[发明专利]双向五电平直流变换电路及包含该电路的发电机励磁系统

说明书

技术领域

本发明属于电气工程技术领域，特别是一种应用于发电机励磁系统的双向五电平直流变换电路及包含该电路的发电机励磁系统。

背景技术

随着特高压直流、柔性直流的大量投运和新能源发电高渗透率趋势的迅猛发展，电力电子化电力系统在超低频功率振荡、次同步振荡、毫秒级无功电压支撑等电磁/机电混合领域的运行风险增加。励磁系统是同步发电机的重要组成部分，对电力系统的安全稳定运行有重要影响，充分利用励磁系统调控能力是提高电力系统稳定性最经济有效的手段之一。

基于半控器件晶闸管（SCR）整流的常规励磁系统，受限于其控制速度慢、且仅可以控制器件开通无法控制关断，已难以适应电力电子化电网的运行需求。IGBT等全控器件可以同时控制开通和关断，因此，其控制响应速度和控制灵活性有明显优势。目前，已有国内外学者提出将IGBT等全控器件构成的整流电路和斩波电路应用于发电机励磁系统，实现全控型励磁系统，在提供同步发电机直流励磁电流的同时，其交流侧可以控制无功电流分量，可以快速控制向同步发电机端注入或吸收无功。交流侧无功的毫秒级直接支撑能力可以显著提升机组的无功电压控制性能和响应速度，并为宽频带低频功率振荡、次同步振荡的抑制技术提供手段。

目前，全控励磁系统拓扑结构有电压源型和电流源型之分。由于储能大电感的成本、体积和重量以及控制较复杂等原因，电流源型全控励磁系统的研究较少。在电压源型全控励磁回路，为实现励磁系统零起升流、能量交流回馈等要求，以三相全控整流和DC-DC斩波回路组合的拓扑结构为主。其中，DC-DC斩波回路以H桥或者H桥并联结构为主，能够输出前端直流电压E、0和直流电压-E三电平电压，单个开关管动作对应两端电压的变化幅值为直流电压E。由于回路中的开关管在实际中并非理想器件，使用中开通和截止过程存在电流和电压波形交叠，产生功率器件的开关损耗，该损耗随动作时对应两端电压的变化量升高而增加，会使得整体系统效率下降；同时，更高的电压变化率也会带来更严重的电磁干扰问题；在直流输出侧，较大的输出电压电平变化也影响输出电压质量，使得电压纹波增加，共模电压更高，对电机轴电流和绝缘产生更大危害。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种应用于发电机励磁系统的双向五电平直流变换电路，实现五电平直流斩波励磁电压输出、励磁功率双向流动，以此减小开关管损耗，提高全控型励磁系统效率，还能实现励磁电流的双向输出，以实现五电平直流变换电路的四象限运行控制。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：双向五电平直流变换电路，其包括直流电源提供电路、第一电容器C1、第二电容器C2和五电平直流斩波电路；

所述五电平直流斩波电路包括第一开关管V1、第二开关管V2、第三开关管V3、第四开关管V4、第五开关管V5、第六开关管V6、第一二极管VD1、第二二极管VD2、第三二极管VD3、第四二极管VD4、第五二极管VD5、第六二极管VD6、第七二极管VD7和第八二极管VD8；

所述第一电容器C1和第二电容器C2串联后并联于直流电源提供电路的两端，直流电源提供电路的两端分别为正电压端P和负电压端N，两电容器之间的连接点为中间电压端M；

所述第一开关管V1的一端连接正电压端P，另一端连接励磁输出第一端；所述第二开关管V2的一端连接正电压端P，另一端连接励磁输出第二端；所述第三开关管V3的一端连接负电压端N，另一端连接励磁输出第一端；所述第四开关管V4的一端连接负电压端N，另一端连接励磁输出第二端；所述第五开关管V5与第七二极管VD7串联，该串联支路的一端连接中间电压端M，另一端连接励磁输出第一端；所述第六开关管V6与第八二极管VD8串联，该串联支路的一端连接中间电压端M，另一端连接励磁输出第二端；

所述第一二极管VD1、第二二极管VD2、第三二极管VD3、第四二极管VD4、第五二极管VD5、第六二极管VD6分别反向并联于第一开关管V1、第二开关管V2、第三开关管V3、第四开关管V4、第五开关管V5、第六开关管V6的两端。

作为上述技术方案的补充，所述第一开关管V1、第二开关管V2、第三开关管V3、第四开关管V4、第五开关管V5和第六开关管V6均采用IGBT全控器件。

作为上述技术方案的补充，所述第一开关管V1的集电极连接正电压端P，发射极连接励磁输出第一端；

所述第二开关管V2的集电极连接正电压端P，发射极连接励磁输出第二端；

所述第三开关管V3的发射极连接负电压端N，集电极连接励磁输出第一端；