專利名稱：適合于高壓應用的變流橋臂及其應用系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及電力系統的控制技術，特別涉及一種適合于高壓應用的變流橋臂及其應用系統，主要應用于智能電網(例如特特高壓輸電、交-直-交變流、電力電子變壓器、 新能源高壓并網發電)、大功率電力傳動(高壓、中壓變頻傳動)、電力牽引。
背景技術：
高壓大功率變流器一直是電力電子在電力系統與高功率電力傳動中應用的關鍵技術。當實際應用場合所需的電壓超過單個電力半導體器件的耐壓值之后，必須采用開關串聯技術或多電平技術。由于常規高壓功率半導體器件的耐壓值大致為1 5kv，而其中的普通常用器件IGBT大致僅為1200V。若采用3400V耐壓的器件，則其價格遠遠高于前者； 即便不顧成本而用更高耐壓的器件，不用開關串聯技術或多電平技術仍然難以滿足電力系統的高壓工作要求。另一方面，器件隨著耐壓水平的提高，其允許開關頻率越來越低，增加了變流系統的體積與重量。對于高壓變流電路，器件的直接串聯是不得已的方案。盡管這有其結構相對簡單的優點，但是非常高的開關電壓變化率還是會造成電磁兼容方面的問題，并且會使負載設備的可靠性降低，壽命縮短。況且，器件的均壓控制方法隨著串聯數的增加而變得更加困難，需要更大的耐壓裕度，因此可以說，開關串聯技術并不適合在電力系統中單獨使用。于是，變流器采用多電平電路就顯得是順理成章了。多電平電路可以應用于DC/ AC、DC/DC、AC/DC與AC/AC上，為敘述方便起見，以下主要從逆變(即DC/AC)的角度來闡述。(1)功率開關電壓型變流器中常用到逆導型開關，可以由功率半導體開關與反并聯的功率二極管這兩個獨立的器件組成，也可以是一體化器件，為方便起見這里簡稱為開關(K，符號如圖 3電路中所示)，開關的正、負極方向正好與其中反并聯二極管極性相反。常用的K有帶反向并聯二極管的絕緣柵極雙極型復合晶體管(IGBT)與功率金屬氧化物場效應晶體管(Power M0SFET)器件，也可以是晶閘管、集成電路門極換流晶體閘管(IGCT)、結型場效應功率器件 (Power JFET)，以及各種碳化硅功率開關等其他新型器件。圖10的電路中，K應用了 Power MOSFET0用多個逆導型開關串聯起來形成的組合開關，在本發明中依然可以看作是一個開關。(2)目前已有的幾種重要多電平變流電路第一種電路二極管箝位多電平電路，該類電路最早見于1980年的IEEE IAS會議論文(A. Naba)；第二種電路飛跨電容箝位多電平電路，該類電路最早見于1992年的IEEE PESC 年會論文(T. A. Meynard)；第三種電路統一箝位多電平電路，該類電路最早見于2000年的IEEE IAS會議論文(F. Z. Peng)；
第四種電路級聯多電平電路，該類電路最早見于1988年的PESC會議論文 (M. Marcheson)。第一、第二種電路的主要問題是，電路的復雜度隨著電平數的增加而迅速提高，元器件數量迅速上升(前者是開關器件、箝位二極管，后者是箝位電容)，更為嚴重的是分布電感影響和控制難度也隨之極大增加，實際上七電平以上的應用就不多了。第三種電路的主要問題是，隨著電平數的增加，元器件數量的增加速度比前兩種還快，在工業界還是沒有實際應用。事實上第三種電路僅有理論意義，前兩種電路分別是第三種電路的特例。第四種電路沒有上述第一、二、三種電路的上述缺點，它可以依靠獨立電源平衡均壓，并容易實現模塊化(以H橋為單元模塊)，已經廣為應用于中壓變頻，交流電壓一般在 IOkV以內。由于第四種電路一般需要為每一單元提供一套獨立電源，這使裝置的主變壓器結構相當復雜，這也限制了電平數量的進一步提升。第四種電路在無功應用領域(例如電力系統的柔性輸電裝置之一 STATC0M)則沒有多路獨立電源這一限制，但是隨著電平數的增加，均壓問題卻依然面臨極大挑戰。(3)第五種電路，平衡級聯多電平變流即，，自平衡級聯多電平“，它能夠實現變流單元的自動均壓是新電路的最顯著特點，出現于2006年的浙江大學博士論文(F. Zhang)，實際上它也是第三種電路的變形。但這種電路還是留下了幾個棘手問題低電壓供電、高電壓輸出，并不適合于普通高壓應用；能量需要在單元間多次傳遞，效率會成為問題；平衡動作時，平衡電流沖擊缺乏限制機制；所有電路元件需要緊密連接成整體，難以實現模塊化組合制造。(4)第六種電路，模塊化多電平變流(MMC)這類電路最早出現在2003年的IEEE PowerTech Conference會議論文上 (A. Lesnicar and R. Marquardt) 0這種電路所需元器件的數量與電平數呈線性比例關系， 也適合于模塊化制造，特別適合于電力系統超高壓應用(如輕型直流輸電)，然而其模塊的均壓控制還是很成問題，因此實際應用尚不多見。
發明內容
針對上述多電平電路優缺點，本發明根據高壓、大功率變流系統的特殊要求，參考蠶的爬行仿生學原理，提出一種基于自由伸縮臂的多電平變流拓撲及由此而構成的各式變流電路，而這種電路充分考慮了模塊化實現及模塊間的電應力的平衡問題。蠶的身體由多個肢節組成，在爬行過程中，需要不斷收縮和舒展身體。容易想到， 蠶收縮或舒展時每一肢節的粗細有變化而體積并沒有改變。作為仿生目標的變流橋臂可看作是一對相連的蠶，上、下兩個伸縮臂分別對應其中一條蠶，伸縮臂中的每一變流單元對應蠶身體的一個肢節。當橋臂調節中點電位時，是通過調節其伸縮臂中變流單元的開關來進行的，調節過程中各單元的儲能水平并沒有突變，但單元的端電壓可以迅速改變。如果伸縮臂的端電壓(由多個單元的端電壓串聯疊加而成)和能量分別對應蠶的長度和體積，可以看出其中點電位的調節，非常像蠶的伸縮動作，調節過程就像是伸縮臂的收縮或舒展。兩個伸縮臂通過互補的收縮或舒展，共同推動中點的變動。利用這一原理就可以構造出嶄新的高壓變流電路。上述第六種電路實際上就是符合此種伸縮臂理念的一種拓撲，但MMC電路僅僅采用了半橋電路作為變流單元，既不能實現單元自動均壓，也不能在AC/AC變流電路中使用。為解決技術問題，本發明提供了一種適用于高壓應用的變流橋臂，包括儲能電容C 與多個逆導型開關；該變流橋臂由上伸縮臂Bu、下伸縮臂Bd和電感Lb串聯構成，上伸縮臂 Bu和下伸縮臂Bd分別由若干個對稱型單元級聯構成；所述的對稱型單元由第一開關K1、第二開關K2、第三開關K3、第四開關K4及儲能電容C構成；其中，第一開關Kl與第二開關K2、第三開關K3與第四開關K4分別串聯；第一開關Kl與第三開關K3的正端相連作為單元的正端p*，第二開關K2與第四開關K4的負端相連作為單元的η*端；儲能電容C接于正端ρ*和負端η*之間；第一開關Kl與第二開關 Κ2的連接處為單元的第二級聯端Ζ12，第三開關Κ3與第四開關Κ4的連接處為單元的第四級聯端Ζ22 ；所述若干個對稱型單元的級聯方式為相鄰的兩個單元之間，前一單元的第四級聯端Ζ22與后一單元的第二級聯端Ζ12相連；橋臂的上、下端分別為橋臂的P端和N端；上伸縮臂Bu和下伸縮臂Bd兩端的外側單元中引出其正端P*和負端η*作為變流橋臂的輔助端；并以其第二級聯端Ζ12為ρ端、第四級聯端Ζ22為η端，ρ端、η端的排列與變流橋臂P端、N端的方向一致；上伸縮臂Bu的η端與下伸縮臂Bd的ρ端之間的連線上引出橋臂的中點即Ac端；電感Lb是下述形式中的任意一種(1)有一個電感Lb，位于上伸縮臂Bu、下伸縮臂Bd的串聯支路上的任何位置；(2)有兩個電感Lb，分置于上伸縮臂Bu、下伸縮臂Bd的串聯支路上Ac端的兩側；(3)有若干個電感Lb，分置于各對稱型單元之中。