CN102055347A - 基于mmc无变压器的四象限高压变频电源拓扑结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于MMC无变压器的四象限高压变频电源拓扑结构，整流模块与逆变模块均采用模块化多电平结构，由多个子单元串联而成，该拓扑整流模块输入侧通过充电电路直接与网侧高压相连；整流模块将高压交流电压转换为直流输入逆变模块，逆变模块将直流转换为交流；实现对电网各种状态的模拟，同时该拓扑结构为四象限型，可以实现能量的回馈。其优点在于去掉了电源输入端的高压变压器，降低了成本，减小了高压变频电源的体积及重量；降低了元器件损耗，提高工作效率，同时单元结构简单，接线方便，易于拆卸和安装。

Description

基于MMC无变压器的四象限高压变频电源拓扑结构 
技术领域
本发明涉及一种高压变频电源拓扑，特别是一种基于MMC的无变压器的四象限高压变频电源拓扑。 
背景技术
高压变频电源是将高压交流电经过AC→DC→AC变换，输出为纯净的正弦波，输出频率和电压一定范围内可调。高压变频电源可以根据实际需求模拟电网的各种状况、提供纯净可靠的、低谐波失真、高稳定的频率和稳压率的正弦波电力输出，用于产品检测、寿命、过高压模拟等。 
现有技术中的高压变频电源主要采用低压单元串联，通过隔离移相变压器给各个单元供电的技术。该种高压变频电源存在能耗高，效率低，体积大，笨重；功率因数低，谐波污染大；启动冲击大；隔离效果差等缺点。 
随着高压变频电源的应用领域越来越广，对其性能的要求也越来越高，特别是在风力发电及光伏发电的并网测试上。高压变频电源不仅要输出稳定的电压，模拟电网的工况及故障，还需要高压变频电源具有能量回馈的性能。 
目前，采用MMC(Modular Multilevel Converter)模块化多电平逆变器结构的无变压器的四象限高压变频电源拓扑还未见报道。 
发明内容
本发明的目的是提供一种基于MMC无变压器的四象限高压变频电源拓扑结构，MMC是Modular Multilevel Converter模块化多电平逆变器的简称；该拓扑采用模块化多电平结构，是一种高-高型直接变频电源，其优点在于去掉了电源输入端的高压变压器，降低了成本，减小了高压变频电源的体积及重量；降低了元器件损耗，提高工作效率，同时单元结构简单，接线方便，易于拆卸和安装。 
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现： 
基于MMC无变压器的四象限高压变频电源拓扑结构，整流模块与逆变模块均采用模块化多电平结构，由多个子单元串联而成，该拓扑整流模块输入侧通过充电电路直接与网侧高压相连；整流模块将高压交流电压转换为直流输入逆变模块，逆变模块将直流转换为交流；实现对电网各种状态的模拟，该拓扑结构为四象限型，可实现能量回馈。 
所述的整流模块、逆变模块为三相，每相由偶数n个子单元串联而成，分为上下两组，每组的子单元个数为n/2个；逆变模块的输出端为两组子单元的中点处，且输出端与每组子单元之间以耦合或非耦合缓冲电感连接；整流模块的输入端为两组子单元的中点处，且输入端与每组子单元之间以耦合或非耦合缓冲电感连接。 
所述每个子单元的结构为半桥结构，两个开关器件IGBT相串联，再并联直流电容C。 
所述的整流模块、逆变模块为三相，每相由n个子单元串联而成，三相串联子单元的整流模块的输入端与充电电路相连接，三相串联子单元的逆变模块的输出端通过电感输出。 
所述的每个子单元结构为H桥结构，由四个IGBT开关器件组成，每个IGBT开关器件反并联一个二极管，每两个IGBT开关器件相串联后，再与直流电容C并联。 
所述的整流模块、逆变模块的子单元结构相同，可互换使用。 
所述的充电电路由充电电阻与开关串联后，与高压断路器并联而成。 
所述的基于MMC的无变压器风力发电并网拓扑结构可应用于风机LVRT测试、光伏并网测试、以及变压器、不断电系统、机场地面设施、船舶、航天、军事研究所、实验室、研发等的测试电源领域。 
与现有技术相比，本发明的有益效果是： 
