CN111245254A - 单相直流端口互联的级联多电平变流器 - Google Patents

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魏应冬
胡长江
李笑倩
张权利卿
陆超
袁志昌
马慧远
于希娟
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Abstract

本发明提出的一种单相直流端口互联的级联多电平变流器，包括第一单相双绕组变压器、两个级联多电平电压源型变流器组和位于任一或两个变流器组交流侧的电抗器组；各级联多电平电压源型变流器组均分别包括若干单相电压源变流器，第一级联多电平电压源型变流器组交流侧通过第一单相双绕组变压器接入单相电网电源，第二级联多电平电压源型变流器组交流侧接入另一单相电网电源。在两级联多电平电压源型变流器组直流侧间还设有直流滤波器组。在第二级联多电平电压源型变流器组交流侧设置第二单相双绕组变压器或交流滤波器用于为单相无源电网供电。本发明具有两侧交流端口谐波特性好，全负荷范围运行效率高、损耗小，故障闭锁及冗余运行可靠性强等特点。

Description

单相直流端口互联的级联多电平变流器
技术领域
本发明涉及牵引供电系统中的级联多电平变流器，特别是一种单相直流端口互联的级联多电平变流器。
背景技术
在牵引供电系统中，牵引变电所存在的不对称负荷引起的三相电压不平衡、谐波和功率因数偏低的问题。同时在牵引变电所和分区所存在电分相无电区，影响电力机车连续可靠受流，限制机车平均速度，严重的还会引起拉弧、机车趴窝等行车事故。
利用大容量单相直流端口互联的级联多电平变流器，在牵引变电所牵引侧可实现对负序、无功和谐波的综合补偿。同时，将一台或多台单相直流端口互联的级联多电平变流器安装在外部三相电网和单相牵引网之间，可实现外部电网与牵引网的解耦隔离，全面解决牵引变电所的电能质量问题，同时取消牵引网电分相，实现贯通方式的单相交流供电。
作为实现上述技术目的的核心设备，要求单相“交-直-交”型“背靠背”电力电子变流器需要具备两端口电气隔离能力，两侧交流端口谐波特性好，全负荷范围运行效率高、损耗小，故障闭锁及冗余运行可靠性强。
本发明申请人先后提出了两项相关授权专利“用于电气化铁路供电的单相统一电能质量控制器”(专利号：ZL200710175253.2)和“基于变压器串联多重化和链式结构的统一电能质量控制器”(专利号：ZL200810119942.6)，不过都存在一定的不足。其中：
发明专利ZL200710175253.2一侧采用单相多绕组变压器带来以下缺点：1)单相多绕组变压器加工工艺较为复杂，体积和重量偏大、制造成本较高，而且分裂式变压器较大的漏抗降低了变流器的容量利用率；2)为了在单相多绕组变压器原边端口获得相对较好的谐波特性，需要在各副边各绕组之间进行移相控制，进而形成较大的特征次谐波环流，增加了运行损耗，进一步降低了副边接入的电力电子变流器的容量利用率。
发明专利ZL2008101199426一侧采用不少于2个单相变压器，每个单相变压器具有由不少于2个副边绕组构成的串联多重化变压器组，实现了设备两侧交流端口的电气隔离和电气匹配。由于减少了单台多分裂变压器的分裂数，在一定程度上降低了多分裂变压器的制造难度。同时，通过多台变压器的串联，改善了串联多重化变压器原边端口的谐波特性，减少了副边绕组之间的特征次谐波环流。但是，多台变压器串联引入了新的问题：1)由于每台变压器励磁电抗值存在固有差异，当设备出现故障，当带载运行进入脉冲闭锁状态时，各变压器副边绕组的感应电压差异较大，可能引起各副边变流器的直流电压不一致，严重的还会过压损坏设备。为了抑制这种变压器的不一致，需要采取额外附加的阻尼电路，增加了电路复杂程度和成本，降低了运行效率。2)串联多重化变压器组总的副边绕组数量并未实质减少，仍与变流器一侧的功率单元的总数量相同，多重化变压器组的制造成本和保护成本仍然较高。当设备出现N-1乃至N-2单元故障冗余运行时，进一步增大了变压器与变流器功率单元之间控制、保护的配合难度，减低了运行可靠性。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种单相直流端口互联的级联多电平变流器，该变流器避免了采用多分裂变压器或者多台变压器串联多重化引起的前述诸多问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提出一种单相直流端口互联的级联多电平变流器，其特征在于，包括第一单相双绕组变压器，两个级联多电平电压源型变流器组，以及位于任一级联多电平电压源型变流器组或两个级联多电平电压源型变流器组交流侧的电抗器组；
