基于维也纳整流模块的大功率混合级联电力电子变流器的制作方法

本实用新型涉及整流器，特别涉及基于维也纳整流模块的大功率混合级联电力电子变流器。

背景技术：

随着科学技术与工业现代化的迅猛发展以及对节约能源要求的进一步提高，应用于大功率场合的中高压电力电子变流器在解决能源节约的问题上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、高压直流输电系统(HVDC)和电力系统无功补偿等领域已得到成功的应用。目前，功率单元级联式多电平变流器因其模块化设计、可靠性高、谐波污染少，输入输出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，取消传统的大功率多电平变流器中的工频变压器，设计出无工频变压器的级联式多电平变流器，将会给此类多电平变流器带来革命性的变革。

采用级联式全控H桥电力电子变流器完成高电压的整流变换是目前引起广泛关注的一种整流变换方案，其优点在于：能量可以双向流动，可控性高，应用范围广泛。但该种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，所有开关器件的控制电路以及控制方法设计也较复杂。实际上在相当多的实际工业应用场合，能量并不需要在两个方向传输，如不需要能量回馈的风机、泵类电动机节能调速和汽车、船舶和航空充电站、和单向高压直流输电系统等，级联式全控H桥电力电子变流器的应用就存在大量的开关冗余，进而增加很多不必要的经济成本，因此极大的制约了级联式电力电子变流器的发展。

因此，在能量单向流动的高压大功率应用场合中，提出一种简化的大功率级联式电力电子变流器的拓扑结构，减少开关器件的使用，进而简化电路的控制和调制方法，就显得十分重要。

技术实现要素：

本实用新型的目的是克服上述缺陷，提供基于维也纳整流模块的大功率混合级联电力电子变流器，这种整流器无需使用工频移相变压器，可以使用低耐压的功率开关管完成高电压下的大功率整流变换，具有功率因数校正功能，能够实现交流侧的单位功率因数整流，也可以在超前/滞后功率因数下运行。主功率电路具有拓扑结构简单，系统的工作效率高，体积小，重量轻，成本低等一系列优点。同时，在需要控制较简单的应用场合，通过增加维也纳整流模块的级联数量，可以有效降低控制的复杂性；在需要较小二极管压降的场合，可以通过增加半桥电路的级联数量，来减少续流二极管的使用从而减小二极管压降。因此，基于维也纳整流模块的大功率混合级联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使用越来越广泛，具有重要的实用价值。

为达到上述目的，本实用新型提供的基于维也纳整流模块的大功率混合级联电力电子变流器，包括输入电感和主功率电路，主功率电路包括由P(P＝1,2,3…)个维也纳整流模块模块、Q(Q＝0,1,2,3…)个半桥模块以及Z(Z＝0,1,2,3…)个全控H桥模块构成的L(L＝1,2,3…)级级联模块。

为达到上述目的，本实用新型提供的基于维也纳整流模块的大功率混合级联电力电子变流器，包括输入电感和主功率电路，所述主功率电路包括级联模块、输出直流电容和负载，所述级联模块采用第一模块单元(A)，所述第一模块单元(A)即维也纳整流模块，包括六个续流二极管(VD)、一个电力电子开关器件S、两个输出电容C1、C2。所述主功率电路是所述维也纳整流模块的L级级联，其中每个所述维也纳整流模块的交流输入端b与下一个所述维也纳整流模块的交流输入端a相连，所述维也纳整流模块剩余的两个输入端，即第一个所述维也纳整流模块的交流输入端a与第L个所述维也纳整流模块的交流输入端b经所述输入电感串联接入交流电网。

为达到上述目的，本实用新型提供的基于维也纳整流模块的大功率混合级联电力电子变流器，包括输入电感和主功率电路，所述主功率电路包括级联模块、输出直流电容和负载，所述级联模块采用所述的第一模块单元(A)和第二模块单元(B)；所述第二模块单元(B)即半桥电路，包括两个续流二极管(VD)，两个电力电子开关器件S1、S2和输出直流电容C。对于所述主功率电路L级级联模块，其中每个所述维也纳整流模块的交流输入端b与下一个所述维也纳整流模块的交流输入端a相连或者与所述半桥电路的交流输入端a相连，每个所述半桥电路的交流输入端b与下一个所述半桥电路的交流输入端a相连或者与维也纳整流模块的交流输入端a相连，剩余的所述维也纳整流模块的交流输入端a与剩余的所述半桥电路的交流输入端b，或者剩余的所述维也纳整流模块的交流输入端b与剩余的所述半桥电路的交流输入端a经所述输入电感串联接入电网。

