CN101834451A

CN101834451A - 高压背靠背变流器

Info

Publication number: CN101834451A
Application number: CN201010172316A
Authority: CN
Inventors: 李子欣; 李耀华; 王平; 朱海滨; 胜晓松; 刘育红; 武林
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2010-05-07
Filing date: 2010-05-07
Publication date: 2010-09-15

Abstract

一种用于高电压背靠背变流器，由结构相同的多个桥臂构成，每个桥臂的上桥臂和下桥臂均由数量相同的多个低压功率单元级联构成。每一个桥臂分别对应所述的背靠背变流器的输入或输出的一相。所述的每个桥臂的上端连接在一起，每个桥臂的下端连接在一起，高压直流母线不需要支撑电容。每个桥臂包含一个电感模块，所述的电感模块由串联的两个电感构成；两个电感的两个端子的共同连接点作为该相桥臂的输出端子；两个电感的另外两个端子中，一个端子与该相桥臂上桥臂的下端相连，另一个端子与该相桥臂下桥臂的上端相连。本发明适用于单相/单相、单相/三相、三相/三相、三相/多相等高压交流传动场合。

Description

高压背靠背变流器

技术领域

本发明涉及一种多电平背靠背变流器，特别涉及高电压交流传动系统中能实现能量双向流动与控制的多电平背靠背变流器。

背景技术

随着电力电子以及交流传动技术的发展，高压交流传动系统，例如高压变频调速系统等作为节能减排的主要手段之一，在国民经济的各个领域得到了越来越广泛的应用。在高压交流传动系统的实际应用当中，很多场合需要在电机制动时将其能量回馈至电网侧，以便节约能源，因此具备能量双向流动与控制能力的背靠背型变流器也获得了广泛的应用。

然而，在目前的电力电子技术发展水平下单台以及单个使用的电力电子开关器件一般不能承受高电压，例如6kV、10kV等场合的耐压要求。因此，通过变压器、功率模块串联、开关器件串联和多电平变流器等来实现的高压背靠背变流器得到了关注和应用。目前，高压变流器的主要拓扑形式有：

1、通过变压器将多个低压的变流器组合成高压变流器。例如，中国专利200320121533、200720190811、200780018970、200910184413、02114225.4、03126473.5、97100477.3、200410009469.8、200710114461.1、200820014044.X、200820238870.2采用了工频变压器与低压变流器结合的方式构成高压多电平变流器；而中国专利200820208579和美国专利US7554824B2、US7558087B2、US2008/0198637A1、US 2008/0158921A1则采用了中频变压器与低压变流器结合的方式构成高压多电平变流器。这种拓扑结构实施容易，模块化程度高，但由于变压器的大量采用导致其装置体积大，重量大，成本高。

2、通过电力电子开关器件的直接串联实现的高压变流器。例如，中国专利200720140987、200720148108采用了IGBT直接串联两电平变流器的方式构成了高压变流器。这种结构的变流器结构简单，体积小，重量轻，但开关器件动态和静态均压问题不易解决，输出电压dv/dt大，谐波含量高，容易对电机造成损害。

3、通过采用多电平的变流器，例如二极管箝位式、飞跨电容式多电平变流器、级联H桥型多电平变流器等构成的高压变流器。例如，美国专利US 5644483、US 5532575和US2007/0159749A1采用了二极管箝位式的多电平变流器构成高压变流器；而美国专利US6005788通过级联H桥型多电平变流器构成高压变流器，但是这一结构的变流器作为背靠背变流器时又需要变压器进行电气隔离。而美国专利US 2006/0044857A1将二极管箝位式多电平变流器中需要的多个直流母线所需的多个隔离的交流电源集成到了发电机的绕组中，虽然省去了变压器，却需要对发电机进行改造，这在很多实际应用当中尤其是与电网连接的情况下是不现实的。这一结构的变流器不需要变压器，也不存在开关器件的动态均压问题。但是，这些类型的变流器的高压直流母线一般需要高压直流电容，随着电平数量的增加二极管或高压电容的数量也会急剧增加，且存在电容均压问题，因此在实际应用当中三电平的结构应用最广，然而在目前的电力电子开关器件水平下三电平变流器承受7kV以上的高压是几乎不可能的。

