[实用新型]一种级联式多电平变换器功率单元旁路结构

说明书

本实用新型属于大容量电力电子技术领域，涉及一种级联式多电平变换器功率单元旁路结构。 

自20世纪80年代以来，随着电力电子技术的飞速发展，大容量多电平变换器得到广泛应用并日趋高性能化。大容量一般是指功率等级在数百千瓦以上。实现大容量变换的途径有高电压、大电流，在实际应用中以高电压大容量更为典型，而其中多电平变换技术则是实现高电压大容量的关键。在目前工业应用方面，多电平变换器主要有三种类型的拓扑结构：二极管箝位结构、悬浮电容结构和H桥级联结构。更高电平数目的二极管箝位结构多电平变换器，由于直流电容电压平衡问题的限制，使其与实际的应用仍有距离；悬浮电容结构多电平变换器在运行过程中必须严格控制悬浮电容电压的均衡以保证变换器的运行安全；H桥级联结构多电平变换器结构简洁，易于模块化，其缺点是：所需独立直流电源个数将随着变换器电平数的增加而急剧增多。上述几类多电平变换器各有优点和缺点，H桥级联式多电平变换器是目前工业应用较为成熟的一种拓扑结构，常用于中压大容量的交流传动系统和静止补偿器（Static Compensator，STATCOM）无功补偿等装置。 

级联式多电平变换器，由结构完全相同的多个功率单元级联组成，每个功率单元是一个可输出三电平的单相全桥变换器及其控制单元组成。随着功率单元级联数目的增加，装置的容量和耐压等级也相应增加。然而大量的使用开关器件必然会增加故障发生的概率，这就有必要增加冗余功率单元，当少于或者等于冗余个数功率单元故障时，故障功率单元能被旁路，装置在故障功率单元旁路后继续运行，提高装置的利用率和可靠性。因此每个功率单元有必要设计简单、经济、可靠的旁路结构。 

中国专利201010624231.1和中国专利201020700497.5提供一种采用机械开关的级联式STATCOM功率单元旁路结构，选用特殊设计的机械开关作为功率单元的旁路结构，该电路结构简单，选用原件数量小，安装操作方便。中国专利201010261610.9提供了一种采用接触器作为变频器功率单元的旁路结构。中国专利200520050490.2、中国专利200810113842.2、中国专利200810113844.1均采用可控硅作为功率单元的旁路结构。以上旁路结构均采用增加功率器件来完成功率单元旁路，这样增加了额外的成本和体积；同时采用接触器或者可控硅作为旁路的执行器件，完成旁路功能需要的时间较长。 

为解决现有技术中存在的上述问题，本实用新型提供了一种在任何一个开关器件出现故障时均可对功率单元进行旁路控制，性能稳定、可靠，利用率高，且可减少额外的成本和体积，同时实现旁路功能所用时间少的级联式多电平变换器功率单元旁路结构。 

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案： 

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案： 

一种级联式多电平变换器功率单元旁路结构，每个功率单元均包含单元控制器、故障检测电路、单相全桥逆变器、DC/DC电源和直流耦合电路，所述单元控制器与所述故障检测电路和单相全桥逆变器连接，以及与所述级联式多电平变换器的主控制器连接，所述直流耦合电路的输入端与其所在的功率单元的直流电压两端和邻近的功率单元的直流电压两端电连接，所述DC/DC电源的输入端与所述直流耦合电路的输出端电连接，所述DC/DC电源的输出端与所述单元控制器电连接，供给各组成部件的工作电源。 

进一步地，所述单相全桥逆变器主要由四个开关器件S1～S4、四个二极管D1～D4和一个电容C组成，所述开关器件S1和开关器件S2、所述开关器件S3和开关器件S4分别串联连接，且串联连接的所述开关器件S1和开关器件S2与串联连接的所述开关器件S3和开关器件S4并联连接，并且四个所述开关器件S1～S4与四个所述二极管D1～D4依次一对一地反并联连接；其中所述开关器件S1的集电极与二极管D1的阴极相连接的一端为P端，所述开关器件S2的发射极与二极管D2的阳极相连接的一端为M端，所述开关器件S1和开关器件S2及其反并联的二极管D1和二极管D2串联电路的中点为U端，所述开关器件S3和开关器件S4及其反并联的二极管D3和二极管D4串联电路的中点为V端，所述P端和M端分别与所述电容C的正端和负端相连接，同时所述P端和M端还与所述U端和V端一并与所述故障检测电路相连接。