第一级联多电平电压源型变流器组包括结构相同且依次串联的n个第一单相电压源变流器V1i，i＝1，2，…，n，第一单相电压源变流器V11的交流正端口和第一单相电压源变流器V1n的交流负端口分别作为第一级联多电平电压源型变流器组的交流正端口和交流负端口；第二级联多电平电压源型变流器组包括结构相同且依次串联的n个第二单相电压源变流器V2i，第二单相电压源变流器V21的交流正端口和第二单相电压源变流器V2n的交流负端口分别作为第二级联多电平电压源型变流器组的交流正端口和交流负端口；相应第一单相电压源变流器V1i和第二单相电压源变流器V2i的同极直流端口相连接；第一级联多电平电压源型变流器组的交流端口通过所述第一单相双绕组变压器接入单相电网电源M，第二级联多电平电压源型变流器组的交流端口接入单相电网电源N；
所述电抗器组包括n个结构相同的电抗器；位于第一级联多电平电压源型变流器组交流侧的电抗器组中，第一个电抗器连接于第一单相电压源变流器V11的交流正端口与第一单相双绕组变压器的副边端口z’之间，其余的电抗器依次连接于相邻两个第一单相电压源变流器之间；位于第二级联多电平电压源型变流器组交流侧的电抗器组中，第一个电抗器连接于第二单相电压源变流器V21的交流正端口与单相电网电源N之间，其余的电抗器依次连接于相邻两个第二单相电压源变流器之间；
所述电抗器组中各电抗器的电感值均相等，记各电抗器的电感值的串联之和为Lx，满足以下公式：
Figure BDA0002368090490000031
式中，
KT为常数，取值范围KT∈[0.04,0.4]；
Va为与电抗器组相连的级联多电平电压源型变流器组的交流正、负端口之间的额定电压，Va＝n×Ua，Ua为级联多电平电压源型变流器组中各单相电压源变流器交流端口的额定电压有效值；
S为与电抗器组相连的级联多电平电压源型变流器组的额定视在功率容量，S＝n×Va×Ia，Ia为级联多电平电压源型变流器组中各单相电压源变流器交流端口的额定电流有效值；
fn为第二级联多电平电压源型变流器组的交流端口接入单相电网电源N的额定功率。
进一步地，在两个级联多电平电压源型变流器组的直流侧之间设有直流滤波器组，该直流滤波器组包括n个结构相同的直流滤波器Fi,，直流滤波器Fi,的一侧端口并联接入第一单相电压源变流器V1i和第二单相电压源变流器V2i的直流正端口，直流滤波器Fi,的另一侧端口并联接入第一单相电压源变流器V1i和第二单相电压源变流器V2i的直流负端口；各直流滤波器均分别由第一滤波电感、第一滤波电容和第一滤波电阻串联构成。
进一步地，在第二级联多电平电压源型变流器组的交流端口与单相电网电源N之间设有第二单相双绕组变压器，该第二单相双绕组变压器的额定视在功率容量为S。
进一步地，所述单相电网电源N由单相无源电网N’替换，在第二级联多电平电压源型变流器组的交流端口与该单相无源电网N’之间并联接入交流滤波器，该交流滤波器由第二滤波电容和第二滤波电阻串联构成。
本发明特点及有益效果：
本发明提出的单相直流端口互联的级联多电平变流器，避免了采用多分裂变压器或者多台变压器串联多重化引起的前述诸多问题。单侧至多仅采用一台单相双绕组变压器，在相同功率等级下节省变压器的体积和制造成本，简化变压器保护难度，具有较好的经济优势。在两侧交流端口均获得良好的谐波特性，避免了特征次环流引起的损耗增加以及变流器容量利用率的下降问题。克服了故障闭锁条件下多台串联变压器的铁磁不一致性造成的大扰动条件下级联功率单元动态均压问题。
根据本发明申请的不同实施方式，可用于牵引变电所的电能质量综合治理或用于牵引网的供电电源，实现牵引网的贯通式单相交流供电。特别适用于输入输出电压幅值及相位相差不大的场合进行交流-直流-交流隔离供电。本发明装置的两侧单相交流端口均可安装单相双绕组变压器，提高了对两侧电网电源或负荷的电压等级适应灵活性。
