阅读说明：本技术 具有公共高压直流母线的级联多电平整流器及控制策略 (Cascaded multi-level rectifier with common high-voltage direct-current bus and control strategy ) 是由 王聪 程红 赵志浩 李瑶璞 田长庚 邓嘉卿 陶艳梅 于 2020-06-11 设计创作，主要内容包括：本发明具有公共高压直流母线的级联多电平整流器及控制策略,属于AC/DC变换技术及其控制技术。该变换器提供多种主功率电路,每种主功率电路都由若干个模块单元级联组成,用于构成一对公共高压直流母线,极大降低了功率开关管的电压应力,克服了传统整流器由于功率开关管电压应力限制而不能产生高直流母线电压的缺点。本发明提供的整流器及控制策略平衡了输出侧各串联电容电压,实现应用低耐压的功率开关管完成高电压下的大功率整流变换,且不需要使用庞大,笨重,接线复杂的工频移相变压器的隔离,极大简化了主功率电路拓扑,提高了系统的工作效率,体积小,重量轻,成本低,在中高压直流输电、大功率的中高压变频器等领域具有重要的应用价值。(The invention discloses a cascaded multi-level rectifier with a common high-voltage direct-current bus and a control strategy, and belongs to an AC/DC conversion technology and a control technology thereof. The converter provides various main power circuits, each main power circuit is formed by cascading a plurality of module units and is used for forming a pair of public high-voltage direct-current buses, the voltage stress of a power switch tube is greatly reduced, and the defect that the traditional rectifier cannot generate high direct-current bus voltage due to the limitation of the voltage stress of the power switch tube is overcome. The rectifier and the control strategy balance the voltage of each series capacitor at the output side, realize the high-power rectification conversion under high voltage by using the low-voltage-resistant power switching tube, do not need to use the isolation of a power frequency phase-shifting transformer which is huge, heavy and complex in wiring, greatly simplify the topology of a main power circuit, improve the working efficiency of the system, have small volume, light weight and low cost, and have important application value in the fields of medium-high voltage direct current transmission, high-power medium-high voltage frequency converters and the like.)

具有公共高压直流母线的级联多电平整流器及控制策略

技术领域

本发明属于大功率高电压整流变换技术领域,特别涉及一种具有高电压公共直流母线的级联多电平整流电路的系统实现方案。

背景技术

近年来，“多电平功率变换器”(MultilevelConverter)在中高电压大功率变频调速、有源电力滤波、高压直流(HVDC)输电和电力系统无功补偿等领域已得到越来越多的成功应用。多电平变换器的基本电路拓扑结构大致可分为箝位型和单元级联型两大类。目前在工业中得到广泛应用的由西门子公司或ABB公司生产的二极管箝位型三电平中高压变频器，以及由罗宾康公司或利德华福公司生产的级联H桥中高压变频器就是这两类产品的典型代表。在这两类中高压变频器中，无论哪一类，为了应用低耐压的电力电子器件完成高电压的功率变换，均需在整流输入侧使用体积庞大、接线复杂、价格昂贵的工频移相变压器实现电气隔离。这使其在许多工业场合的应用受到限制[1]。

无工频变压器级联式多电平变换器[2]，近年来在电力电子技术领域受到广泛关注，被认为是适用于新能源发电系统接入和满足分布式发电需求的智能电网接口或新一代中高压变频器的理想实现方案。此类变换器用高频变压器取代传统级联式变换器中的工频移相变压器实现电气隔离，当用于双向功率传输时，整流侧采用级联全控H桥多电平功率变换器结构。当用于单向功率传输时，整流侧采用单向级联式多电平功率变换器结构(包括：级联二极管+Boost整流电路，级联无桥整流电路，级联VIENNA整流电路等)。与传统中高压变频器的整流级相比较，此类变换器整流级的实现方案取消了体积庞大、接线复杂、价格昂贵的工频移相变压器，从而有效地减小了系统体积、重量和制造成本。然而，此类变换器也有着明显的缺点，主要表现在：每一相N个级联整流模块会产生N组直流输出端，且由于输入端不隔离，这N组整流模块直流输出端无法直接串联联接构成一对公共的高压直流输出母线，因此无法直接用于高压直流输电，也无法直接与多电平逆变电路相连接，用于中高压变频调速。为了实现公共的高压直流输出母线或实现对N组整流输出直流电压的灵活控制，N组级联整流模块必须后接N个高频隔离DC-DC变换模块，从而导致整个系统拓扑结构和控制方式的复杂性增加，工作效率降低。

发明内容

本发明的目的是克服上述缺陷，提供一种新型高压大功率级联多电平单位功率因数整流器实现方案，与传统中高压变频器整流级比较，本发明提供的新型级联整流器无需在输入端使用工频移相变压器，可以使用低耐压的功率开关管完成高电压下的大功率单位功率因数整流变换。与无工频变压器级联式多电平变换器比较，本发明提供的新型级联整流器可在直流侧构成一对公共的高压直流母线，并可灵活的实现对各级联整流模块输出侧电容电压的平衡控制。本发明提供的新型级联整流器主功率电路的拓扑结构简单，系统的工作效率高，体积小，重量轻，成本低，在高压直流输电(HVDC)、大功率电力电子变压器，大功率中高压交-直-交变频器等领域具有重要的应用价值。