为达到上述目的，本实用新型提供的基于维也纳整流模块的大功率混合级联电力电子变流器，包括输入电感和主功率电路，所述主功率电路包括级联模块、输出直流电容和负载，其特征在于：所述级联模块采用所述的第一模块单元(A)和第三模块单元(C)，所述第三模块单元(C)包括四个续流二极管(VD)，四个电力电子开关器件S1、S2、S3、S4组成的全控整流桥和输出直流电容(C)。所述主功率电路包括所述L级级联模块，其中每个所述维也纳整流模块的交流输入端b与下一个所述维也纳整流模块的交流输入端a相连或者与全控H桥模块的交流输入端a相连，每个所述全控H桥模块的交流输入端b与下一个所述全控H 桥模块的交流输入端a相连或者与维也纳整流模块的交流输入端a相连，剩余的所述维也纳整流模块的交流输入端a与剩余的所述全控H桥模块的交流输入端b或者剩余的所述维也纳整流模块的交流输入端b与剩余的所述全控H桥模块的交流输入端a经所述输入电感串联接入电网。

为达到上述目的，本实用新型提供的基于维也纳整流模块的大功率混合级联电力电子变流器，包括输入电感和主功率电路，所述主功率电路包括级联模块、输出直流电容和负载；所述级联模块采用所述的L 级级联模块，其中每个所述维也纳整流模块的交流输入端b与下一个所述维也纳整流模块的交流输入端a、半桥电路的交流输入端a或全控H桥模块的交流输入端a相连，各个所述半桥电路的交流输入端b与下一个所述半桥电路的交流输入端a、维也纳整流模块的交流输入端a或全控H桥模块的交流输入端a相连，各个所述全控H桥模块的交流输入端b与下一个所述全控H桥模块的交流输入端a、维也纳整流模块的交流输入端a、或半桥电路的交流输入端a相连，剩余的所述维也纳整流模块、半桥电路或者全控H桥模块的交流输入端a与交流输入端b经所述输入电感串联接入三相电网。

为达到上述目的，本实用新型提供的基于维也纳整流模块的大功率混合级联电力电子变流器，所述电子变流器用于构成三相星接整流器拓扑结构，三相星接整流器拓扑结构包括构成三相星接整流器的三相主功率电路和三个输入电感，三相主功率电路包括由P(P＝1,2,3…)个维也纳整流模块组成的第一模块单元 (A)、Q(Q＝0,1,2,3…)个半桥模块组成的第二模块单元(B)以及Z(Z＝0,1,2,3…)个全控H桥模块组成的第三模块单元(C)构成L(L＝1,2,3…)级级联模块，其中所述基于维也纳整流模块的大功率混合级联电力电子变流器中的L级级联模块所剩余的未接交流输入端共六个，位于每相的三个交流输入端构成了一组接线端，而位于每相的另外三个交流输入端构成了另一组接线端，其中一组接线端接到一个公共的中性点上，另一组接线端经高频滤波器接入三相电网，构成星型连接。

为达到上述目的，本实用新型提供的基于维也纳整流模块的大功率混合级联电力电子变流器，所述电子变流器用于构成三相角接整流器拓扑结构，三相角接整流器拓扑结构包括构成三相角接整流器的三相主功率电路和输入电感，三相主功率电路包括由P(P＝1,2,3…)个维也纳整流模块组成的第一模块单元(A)、Q (Q＝0,1,2,3…)个半桥模块组成的第二模块单元(B)以及Z(Z＝0,1,2,3…)个全控H桥模块组成的第三模块单元(C)构成L(L＝1,2,3…)级级联模块，其中所述基于维也纳整流模块的大功率混合级联电力电子变流器L级级联模块所剩余的未接交流输入端共六个，其中每相级联模块的第一个未接交流输入端a共三个，构成一组接线端，而每相第L个未接交流输入端b共三个构成另一组接线端，其中一组接线端经高频滤波器分别经所述三个高频滤波器接到三相电网输入端，另一组接线端依次接至电网中的下一相输入端，构成角型连接。