附图说明
图1为本发明实施例1的单相直流端口互联的级联多电平变流器10的结构示意图。
图2为实施例1采用的两电平H桥型单相电压源变流器拓扑结构示意图。
图3为实施例1采用的中点钳位三电平型单相电压源变流器拓扑结构示意图。
图4为实施例1采用的飞跨电容三电平型单相电压源变流器拓扑结构示意图。
图5为实施例1中相邻单相电压源变流器不设电抗器的环流示意图。
图6为实施例1中相邻单相电压源变流器间增设电抗器的环流等效图。
图7为实施例1中单相电压源变流器直流侧可选接的直流滤波器的结构示意图。
图8为本发明实施例2的单相直流端口互联的级联多电平变流器20的结构示意图。
图9为本发明实施例3的单相直流端口互联的级联多电平变流器30的结构示意图。
图10为本发明实施例4的单相直流端口互联的级联多电平变流器40的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
为了更好地理解本发明，以下详细阐述本发明一种单相直流端口互联的级联多电平变流器的具体技术方案。
本发明实施例1的一种单相直流端口互联的级联多电平变流器10，可用于连接不同的单相电网电源M、N。参见图1，该级联多电平变流器10包括：单相双绕组变压器1；链节数均为n的两个级联多电平电压源型变流器组(以下简称“链式变流器组”)2和4；位于任一级联多电平电压源型变流器组(2或4)或两个级联多电平电压源型变流器组(2和4)交流侧的电抗器组(本实施例中采用两侧都设置电抗器组)，各电抗器组分别由n个电抗器构成；以及可选的，包括由n个直流滤波器构成的直流滤波器组3。
所述链式变流器组2，包括n个相同结构的单相电压源变流器V11，V12，…，V1i，…，V1n，其连接方式为：第一个单相电压源变流器V11的交流正端口e11作为链式变流器组2的交流正端口，第一个单相电压源变流器V11的交流负端口f11通过电抗器jXm2与第二个单相电压源变流器V12的交流正端口e12连接，进一步地，第i个单相电压源变流器V1i的交流负端口f1i都通过电抗器jXmi与第i+1个单相电压源变流器V1(i+1)的交流正端口e1(i+1)连接，i为自然数且i∈[2,n]；第n个单相电压源变流器V1n的交流负端口f1n作为链式变流器组2的交流负端口。
所述链式变流器组4，包括n个相同结构的单相电压源变流器V21，V22，…，V2i，…，V2n，其连接方式为：第一个单相电压源变流器V21的交流正端口e21作为链式变流器组4的正端口，第一个单相电压源变流器V21的交流负端口f21通过电抗器jXn2与第二个单相电压源变流器V22的交流正端口e22连接，进一步地，第i个单相电压源变流器V2i的交流负端口f2i通过电抗器jXni与第i+1个单相电压源变流器V2(i+1)的交流正端口e2(i+1)连接；第n个单相电压源变流器V2n的交流负端口f2n作为链式变流器组4的交流负端口。
所述电压源变流器V11的直流正端口d11与电压源变流器V21的直流正端口d21相连接，电压源变流器V11的直流负端口c11与电压源变流器V21的直流负端口c21相连接；进一步地，所述电压源变流器V1i的直流正端口d1i与电压源变流器V2i的直流正端口d2i相连接，电压源变流器V1i的直流负端口c1i与电压源变流器V2i的直流负端口c2i相连接。
所述单相双绕组变压器1的原边端口z、w分别接入单相电网电源M；单相双绕组变压器1的副边端口z’通过电抗器jXm1与链式变流器组2的正端口e11相连接，单相双绕组变压器1的副边端口w’与链式变流器组2的负端口f1n相连接。
链式变流器组4的交流正端口e21通过电抗器jXn1与单相电网电源N的交流正端口x连接，链式变流器组4的交流负端口f2n与单相电网电源N的交流负端口y连接。端口x、y作为单相直流“背靠背”连接的级联多电平变流器10的一侧交流端口，单相双绕组变压器1的原边端口z、w作为单相直流“背靠背”连接的级联多电平变流器10的另一侧交流端口。
