专利名称：一种五电平逆变电路及由其构成的高压无功补偿系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种五电平逆变电路及由其构成的高压无功补偿系统，更具体的说， 尤其涉及一种应用于电力电子领域的利用二极管箝位式五电平逆变电路及由其构成的高压无功补偿系统。
背景技术：
随着工业快速发展，无功功率对供电系统和负载的运行都是十分重要的，但是这些无功功率如果都要由发电机提供并经长距离传送是不合理的，这样无功补偿装置由此产生并快速发展，其主要用于提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗，同时改善电网质量。现在高压无功补偿装置通常采用单元级联结构方式，由多个逆变单元串联来得到高压输出，这种无功补偿结构存在的主要缺点有在输出无功时，各单元母线电压会不平衡，需采取复杂的措施来保证各单元电压平衡；每个单元是H桥单相逆变器，而且各单元之间都没有能量流通通道，因而各个单元中必须设置大的储能电容，这样无疑就会增加系统体积和成本；各相间没有能量流通通道无法完成相间能量交换，因而不容易实现负序补偿。
发明内容本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种应用于电力电子领域的利用二极管箝位式五电平逆变电路及由其构成的高压无功补偿系统。本发明的五电平逆变电路，包括相互串联用于与直流电源相连接的四个等值电容 (Cl、C2、C3、C4)以及由三个单桥臂逆变电路组成的三相逆变电路，其特别之处在于所述单桥臂逆变电路包括依次正向串联的八个功率开关器件(Vl、V2、V3、V4、V6、V7、V8、V9 )、依次正向串联的四个箝位二极管(Dl、D2、D3、D4)以及两个起箝位作用的功率开关器件(V5、 V10)，相串联的八个功率开关器件的两端分别接于电容电路的两端；相串联的四个二极管一端接于功率开关器件V2和V3之间的连线上，另一端接于功率开关器件V7和V8之间的连线上；所述功率开关器件V5的一端接于电容Cl与C2之间，另一端接于功率开关器件Vl 和V2之间；所述功率开关器件VlO的一端接于电容C3与C4之间，另一端接于功率开关器件V8和V9之间。四个等值电容起到稳压和平均分配直流电压的作用，依次正向串联的八个功率开关器件通过控制信号的控制，可处于导通和截止状态，以便实现不同电平电压的输出；依次正向串联的四个二极管起到箝位作用。采用功率开关器件V5和V10，有效地实现了电容Cl与C2之间的电压以及电容C3与C4之间电压的输出，并省略多个二极管，有利于简化电路结构，还能保证稳定的信号输出。本发明的五电平逆变电路，还包括用于提供直流电源的辅助电源，该辅助电源包括整流模块、用于把整流后的电源逆变成高频交流电的逆变模块、起隔离作用的高频变压器以及整流稳压输出模块；所述整流模块的输入端与交流电源相连接，整流稳压输出模块具有分别接到四个串联电容(Cl、C2、C3、C4)两端的五个输出端，这五个输出端输出的电压分别为-2mV、-lmV、0V、+lmV、+2mV, m为常数。采用具有五电平输出的辅助电源，有利于保证五电平逆变电路具有稳定的电压输出。本发明的五电平逆变电路，所述四个箝位二极管(D1、D2、D3、D4)为快恢复二极管； 所述功率开关器件(Vl、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8、V9、V10)为绝缘栅双极型晶体管IGBT或集成门极换流晶闸管IGCT。本发明的由五电平逆变电路构成的高压无功补偿系统，包括用于对高压电网进行无功补偿的逆变电路，其特别之处在于所述逆变电路由上面所述的五电平逆变电路构成。本发明的由五电平逆变电路构成的高压无功补偿系统，所述逆变电路的输入端连接有辅助电源，逆变电路与高压电网之间设置有电感滤波电路。本发明的有益效果是(1)本发明的五电平逆变电路三相单桥壁共用直流母线， 不存在串联的单元，有效避免了各单元电源不平衡问题；(2)本发明的五电平逆变电路用于无功补偿装置中时，三相对称系统其输出功率瞬时值等于0，不存在与电网交换能量的过程，因此本发明中设置的母线电容比单元级联式结构中的储能电容小的多；(3)本发明中还可设置用于提供电能的辅助电源，有效保证了四个电容电压的均衡；(4)本发明的五电平逆变电路和由其组成的无功补偿系统，对于三相不均衡负载，亦可完成无功补偿。
