CN102545644B - 一种矩阵式交-交高压变频器拓扑结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种矩阵式交-交高压变频器拓扑结构，该拓扑结构直接进行交-交高压变频，可以实现四象限运行，采用非传统的矩阵结构，大大减少了功率开关器件的数量，降低了成本。所述变频器每一个输入相都通过至少两条功率链分别连接到至少变频器两个输出相，每一个输出相则通过至少两条功率链分别连接到至少两个输入相；其中每个功率链均由至少一个电感与至少一个H桥功率单元SM串联而成。本发明的三相/三相高压变频器只需要六个功率链，可以不需要变压器，大大降低了成本和体积；实现四象限工作，可广泛用于高压电机驱动、风力发电、新能源发电并网接口、电网互联、低频输电、FACTS或DFACTS装置以及电力电子变压器等应用场合。

Description

一种矩阵式交-交高压变频器拓扑结构
技术领域
本发明涉及一种具有非传统矩阵结构的矩阵式交-交高压变频器拓扑结构。
背景技术
高压变频器是一种采用电力电子变流技术，对高压电动机进行无级调速，满足生产工艺过程调速控制要求的专用电气设备，具有效率高、节能效果好及功率因数高等特点，被广泛应用于各个工业应用领域。
由于电力电子开关器件耐压相对较低的原因，高压变频器最常用的是级联H桥式多电平变换器拓扑结构，例如，公开号为CN1414692的中国专利公开的《无谐波污染高压大功率变频器》就是级联H桥式多电平变换器拓扑结构。高压变频器也有采用二极管箝位式三电平变换器拓扑结构，例如，公开号为CN1996734的中国专利公开的《基于二极管箝位型三电平6kV高压变频器》。高压变频器还有采用 IGBT直接串联的高压变频器拓扑结构，例如，公开号为CN201054550的中国专利公开的《IGBT直接串联高压变频器》和公开号为CN101826838A的中国专利公开的《一种高能效IGBT直接串联多电平高压变频调速装置》。但上述各种高压变频器都需要输入变压器，甚至有些需要结构复杂的曲折变压器，体积较大。在国际会议Power Tech Conference Proceedings, 2003 IEEE Bologna中刊登的“An innovative modular multilevel converter topology suitable for a wide power range”一文（作者Lesnicar, A.和Marquardt, R.）和在《中国电机工程学报》2009年第29卷第30期1-6页刊登的“新型多电平VSC子模块电容参数与均压策略”一文（作者丁冠军等），以及公开号为CN102013813A 的中国专利公开的《一种无变压器的四象限高压变频器拓扑结构》提出了一种采用半桥结构的模块化级联多电平变换器拓扑结构，可以实现四象限运行，并且不需要变压器，但各子模块直流侧电容电压波动受交流频率影响较大，频率越低，电容电压波动越大，因此变频器不适合从低频率启动和运行。
上面所提到的高压变频器拓扑结构都属于交-直-交变频器结构，即先由交流变成直流（称为整流），再由直流变为交流（称为逆变）。公开号为CN102185490A  的中国专利公开的《交交直接变换的中压变频器》提出了一种交-交直接变换的变频器拓扑结构，可实现交流到交流的直接变频，但是它需要升压和降压变压器，增加了体积和成本。在国际会议Industrial Electronics Society, 2001. IECON '01中刊登的“A new family of matrix converters” 一文( Erickson R. W.和Al-Naseem O. A.)和在《 控制与决策》（2004年第19卷第10期第1159-1162页)上刊登的“一种新颖的多电平矩阵变换器的建模与仿真” 一文（作者张华强等）提出了一种H桥矩阵式多电平变换器拓扑结构，如图1、图1a所示。该拓扑采用H桥代替了传统矩阵变换器中的双向开关，并在两个交流侧的每相上都串联一个电感，其中，SM表示H桥功率单元。但是，该拓扑在控制时存在各单元直流侧电容直接短路的风险。例如，如果矩阵的左上角4个单元支路处于导通状态，如图2所示，这4个单元就会形成一条闭合回路，造成4个单元直流侧电容之间短路。另外，该拓扑需要9个由H桥功率单元串联而成的功率链，功率开关器件数目较多。