该无变压器的四象限高压变频电源的拓扑，去掉了电源输入端的高压变压器，高压变频器的体积及重量减小了1/2、材料成本降低了1/2、制造周期减小1/2、运输成本减小1/2、占地面积减小1/2，同时降低了元器件损耗，提高工作效率；有利于改善和增加新的控制功能，改善动态特性，可明显地降低工作噪声；在结构上实现了集成化和模块化，有效提高设备的可用性。 
附图说明
图1是基于MMC无变压器的四象限高压变频电源拓扑结构框图； 
图2是基于MMC无变压器的四象限高压变频电源半桥型拓扑结构图； 
图3是半桥型单元拓扑结构图； 
图4是基于MMC无变压器的四象限高压变频电源H桥型拓扑结构图； 
图5是H桥型单元拓扑结构图； 
图6-1、图6-2、图6-3、图6-4是半桥型单元内部电流流向图； 
图7-1、图7-2、图7-3、图7-4是H桥型单元内部电流流向图。 
具体实施方式
见图1，基于MMC无变压器的四象限高压变频电源拓扑结构，包括整流模块、逆变模块，整流模块与逆变模块均采用模块化多电平结构，该结构可以实现高压电源直接输入，无需变压器，整流模块直接将高压交流电压转换为直流，逆变模块将直流转换为交流；实现对电网各种状态的模拟，同时整流模块为四象限型可以实现能量的回馈。下面通过具体实施例叙述模块化多电平结构的子单元为半桥结构、H桥结构的两种情况。 
实施例1 
见图2、图3，基于MMC无变压器的四象限高压变频电源拓扑结构，整流模块与逆变模块采用相同的子单元结构，由多个子单元串联而成，该拓扑输入侧无变压器，通过充电电路直接与网侧高压相连。充电电路连接整流模块，整流模块将高压交流电压转换为直流，逆变模块将直流转换为交流，实现对电网各种状态的模拟。 
整流模块、逆变模块均为三相，每相由偶数n个子单元串联而成，分为上下两组，每组的子单元个数为n/2个；逆变模块的输出端为两组子单元的中点处，且输出端与每组子单元之间以耦合或非耦合缓冲电感L连接；整流模块的输入端为两组子单元的中点处，且输入端与每组子单元之间以耦合或非耦合缓冲电感L连接。充电电路由充电电阻R与开关K2串联后，与高压断路器K1并联而成。整流模块、逆变模块的子单元均由半桥型单元构成四象限三电平结构；整流模块、逆变模块的子单元结构相同，可互换使用。单元个数n(偶数)根据输入输出电压等级而设定。 
见图3，整流模块、逆变模块每个子单元的结构为半桥结构，开关器件IGBT1和IGBT2相串联，再并联直流电容C，并且开关器件IGBT1和IGBT2分别反并联二极管D1、D2；IGBT1与IGBT2的公共端，电容C与IGBT2的公共端作为每个单元的输出端，与其他单元相连。当IGBT1导通时，输出电平为高；当IGBT2导通时，输出电平为0。 
本拓扑结构可实现能量回馈，当输出侧有能量反向注入到四象限高压变频电源时，可通过整流模块、逆变模块将能量注入回电网输入侧。 
本发明半桥型单元拓扑，通过控制IGBT的栅极电压使其导通或者关断，可以使单元具有不同的电路状态。 
见图6-1，电流经IGBT2从A流向B，采用半桥式逆变电路的功率单元输出电平“0”。 
见图6-2，电流经续流二极管D2从B流向A，采用半桥式逆变电路的功率单元输出电平“0”。 
见图6-3，电流经续流二极管D1，再通过直流侧电容C，从A流向B，采用半桥式逆变电路的功率单元输出电平“1”。 
见图6-4，电流经IGBT1，再通过直流侧电容C，从B流向A，采用半桥式逆变电路的功率单元输出电平“1”。 
实施例2 
见图4、图5，基于MMC无变压器的四象限高压变频电源拓扑结构，整流模块与逆变模块均采用模块化多电平结构，由多个子单元串联而成，该拓扑输入侧无变压器，通过充电电路直接与网侧高压相连。该结构可以实现高压电源直接输入，无需变压器，整流模块直接将高压交流电压转换为直流，逆变模块将直流转换为交流；实现对电网各种状态的模拟，该拓扑结构为四象限型，可实现能量回馈。 
见图4，整流模块、逆变模块均为三相，每相由n个子单元串联而成，三相串联子单元的整流模块的输入端与充电电路相连接，三相串联子单元的逆变模块的输出端通过电感L输出。充电电路由充电电阻R与开关K2串联后，与高压断路器K1并联而成。 
