阅读说明：本技术 基于混合开关的级联对称飞跨电容器式拓扑静态补偿器 (Cascade symmetrical flying capacitor type topological static compensator based on hybrid switch ) 是由 穆罕默德·胡马云 于 2021-01-19 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于混合开关的级联对称飞跨电容器式拓扑静态补偿器,包括串联在一起的对称飞跨电容器模块和耦合电感器；所述对称飞跨电容器模块包括三组串联在一起的模块单元组成；所述模块单元包括第一开关对组、第二开关对组和第三开关对组组成,所述第一开关对组与第二开关对组间设有第一单极性电容,所述第二开关对组和第三开关对组件设有第二单极性电容；所述第一开关对组、第二开关对组和第三开关对组、第一单极性电容、第二单极性电容串联连接。该种基于混合开关的级联对称飞跨电容器式拓扑静态补偿器提高逆变器的效率,减少使用开关器件数量,损耗少并降低系统散热要求,同时保持系统的模块化和可扩展性。(The invention relates to a cascade symmetrical flying capacitor type topological static compensator based on a hybrid switch, which comprises symmetrical flying capacitor modules and a coupling inductor which are connected in series; the symmetrical flying capacitor module comprises three groups of module units which are connected in series; the module unit comprises a first switch pair group, a second switch pair group and a third switch pair group, wherein a first unipolar capacitor is arranged between the first switch pair group and the second switch pair group, and a second unipolar capacitor is arranged between the second switch pair group and the third switch pair group; the first switch pair group, the second switch pair group, the third switch pair group, the first unipolar capacitor and the second unipolar capacitor are connected in series. The cascade symmetrical flying capacitor type topology static compensator based on the hybrid switch improves the efficiency of an inverter, reduces the number of used switching devices, has low loss, reduces the system heat dissipation requirement, and simultaneously keeps the modularization and the expandability of the system.)

基于混合开关的级联对称飞跨电容器式拓扑静态补偿器

技术领域

本发明属于静态补偿器技术领域，具体涉及一种基于混合开关的级联对称飞跨电容器式拓扑静态补偿器。

背景技术

基于多电平逆变器的静态补偿器在控制电网电压以及调节电网无功功率方面发挥着至关重要的作用。逆变器输出电压的质量与逆变器的输出电平数量密切相关，较多的电平数量不但使输出波形更加平滑，可以有效降低电磁干扰，减少谐波含量，在实际应用中还能增加系统的可靠性。

目前，级联多电平拓扑结构在静态补偿器上得到广泛应用，但由于该结构需要使用大量的开关器件，导致系统架构和控制的复杂性增加，从而影响系统效率和可靠性。为了减少开关电器数量，级联H桥多电平拓扑结构比中性点钳位拓扑多电平拓扑以及飞跨电容器多电平拓扑使用更少的开关数量而得到重视，但将其应用到三相系统中，架构和控制同样复杂；模块化的设计同时可以使用设置冗余模块的方式提高系统的可靠性，在部分模块故障的情况下系统仍然可以运行，从而最终提高电力系统的可靠性。其中级联的拓扑根据其电压大小，可以对称或不对称设置，在大多数不对称结构中，不同单元的功率完全不同，由于非对称配置导致功率分配不均衡，模块单元不易于更换，对于高功率应用环境，该种方式具有较大的限制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述缺陷，本发明提供一种基于混合开关的级联对称飞跨电容器式拓扑静态补偿器，提高逆变器的效率，减少使用开关器件数量，损耗少并降低系统散热要求，同时保持系统的模块化和可扩展性。

本发明解决其技术问题采用的技术方案如下：基于混合开关的级联对称飞跨电容器式拓扑静态补偿器，包括串联在一起的对称飞跨电容器模块和耦合电感器；

所述对称飞跨电容器包括三组串联在一起的模块单元组成；

所述模块单元包括第一开关对组、第二开关对组和第三开关对组组成，所述第一开关对组与第二开关对组间设有第一单极性电容，所述第二开关对组和第三开关对组件设有第二单极性电容；所述第一开关对组、第二开关对组和第三开关对组、第一单极性电容、第二单极性电容串联连接；

