专利名称：一种多电平电流源型变换器及其多电平注入方法
技术领域：
本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及基于三相-两相平衡变压器的一种多电平电流源型变换器及其多电平注入方法，在两个电平注入支路设置不同零电流注入时段作为可控整流桥换相点，进而实现了可控整流桥的零电流换相。
背景技术：
近年来全控型器件IGBT的电压源型变换器在中小功率交直流变换领域获得广泛应用。但由于电压源型变换器抗短路能力差以及阀组压装技术的不成熟，导致其在大功率场合的运行性能较差。作为电压源变换器的对偶结构，电流源型变换器则具有良好的抗短路能力，在很多传统的大功率场合得到应用，但因换相时相电流突变会激起过电压，所以变换器交流侧必须加装大容量的电容器作为能量缓冲装置，大容量电容器占用了很大空间，并且是导致装置故障的主要原因之一。铁道供电系统是典型的大功率应用领域，三相-两相平衡变压器已被广泛采用，相应的各种交直流变换器亦为单相或两相结构，因此如何减少因整流换相而引起的对变压器原边电网的冲击是目前都在进行的研究。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题而提出的一种多电平电流源型变换器及其零电流换相控制方法，在直流负载总线上设置多组注入电路，每一组注入电路有两个注入支路，两个注入支路分别连接不同相的可控整流桥，在电平注入支路不同时间设置零电流注入时段作为可控整流桥换相点，进而实现了可控整流桥的零电流换相。为了实现上述目的，本发明的技术方案是
一种多电平电流源型变换器，包括多组向直流负载注入电流的注入电路和具有两个不同相单相电源输出的变压器，两个单相电源分别连接有全控桥；所述注入电路包括两个注入开关和一个电抗器，其中一个注入开关和电抗器串联后通过直流负载连接一个单相电源的全控桥，另一个注入开关和电抗器串联后通过直流负载连接另一个单相电源的全控桥。所述具有两个不同相单相电源输出的变压器是三相-两相平衡变压器，两相交流输出电压相位差为90°。一种基于多电平电流源型变换器的多电平注入方法，所述多电平电流源型变换器包括多组向直流负载注入电流的注入电路和三相-两相平衡变压器，两相交流输出电压相位差为90°，两相交流输出分别连接有全控桥；所述注入电路包括两个注入开关和一个电抗器，其中一个注入开关和电抗器串联后通过直流负载连接一相交流输出的全控桥，另一个注入开关和电抗器串联后通过直流负载连接另一相交流输出的全控桥，所述多电平注入方法是两个注入开关与各自连接的全控桥电源基波频率同步，并交替开通使两组全控桥交替向直流负载注入电流，每组全控桥输出电流是具有零值区间的阶梯式多电平脉动直流，在电流零值区间对应的是全控桥器件换相。本发明与现有技术相比的优点表现在
I)注入电路的开关组合将各注入支路的电感电流在两组主桥输出端进行切换，每组主桥输出电流为2倍电源基波频率的具有零值区间的阶梯式多电平脉动直流，在电流零值区间，对应的主桥器件实现零电流换相。2)因直流输出电流可控，所以其较电压源型变换器具有更好的抗短路能力。3)多电平注入支路采用完全相同的电路结构，易实现电平数的扩展，当多电平注入支路数为η时，直流电流的电平数为η+1，多注入电路每条支路上的开关器件导通平均电 流、电抗器平均工作电流仅为总直流电流的1/η。4)多电平技术的采用，使变压器一次绕组电流谐波含量降低，从而降低了对交流滤波电容的要求；当电平数足够多时，变压器一次绕组电流谐波含量可满足电网对谐波含量的要求，从而可以去除电流源型变换器交流侧所必需的大容量电容器。下面结合附图和实施例对本发明作详细描述。
图I为三相-两相平衡变压器的多电平电流源型变换拓扑；
图2为注入电路从单相桥负极引出的电路结构；
图3为全控桥及开关状态波形 图4为两组单相桥输出的直流电流波形。
具体实施例方式实施例1，
一种多电平电流源型变换器，参见图I和图2，所述变换器包括多组向直流负载注入电流的注入电路&和具有两个不同相单相电源输出的变压器Τ，两个单相电源分别连接有全控桥Sy和Sd ;所述注入电路包括两个注入开关SYr、SDr和一个电抗器L，其中一个注入开关Syr和电抗器L串联后通过直流负载连接一个单相电源的全控桥Sy，另一个注入开关Slte和电抗器L串联后通过直流负载连接另一个单相电源的全控桥SD。所述具有两个不同相单相电源输出的变压器是三相-两相平衡变压器，两相交流输出电压相位差为90°。三相-两相平衡变压器是一种成熟的技术，已在铁道供电系统中广泛的使用。实施例2:
一种基于多电平电流源型变换器的多电平注入方法，参见图I和实施例1，所述多电平电流源型变换器包括多组向直流负载注入电流的注入电路和三相-两项平衡变压器，两相交流输出电压相位差为90°，两相交流输出分别连接有全控桥；所述注入电路包括两个注入开关和一个电抗器，其中一个注入开关和电抗器串联后通过直流负载连接一相交流输出的全控桥，另一个注入开关和电抗器串联后通过直流负载连接另一相交流输出的全控桥，参见图3和图4，所述多电平注入方法是两个注入开关与各自连接的全控桥电源基波频率同步、并交替开通使两组全控桥交替向直流负载注入电流，每组全控桥输出电流是具有零值区间的阶梯式多电平脉动直流，在电流零值区间对应的是全控桥器件换相。
上述实施例中，所述的注入电路由多路结构相同的注入单元构成，每组结构由两只全控型逆阻器件(注入开关)和一只电抗器构成，两只全控型逆阻器件的负极(或正极)与电抗器的一个端子连接为一个节点，每组结构为一个三端口单元，其中两只全控型逆阻器件的正极(或负极)分别接两组晶闸管三相桥直流输出正极(或负极)，多路电抗器的另一端子汇总于直流母线的负极(或正极)如图I和图2所示，图2中的Sftl至5丨&11表示的是Sftl …至Sw ^nrl至Ston表不的是、Sfc2、Sfc3…至，所有功率器件均为全控型逆阻器件，如GTO、IGCT等，或者是IGBT与二极管串联构成具有逆阻特性的结构单元。电平注入支路采用完全相同的电路结构，易实现电平数的扩展，当多电平注入支路数为η时，直流电流的电平数为η+1。
以三电平为例，所有功率器件的开关状态见图3。主桥器件5ν··5·γ4、5·Μ···5·Μ每个电源周期导通一次，每次导通电角度为π，5·γι···5·γ4每间隔π电角度有两只导通，^di比Syi-Sy4对应滞后导通31/2。注入开关的开关频率为电源基波频率的2倍，每次导通31/2，5Vrl 与 ^nrl 互锁、Sxt2 与 ^nr2 互锁，^yr2 比 5·γΓ 滞后 π /4, 5^2 比 ^nrl 滞后 π /4。Syi…Sy4 开关切换时，&1、^Yr2均处于关断状态，关断区间为31 /4 -,SvSm开关切换时，^nr2均处于关断状态，关断区间为η/4。主桥的电流波形见图4并对照图3，可见当主桥器件Syi…5·υ4切换时，Sy桥直流输出电流为零，既主桥开关在零电流条件下切换；当主桥器件^di-Sd4切换时，Sd桥直流输出电流为零，既主桥开关在零电流条件下切换。当多注入电路支路数为η时，两主桥的直流电流电平数为η+1。注入开关的开关频率仍为2倍电源基波频率，5&1 "5^、5’1)^5’1) 1每次导通^/^&与‘互锁(j=l，2，…，n)，5Vrj+1 比 5Vrj 滞后 π / (2n)，5；rj+1 比滞后 π / (2η)。5V..Sy4 开关切换时，Sftl…5Vrn 均处于关断状态，关断区间为n/(2n)开关切换时，5·Μ···5^η均处于关断状态，关断区间为π /(2η)。
权利要求
1.一种多电平电流源型变换器，其特征在于，所述变换器包括多组向直流负载注入电流的注入电路和具有两个不同相单相电源输出的变压器，两个单相电源分别连接有全控桥；所述注入电路包括两个注入开关和一个电抗器，其中一个注入开关和电抗器串联后通过直流负载连接一个单相电源的全控桥，另一个注入开关和电抗器串联后通过直流负载连接另一个单相电源的全控桥。
2.根据权利要求I所述的一种多电平电流源型变换器，其特征在于，所述具有两个不同相单相电源输出的变压器是三相-两相平衡变压器，两相交流输出电压相位差为90°。
3.一种基于多电平电流源型变换器的多电平注入方法，所述多电平电流源型变换器包括多组向直流负载注入电流的注入电路和三相-两相平衡变压器，两相交流输出电压相位差为90°，两相交流输出分别连接有全控桥；所述注入电路包括两个注入开关和一个电抗器，其中一个注入开关和电抗器串联后通过直流负载连接一相交流输出的全控桥，另一个注入开关和电抗器串联后通过直流负载连接另一相交流输出的全控桥，其特征在于，所述多电平注入方法是两个注入开关与各自连接的全控桥电源基波频率同步，并交替开通使两组全控桥交替向直流负载注入电流，每组全控桥输出电流是具有零值区间的阶梯式多电平脉动直流，在电流零值区间对应的是全控桥器件换相。
全文摘要
本发明涉及一种多电平电流源型变换器及其多电平注入方法，包括三相-两相平衡变压器、两组单相全控桥和多注入电路，变换器中所有开关器件均为全控型逆阻器件，注入电路的开关组合将各注入支路的电感电流，在两组主桥输出端进行切换，每组晶闸管主桥输出电流为2倍电源基波频率的具有零值区间的阶梯式多电平脉动直流，在电流零值区间，对应的主桥器件进行切换。注入电路结构为主桥提供了零电流换相条件，所以主电路器件开关损耗较低；因直流电流呈阶梯式变化，所以交流侧缓冲电容的容量可大幅降低。
文档编号H02M7/483GK102647103SQ20121013774
公开日2012年8月22日 申请日期2012年5月7日 优先权日2012年5月7日
发明者李春生, 杨宝峰, 马方生 申请人:李春生, 杨宝峰, 马方生