为达到上述目的，本发明提供的具有公共高压直流母线的级联多电平整流器，包括主功率电路，所述主功率电路包括高频滤波器、单相二极管整流桥、升压电感L和第一模块单元(A)，其特征在于：所述第一模块单元(A)包括两个开关器件S₁、S₂，两个快恢复二极管D₁、D₂，两个输出直流电容C₁、C₂，两个负载电阻R₁、R₂和N个级联的第二模块单元(B)，N为正整数，所述第二模块单元(B)包括两个开关器件S_B1、S_B2，一个输出直流电容C_B，一个滤波电感L_B和一个负载电阻R_B，所述开关器件S_B1的第二接线端(b)与所述开关器件S_B2的第一接线端(c)相连，所述开关器件S_B2的第二接线端(d)与所述滤波电感L_B的一端相连，所述滤波电感L_B的另一端与并联连接的所述输出直流电容C_B和所述负载电阻R_B的第二接线端(f)相连，N个级联的所述第二模块单元(B)，其中各个所述第二模块单元(B)中开关器件S_B1的第二接线端(b)与下一个所述第二模块单元(B)中开关器件S_B1的第一接线端(a)相连，各个第二模块单元(B)中并联连接的所述输出直流电容C_B和所述负载电阻R_B的第二接线端(f)与下一个第二模块单元(B)中并联连接的所述输出直流电容C_B和所述负载电阻R_B的第一接线端(e)相连，级联的第一个第二模块单元(B)中所述开关器件S_B1的第一接线端(a)与并联连接的所述输出直流电容C_B和所述负载电阻R_B的第一接线端(e)及所述开关器件S₁的第二接线端(n)相连,所述开关器件S₁的第一接线端(m)与所述快恢复二极管D₁的阳极相连，所述快恢复二极管D₁的阴极与并联连接的所述输出直流电容C₁和所述负载电阻R₁的一端相连，并联连接的所述输出直流电容C₁和所述负载电阻R₁的另一端与级联的第一个所述第二模块单元(B)中并联连接的所述输出直流电容C_B和所述负载电阻R_B的第一接线端(e)相连，所述开关器件S₁的第一接线端(m)与所述升压电感L的一端相连，所述升压电感L的另一端与所述单相二极管整流桥的整流输出正端相连，所述开关器件S₂的第一接线端(m)与级联的第N个所述第二模块单元(B)中所述开关器件S_B1的第二接线端(b)相连，级联的第N个所述第二模块单元(B)中并联连接的所述输出直流电容C_B和所述负载电阻R_B的第二接线端(f)与并联连接的所述输出直流电容C₂和所述负载电阻R₂的一端相连，并联连接的所述输出直流电容C₂和所述负载电阻R₂的另一端与所述快恢复二极管D₂的阳极相连，所述开关器件S₂的第二接线端(n)与所述快恢复二极管D₂的阴极及所述单相二极管整流桥的整流输出负端相连，所述单相二极管整流桥的交流输入端经所述高频滤波器串联接入交流电网。

为达到上述目的，本发明提供的采用具有公共高压直流母线的级联多电平整流器构成的具有公共高压直流母线的级联多电平三相星接整流器，包括三相主功率电路，其特征在于：所述三相主功率电路包括三个高频滤波器和三个第三模块单元(C)，所述第三模块单元(C)包括单相二极管整流桥、升压电感L和第一模块单元(A)，所述第一模块单元(A)包括两个开关器件S₁、S₂，两个快恢复二极管D₁、D₂，两个输出直流电容C₁、C₂，两个负载电阻R₁、R₂和N个级联的第二模块单元(B)，N为正整数，所述第二模块单元(B)包括两个开关器件S_B1、S_B2，一个输出直流电容C_B，一个滤波电感L_B和一个负载电阻R_B，所述开关器件S_B1的第二接线端(b)与所述开关器件S_B2的第一接线端(c)相连，所述开关器件S_B2的第二接线端(d)与所述滤波电感L_B的一端相连，所述滤波电感L_B的另一端与并联连接的所述输出直流电容C_B和所述负载电阻R_B的第二接线端(f)相连，N个级联的所述第二模块单元(B)，其中各个所述第二模块单元(B)中开关器件S_B1的第二接线端(b)与下一个所述第二模块单元(B)中开关器件S_B1的第一接线端(a)相连，各个第二模块单元(B)中并联连接的所述输出直流电容C_B和所述负载电阻R_B的第二接线端(f)与下一个第二模块单元(B)中并联连接的所述输出直流电容C_B和所述负载电阻R_B的第一接线端(e)相连，级联的第一个第二模块单元(B)中所述开关器件S_B1的第一接线端(a)与并联连接的所述输出直流电容C_B和所述负载电阻R_B的第一接线端(e)及所述开关器件S₁的第二接线端(n)相连,所述开关器件S₁的第一接线端(m)与所述快恢复二极管D₁的阳极相连，所述快恢复二极管D₁的阴极与并联连接的所述输出直流电容C₁和所述负载电阻R₁的一端相连，并联连接的所述输出直流电容C₁和所述负载电阻R₁的另一端与级联的第一个所述第二模块单元(B)中并联连接的所述输出直流电容C_B和所述负载电阻R_B的第一接线端(e)相连，所述开关器件S₁的第一接线端(m)与所述升压电感L的一端相连，所述升压电感L的另一端与所述单相二极管整流桥的整流输出正端相连，所述开关器件S₂的第一接线端(m)与级联的第N个所述第二模块单元(B)中所述开关器件S_B1的第二接线端(b)相连，级联的第N个所述第二模块单元(B)中并联连接的所述输出直流电容C_B和所述负载电阻R_B的第二接线端(f)与并联连接的所述输出直流电容C₂和所述负载电阻R₂的一端相连，并联连接的所述输出直流电容C₂和所述负载电阻R₂的另一端与所述快恢复二极管D₂的阳极相连，所述开关器件S₂的第二接线端(n)与所述快恢复二极管D₂的阴极及所述单相二极管整流桥的整流输出负端相连，每相所述第三模块单元(C)剩余2个交流输入端，三相所述第三模块单元(C)的第一交流输入端构成一组接线端，三相所述第三模块单元(C)的第二交流输入端构成另一组接线端，其中一组接线端连接到一个公共的中性点上，另外一组接线端分别与三个所述高频滤波器串联，接入三相电网，构成星形连接。