所述第一开关对组为IGBT模块，所述第二开关对组为IGCT模块，所述第三开关对组为IGBT模块。

进一步的，所述对称飞跨电容器的三组模块单元中的第一单极性电容和第二单极性电容统称为C_mj，其中m∈{1,2,3}表示模块的编号，j∈{1,2}是模块中的电容器编号；所述对称飞跨电容器模块输出电压v_m的动态性能如式(1)；

其中，所述S_j是开关状态，V_Cmj为电容电压。

更进一步的，两个开关对组之间压差V_Cmj和总输出电压电平数N_levels之间的关系如式(2)和式(3)：

N_levels＝(2j+1)+4(m-1) (3)

开关S_m1,和S_m(j+1),的电压应力等于一个直流电压，而中间开关对组上的电压应力等于两倍直流电压。

本发明的有益效果是：采用上述方案，该种基于混合开关的级联对称飞跨电容器式拓扑静态补偿器，将高速开关器件(IGBT)以及基于高压晶闸管器件(IGCT)同时集成在该静态补偿器模块中，提高逆变器的效率；该静态补偿器将其模具爱华，可以降低逆变器对开关对组的耐压要求，提高输出电流电压的质量，同时可以减少使用开关器件数量，损耗少并降低系统散热要求，同时保持系统的模块化和可扩展性。

该种结构的静态补偿器可以使改变后的拓扑结构更适用于工业(如石油和天然气、化学、金属、船舶、采矿等)、牵引力、能源系统和大功率中压电网并网应用，应用范围广。

附图说明

通过下面结合附图的详细描述，本发明前述的和其他的目的、特征和优点将变得显而易见。

图1为本发明静态补偿器拓扑电路结构示意图；

图2为本发明静态补偿器中开关的运行模式。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1，基于混合开关的级联对称飞跨电容器式拓扑静态补偿器，包括串联在一起的对称飞跨电容器模块和耦合电感器L；

所述对称飞跨电容器模块包括三组串联在一起的模块单元组成；

所述模块单元包括第一开关对组、第二开关对组和第三开关对组组成，所述第一开关对组与第二开关对组间设有第一单极性电容，所述第二开关对组和第三开关对组件设有第二单极性电容；所述第一开关对组、第二开关对组和第三开关对组、第一单极性电容、第二单极性电容串联连接，所述第一开关对组为IGBT模块，所述第二开关对组为IGCT模块，所述第三开关对组为IGBT模块；

即对称飞跨电容器模块包括依次串联的第一模块单元Module 1、第二模块单元Module 2、第三模块单元Module 3；三组模块单元中的第一单极性电容和第二单极性电容统称为C_mj，其中m∈{1,2,3}表示模块的编号，j∈{1,2}是模块中的电容器编号；所述对称飞跨电容器模块输出电压v_m的动态性能如式(1)；

其中，所述S_j是开关状态，V_Cmj为电容电压；两个开关对组之间压差V_Cmj和总输出电压电平数N_levels之间的关系如式(2)和式(3)：

N_levels＝(2j+1)+4(m-1) (3)

开关S_m1,和S_m(j+1),的电压应力等于一个直流电压，而中间开关对组上的电压应力等于两倍直流电压，其中模块单元中的开关对组的模式如图2所示。

本发明基于混合开关的级联对称飞跨电容器式拓扑静态补偿器中每个模块单元可以产生五个电压电平，串联的三个模块单元在输出时可以产生13个电压电平，其中静态补偿器中开关的额不同运行状态和导通状态如表1所示：

表1：五电平SFC模块的开关状态

该种基于混合开关的级联对称飞跨电容器式拓扑静态补偿器，将高速开关器件以及基于高压晶闸管器件同时集成在该静态补偿器模块中，提高逆变器的效率；该静态补偿器将其模块化，可以降低逆变器对开关对组的耐压要求，提高输出电流电压的质量，同时可以减少使用开关器件数量，损耗少并降低系统散热要求，同时保持系统的模块化和可扩展性。

除上述实施例外，本发明还可以将所述第一开关对组、第二开关对组以及第三开关对组均设置为IGCT模块，可以实现静态补偿器的效率。以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。