作為前述變流橋臂的應用，本發明提出:kC調壓器由一個或多個變流橋臂構成AC調壓器由一個變流橋臂構成的情況下，該變流橋臂的P端、N端組成一個交流端口，Ac端、N組成另一個交流端口，從而構成單相電子調壓器；或者，AC調壓器由多個變流橋臂構成的情況下，各變流橋臂的P端、N端分別按照多邊形或星形接法引出一個多相交流端口，各變流橋臂的Ac端分別引出另一個多相交流端口，從而構成多相AC/AC電子調壓器。基于相同的實現原理，本發明提出一種改型的變流橋臂，包括儲能電容C與多個逆導型開關；該變流橋臂由上伸縮臂Bu、下伸縮臂Bd和電感Lb串聯構成，上伸縮臂Bu和下伸縮臂Bd分別由若干個單元級聯構成；所述的單元是平衡非對稱型單元或平衡對稱型單元中的任意一種或兩種；所述平衡非對稱型單元由第一開關K1、第二開關K2、第三開關K3、第四開關K4 及儲能電容C構成；其中，第一開關Kl與第二開關K2、第三開關K3與第四開關K4分別串聯；第一開關Kl與第三開關K3的正端相連作為單元的正端p*，該端同時也是單元的第一級聯端Zll ；第二開關K2與第四開關K4的負端相連作為單元的負端n*，該端同時也是單元的第四級聯端Z22 ；儲能電容C的兩端分別接于第一級聯端Zll和第四級聯端Z22 ；第一開關Kl與第二開關K2的連接處為單元的第二級聯端Z12，第三開關K3與第四開關K4的連接處為單元的第三級聯端Z21 ；所述平衡對稱型單元由第一開關K1、第二開關K2、第三開關K3、第四開關K4、第五開關K5、第六開關K6、第七開關K7、第八開關K8及儲能電容C構成；其中，第一開關Kl與第二開關K2串聯，其連接處為單元的第一級聯端Zll ；第三開關K3與第四開關K4串聯，其連接處為單元的第三級聯端Z21 ；第五開關K5與第六開關K6串聯，其連接處為單元的第二級聯端Z12;第七開關K7與第八開關K8串聯，其連接處為單元的第四級聯端Z22 ；第一開關 K1、第三開關K3、第五開關K5與第七開關K7的正端相連作為單元的正端p*，第二開關K2、 第四開關K4、第六開關K6和第八開關K8的負端相連作為單元的負端η* ；儲能電容C的兩端分別接于正端P*與負端η* ；所述若干個單元的級聯方式為相鄰的兩個單元之間具有兩組級聯端的連接關系，具體為前一單元的第三級聯端Ζ21與后一單元的第一級聯端Zll相連，前一單元的第四級聯端Ζ22與后一單元的第二級聯端Ζ12相連；其中，有一組級聯端是通過電感Ls或電阻R或電感Ls與電阻R的并聯電路實現連接的，另一組級聯端則是直接連接；上伸縮臂Bu和下伸縮臂Bd兩端的外側單元中引出其正端P*和負端η*作為變流橋臂的輔助端；并以其第二級聯端Ζ12為ρ端、第四級聯端Ζ22為η端，ρ端、η端的排列與變流橋臂P端、N端的方向一致；上伸縮臂Bu的η端與下伸縮臂Bd的ρ端之間的連線上引出橋臂的中點即Ac端；電感Lb是下述形式中的任意一種(1)有一個電感Lb，位于上伸縮臂Bu、下伸縮臂Bd的串聯支路上的任何位置；(2)有兩個電感Lb，分置于上伸縮臂Bu、下伸縮臂Bd的串聯支路上Ac端的兩側；(3)有若干個電感Lb，分置于各對稱型單元之中。作為另一種改型的變流橋臂，所述伸縮臂由平衡非對稱型單元級聯構成；相鄰兩個單元中，前一單元的第四開關K4和后一單元的第一開關Kl的其中之一以二極管代替，該二極管的極性與被代替的開關中逆導二極管的極性相同。作為另一種改型的變流橋臂，所述伸縮臂由平衡對稱型單元級聯構成；相鄰兩個單元中，前一單元的第七開關K7、第八開關K8和后一單元的第五開關K5、第六開關K6其中一個或兩個以二極管代替，且同一單元中的兩個開關不能同時被二極管代替，該二極管的極性與被代替的開關中逆導二極管的極性相同。作為另一種改型的變流橋臂，所述伸縮臂由平衡對稱型單元級聯構成；相鄰兩個單元中，前一單元的第七開關K7、第八開關K8和后一單元的第五開關K5、第六開關K6其中一個或兩個以二極管代替，且同一單元中的兩個開關不能同時被二極管代替，該二極管的極性與被代替的開關中逆導二極管的極性相同；同時，對被二極管替代的第五開關K5、第六開關K6、第七開關K7或第八開關K8的連線方式改接第五開關K5的正端、第六開關K6的負端改接到第二級聯端Z12，第七開關 K7的正端、第八開關K8的負端改接到第四級聯端Z22;這種改接僅涉及替代的二極管，未被替代的開關不改接；這里所述的正、負端是指替換前的原開關的極性，而非指替代后的二極管的極性。作為另一種改型的變流橋臂，所述伸縮臂由平衡非對稱型單元級聯構成；且相鄰兩個單元中，前一單元的第三級聯端Z21與后一單元的第一級聯端Zll直接連接，前一單元的第四級聯端Z22與后一單元的第二級聯端Z12直接連接；前一單元的第四開關K4與后一單元的第一開關Kl中，省略其中之一。作為另一種改型的變流橋臂，所述伸縮臂由平衡對稱型單元級聯構成；且相鄰兩個單元中，前一單元的第三級聯端Z21與后一單元的第一級聯端Zll直接連接，前一單元的第四級聯端Z22與后一單元的第二級聯端Z12直接連接；前一單元的第七開關K7與后一單元的第五開關K5中，省略其中之一；前一單元的第八開關K8與后一單元的第六開關K6中， 省略其中之一。作為另一種改型的變流橋臂，其特征在于，上伸縮臂Bu的η端單元與下伸縮臂Bd 的P端單元之間采用雙線連接，具體為m端單元的第四級聯端Z22與P端單元的第二級聯端Z12直接連接，η端單元的第三級聯端Ζ21與ρ端單元的第一級聯端Zll通過電感Ls或電阻R或電感Ls與電阻R的并聯電路實現連接。作為另一種改型的變流橋臂，其特征在于，所述若干個單元的級聯方式替換為相鄰的兩個單元之間具有兩組級聯端的連接關系，具體為前一單元的第三級聯端Ζ21通過電感Lsl與與后一單元的第一級聯端Zl 1相連，前一單元的第四級聯端Ζ22通過電感Ls2與后一單元的第二級聯端Z12相連；電感Lsl和電感Ls2具有下述四種關系中的任意一種(l)Lsl、Ls2 為獨立電感；(2) LsU Ls2為耦合電感，儲能電容C上的電壓Uc平衡電流在兩個電感中的磁通相互增強；(3) LsU Ls2為獨立電感，其中之一并聯了電阻R ；(4) LsU Ls2為耦合電感，儲能電容C上的電壓Uc平衡電流在兩個電感中的磁通相互增強，其中之一并聯了電阻R。作為所述變流橋臂的應用，本發明提出變流電路具有常規的變流拓撲，其特征在于，是以所述變流橋臂取代普通橋臂，變流橋臂的上伸縮臂Bu和下伸縮臂Bd均由平衡非對稱型單元級聯構成，從而構成下述幾種變流電路中的任意一種(1)由變流橋臂構成雙向DC/DC變流器，變流橋臂的P端和N端接一個直流源的正、負端，其Ac端在串聯一個濾波電感后和N端接另一直流源的正、負端；(2)由一個或多個變流橋臂構成單相或多相DC/AC或AC/DC變流器，變流橋臂的P 端、N端分別并聯為直流正、負端，各變流橋臂Ac端分別為各相交流端；(3)由兩個或多個變流橋臂構成單相或多相背靠背AC/DC/AC變流器，變流橋臂的 P端、N端分別并聯為直流正、負端，第一組變流橋臂的Ac端分別接第一交流源各相，第二組橋臂Ac端分別接第二交流源各相。作為所述變流橋臂的應用，本發明提出變流器是在變流橋臂上再接一個或多個伸縮臂形成三相或多相變流器；其特征在于，所述伸縮臂和變流橋臂中的上伸縮臂Bu、下伸縮臂Bd均由平衡對稱型單元級聯構成；變流器的接法是下述接法中的任意一種(1)變流橋臂的P端、N端分別接三相電源的兩相，新增的伸縮臂一端接于變流橋臂的Ac端，另一端接三相電源的另一相，從而形成星形變流器；進一步增加伸縮臂數量則構成星形多相變流器；或者(2)變流橋臂的P端、N端并聯上新增的伸縮臂并分別接三相電源的兩相，變流橋臂的Ac端接三相電源的另一相，從而形成三角形變流器；將多個伸縮臂串聯后并聯于變流橋臂P端、N端則構成多邊形多相變流器。