为达到上述目的，本发明提供的采用具有公共高压直流母线的级联多电平整流器构成的具有公共高压直流母线的级联多电平三相角接整流器，包括三相主功率电路，其特征在于：所述三相主功率电路包括三个高频滤波器和三个第三模块单元(C)，所述第三模块单元(C)包括单相二极管整流桥、升压电感L和第一模块单元(A)，所述第一模块单元(A)包括两个开关器件S₁、S₂，两个快恢复二极管D₁、D₂，两个输出直流电容C₁、C₂，两个负载电阻R₁、R₂和N个级联的第二模块单元(B)，N为正整数，所述第二模块单元(B)包括两个开关器件S_B1、S_B2，一个输出直流电容C_B，一个滤波电感L_B和一个负载电阻R_B，所述开关器件S_B1的第二接线端(b)与所述开关器件S_B2的第一接线端(c)相连，所述开关器件S_B2的第二接线端(d)与所述滤波电感L_B的一端相连，所述滤波电感L_B的另一端与并联连接的所述输出直流电容C_B和所述负载电阻R_B的第二接线端(f)相连，N个级联的所述第二模块单元(B)，其中各个所述第二模块单元(B)中开关器件S_B1的第二接线端(b)与下一个所述第二模块单元(B)中开关器件S_B1的第一接线端(a)相连，各个第二模块单元(B)中并联连接的所述输出直流电容C_B和所述负载电阻R_B的第二接线端(f)与下一个第二模块单元(B)中并联连接的所述输出直流电容C_B和所述负载电阻R_B的第一接线端(e)相连，级联的第一个第二模块单元(B)中所述开关器件S_B1的第一接线端(a)与并联连接的所述输出直流电容C_B和所述负载电阻R_B的第一接线端(e)及所述开关器件S₁的第二接线端(n)相连,所述开关器件S₁的第一接线端(m)与所述快恢复二极管D₁的阳极相连，所述快恢复二极管D₁的阴极与并联连接的所述输出直流电容C₁和所述负载电阻R₁的一端相连，并联连接的所述输出直流电容C₁和所述负载电阻R₁的另一端与级联的第一个所述第二模块单元(B)中并联连接的所述输出直流电容C_B和所述负载电阻R_B的第一接线端(e)相连，所述开关器件S₁的第一接线端(m)与所述升压电感L的一端相连，所述升压电感L的另一端与所述单相二极管整流桥的整流输出正端相连，所述开关器件S₂的第一接线端(m)与级联的第N个所述第二模块单元(B)中所述开关器件S_B1的第二接线端(b)相连，级联的第N个所述第二模块单元(B)中并联连接的所述输出直流电容C_B和所述负载电阻R_B的第二接线端(f)与并联连接的所述输出直流电容C₂和所述负载电阻R₂的一端相连，并联连接的所述输出直流电容C₂和所述负载电阻R₂的另一端与所述快恢复二极管D₂的阳极相连，所述开关器件S₂的第二接线端(n)与所述快恢复二极管D₂的阴极及所述单相二极管整流桥的整流输出负端相连，每相所述第三模块单元(C)剩余2个交流输入端，三相所述第三模块单元(C)的第一交流输入端构成一组接线端，三相所述第三模块单元(C)的第二交流输入端构成另一组接线端，其中一组接线端分别经三个所述高频滤波器接至三相电网输入端，另一组接线端依次连接至三相电网中的下一相输入端，构成角形连接。