令每个单相电压源变流器的额定直流电压为Ud，交流端口额定电压有效值为Ua，交流端口额定电流有效值为Ia，则链式变流器组2交流端口e11、f1n之间，以及链式变流器组4交流端口e21、f2n之间的额定电压Va满足以下公式：
Va＝n×Ua (1)
单相双绕组变压器1、链节数为n的级联多电平电压源型变流器组2和4的额定视在功率容量为S，则有：
S＝n×Va×Ia (2)
令本发明实施例的级联多电平变流器10的交流端口z、w接入单相电网电源M的额定电压有效值为Vm，额定频率为fm；交流端口x、y接入单相电网电源N的额定电压有效值为Vn，额定频率为fn。则本发明实施例的级联多电平变流器10应满足
Figure BDA0002368090490000051
且单相双绕组变压器1的原边端口z、w与副边端口z’、w’的额定电压变比为Rm：1，应满足：
Rm＝Vm/Va (3)
其中，Rm为正实数，取值范围通常[0.1，10]之间。
各单相电压源变流器可采用两电平H桥结构、三电平中点箝位型H桥结构、三电平飞跨电容型H桥结构和交错连接三电平H桥结构中的任意一种，其拓扑结构如图2、3、4所示。可采用《现代电力电子学》文献已有公开拓扑结构，非本发明保护内容。
本发明实施例中电压源变流器采用两电平H桥结构如图2所示，包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT，以下简称“晶体管”)S1、S2、S3、S4，分别并联在各IGBT上的反并联二极管D1、D2、D3、D4，以及直流电容器C1。其连接方式为：晶体管S1的集电极与晶体管S3的集电极通过直流母排连接且最终连接至直流电容C1的正极端口，该端口接入电压源变流器Vqi(角标q＝1或2，q＝1时，代表电压源变流器V1i，q＝2时，代表电压源变流器V2i)的直流正端口dqi，晶体管S2的发射极与晶体管S4的发射极通过直流母排连接且最终连接至直流电容C1的负极端口，该端口接入电压源变流器Vqi的直流负端口cqi。晶体管S1的发射极与晶体管S2的集电极连接于节点Ai、晶体管S3的发射极与晶体管S4的集电极连接于节点Bi，节点Ai与Bi间的端口电压为Ua，节点Ai直接与电压源变流器Vqi的交流正端口eqi连接，节点Bi与电压源变流器Vqi的交流负端口fqi连接。二极管D1、D2、D3、D4分别反并联接在晶体管S1、S2、S3和S4的集电极和发射极上。
本发明实施例中的三电平中点箝位型H桥结构如图3所示，包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT，以下简称“晶体管”)S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8，并联在各晶体管上的反并联二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8，串联直流电容器C1和C2，以及续流钳位二极管VD1、VD2、VD3、VD4。其连接方式为：左桥臂中，晶体管S1的集电极与晶体管S5的集电极通过直流母排连接且最终连接至直流电容C1的正极端口，该端口接入电压源变流器Vqi(角标q＝1或2，q＝1时，代表电压源变流器V1i，q＝2时，代表电压源变流器V2i)的直流正端口dqi，晶体管S4的发射极与晶体管S8的发射极通过直流母排连接且最终连接至直流电容C2的负极端口，该端口接入电压源变流器Vqi的直流负端口cqi。晶体管S1、S2、S3、S4自上而下依次串联，且晶体管S1的发射极与晶体管S2的集电极连接于节点C、晶体管S2的发射极与晶体管S3的集电极连接于节点Bi、晶体管S3的发射极与晶体管S4的集电极连接于节点E，续流钳位二极管VD1、VD2串联后的中点为O3，续流钳位二极管VD1的负极接入节点C，续流钳位二极管VD2的正极接入节点E。进右桥臂的电气连接与左桥臂一致，晶体管S5、S6、S7、S8自上而下依次串联，且晶体管S5的发射极与晶体管S6的集电极连接于节点D、晶体管S6的发射极与晶体管S7的集电极连接于节点Ai、晶体管S7的发射极与S8的集电极连接于节点F，续流钳位二极管VD3、VD4串联后的中点为O2，续流钳位二极管VD3的负极接入节点D，续流钳位二极管VD4的正极接入节点F。直流电容C1、C2串联，其中点为O1，节点O1、O2、O3直接互联作为三电平的参考地，左右桥臂的Ai和Bi节点输出为整个电压源型变流器Vqi的输出节点eqi和fqi。
