CN106300947B - 岸电用中压多电平大功率变频电源 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种岸电用多电平大功率变频电源系统，其特征在于，由N个变频模块‑变压器模块系统组成，每个变频模块‑变压器模块系统采用双并双串主回路拓扑。本发明具有如下优点：1、具有高度的模块化，全流程数字化的控制策略；2、具有宽功率范围的高效率工作区；3、具有强的功率扩展能力；4、在故障穿越期间，不间断供电，有高的可靠性；5、可使用IGBT元件，应用于中压大功率系统，保持优越的控制特性。

Description

岸电用中压多电平大功率变频电源
技术领域
本发明涉及一种新型的岸电用多电平大功率变频电源系统，应用于各港口，其中，岸电是由50HZ工业用电变换为60HZ的高质量的稳频稳压电源，属于新能源技术领域。
背景技术
鉴于大功率变频电源应用于港口的岸电电源具有节能减排的独特优势，其应用不断扩大，岸电电源的主要技术要求之一是高可靠性以及高能源效率。当船舶靠岸时，船舶之间所需功率有很大差别，用于所有型号和尺寸的船舶，岸电电源的功率都必须满足，其总功率决定于港口停泊的船型，同时还必须按不同的船型、不同的功率等级合理选择以改善电源的整体功率。
目前岸电用变频电源多采用PWM多电平方案采用H桥级联，属高-高电压源多电平或采用模块化逆变器——模块化变压器方案，属高-低-高电压源多电平方案。前者需要较多的独立电源，存在开关元件数量多和直流电容器尺寸大等问题，影响系统的稳定性。后者存在输入电压较低、输出电流大、变压器体积大等问题，影响系统效率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提高岸电用变频电源的稳定性及效率。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种岸电用中压多电平大功率变频电源，其特征在于，包括N个变频器模块-变压器模块系统，每个变频器模块-变压器模块系统包括变频器模块及变压器模块，其中：
每个变频器模块包括主中点箝位三电平逆变器、位于主中点箝位三电平逆变器对角桥的从中点箝位三电平逆变器、位于主中点箝位三电平逆变器同侧桥的主解耦中点箝位三电平逆变器、位于从中点箝位三电平逆变器同侧桥的从解耦中点箝位三电平逆变器，其中，主中点箝位三电平逆变器与从中点箝位三电平逆变器及主解耦中点箝位三电平逆变器与从解耦中点箝位三电平逆变器分别采用相位相差Ts/8的空间参考电压矢量，主中点箝位三电平逆变器与主解耦中点箝位三电平逆变器及从中点箝位三电平逆变器与从解耦中点箝位三电平逆变器采用相位相差Ts/4的空间参考电压矢量，Ts为采样周期；
每个变压器模块包括二个三相相内变压器一，每个三相相内变压器一的每个单相绕组具有两个输入抽头及一个输出抽头，主中点箝位三电平逆变器及从中点箝位三电平逆变器的三相输出分别与一个三相相内变压器一的同相绕组的两个输入抽头相连，主解耦中点箝位三电平逆变器及从解耦中点箝位三电平逆变器的三相输出分别与另一个三相相内变压器一的同相绕组的两个输入抽头相连；
每个变压器模块的二个三相相内变压器一的三相输出通过与输出变压器的一对同名端互为正向、反向的原边绕组相连实现二个三相相内变压器一的输出侧的串联；
或者当N≥2时，每个变压器模块还包括一个三相相内变压器二，三相相内变压器二的每个单相绕组具有两个输入抽头及一个输出抽头，两个三相相内变压器一的三相输出分别与三相相内变压器二的同相绕组的两个输入抽头相连，当前变压器模块中的三相相内变压器二及其他任意一个变压器模块中的三相相内变压器二与输出变压器的一对同名端互为正向、反向的原边绕组相连实现二个三相相内变压器二的输出侧的串联。
优选地，所述N个变频器模块-变压器模块系统的所有变频器模块共用直流电源，或者所述N个变频器模块-变压器模块系统的各变频器模块由独立的直流电源供电。
本发明具有如下优点：1、具有高度的模块化，全流程数字化的控制策略；2、具有宽功率范围的高效率工作区；3、具有强的功率扩展能力；4、在故障穿越期间，不间断供电，有高的可靠性；5、可使用IGBT元件，应用于中压大功率系统，保持优越的控制特性。