发明内容
本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种矩阵式交-交高压变频器拓扑结构，该拓扑结构直接进行交-交高压变频，可以实现四象限运行，采用非传统的矩阵结构，大大减少了功率开关器件的数量，降低了成本。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种矩阵式交-交高压变频器拓扑结构，所述变频器每一个输入相都通过至少两条功率链分别连接到至少变频器两个输出相，每一个输出相则通过至少两条功率链分别连接到至少两个输入相；其中每个功率链均由至少一个电感与至少一个H桥功率单元SM串联而成。
所述功率链由两个电感L和至少一个H桥功率单元SM串联而成，其中两个电感L采用对称方式，分别安置在两个两端处的H桥功率单元SM外端子处。
所述H桥功率单元由四个带反并联二极管的功率电子开关和电容器构成。
所述变频器的输入端直接或经过变压器连接电源，输出端连接电机或变压器或另一电源。
所述变频器的输入/输出相为三相/三相、三相/两相、两相/三相或两相/两相。
与现有技术相比，本发明的新颖性和创造性体现在：
1）三相/三相高压变频器只需要六个功率链，比现有矩阵式高压变频器所需要的九个功率链减少了三分之一，大大降低了成本和体积；
2）每个功率链中都包含有电感，避免了H桥功率单元的直流侧电容出现直接短路的风险；
3）高压变频器可以不需要变压器，减小了体积和成本。
4）直接进行交-交变频，不需要把交流变成直流，再把直流变成交流，提高了效率。
本发明所涉及的一种矩阵式交-交高压变频器拓扑结构，具有成本低、体积小，可以实现四象限工作，可广泛用于高压电机驱动、风力发电、新能源发电并网接口、电网互联、低频输电、FACTS或DFACTS装置以及电力电子变压器等应用场合。
附图说明
图1是现有的矩阵式交-交高压变频器拓扑结构。
图1a是图1的H桥功率单元图。
图2是现有的矩阵式交-交高压变频器拓扑结构的短路现象。
图3是本发明的三相/三相变频器的一种拓扑结构。
图3a是图3的一种功率链拓扑结构。
图3b是本发明的三相/三相变频器拓扑结构图3的另一连接方式图。
图3c是本发明的三相/三相变频器拓扑结构图3的另一连接方式图。
图3d是本发明的三相/三相变频器拓扑结构图3的另一连接方式图。
图3e是本发明的三相/三相变频器拓扑结构图3的另一连接方式图。
图3f是本发明的三相/三相变频器拓扑结构图3的另一连接方式图。
图4是本发明的三相/两相变频器拓扑结构。
图5是本发明的两相/三相变频器拓扑结构。
图6是本发明的变频器中功率链的另外一种拓扑结构。
图7是本发明的三相/三相变频器用于电机驱动。
图8是本发明的变频器用于直驱式风力发电并网。
图9 是本发明的变频器用于统一潮流控制器。
图10 是本发明的变频器用于电网互联。
图11 是本发明的变频器用于电力电子变压器的一个实施方案。
图12 是本发明的变频器用于电力电子变压器的另一个实施方案。
其中，1、H桥功率单元SM，2、功率链，3、变频器拓扑结构。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
图1、图1a给出了H桥功率单元SM的拓扑结构图，由四个带反并联二极管的功率电子开关（S1、S2、S3和S4）与电容器C构成。S1与S2、S3与S4先分别串联再与电容器C并联。
实施例1：