本发明实施例中的三电平飞跨电容型H桥结构如图4所示，其基本连接原理与三电平中点箝位型H桥结构类似，不同的是三电平飞跨电容型H桥结构采用钳位电容VC1和VC2，钳位电容的两端分别连接到节点C、E和D、F，其余电气连接形式与三电平中点箝位型H桥结构一致。
本实施例级联多电平变流器10的单相电压源变流器V11，V12，…，V1i，…，V1n以及V21、V21，V22，…，V2i，…，V2n之间会存在环流，单相电压源“背靠背”变流器之间的环流路径如图5所示，为抑制电压源变流器间的环流，本发明提出在级联变流器之间串联电抗器jXn1，jXn2，…，jXni，…，jXnn或者jXm1，jXm2，…，jXmi，…，jXmn，其连接方式为：电抗器jXn1的一端口接交流端口x，电抗器jXn1的另一端口接电压源变流器V21的交流正端口e21；电抗器jXni的一端口接电压源变流器V2(i-1)的交流负端口f2(i-1)，另一端口接电压源变流器V2i的交流正端口e2i。电抗器jXnn的一端口接电压源变流器V2(n-1)(i＝n-1)的交流负端口f2(n-1)，另一端口接电压源变流器V2n的交流正端口e2n，电压源变流器V2n的交流负端口f2n接交流端口y，接线图如图10所示。
电抗器组中各电抗器的电感值均相等(对于仅一侧设置电抗器组的情况，同样满足下式要求)，记电抗器jXnj与jXmi的电感值分别为lni、lmi，应满足：
Figure BDA0002368090490000071
式中，Lx为各电抗器组中各电抗器电感值的串联之和，应满足：
Figure BDA0002368090490000072
其中，KT为常数，通常取值范围KT∈[0.04,0.4]。
进一步地，将相邻模块参与环流的开关器件摘出组成图6所示的环流等效电路图，该环流等效简图包含单相电压源变流器V1i的右桥臂、单相电压源变流器V2i的右桥臂、单相电压源变流器V1(i+1)的左桥臂、单相电压源变流器V2(i+1)的左桥臂、直流电容器Udci、直流电容器Udc(i+1)以及等效电抗器Lnn(该等效电抗器Lnn的电感值为Lx)；其中，单相电压源变流器V1i和V1(i+1)左桥臂均分别由两个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)S1和S2串联组成，单相电压源变流器V2i和V2(i+1)左桥臂均分别由两个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)S4和S3串联组成；直流电容器Udci的正极和负极分别接入单相电压源变流器V1i和V2i的正极并联公共端、单相电压源变流器V1i和V2i的负极并联公共端，直流电容器Udc(i+1)的正极和负极分别接入单相电压源变流器V1(i+1)和V2(i+1)的正极并联公共端、单相电压源变流器V1i和V2i的负极并联公共端；单相电压源变流器V1i左桥臂中两绝缘栅双极型晶体管的中点1与单相电压源变流器V1(i+1)左桥臂中两绝缘栅双极型晶体管的中点2相连，单相电压源变流器V2i右桥臂中两绝缘栅双极型晶体管的中点a与d单相电压源变流器V2(i+1)右桥臂中两绝缘栅双极型晶体管的中点b通过折合后等效的电感Lx相连。记O点为单相电压源变流器V1(i+1)和V2(i+1)的直流电容负极，O'点为单相电压源变流器V1i和V2i的直流电容负极，设单相电压源变流器V1i和V2i的调制波信号为Uref1，单相电压源变流器V1(i+1)和V2(i+1)的调制波信号为Uref2，满足以下关系：
Figure BDA0002368090490000081
Figure BDA0002368090490000082
其中，t为本实施例级联多电平变流器10的运行时间；V1为单相电压源变流器V1i和V1(i+1)的输出峰值电压，V2为单相电压源变流器V2i和V2(i+1)的输出峰值电压，f1为单相电压源变流器V1i和V1(i+1)的输出电压频率，f2为单相电压源变流器V2i和V2(i+1)的输出电压频率，
