一種中點(diǎn)箝位型級聯(lián)h橋混合多電平變流器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種中點(diǎn)箝位型級聯(lián)H橋混合多電平變流器，屬于電力電子技術(shù)和電 力輸配電領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 應(yīng)用在高壓柔性直流輸電領(lǐng)域的傳統(tǒng)兩電平、三電平，結(jié)合半導(dǎo)體開關(guān)串聯(lián)技術(shù) 雖可實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換，但存在的問題是開關(guān)頻率高、損耗大、輸出諧波特性差而需要安裝專門 的交流濾波裝置，同時均不具備直流故障閉鎖或直流故障穿越的能力。而模塊化多電平變 流器具有可模塊化設(shè)計、諧波特性好、dv/dt低、開關(guān)頻率低、損耗小等優(yōu)點(diǎn)，因而在高壓直 流輸電、電機(jī)驅(qū)動、風(fēng)電場低電壓穿越等領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用和研宄。但與傳統(tǒng)的兩 電平、三電平變流器相比，模塊化多電平變流器也存在使用器件數(shù)和電容數(shù)較多的缺點(diǎn)，尤 其是所需的電容數(shù)量多、體積大，大幅增加了變流器整體的成本和體積。此外，采用半橋子 模塊結(jié)構(gòu)的模塊化多電平變流器并不具有直流故障閉鎖或穿越的能力，而如果采用H橋子 模塊或其他具有直流故障穿越能力的子模塊，裝置所需的器件和損耗會顯著增加，成本進(jìn) 一步攀升。
[0003] 為解決模塊化多電平變流器的這一問題，已有文獻(xiàn)結(jié)合兩電平變流器與模塊化 多電平變流器的優(yōu)點(diǎn)，提出了兩種新型的混合式多電平變流器拓?fù)?，如M.M.C.Merlin，T. C.Green,P.D.Mitcheson,D.Trainer,ff.Critchley,R.Crookes,andF.Hassan,"The AlternateArmConverter:ANewHybridMultilevelConverterWithDC-Fault BlockingCapability，"IEEETrans.PowerDel.,vol.29,no. 1,pp.310 - 317,2014. 提出的橋臂交替導(dǎo)通型多電平變流器（AAC)，以及文獻(xiàn)G.P.Adam，K.H.Ahmed，S. J.Finney,K.Bell,andB.ff.ffi11iams,"Newbreedofnetworkfault-tolerant voltage-source-converterHVDCtransmissionsystem,"IEEETrans.Power Syst.，vol. 28,no. 1，pp. 335 - 346,Feb. 2012.提出的交流側(cè)H橋級聯(lián)型混合多電平變流 器（以下簡稱HCMC)。在需要考慮直流故障穿越能力的場合下，這兩種變流器可以在保證 變流器交流電流諧波特性的前提下，減少模塊化多電平變流器的開關(guān)器件數(shù)及電容數(shù)，同 時使變流器具備直流故障穿越能力。這兩種變流器的共同特點(diǎn)是均采用串聯(lián)的絕緣柵雙 極性晶體管（以下簡稱IGBT)作為導(dǎo)通開關(guān)，同時采用多個H橋級聯(lián)，因而可以應(yīng)用于高 壓領(lǐng)域。與HCMC相比，AAC內(nèi)的導(dǎo)通開關(guān)串聯(lián)的IGBT個數(shù)較少，均壓相對容易，同時導(dǎo) 通開關(guān)在一個周期內(nèi)只開通或關(guān)斷一次，因此導(dǎo)通開關(guān)的器件功率損耗也相對較小。與 AAC相比，HCMC所需的開關(guān)器件數(shù)和電容數(shù)大大減少，但導(dǎo)通開關(guān)的串聯(lián)IGBT個數(shù)較多， 動態(tài)均壓難度相對較大，且導(dǎo)通開關(guān)的開關(guān)頻率較高，功率損耗也更大。此外，在不需要 考慮直流故障穿越能力時，AAC與HCMC相當(dāng)于半橋式模塊化多電平變流器并未節(jié)省器件 數(shù)量，因而成本優(yōu)勢并不明顯。文獻(xiàn)Sepahvand，H. ;Ferdowsi，M. ;Corzine，K.A.，〃Fault recoverystrategyforhybridcascadedH-bridgemulti-levelinverters,''Applied PowerElectronicsConferenceandExposition(APEC), 2011Twenty-SixthAnnual IEEE，vol.，no.，pp. 1629, 1633,6-11March2011則提出了一種三電平中點(diǎn)箝位變流器與 級聯(lián)H橋多電平變流器的混合逆變器（以下簡稱HCHMI)，但該逆變器中并未采用級聯(lián)的 IGBT作為導(dǎo)通開關(guān)，且每個橋臂級聯(lián)的H橋數(shù)目只有兩個，因此只能應(yīng)用于低壓、中壓領(lǐng) 域，無法擴(kuò)展應(yīng)用到高壓領(lǐng)域。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提出一種中點(diǎn)箝位型級聯(lián)H橋混合多電平變流器，采用級聯(lián) IGBT(或其他全控半導(dǎo)體開關(guān)）和級聯(lián)H橋構(gòu)成混合變流器，從而以較低的成本、體積和損 耗實(shí)現(xiàn)寬范圍的交、直流變換，為中、高壓直流輸電、電機(jī)驅(qū)動等領(lǐng)域提供新的解決方案。