为达到上述目的，本发明提供的采用具有公共高压直流母线的级联多电平整流器构成的具有公共高压直流母线的级联多电平三相双星接整流器，包括三相主功率电路，其特征在于：所述三相主功率电路包括三个高频滤波器、六个桥臂电感、一个直流电容和六个第三模块单元(C)，六个所述第三模块单元(C)构成对接的两组星形连接，即在每组星形连接中，所述第三模块单元(C)包括单相二极管整流桥、升压电感L和第一模块单元(A)，所述第一模块单元(A)包括两个开关器件S₁、S₂，两个快恢复二极管D₁、D₂，两个输出直流电容C₁、C₂，两个负载电阻R₁、R₂和N个级联的第二模块单元(B)，N为正整数，所述第二模块单元(B)包括两个开关器件S_B1、S_B2，一个输出直流电容C_B，一个滤波电感L_B和一个负载电阻R_B，所述开关器件S_B1的第二接线端(b)与所述开关器件S_B2的第一接线端(c)相连，所述开关器件S_B2的第二接线端(d)与所述滤波电感L_B的一端相连，所述滤波电感L_B的另一端与并联连接的所述输出直流电容C_B和所述负载电阻R_B的第二接线端(f)相连，N个级联的所述第二模块单元(B)，其中各个所述第二模块单元(B)中开关器件S_B1的第二接线端(b)与下一个所述第二模块单元(B)中开关器件S_B1的第一接线端(a)相连，各个第二模块单元(B)中并联连接的所述输出直流电容C_B和所述负载电阻R_B的第二接线端(f)与下一个第二模块单元(B)中并联连接的所述输出直流电容C_B和所述负载电阻R_B的第一接线端(e)相连，级联的第一个第二模块单元(B)中所述开关器件S_B1的第一接线端(a)与并联连接的所述输出直流电容C_B和所述负载电阻R_B的第一接线端(e)及所述开关器件S₁的第二接线端(n)相连,所述开关器件S₁的第一接线端(m)与所述快恢复二极管D₁的阳极相连，所述快恢复二极管D₁的阴极与并联连接的所述输出直流电容C₁和所述负载电阻R₁的一端相连，并联连接的所述输出直流电容C₁和所述负载电阻R₁的另一端与级联的第一个所述第二模块单元(B)中并联连接的所述输出直流电容C_B和所述负载电阻R_B的第一接线端(e)相连，所述开关器件S₁的第一接线端(m)与所述升压电感L的一端相连，所述升压电感L的另一端与所述单相二极管整流桥的整流输出正端相连，所述开关器件S₂的第一接线端(m)与级联的第N个所述第二模块单元(B)中所述开关器件S_B1的第二接线端(b)相连，级联的第N个所述第二模块单元(B)中并联连接的所述输出直流电容C_B和所述负载电阻R_B的第二接线端(f)与并联连接的所述输出直流电容C₂和所述负载电阻R₂的一端相连，并联连接的所述输出直流电容C₂和所述负载电阻R₂的另一端与所述快恢复二极管D₂的阳极相连，所述开关器件S₂的第二接线端(n)与所述快恢复二极管D₂的阴极及所述单相二极管整流桥的整流输出负端相连，每相所述第三模块单元(C)剩余2个交流输入端，三相所述第三模块单元(C)的第一交流输入端构成一组接线端，三相所述第三模块单元(C)的第二交流输入端构成另一组接线端，其中一组接线端连接到一个公共中性点，另一组接线端分别与三个所述桥臂电感的一端相连，而在每相桥臂上的两个所述桥臂电感的另一端各自相连，并分别经三个所述高频滤波器之一接至三相电网输入端，同时，第一组星形连接中的公共中性点和第二组星形连接中的公共中性点分别与所述直流电容的两端相连，构成双星形连接。

为达到上述目的，本发明提供的一种具有公共高压直流母线的级联多电平整流器的控制策略，其特征在于，具有公共高压直流母线的级联多电平整流器的控制策略步骤如下：

(1)对具有公共高压直流母线的级联多电平整流器的输出侧直流电压进行采样，得到N+2个输出侧直流电压信号U_o1、U_o2和U_oB1、U_oB2...U_oBN；

(2)利用下式计算步骤(1)中的N+2个输出侧直流电压信号U_o1、U_o2和U_oB1、U_oB2...U_oBN的平均值U_o：

(3)将步骤(2)中的U_o与直流电压给定信号U_o ^*比较后送入PI电压调节器，得到PI电压调节器输出直流电流信号幅值I_d；

(4)将步骤(1)中的N+2个输出侧直流电压信号U_o1、U_o2和U_oB1、U_oB2...U_oBN分别与直流电压给定信号U_o ^*比较后送入PI电压调节器，得到PI电压调节器输出直流电流信号幅值I_d1、I_d2和I_dB1、I_dB2...I_dBN；

(5)将步骤(4)中直流电流信号幅值I_d1、I_d2和I_dB1、I_dB2...I_dBN分别与步骤(2)中的直流电流信号幅值I_d相加，相加后得到直流电流给定信号幅值I_d1 ^*、I_d2 ^*和I_dB1 ^*、I_dB2 ^*...I_dBN ^*，将直流电流给定信号幅值I_d1 ^*、I_d2 ^*和I_dB1 ^*、I_dB2 ^*...I_dBN ^*与利用锁相环PLL(Phase-Lockedloop)得到的和电网电压相位相同的正弦信号相乘，产生交流电流给定信号i_d1 ^*、i_d2 ^*和i_dB1 ^*、i_dB2 ^*...i_dBN ^*；

(6)检测当前t_k时刻的电网电压e(t_k)和交流电流i(t_k)，利用下式预测t_k+1时刻交流电流i_d1(t_k+1)、i_d2(t_k+1)和i_dB1(t_k+1)、i_dB2(t_k+1)...i_dBN(t_k+1)的值：

式中，L₁为升压电感；R为升压电感L₁内阻；T_s为采样周期；u_d1(t_k)、u_d2(t_k)和u_dB1(t_k)、u_dB2(t_k)...u_dBN(t_k)分别为整流器在第k个采样周期内应用开关状态所对应交流侧电压；

(7)利用下式计算步骤(6)中的u_d1(t_k)、u_d2(t_k)和u_dB1(t_k)、u_dB2(t_k)...u_dBN(t_k)：

u_d1(t_k)＝S_d1(t_k)^*U_o1(t_k)

u_d2(t_k)＝S_d2(t_k)^*U_o2(t_k)

u_dB1(t_k)＝S_dB1(t_k)^*U_oB1(t_k)

u_dB2(t_k)＝S_dB2(t_k)^*U_oB2(t_k)

u_dBN(t_k)＝S_dBN(t_k)^*U_oBN(t_k)