Figure BDA0002368090490000083
为单相电压源变流器V1i和V1(i+1)的输出相位，
Figure BDA0002368090490000084
为单相电压源变流器V2i和V2(i+1)的输出相位，等效电抗器Lnn两端的电压为：
UL＝UaO-UbO＝UaO'+UO'O-UbO (8)
其中，UaO为以单相电压源变流器V1(i+1)直流电容负极为基准、单相电压源变流器V2i右桥臂中两个绝缘栅双极型晶体管S4和S3中点输出的电压，UbO为以单相电压源变流器V1(i+1)直流电容负极为基准、单相电压源变流器V2(i+1)右桥臂中两个绝缘栅双极型晶体管S4和S3中点输出的电压，UaO’为以单相电压源变流器V1i直流电容负极为基准、单相电压源变流器V2i右桥臂中两个绝缘栅双极型晶体管S1和S2中点输出的电压，UOO’为以单相电压源变流器V1(i+1)直流电容负极为基准、单相电压源变流器V1i直流电容负极输出的电压。
忽略电抗器中的开关特征次电流，只计算基波成份的，根据已有公开文献分析SPWM调制下，H桥的输出电压为：
Figure BDA0002368090490000085
Figure BDA0002368090490000086
UO'O＝U1O-U1O' (11)
通过公式(9)、公式(10)、公式(11)可以计算出电抗器两端电压为：
Figure BDA0002368090490000087
设整流侧与逆变侧输出电压相位差为
Figure BDA0002368090490000088
输出频率相同，则
Figure BDA0002368090490000089
考虑实际工作中各变流器直流电压通过均压算法控制电压差异较小，认为Udc＝Udc1＝Udc2，对公式(12)进行化简可得：
Figure BDA0002368090490000091
从而可以求出电抗器两端的电压差幅值UL_RMP为：
Figure BDA0002368090490000092
通过公式(14)可计算环流电流幅值为：
Figure BDA0002368090490000093
通过分析公式(15)可以看出环流大小与整流侧和逆变侧的电压幅值和相位有关，因此通过控制整流侧和逆变侧输出电压的幅值和相角可以直接控制环流的大小。
进一步地，当fm＝fn时，为抑制所述链式变流器组2、4的直流电容电压波动，在链式变流器组2与链式变流器组4相互连接的各直流端口安装直流滤波器组3。所述直流滤波器组3包括n个直流滤波器F1，F2，…，Fi，…，Fn。直流滤波器F1一侧端口g1同时与单相电压源变流器V11和V21的直流正端口d11和d21相连接，直流滤波器F1另一侧端口h1同时与电压源变流器V11和V21的直流负端口c11和c21相连接；进一步地，直流滤波器Fi一侧端口gi同时与单相电压源变流器V1i和V2i的直流正端口d1i和d2i相连接，直流滤波器Fi另一侧端口hi同时与电压源变流器V1i和V2i的直流负端口c1i和c2i相连接。
各直流滤波器结构相同，均采用RLC单调谐滤波结构，现以第i个直流滤波器Fi为例进行说明。如图7所示，直流滤波器Fi由滤波电感Lsi、滤波电容Csi、滤波电阻Rsi串联构成，其中滤波电感Lsi与滤波电容Csi构成的串联谐振回路谐振频率，其谐振频率为fw，满足：
Figure BDA0002368090490000094
滤波电阻Rsi，用于增加阻尼抑制低频振荡。增大滤波电阻Rsi可以提高系统阻尼，使系统更稳定，然而增大电阻会使损耗增加，所以阻尼电阻选取应对系统阻尼和损耗进行折中选择。
如图8所示，将本发明实施例1的级联多电平变流器10的出口连接单相双绕组变压器5，可构成本发明实施例2的级联多电平变流器20，级联多电平变流器20也可用于连接不同的单相电网电源M、N。与级联多电平变流器10相比，本实施例的级联多电平变流器20两端连接电网的电压等级更加灵活。
所述单相双绕组变压器5原边端口k、p作为级联多电平变流器20的交流端口，接入单相电网电源N；单相双绕组变压器5的副边端口k’与链式变流器组4正端口e21相连接的电抗器jXn1相连接，单相双绕组变压器5的副边端口p’与链式变流器组4的负端口f2n相连接。单相双绕组变压器5的额定视在功率容量为S，单相双绕组变压器5的原边端口k、p与副边端口k’、p’的额定电压变比为Rn：1，应满足：
