一种具有公共高压直流母线的五电平整流器及三相整流器

1.本实用新型属于中高压变频调速技术领域,特别涉及一种具有公共高压直流母线的五电平整流器及三相整流器的系统实现方案。


背景技术：

2.近年来，多电平功率变换器”(multilevel converter)在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。
3.无工频变压器级联式多电平变换器，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。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是克服上述缺陷，提供一种新型具有公共高压直流母线的五电平单位功率因数整流器实现方案，与传统中高压变频器的整流级比较，本实用新型提供的新型五电平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，与无工频变压器的多电平变换器比较，本实用新型提供的新型五电平整流器可在直流侧构成一对公共的高压直流母线，可以灵活实现对输出侧电容电压的平衡控制，本实用新型提供的新型五电平整流器主功率电路拓扑结构简单，体积小，重量轻，成本低，控制简单，系统的整体工作效率高，在中高压直流输电(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。
5.为达到上述目的，本实用新型提供的一种具有公共高压直流母线的五电平整流器，包括主功率电路，所述主功率电路包括高频滤波器、单相二极管整流桥、升压电感l和第一模块单元(a)，其特征在于：所述第一模块单元(a)包括四个开关器件s1、s2、s3、s4，四个快恢复二极管d1、d2、d3、d4，两个飞跨电容c1、c2，两个输出直流电容c3、c4和两个负载电阻r1、r2，所述开关器件s1的第一接线端(a)与所述快恢复二极管d1的阳极相连，所述快恢复二极管d1的阴极与所述快恢复二极管d2的阳极相连，所述快恢复二极管d2的阴极与并联连接的所述输出直流电容c3和所述负载电阻r1的第一接线端(m)相连，并联连接的所述输出直流电容c3和所述负载电阻r1的第二接线端(n)与并联连接的所述输出直流电容c4和所述负载电阻r2的第一接线端(m)相连，所述开关器件s1的第二接线端(b)与所述开关器件s2的第一接线端(a)及所述飞跨电容c1的第一接线端(e)相连，所述飞跨电容c1的第二接线端(f)与所述快恢复二极管d2的阳极相连，所述开关器件s2的第二接线端(b) 与所述开关器件s3的第一接线端(a)及并联连接的所述输出直流电容c4和所述负载电阻r2的第一接线端(m)相连，所述开关器件s3的第二接线端(b)与所述开关器件s4的第一接线端(a)及所述飞跨电容c2的第一接线端(e)相连，所述飞跨电容c2的第二接线端(f)与所述快恢复二极管d3的阳极及所述快恢复二极管d4的阴极相连，所述快恢复二极管d4的阳极与并联连接的所述输出直流电容c4和所述负载电阻r2的第二接线端(n)相连，所述开关器件s4的第二接线端(b)与所述快恢复二极管d3的阴极及所述单相二极管整流桥的整流输出负端相连，所述开关器件s1的第一接线端(a)与所述升压电感l的一端相连，所述升压电感l的另一端与所述单相二极管整流桥的整流输出正端相连，所述单相二极管整流桥的交流输入端经所述高频滤波器串联接入交流电网。
6.为达到上述目的，本实用新型提供的采用一种具有公共高压直流母线的五电平整流器构成的三相并联整流器，包括三相主功率电路，其特征在于：所述三相主功率电路包括三个高频滤波器和三个第二模块单元(b)，所述第二模块单元(b)包括单相二极管整流桥、升压电感l和第一模块单元(a)，所述第一模块单元(a)包括四个开关器件s1、s2、s3、s4，四个快恢复二极管d1、d2、d3、d4，两个飞跨电容c1、c2，两个输出直流电容c3、c4和两个负载电阻r1、r2，所述开关器件s1的第一接线端(a) 与所述快恢复二极管d1的阳极相连，所述快恢复二极管d1的阴极与所述快恢复二极管d2的阳极相连，所述快恢复二极管d2的阴极与并联连接的所述输出直流电容c3和所述负载电阻r1的第一接线端 (m)相连，并联连接的所述输出直流电容c3和所述负载电阻r1的第二接线端(n)与并联连接的所述输出直流电容c4和所述负载电阻r2的第一接线端(m)相连，所述开关器件s1的第二接线端(b)与所述开关器件s2的第一接线端(a)及所述飞跨电容c1的第一接线端(e)相连，所述飞跨电容c1的第二接线端(f)与所述快恢复二极管d2的阳极相连，所述开关器件s2的第二接线端(b)与所述开关器件s3的第一接线端(a)及并联连接的所述输出直流电容c4和所述负载电阻r2的第一接线端(m) 相连，所述开关器件s3的第二接线端(b)与所述开关器件s4的第一接线端(a)及所述飞跨电容c2的第一接线端(e)相连，所述飞跨电容c2的第二接线端(f)与所述快恢复二极管d3的阳极及所述快恢复二极管d4的阴极相连，所述快恢复二极管d4的阳极与并联连接的所述输出直流电容c4和所述负载电阻r2的第二接线端(n)相连，所述开关器件s4的第二接线端(b)与所述快恢复二极管d3的阴极及所述单相二极管整流桥的整流输出负端相连，所述开关器件s1的第一
