[发明专利]大功率级联式多电平无桥变流器

说明书

技术领域

本发明涉及变流器，特别涉及一种大功率级联式多电平无桥变流器。

背景技术

随着科学技术与工业现代化的迅猛发展和对节约能源的要求，应用于大功率场合的中高压电力电子变流器起着越来越重要的作用。近年来，多电平功率变流器（Multilevel Converter）在高电压大功率变频调速、有源电力滤波装置、高压直流（HVDC）输电系统和电力系统无功补偿等领域已得到成功的应用。多电平变流器的基本电路拓扑结构主要有二极管箝位式、飞跨电容式、以及功率单元级联式3种电路。其中，功率单元级联式多电平变流器因其模块化设计、可靠性高、谐波污染小、输入输出功率范围宽等优点而成为市场主流。然而，传统的功率单元级联式多电平功率变流器存在的主要缺点是在功率输入端需要应用体积庞大接线复杂的工频变压器，这使其在许多工业场合的应用受到了限制。因而，取消传统功率单元级联式多电平变流器电路中的工频变压器，设计出无工频变压器的级联式多电平变流器电路，将会给此类多电平变流器带来革命性的变革。在这个方向上的研究是电力电子与电力传动领域研究人员近年来一直关注的热点。

大功率级联全控型（IGBT）H桥电力电子变流器在大功率场合的应用得到广泛的关注和研究，其显著的优点是，不需要庞大、笨重复杂的工频变压器，可以应用低耐压的电力电子开关器件完成高压大功率的功率变换并使交流侧具有较高的功率因数和较小的谐波。但该种类变流器的主电路拓扑结构所需要的开关器件较多，主电路工作过程中的损耗较大，针对所有开关器件的控制电路以及控制方法的设计也很复杂。所以简化大功率级联全控型（IGBT）无桥电力电子变流器的拓扑结构，减少使用的开关器件数量，简化电路的控制和调制方法并能够很好地工作在高压大功率应用场合，这是本领域当前的重要课题。

发明内容

本发明的目的是针对目前应用的大功率级联电力电子变流器的上述问题，提供一种大功率级联式多电平无桥变流器，此种变流器无需使用工频移相变压器，可以使用低阻断电压的功率开关管在高电压下完成大功率整流变换。具有主功率电路的拓扑结构简单，系统的工作效率高，体积小，重量轻，成本低等一系列优点，从而使得此种大功率级联式多电平电力电子变流器在高压直流传输、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的具有重要的实用价值。

为达到上述目的，本发明提供的大功率级联式多电平无桥变流器，包括主功率电路，所述主功率电路包括输入电感、无桥电路、输出直流电容和负载，无桥电路的输出端与输出直流电容和负载相互并联，无桥电路采用第一组合桥，所述第一组合桥包括由两个普通二极管和两个开关器件组成的桥路，两个开关器件处于该桥的两个上臂或该桥的两个下臂，所述主功率电路包括N个级联的所述第一组合桥，其中各个所述组合桥的第二个输入端与下一个所述组合桥的第一个输入端依次相连，级联起来的所述组合桥剩余的两个自由端，即第一个所述组合桥的第一个输入端与第N个所述组合桥的第二个输入端经所述输入电感串联接入交流电网，其中，N为正整数。

本发明提供的大功率级联式多电平无桥变流器，其中所述无桥电路替换采用第二组合桥，所述第二组合桥包括由两个普通二极管和两个开关器件组成的桥路，两个开关器件处于该桥的两个左臂或该桥的两个右臂。

为达到上述目的，本发明提供的采用大功率级联式多电平无桥整流装置的三相星接变流器，包括三相主功率电路，所述三相主功率电路包括三个电感，所述主功率电路还包括三个第三组合桥，所述第三组合桥包括N个级联的第一组合桥、输出直流电容和负载，其中N为正整数，每个所述第一组合桥分别包括由两个普通二极管和两个开关器件组成的桥路，两个开关器件处于该桥的两个上臂或该桥的两个下臂，所述第三组合桥中第一个所述第一组合桥剩余的交流输入端构成三个第一接线端，所述第三组合桥中第N个所述第一组合桥剩余的交流输入端构成三个第二接线端，其中第一接线端连接到一个公共的中性点，第二接线端分别经所述三个电感之一接至三相电网输入端，构成星形连接。