Rn＝Vn/Va (17)
其中，Rn为正实数，取值范围通常为[0.1，10]之间。
参见图9，在本发明实施例1级联多电平变流器10的交流端口x与电抗器jXn1输出端之间、以及级联多电平变流器10的交流端口y与单相电压源变流器V2n的交流负端口f2n之间并联接入交流滤波器6，可构成本发明实施例3的级联多电平变流器30，级联多电平变流器30一端接入单相电网电源M，另一端为单相无源电网N’供电。如图9所示，所述交流滤波器6的端口v与级联多电平变流器30的交流端口x相连接，交流滤波器6的端口r与级联多电平变流器30的交流端口y相连接。与本发明实施例1的级联多电平变流器10相比，级联多电平变流器30可作为电压源给负载供电。
所述交流滤波器6由滤波电容Cf和滤波电阻Rf串联构成，与等效电抗器Lx(即与各电抗器组中各电抗器电感值的串联之和等效的电抗器)或单相双绕组变压器5构成低通滤波器，记该低通滤波器的转折频率为f0。f0通常取值大于2fn，且Cf满足：
Figure BDA0002368090490000101
增大阻尼滤波电阻Rf可以提高系统阻尼，使系统更稳定，然而增大电阻会使损耗增加，所以阻尼电阻选取应对系统阻尼和损耗进行折中选择。
参见图10将本发明实施例3级联多电平变流器30中交流滤波器6与链式变流器组4交流侧之间设置单相双绕组变压器5，可构成本发明实施例4的级联多电平变流器40，级联多电平变流器40一端接入单相电网电源M，另一端为单相无源电网N’供电。单相双绕组变压器5的原边端口k、p分别与交流滤波器6的端口v、r相连接，单相双绕组变压器5的副边端口k’、p’分别与单相电压源变流器V21交流侧的jXn1和单相电压源变流器V2n的交流负端口f2n相连接。交流滤波器6中滤波电容Cf满足：
Figure BDA0002368090490000102
其中，Ly为单相双绕组变压器5的额定视在功率容量S折算到原边端口k、p侧的短路电抗有名值。
与发明实施例2的级联多电平变流器20相比，本实施例级联多电平变流器40接入负载的电压等级更为灵活。
以本发明的单相直流端口互联的级联多电平变流器10为例，设计本发明具体实施例。如图1所示，单相双绕组变压器1、链节数n＝16的级联多电平电压源型变流器组2和4的额定视在功率容量S＝20MW，单相双绕组变压器1变比为1：1，原边接27.5kV电压等级电网，电网频率fm＝50Hz，单相电压源变流器V11、V12、…、V1i、…、V1n以及V21、V22、…、V2i、…、V2n的拓扑结构为两电平H桥型单相电压源变流器，如图5所示，一个单相电压源变流器直流侧电压的电压等级为Ud＝3kV，交流侧输出电压有效值Ua＝1.72kV，直流侧电容Ci＝16000uf，直流侧滤波支路滤波电容Csi＝1600uf,滤波电感Lsi＝1.58mH，使滤波支路谐振频率fw＝100Hz，并选阻尼电阻Rsi＝0.01Ω，抑制低频振荡。
电感值jXn1～jXmm选取，取KT＝0.2，总电感值为：
Figure BDA0002368090490000111
则可选出口电抗jXn1～jXmm电感值均为Lx/n＝5.9×10-6H。电抗器jXn1、jXm1的端子x、y接另一电压等级为27.5kV，频率fn＝50Hz的电网。
以上示意性地对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案相似的方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种单相直流端口互联的级联多电平变流器，其特征在于，包括第一单相双绕组变压器(1)，两个级联多电平电压源型变流器组(2和4)，以及位于任一级联多电平电压源型变流器组(2或4)或两个级联多电平电压源型变流器组(2和4)交流侧的电抗器组；