接线端(a)与所述升压电感l的一端相连，所述升压电感l的另一端与所述单相二极管整流桥的整流输出正端相连，每相所述第二模块单元(b)的直流输出正端(g)相连，每相所述第二模块单元(b)的直流输出负端(h)相连，每相所述第二模块单元(b)剩余2个交流输入端，三相所述第二模块单元(b)的第一交流输入端构成一组接线端，三相所述第二模块单元(b)的第二交流输入端构成另一组接线端，其中一组接线端连接到一个公共的中性点上，另外一组接线端分别与三个所述高频滤波器串联，接入三相电网，构成三相并联连接。
7.为达到上述目的，本实用新型提供的采用一种具有公共高压直流母线的五电平整流器构成的三相星接整流器，包括三相主功率电路，其特征在于：所述三相主功率电路包括三个高频滤波器和三个第二模块单元(b)，所述第二模块单元(b)包括单相二极管整流桥、升压电感l和第一模块单元(a)，所述第一模块单元(a)包括四个开关器件s1、s2、s3、s4，四个快恢复二极管d1、d2、d3、d4，两个飞跨电容c1、c2，两个输出直流电容c3、c4和两个负载电阻r1、r2，所述开关器件s1的第一接线端(a) 与所述快恢复二极管d1的阳极相连，所述快恢复二极管d1的阴极与所述快恢复二极管d2的阳极相连，所述快恢复二极管d2的阴极与并联连接的所述输出直流电容c3和所述负载电阻r1的第一接线端 (m)相连，并联连接的所述输出直流电容c3和所述负载电阻r1的第二接线端(n)与并联连接的所述输出直流电容c4和所述负载电阻r2的第一接线端(m)相连，所述开关器件s1的第二接线端(b)与所述开关器件s2的第一接线端(a)及所述飞跨电容c1的第一接线端(e)相连，所述飞跨电容c1的第二接线端(f)与所述快恢复二极管d2的阳极相连，所述开关器件s2的第二接线端(b)与所述开关器件s3的第一接线端(a)及并联连接的所述输出直流电容c4和所述负载电阻r2的第一接线端(m) 相连，所述开关器件s3的第二接线端(b)与所述开关器件s4的第一接线端(a)及所述飞跨电容c2的第一接线端(e)相连，所述飞跨电容c2的第二接线端(f)与所述快恢复二极管d3的阳极及所述快恢复二极管d4的阴极相连，所述快恢复二极管d4的阳极与并联连接的所述输出直流电容c4和所述负载电阻r2的第二接线端(n)相连，所述开关器件s4的第二接线端(b)与所述快恢复二极管d3的阴极及所述单相二极管整流桥的整流输出负端相连，所述开关器件s1的第一接线端(a)与所述升压电感l的一端相连，所述升压电感l的另一端与所述单相二极管整流桥的整流输出正端相连，每相所述第二模块单元(b)剩余2个交流输入端，三相所述第二模块单元(b)的第一交流输入端构成一组接线端，三相所述第二模块单元(b)的第二交流输入端构成另一组接线端，其中一组接线端连接到一个公共的中性点上，另外一组接线端分别与三个所述高频滤波器串联，接入三相电网，构成星形连接。
8.为达到上述目的，本实用新型提供的采用一种具有公共高压直流母线的五电平整流器构成的三相角接整流器，包括三相主功率电路，其特征在于：所述三相主功率电路包括三个高频滤波器和三个第二模块单元(b)，所述第二模块单元(b)包括单相二极管整流桥、升压电感l和第一模块单元(a)，所述第一模块单元(a)包括四个开关器件s1、s2、s3、s4，四个快恢复二极管d1、d2、d3、d4，两个飞跨电容c1、c2，两个输出直流电容c3、c4和两个负载电阻r1、r2，所述开关器件s1的第一接线端(a) 与所述快恢复二极管d1的阳极相连，所述快恢复二极管d1的阴极与所述快恢复二极管d2的阳极相连，所述快恢复二极管d2的阴极与并联连接的所述输出直流电容c3和所述负载电阻r1的第一接线端 (m)相连，并联连接的所述输出直流电容c3和所述负载电阻r1的第二接线端(n)与并联连接的所述输出直流电容c4和所述负载电阻r2的第一接线端(m)相连，所述开关器件s1的第二接线端(b)与所述开关器件s2的第一
接线端(a)及所述飞跨电容c1的第一接线端(e)相连，所述飞跨电容c1的第二接线端(f)与所述快恢复二极管d2的阳极相连，所述开关器件s2的第二接线端(b)与所述开关器件s3的第一接线端(a)及并联连接的所述输出直流电容c4和所述负载电阻r2的第一接线端(m) 相连，所述开关器件s3的第二接线端(b)与所述开关器件s4的第一接线端(a)及所述飞跨电容c2的第一接线端(e)相连，所述飞跨电容c2的第二接线端(f)与所述快恢复二极管d3的阳极及所述快恢复二极管d4的阴极相连，所述快恢复二极管d4的阳极与并联连接的所述输出直流电容c4和所述负载电阻r2的第二接线端(n)相连，所述开关器件s4的第二接线端(b)与所述快恢复二极管d3的阴极及所述单相二极管整流桥的整流输出负端相连，所述开关器件s1的第一接线端(a)与所述升压电感l的一端相连，所述升压电感l的另一端与所述单相二极管整流桥的整流输出正端相连，每相所述第二模块单元(b)剩余2个交流输入端，三相所述第二模块单元(b)的第一交流输入端构成一组接线端，三相所述第二模块单元(b)的第二交流输入端构成另一组接线端，其中一组接线端分别经三个所述高频滤波器接至三相电网输入端，另一组接线端依次连接至三相电网中的下一相输入端，构成角形连接。
