1输出电压的波形就更加逼近正弦。级联数η = 4时，三相桥换流器3输出的电压波 形(如图14所示)。随着级联数的增加，三相桥换流器3输出电压增大，可以用于中高压的 场合。上述各实施例中，各部件的结构、设置位置、及其连接都是可以有所变化的，在本 发明技术方案的基础上，对个别部件进行的改进和等同变换，不应排除在本发明的保护范 围之外。
权利要求
一种级联型换流器，其特征在于它包括至少两个换流器桥臂，每一所述换流器桥臂包括串接的的第一桥臂单元和第二桥臂单元；所述每一换流器桥臂中的第一、二桥臂单元的串联接点处连接一交流出线，所述第一、二桥臂单元剩下的另外两端分别连接一直流母线的正极和负极；所述第一桥臂单元包括n个串接的B形桥(Mj1)，所述第二桥臂单元包括n个串接的B形桥(Mj2)，j1＝1...n，j2＝n+1...2n，n为级联数，n≥1。
2.如权利要求1所述的一种级联型换流器，其特征在于每一所述换流器桥臂中的各 所述B形桥(MyMj2)分别包括四电力电子器件(S1 S4)、两电容器(Q、C2),以及一所述 X端和一所述Y端；所述电力电子器件(S2)的发射极和集电极分别连接所述电力电子器件 (S3)的集电极和所述电力电子器件(S1)的发射极，所述电力电子器件(S3)的发射极连接所 述电力电子器件(S4)的集电极，所述电力电子器件(S1)的集电极和所述电力电子器件(S4) 的发射极之间串接所述两电容器(CpC2)；所述两电容器(CpC2)之间的一点通过一导线接 在所述电力电子器件(S2)的发射极与所述电力电子器件(S3)的集电极之间；所述X端连接 所述电力电子器件(S1)的发射极和所述电力电子器件(S2)的集电极的接点，所述Y端连接 所述电力电子器件(S3)的发射极和所述电力电子器件(S4)的集电极的接点。
3.如权利要求2所述的一种级联型换流器，其特征在于所述B形桥(MyMp)的XY端 口输出0、UC、2UC三种有效电平之一。
4.如权利要求1或2或3所述的一种级联型换流器，其特征在于所 述第一、二桥臂单 元的两端、相邻两B形桥(Mjl)的接点和相邻两B形桥(Mj2)的接点中的一处连接一电抗器 Li, jl = 1…n，j2 = n+1. . . 2n，i = 1…2n+2。
5.如权利要求1或2或3所述的一种级联型换流器，其特征在于所述第一、二桥臂单 元的两端、相邻两B形桥(Mjl)的接点和相邻两B形桥(Mj2)的接点中的多处连接一电抗器 Li, jl = 1…n，j2 = n+1. . . 2n，i = 1…2n+2。
6.如权利要求1或2或3所述的一种级联型换流器，其特征在于所述第一、二桥臂单 元的两端、相邻两B形桥(MJ的接点和相邻两B形桥(MJ的接点中的每一处连接一电抗 器 Li, jl = 1. . . η, j2 = n+1. . . 2n, i = 1. . . 2n+2。
7.如权利要求4所述的一种级联型换流器，其特征在于当所述第一桥臂单元中第η 个B形桥(Mn)的Y端和所述第二桥臂单元中第n+1个B形桥(Mn+1)的X端分别连接有所述 电抗器(Ln+1、Ln+2)时，所述交流出线连接在所述电抗器(Ln+1、Ln+2)的接点处；当第一个B形 桥(M1)的X端连接电抗器(L1)时，所述直流母线的正极直接连接电抗器(L1)；当第2η个B 形桥(M2n)的Y端连接电抗器(L制)时，所述直流母线的负极直接连接电抗器(L2(n+1))。
8.如权利要求5所述的一种级联型换流器，其特征在于当所述第一桥臂单元中第η 个B形桥(Mn)的Y端和所述第二桥臂单元中第n+1个B形桥(Mn+1)的X端分别连接有所述 电抗器(Ln+1、Ln+2)时，所述交流出线连接在所述电抗器(Ln+1、Ln+2)的接点处；当第一个B形 桥(M1)的X端连接电抗器(L1)时，所述直流母线的正极直接连接电抗器(L1)；当第2η个B 形桥(M2n)的Y端连接电抗器(L制)时，所述直流母线的负极直接连接电抗器(L2(n+1))。
9.如权利要求6所述的一种级联型换流器，其特征在于当所述第一桥臂单元中第η 个B形桥(Mn)的Y端和所述第二桥臂单元中第n+1个B形桥(Mn+1)的X端分别连接有所述 电抗器(Ln+1、Ln+2)时，所述交流出线连接在所述电抗器(Ln+1、Ln+2)的接点处；当第一个B形 桥(M1)的X端连接电抗器(L1)时，所述直流母线的正极直接连接电抗器(L1)；当第2η个B形桥(M2n)的Y端连接电抗器(L2(n+1))时，所述直流母线的负极直接连接电抗器(L2(n+1))。
10.如权利要求1 9中任一项所述的一种级联型换流器，其特征在于所述换流器桥 臂输出电压的电平数为2n+l个；所述级联数η = 2时，所述换流器桥臂输出的电压具有5 个电平；所述级联数η = 4时，所述换流器桥臂输出的电压具有9个电平。
全文摘要
本发明涉及一种级联型换流器，其特征在于它包括至少两个换流器桥臂，每一所述换流器桥臂包括串接的第一桥臂单元和第二桥臂单元；所述每一换流器桥臂中的第一、二桥臂单元的串联接点处连接一交流出线，所述第一、二桥臂单元剩下的另外两端分别连接一直流母线的正极和负极；所述第一桥臂单元包括n个串接的B形桥(Mj1)，所述第二桥臂单元包括n个串接的B形桥(Mj2)，j1＝1…n，j2＝n+1…2n，n为级联数，n≥1。本发明主要用于中高电压等级的电网和负荷。
文档编号H02M7/48GK101867313SQ20101021172
公开日2010年10月20日 申请日期2010年6月21日 优先权日2010年6月21日
发明者张春朋 申请人:清华大学