第一级联多电平电压源型变流器组(2)包括结构相同且依次串联的n个第一单相电压源变流器V1i，i＝1，2，…，n，第一单相电压源变流器V11的交流正端口和第一单相电压源变流器V1n的交流负端口分别作为第一级联多电平电压源型变流器组(2)的交流正端口和交流负端口；第二级联多电平电压源型变流器组(4)包括结构相同且依次串联的n个第二单相电压源变流器V2i，第二单相电压源变流器V21的交流正端口和第二单相电压源变流器V2n的交流负端口分别作为第二级联多电平电压源型变流器组(4)的交流正端口和交流负端口；相应第一单相电压源变流器V1i和第二单相电压源变流器V2i的同极直流端口相连接；第一级联多电平电压源型变流器组(2)的交流端口通过所述第一单相双绕组变压器(1)接入单相电网电源M，第二级联多电平电压源型变流器组(4)的交流端口接入单相电网电源N；
所述电抗器组包括n个结构相同的电抗器；位于第一级联多电平电压源型变流器组(2)交流侧的电抗器组中，第一个电抗器连接于第一单相电压源变流器V11的交流正端口与第一单相双绕组变压器(1)的副边端口z’之间，其余的电抗器依次连接于相邻两个第一单相电压源变流器之间；位于第二级联多电平电压源型变流器组(4)交流侧的电抗器组中，第一个电抗器连接于第二单相电压源变流器V21的交流正端口与单相电网电源N之间，其余的电抗器依次连接于相邻两个第二单相电压源变流器之间；
所述电抗器组中各电抗器的电感值均相等，记各电抗器电感值的串联之和为Lx，满足以下公式：
Figure FDA0002368090480000011
式中，
KT为常数，取值范围KT∈[0.04,0.4]；
Va为与电抗器组相连的级联多电平电压源型变流器组的交流正、负端口之间的额定电压，Va＝n×Ua，Ua为级联多电平电压源型变流器组中各单相电压源变流器交流端口的额定电压有效值；
S为与电抗器组相连的级联多电平电压源型变流器组的额定视在功率容量，S＝n×Va×Ia，Ia为级联多电平电压源型变流器组中各单相电压源变流器交流端口的额定电流有效值；
fn为第二级联多电平电压源型变流器组(4)的交流端口接入单相电网电源N的额定功率。
2.根据权利要求1所述的级联多电平变流器，其特征在于，在两个级联多电平电压源型变流器组的直流侧之间设有直流滤波器组(3)，该直流滤波器组(3)包括n个结构相同的直流滤波器Fi,，直流滤波器Fi,的一侧端口并联接入第一单相电压源变流器V1i和第二单相电压源变流器V2i的直流正端口，直流滤波器Fi,的另一侧端口并联接入第一单相电压源变流器V1i和第二单相电压源变流器V2i的直流负端口；各直流滤波器均分别由第一滤波电感、第一滤波电容和第一滤波电阻串联构成。
3.根据权利要求1所述的级联多电平变流器，其特征在于，两个级联多电平电压源型变流器组中，各单相电压源变流器采用两电平H桥结构、三电平中点箝位型H桥结构、三电平飞跨电容型H桥结构和交错连接三电平H桥结构中的任意一种。
4.根据权利要求1或2所述的级联多电平变流器，其特征在于，在第二级联多电平电压源型变流器组(4)的交流端口与单相电网电源N之间设有第二单相双绕组变压器(5)，该第二单相双绕组变压器(5)的额定视在功率容量为S。
5.根据权利要求1或2所述的级联多电平变流器，其特征在于，所述单相电网电源N由单相无源电网N’替换，在第二级联多电平电压源型变流器组(4)的交流端口与该单相无源电网N’之间并联接入交流滤波器(6)，该交流滤波器(6)由第二滤波电容和第二滤波电阻串联构成。
6.根据权利要求4所述的级联多电平变流器，其特征在于，所述单相电网电源N由单相无源电网N’替换，在第二级联多电平电压源型变流器组(4)的交流端口与该单相无源电网N’之间并联接入交流滤波器(6)，该交流滤波器(6)由第二滤波电容和第二滤波电阻串联构成。
7.根据权利要求5所述的级联多电平变流器，其特征在于，在第二级联多电平电压源型变流器组(4)的交流端口与交流滤波器(6)之间设置第二单相双绕组变压器(5)，该第二单相双绕组变压器(5)的额定视在功率容量为S。
8.根据权利要求6所述的级联多电平变流器，其特征在于，在第二级联多电平电压源型变流器组(4)的交流端口与交流滤波器(6)之间设置第二单相双绕组变压器(5)，该第二单相双绕组变压器(5)的额定视在功率容量为S。
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