9.为达到上述目的，本实用新型提供的采用一种具有公共高压直流母线的五电平整流器构成的三相双星接整流器，包括三相主功率电路，其特征在于：所述三相主功率电路包括三个高频滤波器、六个桥臂电感、一个直流电容和六个第二模块单元(b)，六个所述第二模块单元(b)构成对接的两组星形连接，在每组星形连接中，所述第二模块单元(b)包括单相二极管整流桥、升压电感l和第一模块单元(a)，所述第一模块单元(a)包括四个开关器件s1、s2、s3、s4，四个快恢复二极管d1、d2、d3、d4，两个飞跨电容c1、c2，两个输出直流电容c3、c4和两个负载电阻r1、r2，所述开关器件s1的第一接线端 (a)与所述快恢复二极管d1的阳极相连，所述快恢复二极管d1的阴极与所述快恢复二极管d2的阳极相连，所述快恢复二极管d2的阴极与并联连接的所述输出直流电容c3和所述负载电阻r1的第一接线端(m)相连，并联连接的所述输出直流电容c3和所述负载电阻r1的第二接线端(n)与并联连接的所述输出直流电容c4和所述负载电阻r2的第一接线端(m)相连，所述开关器件s1的第二接线端(b) 与所述开关器件s2的第一接线端(a)及所述飞跨电容c1的第一接线端(e)相连，所述飞跨电容c1的第二接线端(f)与所述快恢复二极管d2的阳极相连，所述开关器件s2的第二接线端(b)与所述开关器件s3的第一接线端(a)及并联连接的所述输出直流电容c4和所述负载电阻r2的第一接线端 (m)相连，所述开关器件s3的第二接线端(b)与所述开关器件s4的第一接线端(a)及所述飞跨电容c2的第一接线端(e)相连，所述飞跨电容c2的第二接线端(f)与所述快恢复二极管d3的阳极及所述快恢复二极管d4的阴极相连，所述快恢复二极管d4的阳极与并联连接的所述输出直流电容c4和所述负载电阻r2的第二接线端(n)相连，所述开关器件s4的第二接线端(b)与所述快恢复二极管d3的阴极及所述单相二极管整流桥的整流输出负端相连，所述开关器件s1的第一接线端(a)与所述升压电感l的一端相连，所述升压电感l的另一端与所述单相二极管整流桥的整流输出正端相连，每相所述第二模块单元(b)剩余2个交流输入端，三相所述第二模块单元(b)的第一交流输入端构成一组接线端，三相所述第二模块单元(b)的第二交流输入端构成另一组接线端，其中一组接线端连接到一个公共中性点，另一组接线端分别与三个所述桥臂电感的一端相连，而在每相桥臂上的两个所述桥臂电感的另一端各自相连，并分别经三个所述高频滤波器之一接至三相电网输入端，同时，第一组星形连接中的公共中性点和第二组星形连接中的公共中性点分别与所述直流电容的两端相连，构
成双星形连接。
10.为达到上述目的，本实用新型提供的一种具有公共高压直流母线的五电平整流器及控制策略，其特征在于，一种具有公共高压直流母线的五电平整流器的控制策略步骤如下：
11.(1)对一种具有公共高压直流母线的五电平整流器的输出侧直流电压进行采样，得到两个输出侧直流电压信号u
o1
、u
o2
；
12.(2)利用下式计算步骤(1)中的两个输出侧直流电压信号u
o1
、u
o2
的平均值u
o
，
[0013][0014]
(3)将步骤(2)中的u
o
与直流电压给定信号u
o*
比较后送入pi电压调节器，得到pi电压调节器输出直流电流信号幅值i
d
；
[0015]
(4)将步骤(1)中的两个输出侧直流电压信号u
o1
、u
o2
分别与直流电压给定信号u
o*
比较后送入pi 电压调节器，得到pi电压调节器输出直流电流信号幅值i1、i2；
[0016]
(5)将步骤(4)中直流电流信号幅值i1、i2分别与步骤(3)中的直流电流信号幅值i
d
相加，相加后得到直流电流给定信号幅值i
1*
、i
2*
，将直流电流给定信号幅值i
1*
与三角载波信号w相乘，产生给定的电流比较信号i
k1*
，将三角载波信号w移相180
°
与直流电流给定信号幅值i
1*
相乘，产生给定的电流比较信号i
g1*
，将直流电流给定信号幅值i
2*
与三角载波信号w相乘，产生给定的电流比较信号i
k2*
，将三角载波信号w移相180
°
与直流电流给定信号幅值i
2*
相乘，产生给定的电流比较信号i
g2*
；
[0017]
(6)对三相电网电压进行采样，得到输入侧交流电压信号u
a
，u
b
，u
c
，利用下式计算u
am
、u
an
，
[0018][0019]
利用下式计算a相输入侧交流电压信号负序分量u
af
，
[0020]
u
af
＝u
am
+u
an
[0021]
利用下式计算a相需要注入的负序分量u
az
，
[0022][0023]
式中，i
d
为步骤(3)中输出直流电流信号幅值，u
o
为步骤(2)中输出侧直流电压信号u
o1
、u
o2
的平均值；对三相电网电流进行采样，得到输入侧交流电流信号i
a
，i
b
，i
c
，利用下式计算a相反馈电流的比较信号i
a
；
[0024]
i
a
＝|i
a
|+u
az
[0025]
(7)将步骤(5)中给定的电流比较信号i
k1*
与步骤(6)中的a相反馈电流比较信号i
a