式中，U_o1(t_k)、U_o2(t_k)和U_oB1(t_k)、U_oB2(t_k)...U_oBN(t_k)是t_k时刻整流器输出侧N+2个直流电压信号，S_d1(t_k)、S_d2(t_k)和S_dB1(t_k)、S_dB2(t_k)...S_dBN(t_k)是t_k时刻整流器对应的开关状态：S_d1(t_k)、S_d2(t_k)和

(8)构造价值函数g_d1、g_d2、和g_dB1、g_dB2...g_dBN：

g_d1＝|i_d1 ^*-i_d1(t_k+1)|

g_d2＝|i_d2 ^*-i_d2(t_k+1)|

g_dB1＝|i_dB1 ^*-i_dB1(t_k+1)|

g_dB2＝|i_dB2 ^*-i_dB2(t_k+1)|

g_dBN＝|i_dBN ^*-i_dBN(t_k+1)|

式中，i_d1 ^*、i_d2 ^*和i_dB1 ^*、i_dB2 ^*...i_dBN ^*为步骤(5)中的交流电流给定信号，i_d1(t_k+1)、i_d2(t_k+1)和i_dB1(t_k+1)、i_dB2(t_k+1)...i_dBN(t_k+1)为步骤(6)中t_k+1时刻交流电流预测值；

(9)通过价值函数g_d1、g_d2、和g_dB1、g_dB2...g_dBN对整流器的每一个开关状态进行评估，选出使得价值函数最小的预测电流值所对应的开关状态，生成开关器件的驱动信号Q₁、Q₂和Q_1B1、Q_1B2...Q_1BN；将驱动信号Q₂和Q_1B2、Q_1B3...Q_1BN取反后得到驱动信号Q_2B1、Q_2B2...Q_2BN；

(10)将步骤(9)中的驱动信号Q₁、Q₂和Q_1B1、Q_1B2...Q_1BN以及步骤(9)中的驱动信号Q_2B1、Q_2B2...Q_2BN送给对应的开关器件，实现有源功率因数校正，使输入电流正弦化，同时实现对级联的N+2个输出直流电容电压的均衡控制。

本发明具有公共高压直流母线的级联多电平整流器的优点和积极效果在于：与传统中高压变频器整流级比较，本发明提供的新型级联整流器无需在输入端使用工频移相变压器，可以使用低耐压的功率开关管完成高电压下的大功率单位功率因数整流变换。与无工频变压器级联式多电平变换器比较，本发明提供的新型级联整流器可在直流侧构成一对公共的高压直流母线，并可灵活的实现对各级联整流模块输出侧电容电压的平衡控制。本发明提供的新型级联整流器主功率电路的拓扑结构简单，系统的工作效率高，体积小，重量轻，成本低，在高压直流输电(HVDC)、大功率电力电子变压器，大功率中高压交-直-交变频器等领域具有重要的应用价值。

下面将结合实施例参照附图进行详细说明。

附图说明

图1是本发明具有公共高压直流母线的级联多电平整流器及控制策略中第二模块单元(B)的电路图；

图2是本发明具有公共高压直流母线的级联多电平整流器及控制策略中第一模块单元(A)电路图；

图3是本发明具有公共高压直流母线的级联多电平整流器及控制策略中第三模块单元(C)电路图；

图4是本发明具有公共高压直流母线的级联多电平整流器及控制策略的三相星接整流器的电路图；

图5是本发明具有公共高压直流母线的级联多电平整流器及控制策略的三相角接整流器的电路图；

图6是本发明具有公共高压直流母线的级联多电平整流器及控制策略的三相双星接整流器的电路图；

图7是本发明具有公共高压直流母线的级联多电平整流器及控制策略的控制策略图；

图8是本发明具有公共高压直流母线的级联多电平整流器及控制策略的流程图；

图9是本发明具有公共高压直流母线的级联多电平整流器及控制策略的整体框图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式和工作原理做进一步的描述：

参照图1和图2，一种具有公共高压直流母线的级联多电平整流器，包括主功率电路，主功率电路包括高频滤波器、单相二极管整流桥、升压电感L和第一模块单元(A)，第一模块单元(A)包括两个开关器件S₁、S₂，两个快恢复二极管D₁、D₂，两个输出直流电容C₁、C₂，两个负载电阻R₁、R₂和N个级联的第二模块单元(B)，N为正整数，第二模块单元(B)包括两个开关器件S_B1、S_B2，一个输出直流电容C_B，一个滤波电感L_B和一个负载电阻R_B，开关器件S_B1的第二接线端(b)与开关器件S_B2的第一接线端(c)相连，开关器件S_B2的第二接线端(d)与滤波电感L_B的一端相连，滤波电感L_B的另一端与并联连接的输出直流电容C_B和负载电阻R_B的第二接线端(f)相连，N个级联的第二模块单元(B)，其中各个第二模块单元(B)中开关器件S_B1的第二接线端(b)与下一个第二模块单元(B)中开关器件S_B1的第一接线端(a)相连，各个第二模块单元(B)中并联连接的输出直流电容C_B和负载电阻R_B的第二接线端(f)与下一个第二模块单元(B)中并联连接的输出直流电容C_B和负载电阻R_B的第一接线端(e)相连，级联的第一个第二模块单元(B)中开关器件S_B1的第一接线端(a)与并联连接的输出直流电容C_B和负载电阻R_B的第一接线端(e)及开关器件S₁的第二接线端(n)相连,开关器件S₁的第一接线端(m)与快恢复二极管D₁的阳极相连，快恢复二极管D₁的阴极与并联连接的输出直流电容C₁和负载电阻R₁的一端相连，并联连接的输出直流电容C₁和负载电阻R₁的另一端与级联的第一个第二模块单元(B)中并联连接的输出直流电容C_B和负载电阻R_B的第一接线端(e)相连，开关器件S₁的第一接线端(m)与升压电感L的一端相连，升压电感L的另一端与单相二极管整流桥的整流输出正端相连，开关器件S₂的第一接线端(m)与级联的第N个第二模块单元(B)中开关器件S_B1的第二接线端(b)相连，级联的第N个第二模块单元(B)中并联连接的输出直流电容C_B和负载电阻R_B的第二接线端(f)与并联连接的输出直流电容C₂和负载电阻R₂的一端相连，并联连接的输出直流电容C₂和负载电阻R₂的另一端与快恢复二极管D₂的阳极相连，开关器件S₂的第二接线端(n)与快恢复二极管D₂的阴极及单相二极管整流桥的整流输出负端相连，单相二极管整流桥的交流输入端经高频滤波器串联接入交流电网。