作為所述變流橋臂的應用，本發明提出AC/AC變流器具有一個或多個變流橋臂， 其電路結構是下述三種中的任意一種(1)單個變流橋臂的P端、N端為一個交流端口，Ac端、N端為另一個交流端口，從而構成單相AC/AC變頻器；或者(2)變流橋臂的P端、N端分別按照多邊形或星形接法引出一個多相交流端口，各橋臂Ac端分別引出另一個多相交流端口，從而構成多相AC/AC變頻器；或者(3)第一組三個變流橋臂的P端、N端分別按照三角形或星形接法連接輸入各相、 第二組三個變流橋臂的P端、N端分別按照三角形或星形接法連接輸出各相；兩組的Ac端分別接三相中頻變壓器的原、副邊繞組，從而構成電子變壓器。本發明還提出基于前述變流橋臂的變流控制方法通過調節各開關的驅動脈沖控制伸縮臂內的各單元端電壓Us，進而控制上伸縮臂Bu、下伸縮臂Bd的端電壓Uiu Ud ；通過動態調節Uu、Ud之和控制流過變流橋臂P端、N端之間的平均電流IPN，進而控制變流橋臂所有單元的Uc之均值；通過互補地調節Uu、Ud大小，實現對Ac端電位的調節；通過動態調節Uu、Ud的相對大小改變流過上伸縮臂Bu、下伸縮臂Bd的電流IP、In的分配，進而平衡兩者Uc均值之差異；通過調節上伸縮臂Bu、下伸縮臂Bd內的各單元端口間電壓臺階化的均值相對大小，平衡伸縮臂中各單元的Uc的差異。作為改進的變流控制方法，所述的單元的開關調制脈沖相位采取以下四種方式之(1)同一伸縮臂中的各單元采用脈沖相位相同的控制方式；或(2)同一伸縮臂中的各單元采用脈沖相位遞延的控制方式；或(3)同一伸縮臂中的各單元采用載波按圓周角等分移相的SPWM調制，上伸縮臂 Bu、下伸縮臂Bd之間對應單元的載波相位互補；或(4)對于三個橋臂構成三相DC/AC、AC/DC變流器，各橋臂的同位單元六個一組采用SVPWM方式控制，同一伸縮臂中的各單元調制載波按圓周角等分移相。本發明有益效果與創新點本發明解決了大多數高壓多電平線路隨著電平數的增加其復雜度也急劇增加的問題；還解決了無變壓器級聯多電平線路只能用于無功變流、不能用于高壓電機變頻驅動等有功變流的問題；相比于變壓器級聯多電平線路，本發明不再需要變壓器提供多繞組獨立電源；同時，本發明也解決了平衡級聯多電平線路不能同時適應高壓輸入/輸出變流的問題。本發明的優點在于(1)隨變流器的電平數的提高，其中所需的元器件數量隨之線性增加，線路復雜度沒有顯著增加。(2)模塊化電路結構，模塊內部與模塊之間電磁兼容性好。(3)能夠實現AC/DC、DC/AC、AC-DC-AC、DC/DC與AC/AC等多種高壓雙向變流功能， 能夠執行有功與無功變流。(4)系統具備單元電壓自平衡功能，安全冗余設計條件大為寬松，安全可靠。(5)輸入/輸出能量交換與各單元直接關聯，弱化了能量在各級模塊間的宏觀轉移，提高了效率。(6)集高壓、高頻化于一體，可實現極高的等效工作頻率，顯著降低設備電磁干擾 (EMI)噪音，極大降低濾波器的尺寸。(7)高壓電路啟動十分簡便，無須設置專門的高壓預充電線路。(8)輔助供電可以從單元自身方便地獲取，無須高壓隔離輔助電源。基于上述可貴特點，本發明適合于多電平的中壓、高壓、甚至特高壓的AC/DC、DC/ AC、DC/DC的變流，能夠廣泛應用于中/高壓變頻、電力電子變壓器、新能源直接并網、智能電網應用，特別是適合于電力系統特高壓的變流應用。
圖1為多電平橋臂的構成；
圖2為橋臂中電感個數與位置；
圖3為平衡非對稱型變流單元及其連接；
圖4為平衡對稱型變流單元及其連接；
圖5為平衡型單元構成伸縮臂；
圖6為簡化的平衡非對稱型變流單元及其連接；
圖7為簡化的平衡對稱型變流單元及其連接；
圖8為伸縮臂同位單元；
圖9為平衡非對稱型單元構成各種交/直流線路
圖10為對稱型單元構成三相電子調壓器；
圖11為由平衡對稱型伸縮臂構成的AC變流電路
圖12為平衡對稱型單元構成交/交變頻線路。
具體實施例方式為更利于閱讀，本發明在此后的內容中省略了各開關、級聯端的順序編號。但其對應關系仍可根據說明書內容及附圖清楚、毫無疑義地進行識別，與發明內容部分的表述保持了高度的一致。特此說明。1. 1伸縮臂與橋臂的基本原理本發明的伸縮臂在阻斷電壓/電流或直接導通方面與普通開關有所類似，例如伸縮臂的端電壓可以呈現短接或斷路狀態。伸縮臂還兼有限壓的特性，當伸縮臂呈現阻斷狀態時，如果有電流強行通過，伸縮臂兩端呈現為一個阻斷電壓。儲能電容C上的電壓為Uc。 當伸縮臂快速阻斷時，線路上的雜散參數所引起的電壓尖峰能夠被伸縮臂的C自然地吸收，電路有相當好的電磁兼容性。伸縮臂與普通開關最大的不同點是，通過開關的控制，伸縮臂兩端呈現的電壓是可控的，可以是若干單元的Uc之代數和；若各單元開關以PWM等脈沖方式控制，伸縮臂的端電壓的平均值可以連續調節。本發明提出的伸縮臂由變流單元級聯構成。所謂變流單元，如常見的BUCK、B00ST、 BUCK-BOOST、半橋、全橋等拓撲，以及在此基礎上構成的更復雜的拓撲。圖3、圖4中虛線框所標的都是變流單元的案例。變流單元通過級聯形成單個伸縮臂，如上述第四、第五種電路(即級聯多電平和平衡級聯多電平)都可以看作是一種伸縮臂。本發明由單元構成伸縮臂， 進而構成橋臂的過程如圖1所示。橋臂的P、N兩端能承受電壓UPN，伸縮臂Bu、Bd承受的電壓分別為Uu、Ud，通過脈沖控制其中的開關能夠調節變流單元的級聯電壓(Us，參見圖10)從而能調節Ac端對N端的電壓UAcN。當橋臂采用非對稱型變流單元時，UPN、Uu、Ud為正向電壓；當橋臂采用對稱型變流單元時，這些電壓都允許為負，即橋臂與伸縮臂具有正、負對稱的極性。本發明中伸縮臂、橋臂、開關都是假定上正、下負排列，這是為了敘述原理的方便；若改成上負、下正排列， 功能也是一樣的。為抑制橋臂在調節過程中的電流沖擊和脈動，Bu、Bd之間串聯電感Lb是必須的， Lb可以放在串聯支路上的任何位置，或分裂成兩個Lb而分置于串聯支路上Ac的兩側，也可以分裂成若干個電感分置于各個變流單元之中。串聯電感的位置和個數的不同，僅僅使電路特性略有差異，但橋臂本身的工作原理沒有本質上的區別，圖2是其中的幾個案例。對于電機驅動一類應用，因電機負載本身有電感，每一橋臂采用單個Lb就可以工作，當用于一般性負載，還是需要用兩個Lb來平滑橋臂各端的電流。伸縮臂的外側單元引出其正、負(ρ*、η*)端作為橋臂的輔助端，橋臂有兩個伸縮臂，因而共有四對輔助端。為敘述簡單起見，在附圖的橋臂與伸縮臂中不再逐個畫出。這些輔助端是備用的，例如在啟動時低壓電源可通過這些輔助向伸縮臂Uc預充電。這些輔助端在上述由對稱型單元構成的伸縮臂與橋臂中是無效的。本發明的橋臂可以在各種橋式或類似電路中替代普通開關構成新電路。1. 2伸縮臂的能量平衡原理伸縮臂本質上是一個儲能的開關，只要不是短接狀態，電流會引起其中單元的Uc 的變化。因此，伸縮臂用于通過交流電或脈沖電流；除了短接外，不能通過平穩的直流電。 單元中C的取值，是以Uc不發生顯著變化為前提的(例如不超過1-10% )，這與電流的大小有關，對于交流電還與頻率有關。應用時應保持伸縮臂中各單元的Uc維持基本不變。伸縮臂上的電流、電壓包含直流與交流或脈沖成分。為實現變流功能，需要滿足 1)伸縮臂能量維持周期性平衡；2)橋臂能滿足輸入/輸出電壓關系。根據電工原理，對于DC/AC的輸出調節中，使伸縮臂上的電流與輸出交流電壓不產生有功電流即可。