送入比较器进行比较，得到a相开关器件s
a1
的pwm信号pwm
a1
，将步骤(5)中给定的电流比较信号i
g1*
与步骤(6) 的a相反馈电流比较信号i
a
送入比较器进行比较，得到a相开关器件s
a2
的pwm信号pwm
a2
，将步骤(5)中给定的电流比较信号i
k2*
与步骤(6)的a相反馈电流比较信号i
a
送入比较器进行比较，得到a 相开关器件s
a3
的pwm信号pwm
a3
，将步骤(5)中给定的电流比
较信号i
g2*
与步骤(6)的a相反馈电流比较信号i
a
送入比较器进行比较，得到a相开关器件s
a4
的pwm信号pwm
a4
；
[0026]
(8)利用下式计算u
bm
、u
bn
，
[0027][0028]
式中，u
a
，u
b
，u
c
为步骤(6)中的输入侧交流电压信号，利用下式计算b相输入侧交流电压信号负序分量u
bf
，
[0029]
u
bf
＝u
bm
+u
bn
[0030]
利用下式计算b相需要注入的负序分量u
bz
，
[0031][0032]
式中，i
d
为步骤(3)中输出直流电流信号幅值，u
o
为步骤(2)中输出侧直流电压信号u
o1
、u
o2
的平均值，利用下式计算b相反馈电流的比较信号i
b
，
[0033]
i
b
＝|i
b
|+u
bz
[0034]
式中，i
b
为步骤(6)中的输入侧交流电流信号；
[0035]
(9)将步骤(5)中给定的电流比较信号i
k1*
与步骤(8)中的b相反馈电流的比较信号i
b
送入比较器进行比较，得到b相开关器件s
b1
的pwm信号pwm
b1
，将步骤(5)中给定的电流比较信号i
g1*
与步骤(8) 的b相反馈电流比较信号i
b
送入比较器进行比较，得到b相开关器件s
b2
的pwm信号pwm
b2
，将步骤(5)中给定的电流比较信号i
k2*
与步骤(8)的b相反馈电流比较信号i
b
送入比较器进行比较，得到b 相开关器件s
b3
的pwm信号pwm
b3
，将步骤(5)中给定的电流比较信号i
g2*
与步骤(8)的b相反馈电流比较信号i
b
送入比较器进行比较，得到b相开关器件s
b4
的pwm信号pwm
b4
；
[0036]
(10)利用下式计算u
cm
、u
cn
，
[0037][0038]
式中，u
a
，u
b
，u
c
为步骤(6)中的输入侧交流电压信号，利用下式计算c相输入侧交流电压信号负序分量u
cf
，
[0039]
u
cf
＝u
cm
+u
cn
[0040]
利用下式计算c相需要注入的负序分量u
cz
，
[0041][0042]
式中，i
d
为步骤(3)中输出直流电流信号幅值，u
o
为步骤(2)中输出侧直流电压信号u
o1
、u
o2
的平均值，利用下式计算c相反馈电流的比较信号i
c
，
[0043]
i
c
＝|i
c
|+u
cz
[0044]
式中，i
c
为步骤(6)中的输入侧交流电流信号；
[0045]
(11)将步骤(5)中给定的电流比较信号i
k1*
与步骤(10)中的c相反馈电流的比较信号i
c
送入比较器进行比较，得到c相开关器件s
c1
的pwm信号pwm
c1
，将步骤(5)中给定的电流比较信号i
g1*
与步骤(10) 的c相反馈电流比较信号i
c
送入比较器进行比较，得到c相开关器件s
c2
的pwm信号pwm
c2
，将步骤(5)中给定的电流比较信号i
k2*
与步骤(10)中的c相反馈电流比较信号i
c
送入比较器进行比较，得到c相开关器件s
c3
的pwm信号pwm
c3
，将步骤(5)中给定的电流比较信号i
g2*
与步骤(10)的c相反馈电流比较信号i
c
送入比较器进行比较，得到c相开关器件s
c4
的pwm信号pwm
c4
；
[0046]
(12)将步骤(7)中的pwm
a1
、pwm
a2
、pwm
a3
、pwm
a4
，步骤(9)中的pwm
b1
、pwm
b2
、pwm
b3
、 pwm
b4
，步骤(11)中的pwm
c1
、pwm
c2
、pwm
c3
、pwm
c4
送给对应的开关器件，实现有源功率因数校正，使输入电流正弦化，在电网电压不平衡情况下，也实现了对输出直流电容电压的均衡控制，使得三相输入电流平衡。
[0047]
本实用新型一种具有公共高压直流母线的五电平整流器及控制策略的优点和积极效果在于：与传统中高压变频器整流器比较，本实用新型提供的具有公共高压直流母线的五电平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。本实用新型提供的五电平整流器，在单相输入时可在直流侧构成一对公共的高压直流母线，三相输入时即可以在直流侧构成一对统一的公共高压直流母线，又可以在三相各自整流器输出的直流侧构成三对独立的公共高压直流母线，同时还可以灵活的实现对整流模块输出侧电容电压的平衡控制。本实用新型提供的五电平整流器主功率电路拓扑结构简单，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。
[0048]
下面结合附图对本实用新型进一步说明。
附图说明
[0049]
图1为本实用新型一种具有公共高压直流母线的五电平整流器及三相整流器中第一模块单元(a) 的电路图；