附图说明
图1为本发明中所使用的中点箝位三电平逆变器的原理图；
图2为本发明中所使用的三相相内变压器的原理图；
图3为实施例1的电原理图；
图4为实施例2的电原理图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
本发明采用技术成熟和简单的标准化的中点箝位三电平逆变器(英文简称为NPC)和三相相内变压器进行模块化设计。中点箝位三电平逆变器的原理图如图1所示，中点箝位三电平逆变器具有A、B、C三相输出。三相相内变压器则如图2所示，对于A相绕组而言，其具有两个输入抽头A1、A2及一个输出抽头iA；对于B相绕组而言，其具有两个输入抽头B1、B2及一个输出抽头iB；对于C相绕组而言，其具有两个输入抽头C1、C2及一个输出抽头iC。
本发明利用上述中点箝位三电平逆变器及三相相内变压器形成一种主回路拓扑。具体而言，本发明一种新型的岸电用多电平大功率变频电源系统由N个变频模块-变压器模块系统组成，每个变频模块-变压器模块系统采用双并双串主回路拓扑。本发明具有中点箝位三电平逆变器四倍的额定功率，具有九电平的输出电压波形，N个变频器模块-变压器模块系统，具有4N倍的额定功率输出，具有(8N+1)电平的输出电压波形。更为重要的是采用双并双串主回路拓扑，可通过封锁一对交流侧输出并联中点箝位三电平逆变器的一个中点箝位三电平逆变器，变双并双串拓扑为双串拓扑。可实现恒压输出的宽功率范围的高效率调节，能够实现岸电电源按不同船舶的负载要求合理选择。同时采用双并双串主回路拓扑，一旦发生一台中点箝位三电平逆变器故障，通过直接封锁故障的中点箝位三电平逆变器，系统仍可实现不间断高质量的恒压输出，满足岸电电源的高可靠性要求。
以下结合具体实例来对本发明做进一步说明。
实施例1
本实施例公开的一种岸电用中压多电平大功率变频电源包括2个变频器模块-变压器模块系统，变频器模块-变压器模块系统一包括中点箝位三电平逆变器M1、S1、MD1、SD1及两个三相相内变压器IPT，变频器模块-变压器模块系统二包括中点箝位三电平逆变器M2、S2、MD2、SD2及两个三相相内变压器IPT。
以变频器模块-变压器模块系统一为例，其包括变频器模块及变压器模块，其中：
变频器模块包括主中点箝位三电平逆变器M1、位于主中点箝位三电平逆变器对角桥的从中点箝位三电平逆变器S1、位于主中点箝位三电平逆变器同侧桥的主解耦中点箝位三电平逆变器MD1、位于从中点箝位三电平逆变器同侧桥的从解耦中点箝位三电平逆变器SD1。其中，主中点箝位三电平逆变器M1与从中点箝位三电平逆变器S1及主解耦中点箝位三电平逆变器MD1与从解耦中点箝位三电平逆变器SD1分别采用相位相差Ts/8的空间参考电压矢量；主中点箝位三电平逆变器M1与主解耦中点箝位三电平逆变器MD1及从中点箝位三电平逆变器S1与从解耦中点箝位三电平逆变器SD1采用相位相差Ts/4的空间参考电压矢量，Ts为采样周期。
变压器模块包括二个三相相内变压器IPT，主中点箝位三电平逆变器M1及从中点箝位三电平逆变器S1的三相输出分别与一个三相相内变压器IPT的同相绕组的两个输入抽头相连。主解耦中点箝位三电平逆变器MD1及从解耦中点箝位三电平逆变器SD1的三相输出分别与另一个三相相内变压器IPT的同相绕组的两个输入抽头相连。
以主中点箝位三电平逆变器M1及从中点箝位三电平逆变器S1的A相输出与三相相内变压器IPT的连接为例，主中点箝位三电平逆变器M1的A相输出连接三相相内变压器IPT的A相绕组的输入抽头A1，从中点箝位三电平逆变器S1的A相输出连接三相相内变压器IPT的A相绕组的输入抽头A2。
两个三相相内变压器IPT的相位相反的输出构成了变频器模块-变压器模块系统一的一对三相输出。
变频器模块-变压器模块系统二与变频器模块-变压器模块系统一的结构相同，不再赘述。