為達到能量平衡，伸縮臂電壓較低時(即收縮時)通過較大的電流(IN、 Ip)，較高時(即舒展時)通過較小的反向電流；與此相關，通過伸縮臂的平均電流會形成直流，該平均電流值乘以輸入橋臂電壓就是電路的輸入功率。對于AC/AC變流且輸入/輸出頻率不一樣時，伸縮臂上含有兩個頻率的交流電壓疊加成分。根據電路原理，兩個不同頻率的電壓與電流不會產生有功電流，因此只要通過調節，使輸入/輸出兩個頻率在伸縮臂上的有功功率分別為零或相互抵消，就能夠維持伸縮臂能量周期性平衡要求。對于AC/AC變流且輸入/輸出頻率一樣的情況，相當于變流器作為調壓器的情況， 為了維持伸縮臂能量周期性平衡要求，須使伸縮臂上的電流引起的有功功率為零。如果橋臂僅僅流過與Upn相關的有功電流，伸縮臂上的電壓相位應與此相差90°，因此AC/AC變流的變流會伴生輸入/輸出電壓的相移。對于DC/DC變流，為避免伸縮臂能量的積累，橋臂不能輸出平穩的DC電壓。然而，橋臂還是能夠輸出脈沖的電壓，該假定輸出電壓為UA。N(I，在一個周期中的前一時段輸出高于UA。N(1的電壓，在后一時段輸出低于UA。N(1的電壓，并使一周期的平均值為Uacno ^α。ν較低時通過較大的橋臂電流(IN、IP)，UA。N較高時通過較小的反向電流，以保持伸縮臂的周期性能量平衡。脈沖式的DC/DC輸出經過濾波，就能變成平穩的DC。雖然前面的AC/DC與AC/AC的也需要濾波，但輸出紋波通常為Uc大小的脈動而容易濾除。從橋臂的DC/DC變流原理看出，DC/AC與AC/AC變流也可以采用脈沖方式工作，用于電子調壓器時也不會必然伴生輸入/輸出電壓的相移。脈沖方式工作的缺點是輸出脈動大，需要加強濾波。符號Uu、Ud分別為Bu和Bd的端電壓，UA。是橋臂中點Ac對N端的電壓。IP、IN、IAc 分別為流過橋臂P端、N端和Ac端的電流，Iac = Ip-In ；而Ipn則為流過橋臂的平均電流Ipn =(Ip+In)/2。參見圖 1。當橋臂的P、N端接于直流電源的正、負端時，Uu+Ud = Upn，伸縮臂的特點是其兩端的電壓迅速可變，而其各單元中的儲能電容電壓Uc則相對穩定；各單元端電壓化的改變引起Ip、IN、IA。的改變，串聯電感的存在限制了電流的變化率，而電流的改變最終會影響到Uu、 Ud和隊。『本發明通過多重管理實現對于IP、IN、IA。、Uu、Ud和Uacn等參數的統籌控制(1) Ipn的控制是通過調節Uu、Ud之和來實現的，例如當Uu+Ud < Upn時Ipn就會增大。(2)控制Uacn時，Uiu Ud的調節需要保持互補關系，即Uu的增加與Ud的減少基本相當，這樣才可以避免對流過橋臂的平均電流Ipn的擾動。(3)輸出平衡時，Ud = Uacn，Uu = Upn-Uacno通過調節UtuUd的相對大小，就能改變 IP、In的分配，從而改變Ac端的電流IA。。例如增大Ud并減小Uu,使Ud > UAcN,Uu < UPN-UAcN。 于是Ip變小、In變大，Iac也隨之變小。(4)通過調節伸縮臂內的各單元端電壓(Us)的相對大小，可以平衡各單元Uc的差異。實際上，對于由非對稱型和平衡對稱型單元構成的橋臂，其各單元間的Uc差值可以由其平衡功能得以抑制；但通過脈沖調節平衡各單元的Uc，可以減少能量在個單元間的過分流動，以降低損耗。從能量角度看，控制了 Ipn的就能控制橋臂的總能量，也就是控制了橋臂中所有變流單元的Uc的平均值；控制了 Ip和In,也就能夠分別控制Bu, Bd中Uc的平均值。Ip, IN、上述控制目標中，有些目標兩者只能擇一。例如，UA。N與IA。的控制目標只能實現其一，前者對應Ac端接獨立負載(如接電機)，后者對應Ac端接電壓源(如并在電網上)。 Uu、Ud與IP、In的關系也是類似，不再贅述。圖1的橋臂中，兩個伸縮臂之間僅僅只有一條連接線，Bu, Bd之間不能傳遞能量， 這在DC/DC以及極低頻率下且要求平穩輸出的交流變頻，Bu、Bd中Uc的變化幅度可能會過大。由于Uc的變化方向相反，采取雙線連接為Bu、Bd的能量交換提供了通道，有利于減小 Uc的變化幅度。此種情況下Lb電感位置不適合于放置在Bu、Bd連接處，而應移到P、N端， 以免干擾Bu、Bd之間的能量交換。但是因IP、In電流不等，兩個伸縮臂之間發生的能量宏觀轉移有時可能會比較顯著，從而增加變流器的損耗。在一些單元間有雙線連接的伸縮臂中，由于同一伸縮臂中單元間的電流相等，情況會顯得輕微。只要各單元偏離儲能平衡點的情況是能接受的，那么也可以關斷單元中相應的平衡開關(如圖3的K3，圖4的K5、K7等)，以減少損耗。上述雙線連接的另一好處是，在橋臂啟動時低壓電源只要接橋臂的一對輔助端 (例如Bd的η端單元的ρ*、η*)，就可以完成向伸縮臂Uc預充電。參見圖9、12。1. 3對稱型變流單元及其連接本發明伸縮臂可以采用對稱型變流單元(如圖10虛線框所示)構成的級聯電路， 對稱型變流單元可以采用普通全橋電路等常規對稱型變流單元，單元之間的級聯通過一條連線實現。對稱型變流單元具有-1、0、1三個電平，兩個連接端點Ζ12、Ζ22完全對稱，單元端口間的電壓臺階為Us (即Z12、Ζ22之間的電壓)。本發明伸縮臂同于上述第四種電路。當各變流單元均接上獨立電源時，伸縮臂可以作為DC/AC或AC/DC變流應用；當各變流單元沒有獨立電源時，由于缺乏直流接入點，伸縮臂只能實現交流無功變流(例如STATC0M和APF應用)。然而，以第四種電路作為本發明的伸縮臂，由其和串聯電感Lb所構成的橋臂卻可用于DC/AC或AC/DC高壓變流，只是其中各變流單元的Uc不會自動平衡，其平衡控制比較困難是其弱項。1. 4平衡非對稱型變流單元及其連接本發明的平衡非對稱型變流單元(簡稱非對稱型單元)及級聯的例子如圖3所示。圖3中Ls放在第一單元的Z21與第二單元的Zll之間，其效果與放在第一單元的Z22 與第二單元的Z12之間是類似的，不再贅述。為方便起見，這里都以圖3為例說明原理。變流單元工作時，開關Kl與K2不能同時開通，同樣地開關K3與K4也不能同時開通。為防止上、下開關同時導通引起短路，Kl或K2(以及K3或K4)的開通動作有一死區間隙，時間稍微長于開關控制的誤差時間，在死區時間里一對開關均不導通。單元級聯電壓 Us為Ζ12與Ζ22之間的電壓，有0、1兩個電平。通過控制Κ1、Κ2兩個開關，就可以對化進行控制。例如K1通而K2斷，Us為Uc ；Kl斷而K2通，Us為0。通過控制開關在一個開關周期中的通斷時間比例以及相位，就可以控制變流單元的Us平均值，從而起到變流調節作用。Kl與K2均斷開，是一個特殊狀態，沒有電流通過時Us是不確定的；若有電流通過Kl的逆導二極管，則化呈現為Uc0由于在平衡非對稱型變流單元構成的伸縮臂中，采用了相鄰單元上下錯位的接法，每個單元的可以利用的電平為0和1，1電平對應1個Uc。N個變流單元級聯后形構成的伸縮臂具有N+1電平，由兩個伸縮臂構成的橋臂，UA。N的可控電平數仍為N+1。例如兩個平衡非對稱型變流單元級聯后，伸縮臂的3個可控電平分別為0、Uc、2Uc。在非對稱型變流單元中，K3、K4是作為平衡用的。變流單元級聯時，相鄰單元的Uc 的差別會通過相鄰相關開關(即相鄰單元的相關開關)進行電荷轉移來實現自動均壓。圖 3中左邊單元的Κ3、Κ4、以及右邊單元的ΚΙ、Κ2全都屬于相鄰相關開關。在相鄰相關開關中，Κ2、Κ3開關接通時，通過開關將兩個相鄰單元的C并接使兩個 Uc趨同，其中Ls或R都是起限制均壓電流沖擊作用的。與Ls并聯時，R的作用是抑制平衡電流在單元間的振蕩。