[0050]
图2为本实用新型一种具有公共高压直流母线的五电平整流器及三相整流器中第二模块单元(b) 的电路图；
[0051]
图3为本实用新型一种具有公共高压直流母线的五电平整流器及三相整流器中三相并联整流器电路图；
[0052]
图4为本实用新型一种具有公共高压直流母线的五电平整流器及三相整流器中三相星接整流器电路图；
[0053]
图5为本实用新型一种具有公共高压直流母线的五电平整流器及三相整流器中三相角接整流器电路图；
[0054]
图6为本实用新型一种具有公共高压直流母线的五电平整流器及三相整流器中三相双星接整流器电路图；
[0055]
图7为本实用新型一种具有公共高压直流母线的五电平整流器及三相整流器的a相控制策略图；
[0056]
图8为本实用新型一种具有公共高压直流母线的五电平整流器及三相整流器的b
相控制策略图；
[0057]
图9为本实用新型一种具有公共高压直流母线的五电平整流器及三相整流器的c相控制策略图；
[0058]
图10为本实用新型一种具有公共高压直流母线的五电平整流器构成的三相并联整流器的三相输入电流波形；
[0059]
图11为本实用新型一种具有公共高压直流母线的五电平整流器构成的三相并联整流器的两个直流电容电压波形和总的输出直流电压波形；
[0060]
图12为本实用新型一种具有公共高压直流母线的五电平整流器构成的三相并联整流器的输入侧五电平电压波形；
具体实施方式
[0061]
下面结合附图对本实用新型的实施方式和工作原理做进一步的描述：
[0062]
参照图1和图2，一种具有公共高压直流母线的五电平整流器，包括主功率电路，主功率电路包括高频滤波器、单相二极管整流桥、升压电感l和第一模块单元(a)，第一模块单元(a)包括四个开关器件s1、s2、s3、s4，四个快恢复二极管d1、d2、d3、d4，两个飞跨电容c1、c2，两个输出直流电容c3、c4和两个负载电阻r1、r2，开关器件s1的第一接线端(a)与快恢复二极管d1的阳极相连，快恢复二极管d1的阴极与快恢复二极管d2的阳极相连，快恢复二极管d2的阴极与并联连接的输出直流电容c3和负载电阻r1的第一接线端(m)相连，并联连接的输出直流电容c3和负载电阻r1的第二接线端(n)与并联连接的输出直流电容c4和负载电阻r2的第一接线端(m)相连，开关器件s1的第二接线端(b)与开关器件s2的第一接线端(a)及飞跨电容c1的第一接线端(e)相连，飞跨电容 c1的第二接线端(f)与快恢复二极管d2的阳极相连，开关器件s2的第二接线端(b)与开关器件s3的第一接线端(a)及并联连接的输出直流电容c4和负载电阻r2的第一接线端(m)相连，开关器件 s3的第二接线端(b)与开关器件s4的第一接线端(a)及飞跨电容c2的第一接线端(e)相连，飞跨电容c2的第二接线端(f)与快恢复二极管d3的阳极及快恢复二极管d4的阴极相连，快恢复二极管 d4的阳极与并联连接的输出直流电容c4和负载电阻r2的第二接线端(n)相连，开关器件s4的第二接线端(b)与快恢复二极管d3的阴极及单相二极管整流桥的整流输出负端相连，开关器件s1的第一接线端(a)与升压电感l的一端相连，升压电感l的另一端与单相二极管整流桥的整流输出正端相连，单相二极管整流桥的交流输入端经高频滤波器串联接入交流电网。
[0063]
参照图1、图2和图3，一种具有公共高压直流母线的五电平整流器构成的三相并联整流器，包括三相主功率电路，三相主功率电路包括三个高频滤波器和三个第二模块单元(b)，第二模块单元(b) 包括单相二极管整流桥、升压电感l和第一模块单元(a)，第一模块单元(a)包括四个开关器件s1、s2、 s3、s4，四个快恢复二极管d1、d2、d3、d4，两个飞跨电容c1、c2，两个输出直流电容c3、c4和两个负载电阻r1、r2，开关器件s1的第一接线端(a)与快恢复二极管d1的阳极相连，快恢复二极管 d1的阴极与快恢复二极管d2的阳极相连，快恢复二极管d2的阴极与并联连接的输出直流电容c3和负载电阻r1的第一接线端(m)相连，并联连接的输出直流电容c3和负载电阻r1的第二接线端(n) 与并联连接的输出直流电容c4和负载电阻r2的第一接线端(m)相连，开关器件s1的第二接线端(b) 与开关器件s2的第一接线端(a)及飞跨电容c1的第一接线端(e)相连，飞跨电容c1的第二接线端 (f)与快恢复二极管d2的阳极相
连，开关器件s2的第二接线端(b)与开关器件s3的第一接线端(a) 及并联连接的输出直流电容c4和负载电阻r2的第一接线端(m)相连，开关器件s3的第二接线端(b) 与开关器件s4的第一接线端(a)及飞跨电容c2的第一接线端(e)相连，飞跨电容c2的第二接线端 (f)与快恢复二极管d3的阳极及快恢复二极管d4的阴极相连，快恢复二极管d4的阳极与并联连接的输出直流电容c4和负载电阻r2的第二接线端(n)相连，开关器件s4的第二接线端(b)与快恢复二极管d3的阴极及单相二极管整流桥的整流输出负端相连，开关器件s1的第一接线端(a)与升压电感 l的一端相连，升压电感l的另一端与单相二极管整流桥的整流输出正端相连，每相第二模块单元(b) 的直流输出正端(g)相连，每相第二模块单元(b)的直流输出负端(h)相连，每相第二模块单元(b)剩余2 个交流输入端，三相第二模块单元(b)的第一交流输入端构成一组接线端，三相第二模块单元(b)的第二交流输入端构成另一组接线端，其中一组接线端连接到一个公共的中性点上，另外一组接线端分别与三个高频滤波器串联，接入三相电网，构成三相并联连接。