输出变压器具有两对同名端互为正向、反向的原边绕组，一对原边绕组与变频器模块-变压器模块系统一的一对三相输出相连，使得变频器模块-变压器模块系统一的两个三相相内变压器IPT输出侧串联，输出具有两倍的基波电压，另一对原边绕组与变频器模块-变压器模块系统二的一对三相输出相连，使得变频器模块-变压器模块系统二的两个三相相内变压器IPT输出侧串联，同样输出具有两倍的基波电压。
本实施例公开的一种岸电用中压多电平大功率变频电源有下述三点可满足岸电电源有高的电源效率：
1、有高的输入电压幅值，低的输出侧电流幅值保证电源效率的提高。
2、有17电平的输出电压波形，使谐波损耗大力减少，利于电源效率的提高。
3、在低于50％负载时每个主回路拓扑，有一半的中点箝位三电平逆变器不工作，可保证岸电电源在轻负载船舶时仍有高的电源效率。
但由于图3所示的岸电用中压多电平大功率变频电源的变频器模块-变压器模块系统一与变频器模块-变压器模块系统二的输出具有相位差，因此输出变压器需采用内含短路阻抗的专用变压器。
实施例2
结合图4，本实施例公开的一种岸电用中压多电平大功率变频电源与实施例1的区别在于：
1、变频器模块-变压器模块系统一与变频器模块-变压器模块系统二所包含的两个变频器模块有各自独立的直流电源为其提供工作电压。其优点在于，可以将输入电压提高一倍，在功率保持不变的前提下，电流降低一半，从而提高了变频电源的输出效率。
2、变频器模块-变压器模块系统一的一对三相输出及变频器模块-变压器模块系统二的一对三相输出并不直接与输出变压器的原边绕组相连，而是变频器模块-变压器模块系统一的一对三相输出再连接一个三相相内变压器，三相相内变压器的二对三相输出再连接另一个三相相内变压器。与变频器模块-变压器模块系统一及三相相内变压器的二相连的两个三相相内变压器的一对输出连接输出变压器的一对同名端互为正向、反向的原边绕组，并经过LC滤波输出，实现四并一串主回路拓扑。因此，在本实施例中，输出变压器可采用普通的原边绕组变压器，不需要另外加变压器的短路阻抗。
本实施例的其他结构及工作方式同实施例1。

Claims (2)

1.一种岸电用中压多电平大功率变频电源，其特征在于，包括N个变频器模块-变压器模块系统，每个变频器模块-变压器模块系统包括变频器模块及变压器模块，其中：
每个变频器模块包括主中点箝位三电平逆变器、位于主中点箝位三电平逆变器对角桥的从中点箝位三电平逆变器、位于主中点箝位三电平逆变器同侧桥的主解耦中点箝位三电平逆变器、位于从中点箝位三电平逆变器同侧桥的从解耦中点箝位三电平逆变器，其中，主中点箝位三电平逆变器与从中点箝位三电平逆变器及主解耦中点箝位三电平逆变器与从解耦中点箝位三电平逆变器分别采用相位相差Ts/8的空间参考电压矢量，主中点箝位三电平逆变器与主解耦中点箝位三电平逆变器及从中点箝位三电平逆变器与从解耦中点箝位三电平逆变器采用相位相差Ts/4的空间参考电压矢量，Ts为采样周期；
每个变压器模块包括二个三相相内变压器一，每个三相相内变压器一的每个单相绕组具有两个输入抽头及一个输出抽头，主中点箝位三电平逆变器及从中点箝位三电平逆变器的三相输出分别与一个三相相内变压器一的同相绕组的两个输入抽头相连，主解耦中点箝位三电平逆变器及从解耦中点箝位三电平逆变器的三相输出分别与另一个三相相内变压器一的同相绕组的两个输入抽头相连；
每个变压器模块的二个三相相内变压器一的三相输出通过与输出变压器的一对同名端互为正向或反向的原边绕组相连实现二个三相相内变压器一的输出侧的串联；
或者每个变压器模块还包括一个三相相内变压器二，三相相内变压器二的每个单相绕组具有两个输入抽头及一个输出抽头，两个三相相内变压器一的三相输出分别与三相相内变压器二的同相绕组的两个输入抽头相连，当前变压器模块中的三相相内变压器二及其他任意一个变压器模块中的三相相内变压器二与输出变压器的一对同名端互为正向、反向的原边绕组相连实现二个三相相内变压器二的输出侧的串联。
2.如权利要求1所述的一种岸电用中压多电平大功率变频电源，其特征在于，所述N个变频器模块-变压器模块系统的所有变频器模块共用直流电源，或者所述N个变频器模块-变压器模块系统的各变频器模块由独立的直流电源供电。
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