[发明专利]一种中性点电压可控的三电平直流变换电路及其控制方法

说明书

本发明公开了一种中性点电压可控的三电平直流变换电路及其控制方法。本发明的三电平直流变换电路包括直流电源、第一电容器、第二电容器、第一组直流斩波电路和第二组直流斩波电路；所述的第一组直流斩波电路和第二组直流斩波电路通过正电压端、负电压端和中间电压端三点并联，第一组直流斩波电路的输出正端和第二组直流斩波电路的输出负端与负载串联；所述的第一组直流斩波电路和第二组直流斩波电路均包括多个开关管和多个二极管。本发明的三电平变换电路通过控制开关管的导通可构成多种控制模态，进而组合成多种时序模式，能实现负载工况的四象限电压控制运行，并能通过模态的切换达到控制三电平电路中性点电压平衡的目的。

技术领域

本发明属于发电机柔性励磁系统技术领域，具体地说是一种中性点电压可控的三电平直流变换电路及其控制方法。

背景技术

随着特高压直流、柔性直流的大量投运和新能源发电高渗透率趋势的迅猛发展，电力电子化电力系统在超低频功率振荡、次同步振荡、毫秒级无功电压支撑等电磁/机电混合领域的运行风险增加。励磁系统是同步发电机的重要组成部分，对电力系统的安全稳定运行有重要影响，充分利用励磁系统调控能力是提高电力系统稳定性最经济有效的手段之一。

基于半控器件晶闸管(SCR)整流的常规励磁系统，受限于其控制速度慢、且仅可以控制器件开通无法控制关断，已难以适应电力电子化电网的运行需求。IGBT等全控器件可以同时控制开通和关断，因此其控制响应速度和控制灵活性具有明显优势。目前已有国内外学者提出将IGBT等全控器件构成的整流电路和斩波电路应用于发电机励磁系统，实现柔性励磁系统，在提供同步发电机直流励磁电流的同时，其交流侧可以控制无功电流分量，可以快速控制向同步发电机端注入或吸收无功。交流侧无功的毫秒级直接支撑能力可以显著提升机组的无功电压控制性能和响应速度，并为宽频带低频功率振荡、次同步振荡的抑制技术提供手段。

目前，柔性励磁系统拓扑结构主要为电压源型功率回路，通过三相全桥整流回路将励磁变交流电转换成直流，再通过DC‐DC斩波回路向转子输出励磁电压，其中，DC‐DC斩波回路以H桥或者H桥并联结构为主，能够输出两电平的直流电压，单个开关管动作对应两端电压的变化幅值为直流电压E。由于回路中的开关管在实际中并非理想器件，使用中开通和截止过程存在电流和电压波形交叠，产生功率器件的开关损耗，该损耗随动作时对应两端电压的变化量升高而增加，会使得整体系统效率下降；同时，更高的电压变化率也会带来更严重的电磁干扰问题；在直流输出侧，较大的输出电压电平变化也影响输出电压质量，使得电压纹波增加，共模电压更高，对电机轴电流和绝缘产生更大危害。尽管已有学者提出了基于双重H桥的三电平斩波电路，但该三电平斩波电路面临着中性点电压无法平衡控制的难题，在实际应用中反而加剧了控制电压的输出谐波。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种应用于发电机柔性励磁系统的中性点电压可控的三电平直流变换电路，以稳定控制三电平电路的中性点电压，降低开关动作时电压变化率，减小开关管开关损耗，改善输出电压质量，提高柔性励磁系统效率。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种中性点电压可控的三电平直流变换电路，其包括直流电源、第一电容器、第二电容器、第一组直流斩波电路和第二组直流斩波电路；

所述的第一电容器和第二电容器串联后并联于直流电源两端，直流电源的两端分别为正电压端和负电压端，两电容器之间的连接点为中间电压端；

所述的第一组直流斩波电路和第二组直流斩波电路通过正电压端、负电压端和中间电压端三点并联，第一组直流斩波电路的输出正端和第二组直流斩波电路的输出负端与负载串联；

所述的第一组直流斩波电路和第二组直流斩波电路均包括多个开关管和多个二极管。

本发明通过控制开关管的导通可构成多种控制模态，进而组合成多种时序模式，能实现负载工况的四象限电压控制运行，并能通过模态的切换达到控制三电平电路中性点电压平衡的目的。