[0005] 本發(fā)明提出的點(diǎn)箝位型級聯(lián)H橋混合多電平變流器，包括第一相單元、第二相單 元、第三相單元、第一交流電抗器La、第二交流電抗器Lb、第三交流電抗器L。、第一直流電容 器心和第二直流電容器C2;所述的第一直流電容器的正極作為多電平變流器的正極直流母 線，第一直流電容器的負(fù)極與所述的第二直流電容器的正極相連，作為多電平變流器的公 共中點(diǎn)N，第二直流電容器的負(fù)極作為多電平變流器的負(fù)極直流母線；所述的第一相單元、 第二相單元和第三相單元的正極同時與第一直流電容器的正極相連，第一相單元、第二相 單元和第三相單元的負(fù)極同時與第二直流電容器的負(fù)極相連，第一相單元、第二相單元和 第三相單元的中點(diǎn)同時與多電平變流器的公共中點(diǎn)相連，第一相單元、第二相單元和第三 相單元的交流側(cè)端點(diǎn)A。』。和C。分別通過所述的第一交流電抗器La、第二交流電抗器Lb和 第三交流電抗器L。與交流電網(wǎng)相連；
[0006] 所述的第一相單元、第二相單元和第三相單元的電路原理圖相同，均由第一導(dǎo)通 開關(guān)Si、第二導(dǎo)通開關(guān)S2、第三導(dǎo)通開關(guān)S3、第四導(dǎo)通開關(guān)S4、橋臂電路、第一箝位開關(guān)DJP 第二箝位開關(guān)D2構(gòu)成；所述的第一導(dǎo)通開關(guān)Si的正極作為相單元的正極，第一導(dǎo)通開關(guān)Si 的負(fù)極同時與第二導(dǎo)通開關(guān)S2的正極和第一箝位開關(guān)Di的陽極相連，第二導(dǎo)通開關(guān)S2的 負(fù)極同時與所述的橋臂電路的一個端點(diǎn)和第三導(dǎo)通開關(guān)S3的正極相連，第三導(dǎo)通開關(guān)S3的 負(fù)極同時與第四導(dǎo)通開關(guān)S4的正極和第二箝位開關(guān)D2的陰極相連，第四導(dǎo)通開關(guān)S4的負(fù) 極作為相單元的負(fù)極，第一箝位開關(guān)〇:的陰極與第二箝位開關(guān)0 2的陽極相連，作為相單元 的中點(diǎn)，橋臂電路的另一個端點(diǎn)作為相單元的交流側(cè)端點(diǎn)。
[0007] 上述多電平變流器相單元中的導(dǎo)通開關(guān)，由多個含有反并聯(lián)二極管的全控半導(dǎo)體 開關(guān)串聯(lián)而成，串聯(lián)的多個全控半導(dǎo)體開關(guān)中，第一個全控半導(dǎo)體開關(guān)的集電極作為導(dǎo)通 開關(guān)的正極，最后一個全控半導(dǎo)體開關(guān)的發(fā)射極作為導(dǎo)通開關(guān)的負(fù)極；全控半導(dǎo)體開關(guān)的 個數(shù)為Udc/(2U。)，其中Ud。為多電平變流器的直流母線額定電壓，U。為每個全控半導(dǎo)體開關(guān) 的額定電壓；
[0008] 上述多電平變流器的相單元中的箝位開關(guān)，由多個二極管串聯(lián)構(gòu)成，多個串聯(lián)的 二極管中，第一個二極管的陽極作為箝位開關(guān)的陽極，最后一個二極管的陰極作為箝位二 極管的陰極，二極管的個數(shù)為Udc/ (2UJ，其中Ud。為多電平變流器的直流母線額定電壓，Um 每個二極管的額定電壓；
[0009] 上述多電平變流器相單元中的橋臂電路，由多個H橋子模塊串聯(lián)而成，每個H橋子 模塊包括一個直流電容器、第一全控半導(dǎo)體開關(guān)、第二全控半導(dǎo)體開關(guān)、第三全控半導(dǎo)體開 關(guān)、第四全控半導(dǎo)體開關(guān)、第一續(xù)流二極管、第二續(xù)流二極管、第三續(xù)流二極管和第四續(xù)流 二極管，所述的第一全控半導(dǎo)體開關(guān)、第二全控半導(dǎo)體開關(guān)、第三全控半導(dǎo)體開關(guān)和第四全 控半導(dǎo)體開關(guān)的集電極分別與所述的第一續(xù)流二極管、第二續(xù)流二極管、第三續(xù)流二極管 和第四續(xù)流二極管的陰極相連，所述的第一全控半導(dǎo)體開關(guān)、第二全控半導(dǎo)體開關(guān)、第三全 控半導(dǎo)體開關(guān)和第四全控半導(dǎo)體開關(guān)的發(fā)射極分別與所述的第一續(xù)流二極管、第二續(xù)流二 極管、第三續(xù)流二極管和第四續(xù)流二極管的陽極相連，所述的第一全控半導(dǎo)體開關(guān)的集電 極同時與第四全控半導(dǎo)體開關(guān)的集電極和直流電容器的正極端相連，所述的第一全控半導(dǎo) 體開關(guān)的發(fā)射極與第二全控半導(dǎo)體開關(guān)的集電極相連，作為H橋子模塊的一個端點(diǎn)；所述 的第二全控半導(dǎo)體開關(guān)的發(fā)射極同時與第三全控半導(dǎo)體開關(guān)的發(fā)射極和直流電容器的負(fù) 極端相連，所述的第三全控半導(dǎo)體開關(guān)的集電極與第四全控半導(dǎo)體開關(guān)的發(fā)射極相連，作 為H橋子模塊的另一個端點(diǎn)；當(dāng)多