图1为本发明的五电平逆变电路的原理图；图2为现有五电平逆变电路的原理图；图3为本发明的高压无功补偿系统的原理图；图4为本发明中辅助电源的电路原理图。图中1单桥臂逆变电路，2辅助电源，3逆变电路，4电感滤波电路，5高压电网。
具体实施方式
以下结合附图与实施例对本发明作进一步说明。如图1所示，给出了本发明中五电平逆变电路的原理图，其包括四个起稳压作用的等值电容(Cl、C2、C3、C4)以及三个单桥臂逆变电路1，所示的每个单桥臂逆变电路均包括依次正向串联的八个功率开关器件(Vl、V2、V3、V4、V6、V7、V8、V9 )、四个依次正向串联的二极管(Dl、D2、D3、D4)以及两个起箝位作用的功率开关器件(V5、V10)；所示的四个电容 (C1、C2、C3、C4)依次串联后接到直流电源的正负极上。八个功率开关器件依次正向串联后的集电极接到直流电源的正极上，发射极一端接到电源的负极上；四个二极管(Dl、D2、D3、 D4)依次正向串联后，负极接到功率开关器件V2与V3之间的连线上，正极接到功率开关器件V8与V9之间的连线上；二极管D2与D3之间连线上的点与电容C2与C3之间连线上的点相连接，这样就可保证二极管D2与D3之间连线上为零电位状态。功率开关器件V5的发射极与电容Cl与C2之间的连线相连接，集电极与功率开关器件Vl与V2之间的连线相连接；功率开关器件VlO的发射极与电容C3与C4之间的连线相连接，集电极与功率开关器件 V8与V9之间的连线相连接。图1中给出了 A、B、C三相逆变电路的示意图，将以上所述的器件标号的字母与数字之间加上A、B或C，即为相应电路器件和连接关系的描述。所示的功率开关器件(VI、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8、V9、V10)均可通过控制信号对基极的控制，来控制其导通和截止；功率开关器件的发射极与集电极之间并联有反向二极管，使其具有发击穿功能，以实现对功率开关器件的保护；其可采用绝缘栅双极型晶体管 IGBT或集成门极换流晶闸管IGCT。四个二极管(D1、D2、D3、D4)选取为快恢复二极管。图2给出了现有五电平逆变电路的原理图，图1中的五电平逆变电路相对于图2 中的电路来说，每相增设了两个功率开关器件、省去了八个箝位二极管，结构大为简化，成本也降低，更加有利于产品的制作和使用。设电源正电压、电源负电压、电容Cl与C2之间电压、电容C4与C3之间电压、 电容C2与C3之间电压分别为+2mV、_2mV、+lmV、_lmV、0V，图1中以功率开关器件V4与 V6之间连线上的点为输出端，在以零电平为参考电压，要求输出电压Vo分别为+2mV、 +lmV、-2mV、-lmV、0V时，所对应的功率开关器件的状态分别为Vo=2mV 时，开通 VI、V2、V3、V4、V10,断开 V5、V6、V7、V8、V9 ；Vo=ImV 时，开通 V2、V3、V4、V5、V10,断开 VI、V6、V7、V8、V9 ；Vo=-2mV 时，开通 V5、V6、V7、V8、V9，断开 VI、V2、V3、V4、VlO ；Vo=-ImV 时，开通 V5、V6、V7、V8、VlO，断开 VI、V2、V3、V4、V9 ；Vo=OV 时，开通 V3、V4、V6、V7、V5、V10，断开 VI、V2、V8、V9。如图4所示，给出了辅助电源2的电路原理图，其包括整流模块、逆变模块、高频变压器、整流稳压输出模块；整流模块的输入端与交流电源相连接，输出端与逆变模块相连接，逆变模块用于实现把电源变成高频交流电；高频变压器实现一定的隔离作用。