[0064]
参照图1、图2和图4，一种具有公共高压直流母线的五电平整流器构成的三相星接整流器，包括三相主功率电路，三相主功率电路包括三个高频滤波器和三个第二模块单元(b)，第二模块单元(b) 包括单相二极管整流桥、升压电感l和第一模块单元(a)，第一模块单元(a)包括四个开关器件s1、s2、 s3、s4，四个快恢复二极管d1、d2、d3、d4，两个飞跨电容c1、c2，两个输出直流电容c3、c4和两个负载电阻r1、r2，开关器件s1的第一接线端(a)与快恢复二极管d1的阳极相连，快恢复二极管 d1的阴极与快恢复二极管d2的阳极相连，快恢复二极管d2的阴极与并联连接的输出直流电容c3和负载电阻r1的第一接线端(m)相连，并联连接的输出直流电容c3和负载电阻r1的第二接线端(n) 与并联连接的输出直流电容c4和负载电阻r2的第一接线端(m)相连，开关器件s1的第二接线端(b) 与开关器件s2的第一接线端(a)及飞跨电容c1的第一接线端(e)相连，飞跨电容c1的第二接线端 (f)与快恢复二极管d2的阳极相连，开关器件s2的第二接线端(b)与开关器件s3的第一接线端(a) 及并联连接的输出直流电容c4和负载电阻r2的第一接线端(m)相连，开关器件s3的第二接线端(b) 与开关器件s4的第一接线端(a)及飞跨电容c2的第一接线端(e)相连，飞跨电容c2的第二接线端(f)与快恢复二极管d3的阳极及快恢复二极管d4的阴极相连，快恢复二极管d4的阳极与并联连接的输出直流电容c4和负载电阻r2的第二接线端(n)相连，开关器件s4的第二接线端(b)与快恢复二极管d3的阴极及单相二极管整流桥的整流输出负端相连，开关器件s1的第一接线端(a)与升压电感 l的一端相连，升压电感l的另一端与单相二极管整流桥的整流输出正端相连，每相第二模块单元(b) 剩余2个交流输入端，三相第二模块单元(b)的第一交流输入端构成一组接线端，三相第二模块单元(b) 的第二交流输入端构成另一组接线端，其中一组接线端连接到一个公共的中性点上，另外一组接线端分别与三个高频滤波器串联，接入三相电网，构成星形连接。
[0065]
参照图1、图2和图5，一种具有公共高压直流母线的五电平整流器构成的三相角接整流器，包括三相主功率电路，三相主功率电路包括三个高频滤波器和三个第二模块单元(b)，第二模块单元(b) 包括单相二极管整流桥、升压电感l和第一模块单元(a)，第一模块单元(a)包括四个开关器件s1、s2、 s3、s4，四个快恢复二极管d1、d2、d3、d4，两个飞跨电容c1、c2，两个输出直流电容c3、c4和两个负载电阻r1、r2，开关器件s1的第一接线端(a)与快恢复二极管d1的阳极相连，快恢复二极管 d1的阴极与快恢复二极管d2的阳极相连，快恢复二极管
d2的阴极与并联连接的输出直流电容c3和负载电阻r1的第一接线端(m)相连，并联连接的输出直流电容c3和负载电阻r1的第二接线端(n) 与并联连接的输出直流电容c4和负载电阻r2的第一接线端(m)相连，开关器件s1的第二接线端(b) 与开关器件s2的第一接线端(a)及飞跨电容c1的第一接线端(e)相连，飞跨电容c1的第二接线端 (f)与快恢复二极管d2的阳极相连，开关器件s2的第二接线端(b)与开关器件s3的第一接线端(a) 及并联连接的输出直流电容c4和负载电阻r2的第一接线端(m)相连，开关器件s3的第二接线端(b) 与开关器件s4的第一接线端(a)及飞跨电容c2的第一接线端(e)相连，飞跨电容c2的第二接线端 (f)与快恢复二极管d3的阳极及快恢复二极管d4的阴极相连，快恢复二极管d4的阳极与并联连接的输出直流电容c4和负载电阻r2的第二接线端(n)相连，开关器件s4的第二接线端(b)与快恢复二极管d3的阴极及单相二极管整流桥的整流输出负端相连，开关器件s1的第一接线端(a)与升压电感 l的一端相连，升压电感l的另一端与单相二极管整流桥的整流输出正端相连，每相第二模块单元(b) 剩余2个交流输入端，三相第二模块单元(b)的第一交流输入端构成一组接线端，三相第二模块单元(b) 的第二交流输入端构成另一组接线端，其中一组接线端分别经三个高频滤波器接至三相电网输入端，另一组接线端依次连接至三相电网中的下一相输入端，构成角形连接。
[0066]