为达到上述目的，本实用新型提供的基于维也纳整流模块的大功率混合级联电力电子变流器，所述电子变流器用于构成三相双星接整流器拓扑结构，三相双星接整流器拓扑结构包括构成三相双星接整流器的三相主功率电路和输入电感，三相主功率电路包括由P(P＝1,2,3…)个维也纳整流模块组成的第一模块单元 (A)、Q(Q＝0,1,2,3…)个半桥模块组成的第二模块单元(B)以及Z(Z＝0,1,2,3…)个全控H桥模块组成的第三模块单元(C)构成L(L＝1,2,3…)级级联模块，其中六个所述基于维也纳整流模块的大功率混合级联电力电子变流器构成对接的两组星型连接，即在每组星型连接中所述基于维也纳整流模块的大功率混合级联电力电子变流器中级联的模块所剩余的交流输入端共六个，其中每相第一个未接交流输入端a共三个，构成一组接线端，而每相第L个未接交流输入端b共三个构成另一组接线端，所述的一组接线端接到一个公共的中性点上，另一组接线端分别与三个所述桥臂电感的一端相连，而在每相桥臂上的两个所述桥臂电感的另一端各自连接，并分别经高频滤波器接至三相电网输入端，同时，第一组星型连接中的公共中性点和第二组星型连接的公共中性点分别与所述直流电容的两端连接，从而构成双星型连接。

本实用新型基于维也纳整流模块的大功率混合级联电力电子变流器的优点和积极效果在于：可以使用低耐压的功率开关管完成高电压下的大功率整流变换，且不需要使用传统的工频移相变压器，极大简化了主功率电路结构，大大减少了开关器件的使用，进而减少了电路工作过程中的损耗，提高了系统的工作效率，同时实现了交流侧的单位功率因数整流，体积小，重量轻，成本低，在高压直流输电、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具有重要的实用价值。

下面将结合实施例参照附图进行详细说明。

附图说明

图1是本实用新型基于维也纳整流模块的大功率混合级联电力电子变流器的方框图；

图2是本实用新型基于维也纳整流模块的大功率混合级联电力电子变流器中第一模块单元的电路图；

图3是本实用新型基于维也纳整流模块的大功率混合级联电力电子变流器中第一种电路拓扑结构图；

图4是本实用新型基于维也纳整流模块的大功率混合级联电力电子变流器中第二模块单元的电路图；

图5是本实用新型基于维也纳整流模块的大功率混合级联电力电子变流器中第二种电路拓扑结构图；

图6是本实用新型基于维也纳整流模块的大功率混合级联电力电子变流器中第三模块单元的电路图；

图7是本实用新型基于维也纳整流模块的大功率混合级联电力电子变流器中第三种电路拓扑结构图；

图8是本实用新型基于维也纳整流模块的大功率混合级联电力电子变流器中第四种电路拓扑结构图；

图9是采用基于VIENNA整流模块的大功率混合级联电力电子变流器构成的三相星接整流器的电路图；

图10是采用基于VIENNA整流模块的大功率混合级联电力电子变流器构成的三相角接整流器的电路图；

图11是采用基于VIENNA整流模块的大功率混合级联电力电子变流器构成的三相双星接整流器的电路图。

具体实施方式

在本实用新型基于维也纳整流模块的大功率混合级联电力电子变流器的实施例中，基于维也纳整流模块的大功率混合级联电力电子变流器是由若干个模块单元级联而组成一个整体的电路拓扑。本实用新型提供的基于维也纳整流模块的大功率混合级联电力电子变流器，包括输入电感和主功率电路，主功率电路包括由P(P＝1,2,3…)个维也纳整流模块模块、Q(Q＝0,1,2,3…)个半桥模块以及Z(Z＝0,1,2,3…)个全控H 桥模块构成的L(L＝1,2,3…)级级联模块。

