一种有直流母线的电容自均压三相多电平变换器电路的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种多电平变换器，特别涉及一种有直流母线的电容自均压三相多电平变换器电路，属于电力设备技术领域。
【背景技术】
[0002]大容量、高电压、高可控性和信息化是功率变换技术的发展潮流，高电压大容量多电平变换器越来越广泛的应用于工业生产和生活当中，正在迅速取代传统的基于低频晶闸管的变换器，尤其在电力无功补偿、直流输电和高压电机驱动方面。多电平变换器较传统两电平变换器在承受电压和提高容量方面有极大发展，同时多电平变换器输出电压dv/dt小，等效开关频率高，尤其是基于H桥结构的级联多电平变换器，模块性好，系统冗余度高，是当前中压领域中应用较为广泛的多电平拓扑结构；近些年迅速发展的模块化多电平拓扑结构在直流输电方面也获得了成功应用；在电机驱动方面，除了应用广泛的级联多电平逆变电路之外，常规二极管电位多电平、中点箝位多电平变换器也获得一定的应用。整体上多电平变换器发展呈现出欣欣向荣的态势。
[0003]然而在上述两大类多电平变换器拓扑当中，每种结构也都有显著的不足:
[0004]对于H桥级联拓扑和模块化多电平拓扑结构，由于每个级联的单元直流侧电容处于悬浮状态，由于实际电路参数差异、功率开关驱动脉冲延时等不理想因素，造成各个单元的直流侧电容电压出现不平衡的情况。这是这类多电平变换器拓扑的一个关键问题。通过专门软件控制可以在稳态下实现这类多电平拓扑的电容均压控制，但是大大增加了控制复杂度。
[0005]对于常规二极管箝位多电平变换器拓扑，由于箝位二极管电路较为复杂，在变换器电平数比较低时电路比较简洁，但是随着电平数的增加，箝位二极管数目迅速增加，并且模块性很差，整个电路连接错综复杂，在实际工程中大大增加工程实现复杂度，并降低可靠性。另外常规二极管箝位多电平变换器在电平数目增加后，箝位电容数目也会增加，而每个电容的电压也需要进行专门控制，增加工程实现的难度，这些都是常规二极管箝位多电平变换器拓扑的关键问题。
[0006]文献:最少电压传感器的二极管箝位模块化多电平变换器直流电容自均压方 法(Congzhe Gao, Xinjian Jiang, Yongdong Li,et al.A DC-1ink VoltageSelf-balance Method for D1de-Clamped Modular Multilevel Converter WithMinimum Number of Voltage Sensors，IEEE Transact1ns on Power Electronics, vol28, n0.5pp:2125-2139, May 2013.)和一种新型自均压二极管箝位级联有源滤波器(高聪哲，姜新建，李永东.一种新型自均压二极管箝位级联有源滤波器.电力系统自动化，第36卷，第12期，pp: 94-100，2012.)对一种有新型二极管箝位的多电平变换器进行了研宄，但是电路只能单一方向均压，不能实现双向均压，需要能量反馈电路或者软件算法来进行专门控制，均压能力差；同时三相阀体星型连接，不具备直流母线，不利于负序分量处理，也不能用于电机驱动等场合，实用性受到限制。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是针对上述问题，提供一种有直流母线的电容自均压三相多电平变换器电路，该电路具有电压自动均衡、结构简单、模块性好的特点。
[0008]为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现:
[0009]一种有直流母线的电容自均压三相多电平变换器电路，包括公共直流母线、电容和三相电容自均压多电平逆变电路；三相电容自均压多电平逆变电路与公共直流母线直接相连，公共直流母线的正负极间通过电容相连；所述三相电容自均压多电平逆变电路由三相电容自均压阀体组成，三相电容自均压阀体并联后与公共直流母线相连。
[0010]作为优选，所述电容为I个电容或2个以上电容相串联构成的电容组，电容正极连接公共直流母线正极，电容负极连接公共直流母线负极。
[0011 ] 作为优选，所述三相电容自均压阀体，包括三个结构相同的电容自均压阀体，每个阀体由6个连接电感，一个中间二极管和左右两组准对称串联功率单元结构；