例如取R2 < Lsl/C就可以有效地抑制這種振蕩，但采用R會增加一些損耗。單獨用R代替Ls，會增加功耗。為敘述簡單起見，附圖中僅僅列出了使用Ls連接的一種情況。當平衡電流過大時，還可以通過控制K2、K3的導通時間來加以限制。Κ2、Κ3關斷時ΚΙ、K4的逆導二級管提供續流通道。K3、K4僅僅流過平衡電流時，其功率容量要求會低于K1、K2。由非對稱型變流單元級聯構成的伸縮臂，單元之間可以通過級聯端口交換能量， 自動平衡單元的Uc電壓。伸縮臂η端單元的Κ3、Κ4不是必要的，但從中引出的η’可以用于Bu、Bd之間的 Uc平衡。容易想到將K3、K4利用起來，用η’端代替η端作為伸縮臂的負端，可以為η端單元(及伸縮臂)增加一個-Uc電平，使伸縮臂具有一個Uc反向電壓阻斷能力，以下說明不再贅述。1. 5平衡對稱型變流單元及其連接圖4是本發明的平衡對稱型變流單元及級聯的例子。圖4中Ls放在第一單元的 Ζ21與第二單元的Zll之間，其效果與放在第一單元的Ζ22與第二單元的Ζ12之間是類似的，不再贅述。為方便起見，這里都以圖4為例說明原理。變流單元工作時，開關Kl與Κ2不能同時開通，同樣地開關Κ3與Κ4、Κ5與Κ6、Κ7 與Κ8也不能同時開通。為防止上、下開關同時導通引起短路，Kl與Κ2 (以及Κ3與Κ4、Κ5與 Κ6、Κ7與Κ8)的開通動作有一死區間隙，時間稍微長于開關控制的誤差時間，在死區時間里一對開關均不導通。單元級聯電壓化為212與Ζ22之間的電壓，有0、1、-1三個電平。通過控制Kl、Κ2、Κ3、Κ4四個開關，可以對Us進行控制。例如=KU Κ4通，而Κ2、Κ3斷，Us為 Uc ；KUK4斷，而Κ2、Κ3通，Us為-Uc ；KU Κ3通，或Κ2、Κ4通，Us均為0。通過控制開關在一個開關周期中的通斷時間比例以及相位，就可以控制變流單元的化平均值，從而起到變流調節作用。Κ1、Κ2、Κ3與Κ4均斷開，是一個特殊狀態，沒有電流通過時化是不確定的；若有電流通過ΚΙ、Κ4的逆導二極管，則Us呈現為Uc ；若有電流通過Κ2、Κ3的逆導二極管，則 Us呈現為-Uc。在平衡對稱型單元中Κ5、Κ6、Κ7、Κ8是用于平衡的，變流單元級聯時，相鄰單元的 Uc的差別會通過相鄰相關開關進行電荷轉移來實現自動均壓。圖4中左邊單元的Κ3、Κ4、 Κ7、Κ8以及右邊單元的ΚΙ、Κ2、Κ3、Κ4全都屬于相鄰相關開關。在相鄰相關開關中，Κ3與Κ7或Κ4與Κ8同時開通時，左邊單元的連接端口 Ζ21、 Ζ22之間呈零電平；Kl與Κ5或Κ2與Κ6同時開通時，右邊單元的連接端口 Ζ11、Ζ12之間呈零電平；當Κ3與Κ8或Κ4與Κ7同時開通時，左邊單元連接端口 Ζ21、Ζ22之間分別呈1與_1 電平；當Kl與Κ6或Κ2與Κ5同時開通時，右邊單元的連接端口 Ζ11、Ζ12之間呈1與-1電平。只有控制兩邊端口的電平一致，才能使兩個相鄰單元的Uc平衡得以正常進行、電壓趨同，其中Ls或R是起限制均壓電流沖擊作用的。與Ls并聯時，R的作用是抑制平衡電流在單元間的振蕩。例如取R2 <Lsl/C就可以有效地抑制這種振蕩。單獨用R代替Ls，會增加功耗。為敘述簡單起見，附圖中僅僅列出了使用Ls連接的一種情況。當平衡電流過大時，還可以通過對K5、K6、K7、K8的導通時間來加以限制，這些開關關斷時情況與非平衡型類似， 不再贅述。K5、K6、K7、K8僅僅流過Ls的平衡電流時，其功率容量要求會低于Kl、K2、K3、 K4。1. 6平衡非對稱型與平衡對稱型變流單元的簡化、單元間連接及應用特點圖6是簡化的平衡非對稱型變流單元及級聯的例子，單元中K4簡化為二極管；對于單元中Kl簡化為二極管的情況，效果是類似的，參見圖9。圖7是簡化的平衡對稱型變流單元及級聯的例子，單元中K6、K8簡化為二極管。在上述簡化電路中，因Ls的電流不可能通過開關維持循環，平衡電流的控制模式有所差別。簡化并將二極管端子改接的平衡對稱型變流單元的例子參見圖12，如單元中K6、 K8 二極管所示。這一改接并沒有影響Ls的續流功能，但平衡電流通道的縮短能減少一些損耗。將平衡非對稱型相鄰單元之間Z21與Zll直接連接的做法，可以節省元件。這種連接所構成的伸縮臂類似于上述第五種電路，用于構成橋臂則屬于本發明，缺點是平衡電流缺乏限制機制；優點是便于將伸縮臂集成到一個模塊中，便于高壓小功率的應用。將對稱型相鄰單元之間Z21與Zll直接連接的做法，效果類似，不再贅述。對于由非對稱型單元與平衡對稱型單元兩者混合級聯構成的伸縮臂，其中的單元也可以參照上述做法來簡化，不再贅述。上述簡化，一般不針對伸縮臂兩端的外側開關。當單元間通過兩個電感連接時，LsU Ls2可以取相同的值。采用獨立電感的好處是可以將串聯電感Lb分散到單元之間，變流器不再需要大電感。耦合電感連接的案例參見圖12，Lsl、Ls2同名端接法是使Uc平衡電流在兩個電感中的磁通相互增強，從而增加單元間的差模電感量。采用耦合電感的好處是，單元間的宏觀電流(即Ip或In)所引起的磁通在耦合電感內相互抵消，從而可以減小連接電感的體積。當單元間采用兩個連接電感時，實際上兩條連接線處于對等的情況，非對稱型與平衡對稱型單元中不再指定用于平衡的開關，所有開關平等地參與功率傳輸與Uc平衡，這對提高單元的變流功率是有利的。R為阻尼電阻，其作用是抑制平衡電流在單元間的振蕩。例如對于獨立電感情況， 取R2 < 2Lsl/C就可以有效地抑制這種振蕩。1. 7平衡非對稱型與平衡對稱型變流單元的應用特點由平衡非對稱型變流單元與平衡對稱型變流單元同屬平衡型變流單元，由平衡型變流單元構成伸縮臂的例子參見圖5。平衡對稱型變流單元結合了平衡變流單元與對稱型變流單元兩者的優點，它能夠實現各單元之間Uc的平衡，兩邊的級聯端又具有對稱性。對稱型與平衡對稱型單元所構成伸縮臂、進而構成的橋臂，主要應用于AC/AC(包括交流有功與無功變流)，還可以應用于AC/DC或DC/AC變流。例如在AC/AC變流中，Bu與 Bd若取相等的單元數m，此時伸縮臂的Upn和橋臂的Uacn的電平數均為2*m+l。對于AC/DC 或DC/AC變流，若Upn < m*Uc，則UA。N的幅度可以超出Upn，即交流電壓幅度大于直流電壓源！由平衡非對稱型單元所構成伸縮臂、進而構成的橋臂，可用于AC/DC與DC/AC變流。若利用η’作為伸縮臂的負端，由于Ac點的電壓可以上、下超越Upn各一個電平，對于 AC/DC/AC的變換而言，可以更充分利用DC電壓幅度。將平衡非對稱型單元與平衡對稱型單元兩者混合級聯構成伸縮臂、進而構成橋臂，比較適合于在AC與DC電壓有混疊的情況下應用。例如，在DC/AC變流電路中，當AC輸出電壓高于DC輸入電壓時可采用混合級聯伸縮臂。1. 8變流橋臂的脈沖控制方式在滿足橋臂中各變流單元Uc的平衡要求前提下，本發明的開關脈沖控制方法可以是多種多樣的。實際上，一些用于普通二電平逆變橋的許多脈沖調制方案都可以用于本發明的變流橋臂的控制，例如階梯波形法(低次諧波含量最小法、指定諧波消除法等)、脈沖寬度調制(PWM)(包括消諧波法、開關頻率優化法、相移脈寬調制法和空間矢量調制方法以及脈沖幅值調制法)。相對而言，正弦波脈沖寬度調制(SPWM)，特別是其中的正弦相移脈寬調制法是比較適合本發明的脈沖控制。所有變流單元的對應開關動作可以是同步的(例如所有單元的Kl都是同步的)， 但是這會使Ac點的電壓變化率很高，不利于電磁兼容性，電路也往往需要配置很大的濾波器。這種做法的優點是，單元的儲能電容C取值很小也能工作。