实施例：

参照图2和图3，第一种基于维也纳整流模块的大功率混合级联电力电子变流器的实施例，包括输入电感和主功率电路，主功率电路包括L级级联模块、输出直流电容和负载。

L级级联模块采用第一模块单元(A)即维也纳整流模块，包括六个续流二极管(VD)、一个电力电子开关器件S、两个输出电容C1、C2。主功率电路包括维也纳整流模块的L级级联，其中每个级联的维也纳整流模块的交流输入端b与下一个维也纳整流模块的交流输入端a相连，L个级联起来的维也纳整流模块剩余的两个输入端，即第一个维也纳整流模块的交流输入端a与第L个维也纳整流模块的交流输入端b经输入电感串联接入交流电网。

参照图4和图5，第二种基于维也纳整流模块的大功率混合级联电力电子变流器的实施例，包括输入电感和主功率电路，主功率电路包括L级级联模块、输出直流电容和负载。

L级级联模块采用第一模块单元(A)和第二模块单元(B)。第一模块单元(A)即维也纳整流模块，包括六个续流二极管(VD)、一个电力电子开关器件S、两个输出电容C1、C2。第二模块单元(B)即半桥电路，包括两个续流二极管(VD)，两个电力电子开关器件S1、S2和输出直流电容C。在所述主功率电路的L级级联模块中，每个维也纳整流模块的交流输入端b与下一个维也纳整流模块的交流输入端a相连或者与半桥电路的交流输入端a相连，每个半桥电路的交流输入端b与下一个半桥电路的交流输入端a相连或者与维也纳整流模块的交流输入端a相连；剩余的维也纳整流模块的交流输入端a与剩余的半桥电路的交流输入端 b，或者剩余的维也纳整流模块的交流输入端b与剩余的半桥电路的交流输入端a经输入电感串联接入电网。

参照图6和图7，第三种基于维也纳整流模块的大功率混合级联电力电子变流器的实施例，包括输入电感和主功率电路，主功率电路包括L级级联模块、输出直流电容和负载。

L级级联模块采用第一模块单元(A)和第三模块单元(C)。第一模块单元(A)即维也纳整流模块，包括六个续流二极管(VD)、一个电力电子开关器件S、两个输出电容C1、C2。第三模块单元(C)包括四个续流二极管(VD)，四个电力电子开关器件S1、S2、S3、S4组成的全控整流桥和输出直流电容(C)。在主功率电路的L级级联模块中，每个维也纳整流模块的交流输入端b与下一个维也纳整流模块的交流输入端a相连或者与全控H桥模块的交流输入端a相连，每个全控H桥模块的交流输入端b与下一个全控H桥模块的交流输入端a相连或者与维也纳整流模块的交流输入端a相连；剩余的维也纳整流模块的交流输入端a与剩余的全控H桥模块的交流输入端b，或者剩余的维也纳整流模块的交流输入端b与剩余的全控H桥模块的交流输入端a经输入电感串联接入电网。

参照图8，第四种基于维也纳整流模块的大功率混合级联电力电子变流器的实施例，包括输入电感和主功率电路，主功率电路包括L级级联模块、输出直流电容和负载。

L级级联模块采用第一模块单元(A)，第二模块单元(B)和第三模块单元(C)。第一模块单元(A)即维也纳整流模块，包括六个续流二极管(VD)、一个电力电子开关器件S、两个输出电容C1、C2。第二模块单元 (B)即半桥电路，包括两个续流二极管(VD)，两个电力电子开关器件S1、S2和输出直流电容C。第三模块单元(C)包括四个续流二极管(VD)，四个电力电子开关器件S1、S2、S3、S4组成的全控整流桥和输出直流电容(C)。在主功率电路的L级级联模块中，每个维也纳整流模块的交流输入端b与下一个维也纳整流模块的交流输入端a、半桥电路的交流输入端a或全控H桥模块的交流输入端a相连，各个半桥电路的交流输入端b与下一个半桥电路的交流输入端a、维也纳整流模块的交流输入端a或全控H桥模块的交流输入端a相连，各个全控H桥模块的交流输入端b与下一个全控H桥模块的交流输入端a、维也纳整流模块的交流输入端a、或半桥电路的交流输入端a相连，剩余的维也纳整流模块、半桥电路或者全控H桥模块的交流输入端a与交流输入端b经输入电感串联接入三相电网。