发明内容

本发明旨在克服现有高压交流传动领域用背靠背变流器的缺点，简化装置结构，减小装置的体积和重量，降低制造成本，提出一种高电压交流传动系统背靠背变流器。

本发明由多个结构相同的桥臂构成，每个桥臂的上桥臂和下桥臂均由数量相同的n个(n≥1)低压功率单元级联构成，每一相输入或输出分别对应一个桥臂。每个桥臂的上端连接在一起，每个桥臂的下端连接在一起，直流母线不需要支撑电容。同时，每相桥臂包含一个电感模块，电感模块由两个电感构成，这两个电感既可以是相互独立的分立电感，也可以是耦合系数很高的两个耦合电感。两个电感直接串联，若为耦合电感则为顺接串联。两个电感的共同连接点作为该相桥臂的输出端子；两个电感的另外两个端子一个与该相桥臂上桥臂的下端相连，另外一个端子与该相桥臂下桥臂的上端相连。桥臂的数量根据应用场合的不同来确定，例如，当电网和电机均为三相三线制时，则电网侧需要三个桥臂，电机侧需要三个桥臂，也就是总共需要六个桥臂；当电网为单相而电机为三相时，则电网侧需要一个桥臂，电机侧需要三个桥臂，也就是总共需要四个桥臂。

本发明高电压交流传动系统模块化多电平背靠背变流器具有以下特点和优势：

1.采用级联式模块化结构，只要级联足够的低压功率单元，可以承受非常高的电压。同时，模块化的结构便于生产制造和安装调试。

2.在高压大容量交流传动系统中，变压器的重量体积一般占整个系统的三分之一以上。而本发明无需变压器，因此能够显著降低装置的体积、重量以及制造成本。

3.本发明通过低压功率单元的级联可以实现多电平的输入/输出电压，且电压越高需要级联的模块越多，输入/输出电压的电平数也越多。电压越高越能减小输入/输出电压和电流的谐波含量，提高电网侧的电能质量，减小了电机侧谐波损耗。因此特别适用于高压交流传动系统。

4.高压直流侧无需直流母线支撑电容，减少了系统设备数量，也消除了传统结构中采用高压直流电容带来的困难。

5.本发明可四象限运行，可以实现能量的双向流动与控制。对于交流传动系统而言，能够节约能源，省去制动电路，降低硬件成本。

6.本发明配置灵活，适用范围广，既可以用于典型的三相交流传动系统，也可以用于单相或多相的交流传动系统。

附图说明

图1为本发明高电压交流传动系统背靠背变流器在三相/三相交流传动系统应用时的整体结构图；

图2为本发明中低压功率单元U_k11(K＝A、B、C、a、b、或c)的电路结构图；

图3为本发明中电感模块U_K2(K＝A、B、C、a、b、或c)的具体电路结构图，图3a为由两个分立的电感构成的电感模块；图3b为由两个耦合电感构成的电感模块。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1为本发明高电压交流传动系统背靠背变流器在三相/三相交流传动系统应用时的整体结构图。本发明背靠背变流器由多个结构相同的桥臂构成，每个桥臂的上桥臂和下桥臂均由数量相同的n个低压功率单元级联构成，n≥1；每一个桥臂分别对应所述的背靠背变流器的输入或输出的一相；所述的每个桥臂的上端连接在一起，每个桥臂的下端连接在一起，高压直流母线不需要支撑电容。

图1所示的本发明由六个桥臂组成，六个桥臂的上端连接在同一点P，六个桥臂的下端连接在同一点N。每个桥臂的结构完全相同：第K(K＝A、B、C、a、b、或c)相桥臂的上半桥臂由低压功率单元U_K11～U_K1n级联构成，即U_K1j的11端子与U_K1(j-1)的12端子相连，而U_K1j的12端子与U_K1(j+1)的11端子相连(2≤j≤n-1)；第K(K＝A、B、C、a、b、或c)相桥臂的下半桥臂由低压功率模块U_K21～U_K2n级联构成，即U_K2j的11端子与U_K2(j-1)的12端子相连，而U_K2j的12端子与U_K2(j+1)的11端子相连(2≤j≤n 1)；U_K11的11端子连接到P点；U_K1n的12端子连接到电感模块U_K2的21端子；U_K21的11端子连接到电感模块U_K2的23端子；U_K2n的12端子连接到N点；电感模块U_K2的22端子作为第K(K＝A、B、C、a、b、或c)相桥臂的输入或输出端子K。低压功率单元U_K11～U_K1n和U_K21～U_K2n的电路结构完全相同且可以相互替换。A、B、C三个端子及a、b、c三个端子分别与三相高压电网及三相高压电机相连，且A、B、C、a、b、c六个端子中的任意两个位置均可互换。