参照图1、图2、图3和图4，一种采用具有公共高压直流母线的级联多电平整流器构成的具有公共高压直流母线的级联多电平三相星接整流器，包括三相主功率电路，三相主功率电路包括三个高频滤波器和三个第三模块单元(C)，第三模块单元(C)包括单相二极管整流桥、升压电感L和第一模块单元(A)，第一模块单元(A)包括两个开关器件S₁、S₂，两个快恢复二极管D₁、D₂，两个输出直流电容C₁、C₂，两个负载电阻R₁、R₂和N个级联的第二模块单元(B)，N为正整数，第二模块单元(B)包括两个开关器件S_B1、S_B2，一个输出直流电容C_B，一个滤波电感L_B和一个负载电阻R_B，开关器件S_B1的第二接线端(b)与开关器件S_B2的第一接线端(c)相连，开关器件S_B2的第二接线端(d)与滤波电感L_B的一端相连，滤波电感L_B的另一端与并联连接的输出直流电容C_B和负载电阻R_B的第二接线端(f)相连，N个级联的第二模块单元(B)，其中各个第二模块单元(B)中开关器件S_B1的第二接线端(b)与下一个第二模块单元(B)中开关器件S_B1的第一接线端(a)相连，各个第二模块单元(B)中并联连接的输出直流电容C_B和负载电阻R_B的第二接线端(f)与下一个第二模块单元(B)中并联连接的输出直流电容C_B和负载电阻R_B的第一接线端(e)相连，级联的第一个第二模块单元(B)中开关器件S_B1的第一接线端(a)与并联连接的输出直流电容C_B和负载电阻R_B的第一接线端(e)及开关器件S₁的第二接线端(n)相连,开关器件S₁的第一接线端(m)与快恢复二极管D₁的阳极相连，快恢复二极管D₁的阴极与并联连接的输出直流电容C₁和负载电阻R₁的一端相连，并联连接的输出直流电容C₁和负载电阻R₁的另一端与级联的第一个第二模块单元(B)中并联连接的输出直流电容C_B和负载电阻R_B的第一接线端(e)相连，开关器件S₁的第一接线端(m)与升压电感L的一端相连，升压电感L的另一端与单相二极管整流桥的整流输出正端相连，开关器件S₂的第一接线端(m)与级联的第N个第二模块单元(B)中开关器件S_B1的第二接线端(b)相连，级联的第N个第二模块单元(B)中并联连接的输出直流电容C_B和负载电阻R_B的第二接线端(f)与并联连接的输出直流电容C₂和负载电阻R₂的一端相连，并联连接的输出直流电容C₂和负载电阻R₂的另一端与快恢复二极管D₂的阳极相连，开关器件S₂的第二接线端(n)与快恢复二极管D₂的阴极及单相二极管整流桥的整流输出负端相连，每相第三模块单元(C)剩余2个交流输入端，三相第三模块单元(C)的第一交流输入端构成一组接线端，三相第三模块单元(C)的第二交流输入端构成另一组接线端，其中一组接线端连接到一个公共的中性点上，另外一组接线端分别与三个高频滤波器串联，接入三相电网，构成星形连接。