参照图1、图2和图6，一种具有公共高压直流母线的五电平整流器构成的三相双星接整流器，包括三相主功率电路，三相主功率电路包括三个高频滤波器、六个桥臂电感、一个直流电容和六个第二模块单元(b)，六个第二模块单元(b)构成对接的两组星形连接，在每组星形连接中，第二模块单元(b) 包括单相二极管整流桥、升压电感l和第一模块单元(a)，第一模块单元(a)包括四个开关器件s1、s2、 s3、s4，四个快恢复二极管d1、d2、d3、d4，两个飞跨电容c1、c2，两个输出直流电容c3、c4和两个负载电阻r1、r2，开关器件s1的第一接线端(a)与快恢复二极管d1的阳极相连，快恢复二极管 d1的阴极与快恢复二极管d2的阳极相连，快恢复二极管d2的阴极与并联连接的输出直流电容c3和负载电阻r1的第一接线端(m)相连，并联连接的输出直流电容c3和负载电阻r1的第二接线端(n) 与并联连接的输出直流电容c4和负载电阻r2的第一接线端(m)相连，开关器件s1的第二接线端(b) 与开关器件s2的第一接线端(a)及飞跨电容c1的第一接线端(e)相连，飞跨电容c1的第二接线端(f)与快恢复二极管d2的阳极相连，开关器件s2的第二接线端(b)与开关器件s3的第一接线端(a) 及并联连接的输出直流电容c4和负载电阻r2的第一接线端(m)相连，开关器件s3的第二接线端(b) 与开关器件s4的第一接线端(a)及飞跨电容c2的第一接线端(e)相连，飞跨电容c2的第二接线端 (f)与快恢复二极管d3的阳极及快恢复二极管d4的阴极相连，快恢复二极管d4的阳极与并联连接的输出直流电容c4和负载电阻r2的第二接线端(n)相连，开关器件s4的第二接线端(b)与快恢复二极管d3的阴极及单相二极管整流桥的整流输出负端相连，开关器件s1的第一接线端(a)与升压电感 l的一端相连，升压电感l的另一端与单相二极管整流桥的整流输出正端相连，每相第二模块单元(b) 剩余2个交流输入端，三相第二模块单元(b)的第一交流输入端构成一组接线端，三相第二模块单元(b) 的第二交流输入端构成另一组接线端，其中一组接线端连接到一个公共中性点，另一组接线端分别与三个桥臂电感的一端相连，而在每相桥臂上的两个桥臂电感的另一端各自相连，并分别经三个高频滤波器之一接至三相电网输入端，同时，第一组星形连接中的公共中性点和第二组星形连接中的公共中性点分别与直流电容的两端相连，构成双星形连接。
[0067]
参照图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8，一种具有公共高压直流母线的五电平整流器的控制策略，控制步骤如下：
[0068]
(1)对一种具有公共高压直流母线的五电平整流器的输出侧直流电压进行采样，得到两个输出侧直流电压信号u
o1
、u
o2
；
[0069]
(2)利用下式计算步骤(1)中的两个输出侧直流电压信号u
o1
、u
o2
的平均值u
o
，
[0070][0071]
(3)将步骤(2)中的u
o
与直流电压给定信号u
o*
比较后送入pi电压调节器，得到pi电压调节器输出直流电流信号幅值i
d
；
[0072]
(4)将步骤(1)中的两个输出侧直流电压信号u
o1
、u
o2
分别与直流电压给定信号u
o*
比较后送入pi 电压调节器，得到pi电压调节器输出直流电流信号幅值i1、i2；
[0073]
(5)将步骤(4)中直流电流信号幅值i1、i2分别与步骤(3)中的直流电流信号幅值i
d
相加，相加后得到直流电流给定信号幅值i
1*
、i
2*
，将直流电流给定信号幅值i
1*
与三角载波信号w相乘，产生给定的电流比较信号i
k1*
，将三角载波信号w移相180
°
与直流电流给定信号幅值i
1*
相乘，产生给定的电流比较信号i
g1*
，将直流电流给定信号幅值i
2*
与三角载波信号w相乘，产生给定的电流比较信号i
k2*
，将三角载波信号w移相180
°
与直流电流给定信号幅值i
2*
相乘，产生给定的电流比较信号i
g2*
；
[0074]
(6)对三相电网电压进行采样，得到输入侧交流电压信号u
a
，u
b
，u
c
，利用下式计算u
am
、u
an
，
[0075][0076]
利用下式计算a相输入侧交流电压信号负序分量u
af
，
[0077]
u
af
＝u
am
+u
an
[0078]
利用下式计算a相需要注入的负序分量u
az
，
[0079][0080]
式中，i
d
为步骤(3)中输出直流电流信号幅值，u
o
为步骤(2)中输出侧直流电压信号u
o1
、u
o2
的平均值；对三相电网电流进行采样，得到输入侧交流电流信号i
a
，i
b
，i
c
，利用下式计算a相反馈电流的比较信号i
a
；
[0081]
i
a
＝|i
a
|+u
az
[0082]
(7)将步骤(5)中给定的电流比较信号i
k1*
与步骤(6)中的a相反馈电流比较信号i
a
送入比较器进行比较，得到a相开关器件s
a1
的pwm信号pwm
a1
，将步骤(5)中给定的电流比较信号i
g1*
与步骤(6) 的a相反馈电流比较信号i
a
送入比较器进行比较，得到a相开关器件s
a2
的pwm信号pwm
a2
，将步骤(5)中给定的电流比较信号i
k2*
与步骤(6)的a相反馈电流比较信号i
a
送入比较器进行比较，得到a 相开关器件s
a3
的pwm信号pwm
a3
，将步骤(5)中给定的电流比较信号i
g2*
与步骤(6)的a相反馈电流比较信号i
a
送入比较器进行比较，得到a相开关器件s
a4
的pwm信号pwm
a4
；
[0083]
(8)利用下式计算u
bm
、u
bn
，
[0084][0085]
式中，u
a
，u
b
，u
c
为步骤(6)中的输入侧交流电压信号，利用下式计算b相输入侧交流电压信号负序分量u
bf
，