见图5，每个子单元结构为H桥结构，由四个开关器件IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4和直流侧电容C组成，开关器件IGBT1和IGBT2相串联，开关器件IGBT3和IGBT4相串联，再和直流电容C并联。并且四个开关器件IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4分别并联一个反接二极管D11、D22、D33、D44。IGBT1与IGBT2的公共端、IGBT3与IGBT4的公共端为该功率单元与其它功率单元相连接的输入、输出端。 
该拓扑结构中整流模块，逆变模块均由H桥型单元构成四象限三电平结构；单元个数n根据输入输出电压等级而设定。 
本发明H桥型单元拓扑，通过控制IGBT的栅极电压使其导通或者关断，可以使单元具有不同的电路状态。 
见图7-1，电流经IGBT2、直流侧电容C、IGBT3，从B流向A，或电流经续流二极管D3、直流侧电容C、续流二极管D2，从A流向B，此时采用H桥式逆变电路的功率单元输出电平“1”。 
见图7-2，电流经续流二极管D1、IGBT3，从B流向A，或电流经续流二极管D3、IGBT1，从A流向B，此时采用H桥式逆变电路的功率单元输出电平“0”。 
见图7-3，电流经IGBT2、续流二极管D4，从B流向A，或电流经IGBT4、续流二极管D2，从A流向B，此时采用H桥式逆变电路的功率单元输出电平“0”。 
见图7-4，电流经续流二极管D1、直流侧电容C、续流二极管D4，从B流向A，或电流经IGBT4、直流侧电容C、IGBT1，从A流向B，此时采用H桥式逆变电路的功率单元输出电平“-1”。 
本发明无变压器的四象限高压变频电源可应用于风机LVRT测试、光伏并网测试、以及变压器、不断电系统、机场地面设施、船舶、航天、军事研究所、实验室、研发等的测试电源领域。 

Claims (6)

1.基于MMC无变压器的四象限高压变频电源拓扑结构，其特征在于，整流模块与逆变模块均采用模块化多电平结构，由多个子单元串联而成，该拓扑整流模块输入侧通过充电电路直接与网侧高压相连；整流模块将高压交流电压转换为直流输入逆变模块，逆变模块将直流转换为交流；实现对电网各种状态的模拟，该拓扑结构为四象限型，可实现能量回馈。
2.根据权利要求1所述的基于MMC无变压器的四象限高压变频电源拓扑结构，其特征在于，所述的整流模块、逆变模块为三相，每相由偶数n个子单元串联而成，分为上下两组，每组的子单元个数为n/2个；逆变模块的输出端为两组子单元的中点处，且输出端与每组子单元之间以耦合或非耦合缓冲电感连接；整流模块的输入端为两组子单元的中点处，且输入端与每组子单元之间以耦合或非耦合缓冲电感连接；所述每个子单元的结构为半桥结构，两个开关器件IGBT相串联，再并联直流电容C。
3.根据权利要求1所述的基于MMC无变压器的四象限高压变频电源拓扑结构，其特征在于，所述的整流模块、逆变模块为三相，每相由n个子单元串联而成，三相串联子单元的整流模块的输入端与充电电路相连接，三相串联子单元的逆变模块的输出端通过电感输出；所述的每个子单元结构为H桥结构，由四个IGBT开关器件组成，每个IGBT开关器件反并联一个二极管，每两个IGBT开关器件相串联后，再与直流电容C并联。
4.根据权利要求2或3所述的基于MMC无变压器的四象限高压变频电源拓扑结构，其特征在于，所述的整流模块、逆变模块的子单元结构相同，可互换使用。
5.根据权利要求1所述的基于MMC无变压器的四象限高压变频电源拓扑结构，其特征在于，所述的充电电路由充电电阻与开关串联后，与高压断路器并联而成。
6.根据权利要求1所述的基于MMC无变压器的四象限高压变频电源拓扑结构，其特征在于，所述的基于MMC的无变压器风力发电并网拓扑结构可应用于风机LVRT测试、光伏并网测试、以及变压器、不断电系统、机场地面设施、船舶、航天、军事研究所、实验室、研发等的测试电源领域。
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