若是所有變流單元的對應開關相互間前后動作依次稍微相差一點(例如1微秒)， 即相鄰單元間脈沖相位遞延，就可以使電壓上升、下降有一斜坡，有利于降低對于電源和負載的沖擊。對于同一伸縮臂中的各單元采用脈沖相位相同或是相位遞延的控制方式，相當于用伸縮臂替代高壓功率半導體開關，相比于低耐壓功率半導體開關的直接串聯，其均壓控制要可靠得多。若是所有變流單元的對應開關按照同一個開關周期，相位依次前后錯開一個相等的角度，Ac點可以產生最為平緩的電壓波形，開關紋波的頻率為變流單元開關頻率乘以級聯的變流單元個數，這種方法稱之為正弦波移相脈寬調制。例如，對于19電平的三角波載波SPWM情況，每一載波相互錯開了 20°，如果每個變流單元的開關頻率為10kHz，伸縮臂的等效開關頻率可達180kHz。橋臂中，由于需要上、下伸縮臂的承受電壓總和保持不變(為直流電壓)，因此兩個伸縮臂的對應開關動作是互補的。橋臂中的兩個伸縮臂、多相橋臂之間的相位錯開的合理安排，都有利于開關紋波的進一步抑制，以顯著減輕變流器對濾波電路的需求。一般地，若伸縮臂中所有變流單元的開關采取同步動作，因開關特性不一致等只會激發起Uc微弱的不平衡動力，即使沒有Ls或R，問題也不嚴重；但對于采取遞延、甚至移相工作，會引起Uc較大的不平衡動力，本發明的平衡機制能有效解決這一問題！本發明的三相變流線路不僅可以采用上述正弦波移相脈寬調制，也可以采取常規的三相六開關變流器所用的正弦波空間矢量調制方法(SVPWM)和移相SVPWM方法，在DC/ AC、AC/DC變流中應用均可提高電路的電壓利用率。具體做法一例把三相橋臂中的每一伸縮臂看作是常規二電平的一個開關，將常規空間矢量調制方法用之于橋臂中的每一單元，并且級聯中的所有變流單元采用同一個開關周期，三個橋臂中的同位單元相位依次每組前后相互錯開一個相等的角度，這樣三個Ac 點之間可以就產生最為平緩的正弦電壓波形，同時又能利用空間矢量調制方案中直流電源電壓利用率高的優點。圖8是關于伸縮臂中的同位單元劃分的案例，圖中的三個伸縮臂，分別是圖9中三個橋臂的三個伸縮臂Bu，虛線框住的三個一組的變流單元即為同位單元；另外，在三個橋臂的另外三個伸縮臂Bd中還有對應的另三個同位單元；因此，每組同位單元共有六個。1. 9由變流橋臂構成各種變流器本發明非對稱型橋臂可以作為雙向DC/DC變流使用。Ac端在DC/DC變流應用中為直流端之一，在DC/AC應用中則為交流端。作為DC/DC應用時，若P、N端口為輸入端，Ac (串聯一個濾波電感后)、N為輸出端，就構成了降壓型DC/DC變流器；反之，若Ac (串聯一個濾波電感后)、N為輸入端，P、N端口為輸出端，就構成了升壓型DC/DC變流器。由于伸縮臂一般不適合于維持平穩直流(Ip或In)，若依靠Bu、Bd之間的雙線連接其能量交換效率又比較低，因此在DC/DC電路中Uacn的輸出往往為脈沖電壓，Ac端串接濾波電感是必要的。作為交流應用時，橋臂在N(或P)與Ac之間形成交流電壓，Ac為交流端口。本發明的方案可以用于DC/AC與AC/DC的三相變流，但不僅限于三相。三個橋臂直流端共用一個直流電源，就可以在三個橋臂的Ac端形成三相電壓。圖 9所示其中一例是高壓整流/逆變電路，A、B、C是電網三相輸入點，電網經過整流器給本發明的三相逆變橋提供直流電，逆變側a、b、c點輸出三相高壓變頻電壓驅動電機。該高壓整流/逆變電路輸出通常為正弦波電壓，其實同樣可以輸出方波或梯型波電壓以驅動無刷永磁電機一類負載。圖9另一案例是用于光伏并網逆變的DC/AC變流電路，其中的Ac端控制目標是并網電流。由兩個背靠背三相逆變電路構成的高壓變頻電路是圖9中所示的又一案例。 AC-DC-AC整流/逆變的變流電路，俗稱背靠背高壓變頻器，第一組三個橋臂的Ac引出三相交流端，另一組三個橋臂的Ac引出第二個三相交流端，可用于高壓電機的無變壓器高功率因數變頻驅動，也可應用于電力系統的輸配電變流。在DA/AC與AC/DC變流應用中，通常Bu與Bd中取相等的單元數以節省單元；但對于DC/DC的應用，則根據輸入/輸出電壓的比例而可以有所不同。對于多相星形接法，可以將多個橋臂的P端作為各相輸入端，各橋臂的Ac端作為個相輸出端，將多個橋臂的N端連接在一起作為輸入和輸出的共同中性點。對于多相多邊形接法，可以將多個橋臂的P端、N端依次相連并將連接點作為各相輸入端，各橋臂的Ac端作為各相輸出端。對于三相而言，星形接法就是Y接法，多邊形接法就是三角接法。圖10是一個采用Y接法的三相電子調壓器。在圖10的三個橋臂公共連接點引出中線，也可以構成三相四線接法。該電路屬于能量可以雙向流動的三相電路，可以具有電子調壓功能。輸入端(A、B、 C)送進交流電，輸出端(a、b、c)可以獲得同頻率的交流電。當Bu、Bd的單元數相等時，通過控制伸縮臂的開關0(1、1(2、1(3、1(4)，可以獲得變比為0到2(理論值)的調壓功能；該電路也可以反過來應用，變比大致為2到10。當應用的輸入/輸出比例比較接近且采用SPWM 控制時，Bu的單元數可以少于Bd，以節省單元；此時，類似與自耦變壓器，通過Bd的電流顯著低于Bu。電子調壓器具有調壓、調相、糾正不對稱等功能，是一種變比非常靈活、具備雙向調壓功能的裝置，可以用于電力系統重要負載的配電調壓。圖11(a)、(b)分別是由對稱型伸縮臂構成的Y形與三角形變流器例子，其中每一伸縮臂的單元數可以取為相等。對稱型單元構成的伸縮臂能夠用于構成三相無功變流，這其實就是前面所說的第四種變流電路。本發明采用由平衡對稱型單元級聯構成的伸縮臂， 可以解決第四種電路中所遇到的單元儲能電容電壓平衡的困難，應能很好地用之于交流無功的應用。容易理解，進一步增加伸縮臂可以構成多相星形或多邊形無功變流器。從原理上而言，對稱型單元也可用于AC/AC變頻，但由于變頻電路的平衡控制復雜，還是采用平衡對稱型單元比較可靠。圖12中的Y接法AC/AC變頻器，形式上與圖10中電路類似，但增加了變頻功能。
對于單相和星形接法的AC/AC變頻器，在輸入/輸出變比大致為1的情況，考慮到同一橋臂上有時輸入與輸出電壓會幅度接近而方向相反，取Bu的單元數為Bd的兩倍是合適的。圖12中還分別給出了 Y形與三角形接法的電子變壓器。對于三角接法，Bu與Bd 的單元數比例為1 1是合適的；對于Y形接法，Bu與Bd的單元數比例取2 1更為合適的。采用AC/AC的拓撲確實比常規背靠背的AC/DC/AC要節省單元數(比例大致是3 4)。在本發明的電子變壓器中，AC/AC不僅可以采用常規的正弦/正弦變頻，也可以采用正弦/方波變流，使中頻變壓器在方波下工作，以提高變流效率。由于采用的中頻(例如 5kHz)遠高于工頻(50Hz)，變壓器的體積大為縮小。1.10說明與實施案例各圖中的符號P’與η’分別是非對稱型與平衡對稱型單元的Zll與Ζ21，它們出現在伸縮臂的外側單元上(分別是Ρ、η端單元)。各圖中的符號m是伸縮臂的單元數，ml、m2 分別是Bu、Bd的單元數。作為本發明的延伸，以本發明的一個特別的伸縮臂(這里稱作為微型伸縮臂)替代本發明的一個開關，進而構成伸縮臂、橋臂和變流系統。微型伸縮臂中的各單元的對應開關(例如所有K1)，采取脈沖相位相同控制方式，微型伸縮臂的電容量便可遠小于伸縮臂中單元的電容，便于采用模塊化封裝。實際上，微型伸縮臂可用作高壓開關，易于構造出更高電壓等級的變流系統。本申請提出的上述各項發明內容可以單獨或混合實施。圖9、圖10、圖11、圖12都是本發明的實施例。以下詳述其中兩個實例。(1) 一種十一電平的無變壓器高壓變頻器如圖9中的背靠背高壓變頻器所示，其中A、B、C為輸入三相電壓，a、b、c為輸出三相電壓。