[0086]
u
bf
＝u
bm
+u
bn
[0087]
利用下式计算b相需要注入的负序分量u
bz
，
[0088][0089]
式中，i
d
为步骤(3)中输出直流电流信号幅值，u
o
为步骤(2)中输出侧直流电压信号u
o1
、u
o2
的平均值，利用下式计算b相反馈电流的比较信号i
b
，
[0090]
i
b
＝|i
b
|+u
bz
[0091]
式中，i
b
为步骤(6)中的输入侧交流电流信号；
[0092]
(9)将步骤(5)中给定的电流比较信号i
k1*
与步骤(8)中的b相反馈电流的比较信号i
b
送入比较器进行比较，得到b相开关器件s
b1
的pwm信号pwm
b1
，将步骤(5)中给定的电流比较信号i
g1*
与步骤(8) 的b相反馈电流比较信号i
b
送入比较器进行比较，得到b相开关器件s
b2
的pwm信号pwm
b2
，将步骤(5)中给定的电流比较信号i
k2*
与步骤(8)的b相反馈电流比较信号i
b
送入比较器进行比较，得到b 相开关器件s
b3
的pwm信号pwm
b3
，将步骤(5)中给定的电流比较信号i
g2*
与步骤(8)的b相反馈电流比较信号i
b
送入比较器进行比较，得到b相开关器件s
b4
的pwm信号pwm
b4
；
[0093]
(10)利用下式计算u
cm
、u
cn
，
[0094][0095]
式中，u
a
，u
b
，u
c
为步骤(6)中的输入侧交流电压信号，利用下式计算c相输入侧交流电压信号负序分量u
cf
，
[0096]
u
cf
＝u
cm
+u
cn
[0097]
利用下式计算c相需要注入的负序分量u
cz
，
[0098][0099]
式中，i
d
为步骤(3)中输出直流电流信号幅值，u
o
为步骤(2)中输出侧直流电压信号u
o1
、u
o2
的平均值，利用下式计算c相反馈电流的比较信号i
c
，
[0100]
i
c
＝|i
c
|+u
cz
[0101]
式中，i
c
为步骤(6)中的输入侧交流电流信号；
[0102]
(11)将步骤(5)中给定的电流比较信号i
k1*
与步骤(10)中的c相反馈电流的比较信号i
c
送入比较器进行比较，得到c相开关器件s
c1
的pwm信号pwm
c1
，将步骤(5)中给定的电流比
较信号i
g1*
与步骤(10) 的c相反馈电流比较信号i
c
送入比较器进行比较，得到c相开关器件s
c2
的pwm信号pwm
c2
，将步骤(5)中给定的电流比较信号i
k2*
与步骤(10)中的c相反馈电流比较信号i
c
送入比较器进行比较，得到c相开关器件s
c3
的pwm信号pwm
c3
，将步骤(5)中给定的电流比较信号i
g2*
与步骤(10)的c相反馈电流比较信号i
c
送入比较器进行比较，得到c相开关器件s
c4
的pwm信号pwm
c4
；
[0103]
(12)将步骤(7)中的pwm
a1
、pwm
a2
、pwm
a3
、pwm
a4
，步骤(9)中的pwm
b1
、pwm
b2
、pwm
b3
、 pwm
b4
，步骤(11)中的pwm
c1
、pwm
c2
、pwm
c3
、pwm
c4
送给对应的开关器件，实现有源功率因数校正，使输入电流正弦化，在电网电压不平衡情况下，也实现了对输出直流电容电压的均衡控制，使得三相输入电流平衡。
[0104]
参照图10，为本实用新型实施例中一种具有公共高压直流母线的五电平整流器构成的三相并联整流器的三相输入电流波形，在三相电网电压不平衡情况下，运用本实用新型的控制策略也能实现三相输入电流不平衡，电流波形质量较好，近似正弦。
[0105]
参照图11，为本实用新型实施例中一种具有公共高压直流母线的五电平整流器构成的三相并联整流器的两个直流侧电容电压波形u
o1
、u
o2
和一个总的输出直流侧电压u
dc
，直流侧电压波形达到稳态时间短，直流电压波动较小。
[0106]
参照图12，为本实用新型实施例中一种具有公共高压直流母线的五电平整流器构成的三相并联整流器的输入侧五电平电压波形。
[0107]
在本实用新型一种具有公共高压直流母线的五电平整流器应用的其他实施例中，所描述的三相星接、角接和三相双星接整流器，除了采用第二模块单元(b)外，也可以是由第二模块单元(b)衍生出来的不同电路的组合。
[0108]
所描述的一种具有公共高压直流母线的五电平整流器电路，可以简化应用于大功率电力电子整流拓扑结构中，通过适当的控制策略可以提高系统的工作效率，稳定且能平衡直流侧的电容电压，为后级的电能变换提供了有利条件，在中高压直流传输、大功率电力电子变压器，大功率中高压交
‑
直
‑ꢀ
交变频器等应用领域具有重要的应用价值。
[0109]
上面所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的构思和范围进行限定，在不脱离本实用新型设计方案前提下，本领域中普通工程技术人员对本实用新型的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本实用新型的保护范围，本实用新型请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。