[实用新型]一种具有双向功率开关的五电平变流拓扑结构及其应用

说明书

技术领域

本实用新型属于电力变流技术领域，具体涉及一种具有双向功率开关的五电平变流拓扑结构及其应用。

背景技术

近年来，能源的短缺和环境污染已经成为世界关注的焦点，在国家大力提倡“节能减排”的政策倡导下，中高压大功率场合下的节电减能更是刻不容缓。我国现有的中高压大功率交流电动机大多是直接启动，采取阀门调节或者液力耦合方式进行调速，这种调速方式使得电能浪费巨大，随着我国电力事业的快速发展，工业界对中高压大功率变流器的需求量越来越大，当这些大功率电动机采用变频调速时，节能率可达10%~70%，平均在30%左右。由于高压大功率电力电子器件价格昂贵以及其关键技术等多方制约因素，采用多电平技术是实现中高压大功率变流器的重要方向。与传统的变流器相比，多电平变流器可以使用耐压较低的器件实现较高的电压输出；输出电压谐波含量小，在新能源并网发电场合，将大大提高输出的电能质量；在电机拖动领域中，变流器输出电平数的增加，可使得输出dv/dt减小，降低了电磁干扰与电机绝缘的损害。

在常见的五电平变流拓扑结构中，传统的二极管箝位型五电平变流拓扑如图1所示；其单桥臂所需全控型功率器件8个，箝位二极管12个，直流侧串联4个电容。而且随着输出电平数的增加，箝位二极管和有源功率器件的数量将大大增加。这种拓扑结构的成本高，结构设计复杂，不利于实际的工业应用场合。

在工业化应用非常广泛的一种单元串联H桥多电平变流器，如图2所示，其每个H桥功率单元均需要独立的电压源供电，采用该拓扑结构的三相五电平串联H桥变流器其单桥臂所需全控型功率器件8个，两个独立的直流电压源，整个三相变流器需要全控型功率器件24个和六个独立的直流电压源。随着输出电压等级的提高，串联的H桥功率单元数与独立的直流电压源数目也越来越多，这样所需要的移相变压器副边绕组数也需要大量增加。随之带来了移相隔离变压器的体积增大，制造难度增加，成本增加等问题。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本实用新型提供了一种具有双向功率开关的五电平变流拓扑结构及其应用，大大减少了功率器件及直流电压源的数量。

一种具有双向功率开关的五电平变流拓扑结构，包括一电容链路和一变流单元；

所述的电容链路由四个电容组成；其中，电容C₁的一端与外部直流电压源的正极相连，电容C₁的另一端与电容C₂的一端相连，电容C₂的另一端与电容C₃的一端相连，电容C₃的另一端与电容C₄的一端相连，电容C₄的另一端与外部直流电压源的负极相连；

所述的变流单元由两个双向功率开关、两个二极管和四个带反并二极管的开关管组成；其中，带反并二极管的开关管S₁的输入端与电容C₁的一端相连，带反并二极管的开关管S₁的输出端与带反并二极管的开关管S₂的输入端、双向功率开关Q₁的一端和二极管D₁的阴极相连，双向功率开关Q₁的另一端与电容C₂的一端相连，带反并二极管的开关管S₂的输出端与带反并二极管的开关管S₃的输入端相连且为电平输出端，带反并二极管的开关管S₃的输出端与带反并二极管的开关管S₄的输入端、双向功率开关Q₂的一端和二极管D₂的阳极相连，双向功率开关Q₂的另一端与电容C₄的一端相连，带反并二极管的开关管S₄的输出端与电容C₄的另一端相连，二极管D₁的阳极与二极管D₂的阴极和电容C₃的一端相连，所述的带反并二极管的开关管和双向功率开关的控制端均接收外部设备提供的开关控制信号。

一种具有双向功率开关的三相五电平变流器，包括一电容链路和三个变流单元；