一种中点箝位型级联h桥混合多电平变流器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种中点箝位型级联H桥混合多电平变流器，属于电力电子技术和电 力输配电领域。
【背景技术】
[0002] 应用在高压柔性直流输电领域的传统两电平、三电平，结合半导体开关串联技术 虽可实现功率转换，但存在的问题是开关频率高、损耗大、输出谐波特性差而需要安装专门 的交流滤波装置，同时均不具备直流故障闭锁或直流故障穿越的能力。而模块化多电平变 流器具有可模块化设计、谐波特性好、dv/dt低、开关频率低、损耗小等优点，因而在高压直 流输电、电机驱动、风电场低电压穿越等领域得到了较为广泛的应用和研宄。但与传统的两 电平、三电平变流器相比，模块化多电平变流器也存在使用器件数和电容数较多的缺点，尤 其是所需的电容数量多、体积大，大幅增加了变流器整体的成本和体积。此外，采用半桥子 模块结构的模块化多电平变流器并不具有直流故障闭锁或穿越的能力，而如果采用H桥子 模块或其他具有直流故障穿越能力的子模块，装置所需的器件和损耗会显著增加，成本进 一步攀升。
[0003] 为解决模块化多电平变流器的这一问题，已有文献结合两电平变流器与模块化 多电平变流器的优点，提出了两种新型的混合式多电平变流器拓扑，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. 提出的桥臂交替导通型多电平变流器（AAC)，以及文献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.提出的交流侧H桥级联型混合多电平变流 器（以下简称HCMC)。在需要考虑直流故障穿越能力的场合下，这两种变流器可以在保证 变流器交流电流谐波特性的前提下，减少模块化多电平变流器的开关器件数及电容数，同 时使变流器具备直流故障穿越能力。这两种变流器的共同特点是均采用串联的绝缘栅双 极性晶体管（以下简称IGBT)作为导通开关，同时采用多个H桥级联，因而可以应用于高 压领域。与HCMC相比，AAC内的导通开关串联的IGBT个数较少，均压相对容易，同时导 通开关在一个周期内只开通或关断一次，因此导通开关的器件功率损耗也相对较小。与 AAC相比，HCMC所需的开关器件数和电容数大大减少，但导通开关的串联IGBT个数较多， 动态均压难度相对较大，且导通开关的开关频率较高，功率损耗也更大。此外，在不需要 考虑直流故障穿越能力时，AAC与HCMC相当于半桥式模块化多电平变流器并未节省器件 数量，因而成本优势并不明显。文献Sepahvand，H. ;Ferdowsi，M. ;Corzine，K.A.，〃Fault recoverystrategyforhybridcascadedH-bridgemulti-levelinverters,''Applied PowerElectronicsConferenceandExposition(APEC), 2011Twenty-SixthAnnual IEEE，vol.，no.，pp. 1629, 1633,6-11March2011则提出了一种三电平中点箝位变流器与 级联H桥多电平变流器的混合逆变器（以下简称HCHMI)，但该逆变器中并未采用级联的 IGBT作为导通开关，且每个桥臂级联的H桥数目只有两个，因此只能应用于低压、中压领 域，无法扩展应用到高压领域。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提出一种中点箝位型级联H桥混合多电平变流器，采用级联 IGBT(或其他全控半导体开关）和级联H桥构成混合变流器，从而以较低的成本、体积和损 耗实现宽范围的交、直流变换，为中、高压直流输电、电机驱动等领域提供新的解决方案。
[0005] 本发明提出的点箝位型级联H桥混合多电平变流器，包括第一相单元、第二相单 元、第三相单元、第一交流电抗器La、第二交流电抗器Lb、第三交流电抗器L。、第一直流电容 器心和第二直流电容器C2;所述的第一直流电容器的正极作为多电平变流器的正极直流母 线，第一直流电容器的负极与所述的第二直流电容器的正极相连，作为多电平变流器的公 共中点N，第二直流电容器的负极作为多电平变流器的负极直流母线；所述的第一相单元、 第二相单元和第三相单元的正极同时与第一直流电容器的正极相连，第一相单元、第二相 单元和第三相单元的负极同时与第二直流电容器的负极相连，第一相单元、第二相单元和 第三相单元的中点同时与多电平变流器的公共中点相连，第一相单元、第二相单元和第三 相单元的交流侧端点A。』。和C。分别通过所述的第一交流电抗器La、第二交流电抗器Lb和 第三交流电抗器L。与交流电网相连；
[0006] 所述的第一相单元、第二相单元和第三相单元的电路原理图相同，均由第一导通 开关Si、第二导通开关S2、第三导通开关S3、第四导通开关S4、桥臂电路、第一箝位开关DJP 第二箝位开关D2构成；所述的第一导通开关Si的正极作为相单元的正极，第一导通开关Si 的负极同时与第二导通开关S2的正极和第一箝位开关Di的阳极相连，第二导通开关S2的 负极同时与所述的桥臂电路的一个端点和第三导通开关S3的正极相连，第三导通开关S3的 负极同时与第四导通开关S4的正极和第二箝位开关D2的阴极相连，第四导通开关S4的负 极作为相单元的负极，第一箝位开关〇:的阴极与第二箝位开关0 2的阳极相连，作为相单元 的中点，桥臂电路的另一个端点作为相单元的交流侧端点。
[0007] 上述多电平变流器相单元中的导通开关，由多个含有反并联二极管的全控半导体 开关串联而成，串联的多个全控半导体开关中，第一个全控半导体开关的集电极作为导通 开关的正极，最后一个全控半导体开关的发射极作为导通开关的负极；全控半导体开关的 个数为Udc/(2U。)，其中Ud。为多电平变流器的直流母线额定电压，U。为每个全控半导体开关 的额定电压；
[0008] 上述多电平变流器的相单元中的箝位开关，由多个二极管串联构成，多个串联的 二极管中，第一个二极管的阳极作为箝位开关的阳极，最后一个二极管的阴极作为箝位二 极管的阴极，二极管的个数为Udc/ (2UJ，其中Ud。为多电平变流器的直流母线额定电压，Um 每个二极管的额定电压；
[0009] 上述多电平变流器相单元中的桥臂电路，由多个H桥子模块串联而成，每个H桥子 模块包括一个直流电容器、第一全控半导体开关、第二全控半导体开关、第三全控半导体开 关、第四全控半导体开关、第一续流二极管、第二续流二极管、第三续流二极管和第四续流 二极管，所述的第一全控半导体开关、第二全控半导体开关、第三全控半导体开关和第四全 控半导体开关的集电极分别与所述的第一续流二极管、第二续流二极管、第三续流二极管 和第四续流二极管的阴极相连，所述的第一全控半导体开关、第二全控半导体开关、第三全 控半导体开关和第四全控半导体开关的发射极分别与所述的第一续流二极管、第二续流二 极管、第三续流二极管和第四续流二极管的阳极相连，所述的第一全控半导体开关的集电 极同时与第四全控半导体开关的集电极和直流电容器的正极端相连，所述的第一全控半导 体开关的发射极与第二全控半导体开关的集电极相连，作为H桥子模块的一个端点；所述 的第二全控半导体开关的发射极同时与第三全控半导体开关的发射极和直流电容器的负 极端相连，所述的第三全控半导体开关的集电极与第四全控半导体开关的发射极相连，作 为H桥子模块的另一个端点；当多