整流稳压输出模块具有分别接到四个串联电容(Cl、C2、C3、C4)两端的五个输出端，这五个输出端输出的电压分别为-2mV、-lmV、0V、+lmV、+2mV，m为常数。如图3所示，给出了由五电平逆变电路构成的高压无功补偿系统的原理图，其包括辅助电源2、逆变电路3、电感滤波电路4、高压电网5 ；辅助电源2采用图4中所示的电源，逆变电路采用图1中所示的电路；电感滤波电路4实现对输出信号的滤波，去除干扰和杂质信号，以便输入到高压电网5中，实现对电网的无功功率补偿，以便增加整个电网的功率因数，有效提高电能的利用率。
权利要求1.一种五电平逆变电路，包括相互串联用于与直流电源相连接的四个等值电容(Cl、 C2、C3、C4)以及由三个单桥臂逆变电路(1)组成的三相逆变电路，其特征在于所述单桥臂逆变电路包括依次正向串联的八个功率开关器件(VI、V2、V3、V4、V6、V7、V8、V9)、依次正向串联的四个箝位二极管(D1、D2、D3、D4)以及两个起箝位作用的功率开关器件(V5、V10)， 相串联的八个功率开关器件的两端分别接于电容电路的两端；相串联的四个二极管一端接于功率开关器件V2和V3之间的连线上，另一端接于功率开关器件V7和V8之间的连线上； 所述功率开关器件V5的一端接于电容Cl与C2之间，另一端接于功率开关器件Vl和V2之间；所述功率开关器件VlO的一端接于电容C3与C4之间，另一端接于功率开关器件V8和 V9之间。
2.根据权利要求1所述的五电平逆变电路，其特征在于还包括用于提供直流电源的辅助电源(2 )，该辅助电源包括整流模块、用于把整流后的电源逆变成高频交流电的逆变模块、起隔离作用的高频变压器以及整流稳压输出模块；所述整流模块的输入端与交流电源相连接，整流稳压输出模块具有分别接到四个串联电容(C1、C2、C3、C4)两端的五个输出端， 这五个输出端输出的电压分别为_2mV、-lmV、0V、+lmV、+2mV, m为常数。
3.根据权利要求1或2所述的五电平逆变电路，其特征在于所述四个箝位二极管 (DU D2、D3、D4)为快恢复二极管；所述功率开关器件(VI、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8、V9、 V10)为绝缘栅双极型晶体管IGBT或集成门极换流晶闸管IGCT。
4.一种由权利要求1所述的五电平逆变电路构成的高压无功补偿系统，包括用于对高压电网(5)进行无功补偿的逆变电路(3)，其特征在于所述逆变电路由权利要求1所述的五电平逆变电路构成。
5.根据权利要求4所述的高压无功补偿系统，其特征在于所述逆变电路(3)的输入端连接有辅助电源(2 )，逆变电路与高压电网(5 )之间设置有电感滤波电路(4 )。
专利摘要本实用新型的五电平逆变电路，包括四个等值电容(C1、C2、C3、C4)以及三个单桥臂逆变电路(1)，特征在于单桥臂逆变电路包括八个功率开关器件(V1、V2、V3、V4、V6、V7、V8、V9)、四个二极管(D1、D2、D3、D4)和两个功率开关器件(V5、V10)，相串联的八个功率开关器件两端分别接于电容的两端；相串联的四个二极管两端分别接于功率开关器件V2和V3之间以及V7和V8之间；功率开关器件V5的两端分别接于电容C1与C2以及功率开关器件V1和V2之间。由其构成的高压无功补偿系统不存在串联单元，避免了单元电源的不平衡；三相对称系统其输出功率瞬时值等于0，不存在与电网能量交换，本实用新型中母线电容的储能电容小。本实用新型利用两个功率开关器件替代部分箝位二极管，具有结构简单、成本低和易于应用的优点。
文档编号H02M7/487GK202206328SQ20112035327
公开日2012年4月25日 申请日期2011年9月21日 优先权日2011年9月21日
发明者方汉学, 李瑞来 申请人:山东新风光电子科技发展有限公司