图3-图3f给出了本发明的三相/三相变频器的一种拓扑结构及一种功率链拓扑结构，包括六条功率链2。其中，功率链2由电感L与N个H桥功率单元SM1串联而成，且N≥1；输入端A相通过两条功率链2分别与输出端U及V相相连，输入端B相通过两条功率链2分别与输出端V及W相相连，输入端C相通过两条功率链2分别与输出端W及U相相连；或者说，输出端U相通过两条功率链2分别与输入端C及A相相连，输出端V相通过两条功率链2分别与输入端A及B相相连，输出端W相通过两条功率链2分别与输入端B及C相相连。输入和输出满足：每一个输入相都通过两条功率链2分别连接到两个输出相，每一个输出相都通过两条功率链2分别连接到两个输入相。
图3b-图3f给出了本发明的三相/三相变频器的另外五种拓扑结构，其中都满足：每一个输入相都通过两条功率链分别连接到两个输出相，每一个输出相都通过两条功率链分别连接到两个输入相。
实施例2：
图4给出了本发明的三相/两相变频器的一种拓扑结构，其中满足：每一个输入相都通过两条功率链2分别连接到两个输出相，每一个输出相都通过三条功率链2分别连接到三个输入相。
实施例3：
图5给出了本发明的两相/三相变频器的一种拓扑结构，其中满足：每一个输入相都通过三条功率链2分别连接到三个输出相，每一个输出相都通过两条功率链2分别连接到两个输入相。
实施例4：
在本实施例中，变频器可以采用实施例1-3的结构形式，但功率链替换为图6给出的本发明的变频器中功率链2的另外一种拓扑结构，由两个电感和N个H桥功率单元SM1串联而成，其中两个电感采用对称方式，分别安置在两个外端子处。
实施例5：
图7给出了本发明的三相/三相变频器用于电机驱动的实施方案，其中输入端A、B和C并接电网，输出端U、V和W连接电机，实现高压电机四象限变频驱动。
实施例6：
图8给出了本发明的变频器用于直驱式风力发电并网的实施方案，其中输入端A、B和C并接电网，输出端U、V和W连接发电机，实现直接交-交并网风力发电。
实施例7：
图9给出了本发明的变频器用于统一潮流控制器的实施方案，其中输入端A、B和C并接电网，输出端U、V和W连接到串联变压器串入到线路，对线路进行潮流控制或抑制振荡。
实施例8：
图10 给出了本发明的变频器用于“背靠背”并网的实施方案，其中输入端A、B和C连接电网1，输出端U、V和W连接电网2，实现两个电网的非同步并网。
实施例9：
图11给出了本发明的变频器用于电力电子变压器的一个实施方案，包括两个三相/三相变频器和一个三相中/高频变压器。其中第一个变频器的输入端A、B和C连接到电网1，其输出端U、V和W连接三相中/高频变压器的一次侧；第二个变频器的输入端A2、B2和C2连接另一个电网2，其输出端U2、V2和W2连接中/高频变压器的二次侧。两个变频器的功率链中的H桥功率单元数量取决于所本身连接电网的电压等级。
实施例10：
图12 给出了本发明的变频器用于电力电子变压器的一个实施方案，包括两个三相/两相变频器和一个单相中/高频变压器。其中第一个变频器的输入端A、B和C连接到电网1，其输出端U和V 连接单相中/高频变压器的一次侧；第二个变频器的输入端A2、B2和C2连接另一个电网2，其输出端U2和V2连接单相中/高频变压器的二次侧。两个变频器的功率链中的H桥功率单元数量取决于所本身连接电网的电压等级。

Claims (1)

1.一种矩阵式交-交高压变频器拓扑结构，其特征是，所述变频器每一个输入相都通过两条功率链分别连接到变频器两个输出相，每一个输出相则通过两条功率链分别连接到两个输入相；其中每个功率链均由至少一个电感和至少一个H桥功率单元SM串联而成；所述H桥功率单元由四个带反并联二极管的功率电子开关和电容器构成；所述变频器的输入端直接或经过变压器连接电源，输出端连接电机或变压器或另一电源；
所述变频器的输入/输出相为三相/三相、三相/两相、两相/三相或两相/两相；其中，三相/三相变频器包括六条功率链，输入端A相通过两条功率链分别与输出端U及V相相连，输入端B相通过两条功率链分别与输出端V及W相相连，输入端C相通过两条功率链分别与输出端W及U相相连；或者说，输出端U相通过两条功率链分别与输入端C及A相相连，输出端V相通过两条功率链分别与输入端A及B相相连，输出端W相通过两条功率链分别与输入端B及C相相连。
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