图2为本发明的低压功率单元U_K11的具体电路结构。低压功率单元U_K11由第十一开关T₁₁、第十二开关T₁₂，第十一二极管D₁₁、第十二二极管D₁₂和第一电容C₁构成；第十一开关T₁₁的集电极与第十一二极管D₁₁的负极相连，第十一开关T₁₁的发射极与第十一二极管D₁₁的正极相连；第十二开关T₁₂的集电极与第十二二极管D₁₂的负极相连，第十二开关T₁₂的发射极与第十二二极管D₁₂的正极相连；第十一二极管D₁₁和第十二二极管D₁₂正向串联，两者的共同连接点为低压功率单元的第一端子11；第十一二极管D₁₁的负极与第一电容C₁的正极相连，第十二二极管D₁₂的正极与第一电容C₁的负极相连；第一电容C₁的负极作为低压功率单元的第二端子12。其余低压功率单元U_K12～U_K1n和U_K21～U_K2n(K＝A、B、C、a、b、或c)的具体电路结构和低压功率单元U_K11相同。

图3为本发明中电感模块U_K2(K＝A、B、C、a、b、或c)的具体电路结构。这里给出了两种具体的实施方式。其中，图3a由两个分立的电感直接串联构成；两个电感的共同连接点作为电感模块U_K2的端子22，这里的端子22也作为第K桥臂的输入/输出端子K；两个电感其余的两个端子作为电感模块U_K2的端子21和23，且端子21和23可以互换位置。

如图3b所示，电感模块U_K2(K＝A、B、C、a、b、或c)的另一种具体的实施方式由两个耦合系数很高的耦合电感构成；两个耦合电感顺接连接，即第一个电感的同名端连接另外一个电感的非同名端，其共同连接点作为电感模块U_K2的端子22，这里的端子22也作为第K桥臂的输入/输出端子K；两个耦合电感其余的两个端子作为电感模块U_K2的端子21和23，且端子21和23可以互换位置。

以上所述只是本发明在三相/三相交流传动系统应用时的具体实施方式。对于其他的应用场合，例如单相/单相，单相/三相，三相/多相等高压交流传动领域，只要改变相应的桥臂数量即可，不再赘述。

Claims

1.一种用于高压背靠背变流器，其特征在于：所述的背靠背变流器由多个结构相同的桥臂构成，每个桥臂对应输入或输出的一相，每相桥臂指输入或输出的每相所对应的每个桥臂；每个桥臂的上桥臂和下桥臂均由数量相同的n个低压功率单元级联构成，n≥1；所述的每个桥臂的上端连接在一起，每个桥臂的下端连接在一起，高压直流母线不需要支撑电容。

2.如权利要求1所述的用于高压交流传动系统的背靠背变流器，其特征在于：所述的每个桥臂包含一个电感模块，所述的电感模块由串联的两个电感构成；两个电感的两个端子的共同连接点作为该相桥臂的输出端子；两个电感的另外两个端子中，一个端子与该相桥臂上桥臂的下端相连，另一个端子与该相桥臂下桥臂的上端相连。

3.如权利要求2所述的用于高压交流传动系统的背靠背变流器，其特征在于所述的电感模块中的两个电感为分立的电感或耦合电感；分立的电感两个直接串联；两个耦合电感顺接连接，即第一个电感的同名端连接另外一个电感的非同名端。

4.如权利要求1所述的用于高压交流传动系统的模块化多电平背靠背变流器，其特征在于：所述的低压功率单元(U_k11)由第十一开关(T₁₁)、第十二开关(T₁₂)，第十一二极管(D₁₁)、第十二二极管(D₁₂)和第一电容(C₁)构成；第十一开关(T₁₁)的集电极与第十一二极管(D₁₁)的负极相连，第十一开关(T₁₁)的发射极与第十一二极管(D₁₁)的正极相连；第十二开关(T₁₂)的集电极与第十二二极管(D₁₂)的负极相连，第十二开关(T₁₂)的发射极与第十二二极管(D₁₂)的正极相连；第十一二极管(D₁₁)和第十二二极管(D₁₂)正向串联，第十一二极管(D₁₁)和第十二二极管(D₁₂)的共同连接点为低压功率单元的第一端子(11)；第十一二极管(D₁₁)的负极与第一电容(C₁)的正极相连，第十二二极管(D₁₂)的正极与第一电容(C₁)的负极相连；第一电容(C₁)的负极作为低压功率单元的第二端子(12)。

5.如权利要求1所述的用于高压交流传动系统的模块化多电平背靠背变流器，其特征在于通过改变每个桥臂上级联的低压功率单元的数量，实现不同电平数的输入/输出多电平电压。