該電路為背靠背的AC/DC/AC的變流結構；采用平衡非對稱變流單元構成伸縮臂；在上下伸縮臂之間采用上述1. 2所述的加Ls雙線連接；兩組三相橋臂均以上述1. 8所述的SVPWM方式工作，單元開關頻率為10kHz，伸縮臂的等效開關頻率為100kHz。每個伸縮臂的單元數為十個，橋臂的電平數為11。該電路用于組成三相高壓變頻驅動，若每一電平為 2000V，則線電壓可達14. IkV交流。啟動時可以在Bd的η端單元的ρ*與η*之間(或Bu的ρ端單元的ρ*與η*之間)加一低壓電源，并收縮Bu與Bd，對各單元的C充電上電后再舒展伸縮臂，橋臂就可以直接投切到高壓，不需要專門的高壓預充電線路。另外Bu、Bd之間若為雙線連接，也是有利于簡化啟動控制的。對于啟動電源而言，若將圖9中Bd下方的Lb移到橋臂的Ac端會比較有利些，因該Bd由非對稱單元構成，其η端單元的η*就是橋臂的N端，橋臂也只要多引出一個Bd的η端單元的ρ*端。(2) 一種十五電平的電子調壓器如圖10所示，三個橋臂對應三相調壓，每一橋臂由Bu、Bd兩個伸縮臂和兩個Lb 構成，伸縮臂由七個對稱型變流單元構成。由于每一變流單元具有三個電平，考慮到重疊的七個零電平，伸縮臂具有十五個電平。該電路的單元開關頻率為5kHz，單元間采用移相 SVPWM調制，伸縮臂的等效開關頻率為35kHz。若每一電平為4000V，則調壓器的線電壓可達 39. 6kV 交流。
(3)由非對稱單元與對稱單元混合級聯合構成的光伏并網逆變電路值得一提的是，圖9的高壓整流/逆變電路中，若DC輸入電壓不夠高，則組合開關中采用非對稱型單元與平衡對稱型單元兩者混合級聯，電路可以較好地實現升壓變流功能。可以選取其中非對稱型單元Uc的串聯電壓等于DC電壓，平衡對稱型單元Uc的串聯電壓為略高于AC幅度超過DC的部分。當輸出電壓超過DC電壓時，伸縮臂能夠承受這一反向電壓。例如，組合開關中采用10個非對稱單元、5個對稱單元混合級別聯，若每一電平為 2000V，在DC電壓為20kV下，用于并網發電時可利用的橋臂中點輸出電壓峰-峰值可以達到 30kV。以上所述，僅是本發明的一些較佳實施案例而已，并非對本發明做任何形式上的限制，雖然本發明已以較佳實施案例揭示如上，然而并非用以限定本發明，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明技術方案范圍內，當可利用上述揭示的結構及技術內容做出些許的更動或修飾為等同變化的等效實施案例，但是凡是未脫離本發明技術方案的內容， 依據本發明的技術實質對以上實施案例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬本發明技術方案范圍內。
權利要求
1.一種適用于高壓應用的變流橋臂，包括儲能電容C與多個逆導型開關；其特征在于， 該變流橋臂由上伸縮臂Bu、下伸縮臂Bd和電感Lb串聯構成，上伸縮臂Bu和下伸縮臂Bd分別由若干個對稱型單元級聯構成；所述的對稱型單元由第一開關K1、第二開關K2、第三開關K3、第四開關K4及儲能電容C構成；其中，第一開關Kl與第二開關K2、第三開關K3與第四開關K4分別串聯；第一開關Kl與第三開關K3 的正端相連作為單元的正端P*，第二開關K2與第四開關K4的負端相連作為單元的η*端； 儲能電容C接于正端ρ*和負端η*之間；第一開關Kl與第二開關Κ2的連接處為單元的第二級聯端Ζ12，第三開關Κ3與第四開關Κ4的連接處為單元的第四級聯端Ζ22 ；所述若干個對稱型單元的級聯方式為相鄰的兩個單元之間，前一單元的第四級聯端 Ζ22與后一單元的第二級聯端Ζ12相連；橋臂的上、下端分別為橋臂的P端和N端；上伸縮臂Bu和下伸縮臂Bd兩端的外側單元中引出其正端P*和負端η*作為變流橋臂的輔助端；并以其第二級聯端Ζ12為ρ端、第四級聯端Ζ22為η端，ρ端、η端的排列與變流橋臂P端、N端的方向一致；上伸縮臂Bu的η端與下伸縮臂Bd的ρ端之間的連線上引出橋臂的中點即Ac端；電感Lb是下述形式中的任意一種(1)有一個電感Lb，位于上伸縮臂Bu、下伸縮臂Bd的串聯支路上的任何位置；(2)有兩個電感Lb，分置于上伸縮臂Bu、下伸縮臂Bd的串聯支路上Ac端的兩側；(3)有若干個電感Lb，分置于各對稱型單元之中。
2.基于權利要求1所述變流橋臂的AC調壓器，由一個或多個變流橋臂構成，其特征在于AC調壓器由一個變流橋臂構成的情況下，該變流橋臂的P端、N端組成一個交流端口， Ac端、N組成另一個交流端口，從而構成單相電子調壓器；或者，AC調壓器由多個變流橋臂構成的情況下，各變流橋臂的P端、N端分別按照多邊形或星形接法引出一個多相交流端口，各變流橋臂的Ac端分別引出另一個多相交流端口，從而構成多相AC/AC電子調壓器。
3.一種適用于高壓應用的變流橋臂，包括儲能電容C與多個逆導型開關；其特征在于， 該變流橋臂由上伸縮臂Bu、下伸縮臂Bd和電感Lb串聯構成，上伸縮臂Bu和下伸縮臂Bd分別由若干個單元級聯構成；所述的單元是平衡非對稱型單元或平衡對稱型單元中的任意一種或兩種；所述平衡非對稱型單元由第一開關K1、第二開關K2、第三開關K3、第四開關K4及儲能電容C構成；其中，第一開關Kl與第二開關K2、第三開關K3與第四開關K4分別串聯；第一開關Kl與第三開關K3 的正端相連作為單元的正端P*，該端同時也是單元的第一級聯端Zll ；第二開關K2與第四開關K4的負端相連作為單元的負端n*，該端同時也是單元的第四級聯端Z22 ；儲能電容C 的兩端分別接于第一級聯端Zll和第四級聯端Z22 ；第一開關Kl與第二開關K2的連接處為單元的第二級聯端Z12，第三開關K3與第四開關K4的連接處為單元的第三級聯端Z21 ；所述平衡對稱型單元由第一開關K1、第二開關K2、第三開關K3、第四開關K4、第五開關K5、第六開關K6、第七開關K7、第八開關K8及儲能電容C構成；其中，第一開關Kl與第二開關K2串聯，其連接處為單元的第一級聯端Zll ；第三開關K3與第四開關K4串聯，其連接處為單元的第三級聯端Z21 ；第五開關K5與第六開關K6串聯，其連接處為單元的第二級聯端Z12 ；第七開關K7 與第八開關K8串聯，其連接處為單元的第四級聯端Z22 ；第一開關K1、第三開關K3、第五開關K5與第七開關K7的正端相連作為單元的正端p*，第二開關K2、第四開關K4、第六開關 K6和第八開關K8的負端相連作為單元的負端η* ；儲能電容C的兩端分別接于正端ρ*與負端η氺；所述若干個單元的級聯方式為相鄰的兩個單元之間具有兩組級聯端的連接關系，具體為前一單元的第三級聯端Ζ21與后一單元的第一級聯端Zll相連，前一單元的第四級聯端Ζ22與后一單元的第二級聯端Ζ12相連；其中，有一組級聯端是通過電感Ls或電阻R或電感Ls與電阻R的并聯電路實現連接的，另一組級聯端則是直接連接；上伸縮臂Bu和下伸縮臂Bd兩端的外側單元中引出其正端P*和負端η*作為變流橋臂的輔助端；并以其第二級聯端Ζ12為ρ端、第四級聯端Ζ22為η端，ρ端、η端的排列與變流橋臂P端、N端的方向一致；上伸縮臂Bu的η端與下伸縮臂Bd的ρ端之間的連線上引出橋臂的中點即Ac端；電感Lb是下述形式中的任意一種(1)有一個電感Lb，位于上伸縮臂Bu、下伸縮臂Bd的串聯支路上的任何位置；(2)有兩個電感Lb，分置于上伸縮臂Bu、下伸縮臂Bd的串聯支路上Ac端的兩側；(3)有若干個電感Lb，分置于各對稱型單元之中。
4.根據權利要求3所述的變流橋臂，其特征在于，所述伸縮臂由平衡非對稱型單元級聯構成；相鄰兩個單元中，前一單元的第四開關K4和后一單元的第一開關Kl的其中之一以二極管代替，該二極管的極性與被代替的開關中逆導二極管的極性相同。