[0012]所述左右两组准对称串联功率单元结构中每组结构包含N个功率单元，N为大于零的偶数；
[0013]每个功率单元含有两个上下串联的功率开关(桥臂)、一个电容、与一个二极管；桥臂两端与电容两端并联构成半桥电路；
[0014]在左组结构中，电容正极连接二极管阴极，二极管阳极、桥臂中点、电容负极与电容正极是功率单元的连接端口 ；桥臂中点连接上一级功率单元的电容负极；电容负极连接下一级功率单元的桥臂中点；电容正极连接上一级功率单元的二极管的阳极，二极管的阳极连接下一级功率单元的电容正极；
[0015]在右组结构中，电容负极连接二极管阳极，二极管阴极、桥臂中点、电容负极与电容正极是功率单元的连接端口 ；电容正极连接上一级功率单元的桥臂中点；桥臂中点连接下一级功率单元的电容正极；二极管阴极连接上一级功率单元的电容负极，电容负极连接下一级功率单元的二极管阴极；
[0016]左组结构中第N单元无二极管，右组结构中第一单元无二极管；
[0017]阀体左侧第I单元桥臂中点经第一连接电感1^连接公共直流母线正极；右侧第I单元电容正极经第二连接电感1^2连接公共直流母线正极；左侧第I单元电容负极经第三电感1^3连接右侧第I单元桥臂中点；左侧第N/2单元电容负极经第四连接电感1^4连接第五连接电感1^作为阀体的交流输出端口，第五连接电感L 5的另一端连接右侧第N/2单元桥臂中点；左侧第N单元电容正极连接中间二极管Dam的阴极，D M的阳极连接右侧第N单元的电容正极；左侧第N单元的电容负极与右侧第N单元的桥臂中点直接相连并经第六连接电感L6连接至公共直流母线的负极。
[0018]作为优选，所述功率开关为IGBT、GTO或IGCT功率半导体开关。
[0019]作为优选，所述每相阀体左侧第k单元桥臂的上下开关驱动信号为互锁关系；左侧第k单元桥臂上管与同一阀体右侧第k单元桥臂下管驱动信号相同；左侧第k单元桥臂下管与同一阀体右侧第k单元桥臂上管驱动信号相同。
[0020]有益效果
[0021]本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点:
[0022]1、本发明由于采用辅助二极管利用主电路工作时电路模态切换中，相邻单元产生并联电路模态，使得变换器的各个单元直流电容电压自动保持均衡；
[0023]2、本发明中各个单元由电路模态切换保持电容电压均衡，无需对单个电容电压进行单独专门控制，只需对直流母线电压进行控制即可，控制电路和复杂度大大降低；
[0024]3、本发明的多电平变换器具有直流母线结构，可以实现负序分量的输出，以及有利于交/直流双向功率流动的实现；
[0025]4、本发明提供的电路由于具有直流母线，用于驱动电机时，网侧无需变压器，较传统H桥级联型结构电路简单，成本低；
[0026]5、本发明中电路拓扑中保持电路模块性的特征，电路简洁，有利于工程实现。
【附图说明】
[0027]图1是本发明实施例阀体单元数目N= 6单元串联的整体电路结构示意图；图2是本发明实施例多电平变换器用于电机驱动时的整流/逆变示意图；
[0028]图3是本发明实施例多电平变换器用于背靠背式应用(直流输电)时的电路结构示意图。
【具体实施方式】
[0029]下面将结合附图和实施例对本发明加以详细说明，同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
[0030]本发明电路为一种可以应用于中压/高压直流输电、无功补偿、谐波抑制、电机驱动等场合中的交/直流变换电路。
[0031]本发明的思想是在采用基本半桥逆变结构单元的基础上，增添一个二极管，构成有向上均压功能的功率单元，将上下对称的N/2个(N为偶数)功率单元串联构成阀体的一半，另一侧采用数目相同，结构对称，但均压方向向下的功率单元串联而成，两部分之间由电感和二极管连接，实现均压闭环回路，使得整个阀体电路在运行过程中保持每个单元的电容电压相等，由三个结构相同的阀体构成三相结构，阀体两端分别连接着正负直流母线，组成本发明提出的最终拓扑结构。
[0032]实施例如图1所示，本发明所提出的电路主要为三相电容自均压阀体并联在直流母线上，三相阀体中间输出为交流三相输出端，变换器直流母线分为正极母线和负极母线。其中，每相阀体含有2N个功率单元，每个功率单