[发明专利]基于T型APF的混合级联多电平变流器拓扑及控制方法

说明书

技术领域

本发明属于电力系统柔性输配电和电能质量控制技术领域，具体涉及一种基于T型有源滤波器（APF）的混合级联多电平变流器拓扑结构以及所述变流器的控制方法。

背景技术

电力电子技术在高压大容量领域不断扩展，为多电平功率变换电路的发展提供了广阔空间。1981年Nabae等人最早提出多电平变换电路的思想至今，出现了多种主电路拓扑结构，如在中压变频调速装置中获得工程应用的二极管钳位式三电平变频器，大容量应用场合主要采用集成门极换流晶闸管（IGCT，Integrated Gate Commutated Thyristors）器件，而应用更为广泛的H桥级联多电平变流器拓扑，则主要采用绝缘栅双极型晶体管（IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor）器件。近年来，采用增加注入结构实现低通态压降和平板压接式结构的电子注入增强栅晶体管（IEGT，Injection Enhanced Gate Transistor）得到迅猛发展，器件已经达到4.5kV/1500A的容量。由Manjrekar等人提出的混合级联多电平拓扑，由H桥级联多电平电路发展而来，各个H桥单元的运行电压、开关频率不同，结合了IGCT、IEGT和IGBT等电力电子器件的优点，显著降低了装置的体积、减少了成本，具有良好的实用价值。

然而，在高压大容量场合，混合级联多电平系统中不同器件的工作电压及开关频率不一致、开通和关断时刻也不一致，将导致系统的电磁兼容性差，譬如：电压上升率（dv/dt）高、暂态过电流、高频开关纹波和高次谐波污染严重，给电网公共连接点其他电气设备的安全稳定运行带来巨大隐患。随着混合多电平变流器的电压等级和容量需求的不断提高，这些关键技术问题已逐渐成为制约混合级联多电平变流器工程应用难以逾越的瓶颈。

专利CN102638176A提出一种混合级联多电平电力电子变压器拓扑，包括高压级、隔离型DC-DC变换器、高频变压器和低压级构成，其结构复杂、体积庞大。专利CN102545675A提出一种混合串联H桥多电平并网逆变器直流母线电压控制方法，该电路采用高、低压H桥模块串联后通过电抗器直接接入电网，仅产生7个电平的输出波形，未充分利用各种电力电子器件的优势，且波形质量不高、难以应用于高电压大容量场合。专利CN102638176A和CN102545675A均未涉及到混合多电平变流器开关过程产生的高频纹波和高次谐波抑制问题。从现有文献及专利来看，传统的混合级联多电平变流器往往直接通过并网电抗器与电网相连，通常所选择的并网电抗器体积大、成本高，但对高频开关纹波和高次谐波的衰减效果欠佳。若采用T型结构的L-C-L无源滤波器替代传统的L型并网电抗器，高频开关纹波和高次谐波的衰减效果会有所改善，但无源滤波器会与电网阻抗发生高频谐振，不利于装置的稳定运行。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的多电平变流器拓扑中并网电抗器体积大、成本高，且对高频开关纹波和高次谐波的衰减效果欠佳，或者因为引入的无源滤波器会与电网阻抗发生高频谐振，不利于装置的稳定运行等不足，提出了一种基于T型有源滤波器的混合级联多电平变流器拓扑及控制方法。

本发明的技术方案为：基于T型APF的混合级联多电平变流器拓扑，其特征在于，包括用于抑制变流器产生的高次谐波和高频开关纹波的T型有源滤波器和三个分别运行在高压、中压和低压的单相H桥逆变器，三个单相H桥逆变器首尾相接用于产生高质量的多电平电压，T型有源滤波器与低压单相H桥逆变器相连接。

进一步的，基于T型APF的混合级联多电平变流器拓扑包括并联的三组拓扑单元，用于三相电路，拓扑单元包括用于抑制变流器产生的高次谐波和高频开关纹波的T型有源滤波器和三个分别运行在高压、中压和低压的单相H桥逆变器，三个单相H桥逆变器首尾相接用于产生高质量的多电平电压，T型有源滤波器与低压单相H桥逆变器相连接。

进一步的，所述T型有源滤波器由两组串联的电抗器、一端与两组电抗器公共端相连接的滤波电容和电压源逆变器组成；电压源逆变器交流侧一端连接滤波电容的另一端，交流侧另一端与电源中线相连接；两组电抗器的非公共端分别连接电源相线和变流器的低压单相H桥逆变器。

进一步的，所述三个H桥逆变器交流输出侧首尾相连，H桥由4个IGBT、反并联二极管和直流侧电容构成。