参照图1、图2、图3和图5，一种采用具有公共高压直流母线的级联多电平整流器构成的具有公共高压直流母线的级联多电平三相角接整流器，包括三相主功率电路，三相主功率电路包括三个高频滤波器和三个第三模块单元(C)，第三模块单元(C)包括单相二极管整流桥、升压电感L和第一模块单元(A)，第一模块单元(A)包括两个开关器件S₁、S₂，两个快恢复二极管D₁、D₂，两个输出直流电容C₁、C₂，两个负载电阻R₁、R₂和N个级联的第二模块单元(B)，N为正整数，第二模块单元(B)包括两个开关器件S_B1、S_B2，一个输出直流电容C_B，一个滤波电感L_B和一个负载电阻R_B，开关器件S_B1的第二接线端(b)与开关器件S_B2的第一接线端(c)相连，开关器件S_B2的第二接线端(d)与滤波电感L_B的一端相连，滤波电感L_B的另一端与并联连接的输出直流电容C_B和负载电阻R_B的第二接线端(f)相连，N个级联的第二模块单元(B)，其中各个第二模块单元(B)中开关器件S_B1的第二接线端(b)与下一个第二模块单元(B)中开关器件S_B1的第一接线端(a)相连，各个第二模块单元(B)中并联连接的输出直流电容C_B和负载电阻R_B的第二接线端(f)与下一个第二模块单元(B)中并联连接的输出直流电容C_B和负载电阻R_B的第一接线端(e)相连，级联的第一个第二模块单元(B)中开关器件S_B1的第一接线端(a)与并联连接的输出直流电容C_B和负载电阻R_B的第一接线端(e)及开关器件S₁的第二接线端(n)相连,开关器件S₁的第一接线端(m)与快恢复二极管D₁的阳极相连，快恢复二极管D₁的阴极与并联连接的输出直流电容C₁和负载电阻R₁的一端相连，并联连接的输出直流电容C₁和负载电阻R₁的另一端与级联的第一个第二模块单元(B)中并联连接的输出直流电容C_B和负载电阻R_B的第一接线端(e)相连，开关器件S₁的第一接线端(m)与升压电感L的一端相连，升压电感L的另一端与单相二极管整流桥的整流输出正端相连，开关器件S₂的第一接线端(m)与级联的第N个第二模块单元(B)中开关器件S_B1的第二接线端(b)相连，级联的第N个第二模块单元(B)中并联连接的输出直流电容C_B和负载电阻R_B的第二接线端(f)与并联连接的输出直流电容C₂和负载电阻R₂的一端相连，并联连接的输出直流电容C₂和负载电阻R₂的另一端与快恢复二极管D₂的阳极相连，开关器件S₂的第二接线端(n)与快恢复二极管D₂的阴极及单相二极管整流桥的整流输出负端相连，每相第三模块单元(C)剩余2个交流输入端，三相第三模块单元(C)的第一交流输入端构成一组接线端，三相第三模块单元(C)的第二交流输入端构成另一组接线端，其中一组接线端分别经三个高频滤波器接至三相电网输入端，另一组接线端依次连接至三相电网中的下一相输入端，构成角形连接。

参照图1、图2、图3和图6，一种采用具有公共高压直流母线的级联多电平整流器构成的具有公共高压直流母线的级联多电平三相双星接整流器，包括三相主功率电路，三相主功率电路包括三个高频滤波器、六个桥臂电感、一个直流电容和六个第三模块单元(C)，六个第三模块单元(C)构成对接的两组星形连接，即在每组星形连接中，第三模块单元(C)包括单相二极管整流桥、升压电感L和第一模块单元(A)，第一模块单元(A)包括两个开关器件S₁、S₂，两个快恢复二极管D₁、D₂，两个输出直流电容C₁、C₂，两个负载电阻R₁、R₂和N个级联的第二模块单元(B)，N为正整数，第二模块单元(B)包括两个开关器件S_B1、S_B2，一个输出直流电容C_B，一个滤波电感L_B和一个负载电阻R_B，开关器件S_B1的第二接线端(b)与开关器件S_B2的第一接线端(c)相连，开关器件S_B2的第二接线端(d)与滤波电感L_B的一端相连，滤波电感L_B的另一端与并联连接的输出直流电容C_B和负载电阻R_B的第二接线端(f)相连，N个级联的第二模块单元(B)，其中各个第二模块单元(B)中开关器件S_B1的第二接线端(b)与下一个第二模块单元(B)中开关器件S_B1的第一接线端(a)相连，各个第二模块单元(B)中并联连接的输出直流电容C_B和负载电阻R_B的第二接线端(f)与下一个第二模块单元(B)中并联连接的输出直流电容C_B和负载电阻R_B的第一接线端(e)相连，级联的第一个第二模块单元(B)中开关器件S_B1的第一接线端(a)与并联连接的输出直流电容C_B和负载电阻R_B的第一接线端(e)及开关器件S₁的第二接线端(n)相连,开关器件S₁的第一接线端(m)与快恢复二极管D₁的阳极相连，快恢复二极管D₁的阴极与并联连接的输出直流电容C₁和负载电阻R₁的一端相连，并联连接的输出直流电容C₁和负载电阻R₁的另一端与级联的第一个第二模块单元(B)中并联连接的输出直流电容C_B和负载电阻R_B的第一接线端(e)相连，开关器件S₁的第一接线端(m)与升压电感L的一端相连，升压电感L的另一端与单相二极管整流桥的整流输出正端相连，开关器件S₂的第一接线端(m)与级联的第N个第二模块单元(B)中开关器件S_B1的第二接线端(b)相连，级联的第N个第二模块单元(B)中并联连接的输出直流电容C_B和负载电阻R_B的第二接线端(f)与并联连接的输出直流电容C₂和负载电阻R₂的一端相连，并联连接的输出直流电容C₂和负载电阻R₂的另一端与快恢复二极管D₂的阳极相连，开关器件S₂的第二接线端(n)与快恢复二极管D₂的阴极及单相二极管整流桥的整流输出负端相连，每相第三模块单元(C)剩余2个交流输入端，三相第三模块单元(C)的第一交流输入端构成一组接线端，三相第三模块单元(C)的第二交流输入端构成另一组接线端，其中一组接线端连接到一个公共中性点，另一组接线端分别与三个桥臂电感的一端相连，而在每相桥臂上的两个桥臂电感的另一端各自相连，并分别经三个高频滤波器之一接至三相电网输入端，同时，第一组星形连接中的公共中性点和第二组星形连接中的公共中性点分别与直流电容的两端相连，构成双星形连接。

4、参照图7、图8和图9，一种具有公共高压直流母线的级联多电平整流器的控制策略，控制策略步骤如下：

(1)对具有公共高压直流母线的级联多电平整流器的输出侧直流电压进行采样，得到N+2个输出侧直流电压信号U_o1、U_o2和U_oB1、U_oB2...U_oBN；