5.根據權利要求3所述的變流橋臂，其特征在于，所述伸縮臂由平衡對稱型單元級聯構成；相鄰兩個單元中，前一單元的第七開關K7、第八開關K8和后一單元的第五開關K5、第六開關K6其中一個或兩個以二極管代替，且同一單元中的兩個開關不能同時被二極管代替，該二極管的極性與被代替的開關中逆導二極管的極性相同。
6.根據權利要求3所述的變流橋臂，其特征在于，所述伸縮臂由平衡對稱型單元級聯構成；相鄰兩個單元中，前一單元的第七開關K7、第八開關K8和后一單元的第五開關K5、第六開關K6其中一個或兩個以二極管代替，且同一單元中的兩個開關不能同時被二極管代替，該二極管的極性與被代替的開關中逆導二極管的極性相同；同時，對被二極管替代的第五開關K5、第六開關K6、第七開關K7或第八開關K8的連線方式改接第五開關K5的正端、第六開關K6的負端改接到第二級聯端Z12，第七開關K7的正端、第八開關K8的負端接到第四級聯端Z22 ；這種改接僅涉及替代的二極管，未被替代的開關不改接；這里所述的正、負端是指替換前的原開關的極性，而非指替代后的二極管的極性。
7.根據權利要求3所述的變流橋臂，其特征在于，所述伸縮臂由平衡非對稱型單元級聯構成；且相鄰兩個單元中，前一單元的第三級聯端Z21與后一單元的第一級聯端Zll直接連接，前一單元的第四級聯端Z22與后一單元的第二級聯端Z12直接連接；前一單元的第四開關K4與后一單元的第一開關Kl中，省略其中之一。
8.根據權利要求3所述的變流橋臂，其特征在于，所述伸縮臂由平衡對稱型單元級聯構成；且相鄰兩個單元中，前一單元的第三級聯端Z21與后一單元的第一級聯端Zll直接連接，前一單元的第四級聯端Z22與后一單元的第二級聯端Z12直接連接；前一單元的第七開關K7與后一單元的第五開關K5中，省略其中之一；前一單元的第八開關K8與后一單元的第六開關K6中，省略其中之一。
9.根據權利要求3所述的變流橋臂，其特征在于，上伸縮臂Bu的η端單元與下伸縮臂 Bd的ρ端單元之間采用雙線連接，具體為η端單元的第四級聯端Ζ22與ρ端單元的第二級聯端Ζ12直接連接，η端單元的第三級聯端Ζ21與ρ端單元的第一級聯端Zll通過電感Ls 或電阻R或電感Ls與電阻R的并聯電路實現連接。
10.根據權利要求3所述的變流橋臂，其特征在于，所述若干個單元的級聯方式替換為相鄰的兩個單元之間具有兩組級聯端的連接關系，具體為前一單元的第三級聯端Ζ21 通過電感Lsl與與后一單元的第一級聯端Zll相連，前一單元的第四級聯端Ζ22通過電感 Ls2與后一單元的第二級聯端Z12相連；電感Lsl和電感Ls2具有下述四種關系中的任意一種(1)Lsl、Ls2為獨立電感；(2)Lsl、Ls2為耦合電感，儲能電容C上的電壓Uc平衡電流在兩個電感中的磁通相互增強；(3)LsU Ls2為獨立電感，其中之一并聯了電阻R ；(4)LsU Ls2為耦合電感，儲能電容C上的電壓Uc平衡電流在兩個電感中的磁通相互增強，其中之一并聯了電阻R。
11.基于權利要求3至10中任意一項所述變流橋臂的變流電路，具有常規的變流拓撲， 其特征在于，是以所述變流橋臂取代普通橋臂，變流橋臂的上伸縮臂Bu和下伸縮臂Bd均由平衡非對稱型單元級聯構成，從而構成下述幾種變流電路中的任意一種(1)由變流橋臂構成雙向DC/DC變流器，變流橋臂的P端和N端接一個直流源的正、負端，其Ac端在串聯一個濾波電感后和N端接另一直流源的正、負端；(2)由一個或多個變流橋臂構成單相或多相DC/AC或AC/DC變流器，變流橋臂的P端、 N端分別并聯為直流正、負端，各變流橋臂Ac端分別為各相交流端；(3)由兩個或多個變流橋臂構成單相或多相背靠背AC/DC/AC變流器，變流橋臂的P端、 N端分別并聯為直流正、負端，第一組變流橋臂的Ac端分別接第一交流源各相，第二組橋臂 Ac端分別接第二交流源各相。
12.基于權利要求3至10中任意一項所述變流橋臂的變流器，是在變流橋臂上再接一個或多個伸縮臂形成三相或多相變流器；其特征在于，所述伸縮臂和變流橋臂中的上伸縮臂Bu、下伸縮臂Bd均由平衡對稱型單元級聯構成；變流器的接法是下述接法中的任意一種(1)變流橋臂的P端、N端分別接三相電源的兩相，新增的伸縮臂一端接于變流橋臂的 Ac端，另一端接三相電源的另一相，從而形成星形變流器；進一步增加伸縮臂數量則構成星形多相變流器；或者(2)變流橋臂的P端、N端并聯上新增的伸縮臂并分別接三相電源的兩相，變流橋臂的Ac端接三相電源的另一相，從而形成三角形變流器；將多個伸縮臂串聯后并聯于變流橋臂 P端、N端則構成多邊形多相變流器。
13.基于權利要求1或3至10中任意一項所述變流橋臂的AC/AC變流器，其特征在于， 具有一個或多個變流橋臂，其電路結構是下述三種中的任意一種(1)單個變流橋臂的P端、N端為一個交流端口，Ac端、N端為另一個交流端口，從而構成單相AC/AC變頻器；或者(2)變流橋臂的P端、N端分別按照多邊形或星形接法引出一個多相交流端口，各橋臂 Ac端分別引出另一個多相交流端口，從而構成多相AC/AC變頻器；或者(3)第一組三個變流橋臂的P端、N端分別按照三角形或星形接法連接輸入各相、第二組三個變流橋臂的P端、N端分別按照三角形或星形接法連接輸出各相；兩組的Ac端分別接三相中頻變壓器的原、副邊繞組，從而構成電子變壓器。
14.基于權利要求1或3所述變流橋臂的變流控制方法，其特征在于通過調節各開關的驅動脈沖控制伸縮臂內的各單元端電壓化，進而控制上伸縮臂Bu、下伸縮臂Bd的端電壓 Uiu Ud ；通過動態調節Uiu Ud之和控制流過變流橋臂P端、N端之間的平均電流IPN，進而控制變流橋臂所有單元的Uc之均值；通過互補地調節Uiu Ud大小，實現對Ac端電位的調節； 通過動態調節Uu、Ud的相對大小改變流過上伸縮臂Bu、下伸縮臂Bd的電流IP、In的分配， 進而平衡兩者Uc均值之差異；通過調節上伸縮臂Bu、下伸縮臂Bd內的各單元端口間電壓臺階化的均值相對大小，平衡伸縮臂中各單元的Uc的差異。
15.根據權利要求14所述的變流控制方法，其特征在于，所述的單元的開關調制脈沖相位采取以下四種方式之一(1)同一伸縮臂中的各單元采用脈沖相位相同的控制方式；或(2)同一伸縮臂中的各單元采用脈沖相位遞延的控制方式；或(3)同一伸縮臂中的各單元采用載波按圓周角等分移相的SPWM調制，上伸縮臂Bu、下伸縮臂Bd之間對應單元的載波相位互補；或(4)對于三個橋臂構成三相DC/AC、AC/DC變流器，各橋臂的同位單元六個一組采用 SVPWM方式控制，同一伸縮臂中的各單元調制載波按圓周角等分移相。
全文摘要
本發明涉及電力系統的控制技術，旨在提供一種適合于高壓應用的變流橋臂及其應用系統。該變流橋臂包括儲能電容與多個逆導型開關，由上伸縮臂、下伸縮臂與電感串聯構成，而上伸縮臂、下伸縮臂分別由若干個單元級聯構成。與現有主流高壓變流技術相比，本發明具有簡潔的模塊化結構，控制簡單、可靠和自平衡均壓、可無變壓器工作、可功率雙向流動、高壓電路啟動簡便、無須高壓隔離輔助供電，并兼有適合高頻工作與電磁兼容優點，能顯著降低濾波器尺寸。本發明沒有明顯的電壓、功率等級瓶頸、技術應用范圍寬廣，而裝置的體積、重量與成本有望比現有同類產品顯著降低。
文檔編號H02M1/00GK102377324SQ20111031684
公開日2012年3月14日 申請日期2011年10月18日 優先權日2011年10月18日
發明者呂遙 申請人:呂遙