参照图2、图4、图6、图8和图9，基于维也纳整流模块的大功率混合级联电力电子变流器的三相星接整流器拓扑结构，包括构成三相星接整流器的三相主功率电路和三个输入电感，所述三相主功率电路包括由P(P＝1,2,3…)个维也纳整流模块组成的第一模块单元(A)、Q(Q＝0,1,2,3…)个半桥模块组成的第二模块单元(B)以及Z(Z＝0,1,2,3…)个全控H桥模块组成的第三模块单元(C)构成L(L＝1,2,3…)级级联模块。其中三相基于维也纳整流模块的大功率混合级联电力电子变流器中级联的模块所剩余的未接交流输入端共六个，位于每相的三个交流输入端a构成了一组接线端，而位于每相的另外三个交流输入端b构成了另一组接线端，其中一组接线端接到一个公共的中性点上，另一组接线端经高频滤波器接入三相电网，构成星型连接。

参照图2、图4、图6、图8和图10，基于维也纳整流模块的大功率混合级联电力电子变流器的三相角接整流器，包括构成三相角接整流器的三相主功率电路和输入电感，所述三相主功率电路包括由 P(P＝1,2,3…)个维也纳整流模块组成的第一模块单元(A)、Q(Q＝0,1,2,3…)个半桥模块组成的第二模块单元(B)以及Z(Z＝0,1,2,3…)个全控H桥模块组成的第三模块单元(C)构成L(L＝1,2,3…)级级联模块。其中三相基于维也纳整流模块的大功率混合级联电力电子变流器中级联的模块所剩余的未接交流输入端共六个，每相第一个未接交流输入端a共三个，构成一组接线端，而每相第L个未接交流输入端b共三个构成另一组接线端，其中一组接线端经高频滤波器分别经所述三个高频滤波器接到三相电网输入端，另一组接线端依次接至电网中的下一相输入端，构成角型连接。

参照图2、图4、图6、图8和图11，基于维也纳整流模块的大功率混合级联电力电子变流器构成的三相双星接整流器，包括构成双星接整流器的三相主功率电路和输入电感，三相主功率电路包括六个由 P(P＝1,2,3…)个维也纳整流模块组成的第一模块单元(A)、Q(Q＝0,1,2,3…)个半桥模块组成的第二模块单元(B)以及Z(Z＝0,1,2,3…)个全控H桥模块组成的第三模块单元(C)构成L(L＝1,2,3…)级级联模块。其中六个所述基于维也纳整流模块的大功率混合级联电力电子变流器构成对接的两组星型连接，即在每组星型连接中所述基于维也纳整流模块的大功率混合级联电力电子变流器中级联的模块所剩余的交流输入端共六个，其中每相第一个未接交流输入端a共三个，构成一组接线端，而每相第L个未接交流输入端b共三个构成另一组接线端，所述的一组接线端接到一个公共的中性点上，另一组接线端分别与三个所述桥臂电感的一端相连，而在每相桥臂上的两个所述桥臂电感的另一端各自连接，并分别经高频滤波器接至三相电网输入端，同时，第一组星型连接中的公共中性点和第二组星型连接的公共中性点分别与所述直流电容的两端连接，从而构成双星型连接。

在本实用新型基于维也纳整流模块的大功率混合级联电力电子变流器应用的其他实施例中，所描述的三相星接、角接和三相双星接整流器，除了采用维也纳整流模块、半桥模块、全控H桥模块外，也可以是由他们衍生出来的不同模块的组合。

所描述的基于维也纳整流模块的大功率混合级联电力电子变流器应用电路，可以简化应用于大功率场合的电力电子整流器的电路拓扑结构，通过适当的控制策略可以提高系统的工作效率，稳定且平衡若干个模块直流侧的电容电压，为后级的电能变换提供有利条件，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具有重要的应用价值。

上面所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的构思和范围进行限定，在不脱离本实用新型设计方案前提下，本领域中工程技术人员基于本实用新型的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本实用新型的保护范围，本实用新型请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。