(2)利用下式计算步骤(1)中的N+2个输出侧直流电压信号U_o1、U_o2和U_oB1、U_oB2...U_oBN的平均值U_o：

(3)将步骤(2)中的U_o与直流电压给定信号U_o ^*比较后送入PI电压调节器，得到PI电压调节器输出直流电流信号幅值I_d；

(4)将步骤(1)中的N+2个输出侧直流电压信号U_o1、U_o2和U_oB1、U_oB2...U_oBN分别与直流电压给定信号U_o ^*比较后送入PI电压调节器，得到PI电压调节器输出直流电流信号幅值I_d1、I_d2和I_dB1、I_dB2...I_dBN；

(5)将步骤(4)中直流电流信号幅值I_d1、I_d2和I_dB1、I_dB2...I_dBN分别与步骤(2)中的直流电流信号幅值I_d相加，相加后得到直流电流给定信号幅值I_d1 ^*、I_d2 ^*和I_dB1 ^*、I_dB2 ^*...I_dBN ^*，将直流电流给定信号幅值I_d1 ^*、I_d2 ^*和I_dB1 ^*、I_dB2 ^*...I_dBN ^*与利用锁相环PLL(Phase-Lockedloop)得到的和电网电压相位相同的正弦信号相乘，产生交流电流给定信号i_d1 ^*、i_d2 ^*和i_dB1 ^*、i_dB2 ^*...i_dBN ^*；

(6)检测当前t_k时刻的电网电压e(t_k)和交流电流i(t_k)，利用下式预测t_k+1时刻交流电流i_d1(t_k+1)、i_d2(t_k+1)和i_dB1(t_k+1)、i_dB2(t_k+1)...i_dBN(t_k+1)的值：

式中，L₁为升压电感；R为升压电感L₁内阻；T_s为采样周期；u_d1(t_k)、u_d2(t_k)和u_dB1(t_k)、u_dB2(t_k)...u_dBN(t_k)分别为整流器在第k个采样周期内应用开关状态所对应交流侧电压；

(7)利用下式计算步骤(6)中的u_d1(t_k)、u_d2(t_k)和u_dB1(t_k)、u_dB2(t_k)...u_dBN(t_k)：

u_d1(t_k)＝S_d1(t_k)^*U_o1(t_k)

u_d2(t_k)＝S_d2(t_k)*U_o2(t_k)

u_dB1(t_k)＝S_dB1(t_k)*U_oB1(t_k)

u_dB2(t_k)＝S_dB2(t_k)*U_oB2(t_k)

u_dBN(t_k)＝S_dBN(t_k)*U_oBN(t_k)

式中，U_o1(t_k)、U_o2(t_k)和U_oB1(t_k)、U_oB2(t_k)...U_oBN(t_k)是t_k时刻整流器输出侧N+2个直流电压信号，S_d1(t_k)、S_d2(t_k)和S_dB1(t_k)、S_dB2(t_k)...S_dBN(t_k)是t_k时刻整流器对应的开关状态：S_d1(t_k)、S_d2(t_k)和

(8)构造价值函数g_d1、g_d2、和g_dB1、g_dB2...g_dBN：

g_d1＝|i_d1 ^*-i_d1(t_k+1)|

g_d2＝|i_d2 ^*-i_d2(t_k+1)|

g_dB1＝|i_dB1 ^*-i_dB1(t_k+1)|

g_dB2＝|i_dB2 ^*-i_dB2(t_k+1)|

g_dBN＝|i_dBN ^*-i_dBN(t_k+1)|

式中，i_d1 ^*、i_d2 ^*和i_dB1 ^*、i_dB2 ^*...i_dBN ^*为步骤(5)中的交流电流给定信号，i_d1(t_k+1)、i_d2(t_k+1)和i_dB1(t_k+1)、i_dB2(t_k+1)...i_dBN(t_k+1)为步骤(6)中t_k+1时刻交流电流预测值；

(9)通过价值函数g_d1、g_d2、和g_dB1、g_dB2...g_dBN对整流器的每一个开关状态进行评估，选出使得价值函数最小的预测电流值所对应的开关状态，生成开关器件的驱动信号Q₁、Q₂和Q_1B1、Q_1B2...Q_1BN；将驱动信号Q₂和Q_1B2、Q_1B3...Q_1BN取反后得到驱动信号Q_2B1、Q_2B2...Q_2BN；

(10)将步骤(9)中的驱动信号Q₁、Q₂和Q_1B1、Q_1B2...Q_1BN以及步骤(9)中的驱动信号Q_2B1、Q_2B2...Q_2BN送给对应的开关器件，实现有源功率因数校正，使输入电流正弦化，同时实现对级联的N+2个输出直流电容电压的均衡控制。

在本发明具有公共高压直流母线的级联单位功率因数整流器应用的其他实施例中，所描述的三相星接、角接和三相双星接整流器，除了采用第三模块单元(C)外，也可以是由第三模块单元(C)衍生出来的不同电路的组合。

所描述的具有公共高压直流母线的级联单位功率因数整流应用电路，可以简化应用于大功率场合的电力电子整流器的电路拓扑结构，通过适当的控制策略可以提高系统的工作效率，稳定且能平衡直流侧的电容电压，为后级的电能变换提供有利条件，在高压直流传输、大功率电力电子变压器，大功率中高压交-直-交变频器等应用领域具有重要的应用价值。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计方案前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。