CN106411145A - 一种岸电系统的逆变单元及逆变系统 - Google Patents

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韩金刚
王哲
万鹭
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Abstract

本发明公开了一种岸电系统的逆变单元，包含：电网交流电源，被配置为逆变单元的输入端；隔离变压器，其原边线圈连接电网交流电源，且包含两个副边线圈，分别标记为第一副边线圈和第二副边线圈；第一整流桥，其输入端连接第一副边线圈的输出端，第一整流桥的输出端被配置为逆变单元的第一隔离电源；第二整流桥，其输入端连接第二副边线圈的输出端，第二整流桥的输出端被配置为逆变单元的第二隔离电源；逆变桥，其输入端分别与第一、第二隔离电源的输出端连接，逆变桥的输出端被配置为逆变单元的输出端。本发明还公开了一种采用该逆变单元的逆变系统。本发明能够满足岸电系统的供电要求，同时提高交流侧的功率因数，并提高岸电系统的可靠性。

Description

一种岸电系统的逆变单元及逆变系统
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种岸电系统的逆变单元及逆变系统。
背景技术
随着电力电子装置的应用范围不断扩大，大功率的电力变流器的广泛应用，给电力系统带来了谐波污染、功率损耗等问题。目前岸电系统的电力电子装置常用采用H桥级联或MMC多电平电路，但是由于拓扑结构的限制会引入种种问题：器件的电压和电流应力、功率因数和需要无功补偿等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种岸电系统的逆变单元及逆变系统，满足岸电系统的供电要求，同时提高交流侧的功率因数，并提高岸电系统的可靠性。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：一种岸电系统的逆变单元，其特点是，包含：
电网交流电源，被配置为逆变单元的输入端；
隔离变压器，所述的隔离变压器的原边线圈连接电网交流电源，所述的隔离变压器包含两个副边线圈，将所述两个副边线圈分别标记为第一副边线圈和第二副边线圈；
第一整流桥，其输入端连接所述第一副边线圈的输出端，所述的第一整流桥的输出端被配置为逆变单元的第一隔离电源；
第二整流桥，其输入端连接所述第二副边线圈的输出端，所述的第二整流桥的输出端被配置为逆变单元的第二隔离电源；
逆变桥，其输入端分别与所述的第一隔离电源的输出端及第二隔离电源的输出端连接，所述的逆变桥的输出端被配置为逆变单元的输出端；其中
所述的逆变桥包含两个桥臂，所述的两个桥臂分别与第一电源及第二电源连接，并且每一桥臂上设置一对互补导通功率半导体器件，每一功率半导体器件连接一驱动信号。
可选的，所述的逆变桥的四个功率半导体器件为相同的功率半导体器件，或者为不同的功率半导体器件。
可选的，所述的逆变桥的四个功率半导体器件为绝缘栅极双极晶体管、门极可关断晶闸管、电力场效应管及集成门极换流晶闸管中的一种或其组合。
可选的，所述的功率半导体器件连接的驱动信号由脉宽调制法、阶梯波调制法、消除特定谐波法、载波调制法、空间矢量法及混合调制法中的一种实现。
可选的，所述的第一隔离电源输出的电压与第二隔离电源输出的电压的比值可变。
可选的，所述的电网交流电源为380V/50Hz、690V/50Hz及11kV/50Hz中的一种。
本发明还提供了一种岸电系统的逆变系统，其特点是，包含：若干个级联的如上述的逆变单元。
可选的，所述的电网交流电源为380V/50Hz、690V/50Hz及11kV/50Hz中的一种，所述的逆变单元的输出端用于输出380V至11kV之间的电压。
可选的，所述的逆变单元的输出端用于输出440V/60Hz、1.1kV/60Hz、6kV/60Hz及11kV/60Hz中的一种或多种。
本发明还提供了一种岸电系统的逆变系统，包含若干相逆变电路，所述的每一相逆变电路包含若干个级联的如上述的逆变单元。
本发明一种岸电系统的逆变单元及逆变系统与现有技术相比具有以下优点：逆变单元中设有由四个功率半导体器件组成的逆变桥，通过驱动信号控制功率半导体器件的开关，使得逆变单元能够输出多电平；通过若干个逆变单元级联，可以实现单相或多相逆变系统，满足岸电系统的供电要求，同时提高交流侧的功率因数，并提高岸电系统的可靠性。
附图说明
图1为本发明一种岸电系统的逆变单元的整体结构示意图；
图2为两个逆变单元级联的逆变系统的整体结构示意图；
图3为多相逆变系统的整体结构示意图。
具体实施方式
本发明的目的在于提供一种岸电系统的逆变单元及逆变系统，满足岸电系统的供电要求，同时提高交流侧的功率因数，并提高岸电系统的可靠性。
以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
图1为本发明一种岸电系统的逆变单元的整体结构示意图，如图1所示，一种岸电系统的逆变单元(也可以称之为单相非对称四电平变换器)，包含：电网交流电源AC，被配置为逆变单元的输入端；隔离变压器T，所述的隔离变压器T的原边线圈连接电网交流电源AC，所述的隔离变压器(或者是多输出绕组隔离变压器)T包含两个副边线圈，将所述两个副边线圈分别标记为第一副边线圈和第二副边线圈；第一整流桥U1，其输入端连接所述第一副边线圈的输出端，所述的第一整流桥(三相桥式整流)U1的输出端被配置为逆变单元的第一隔离电源，经第一电容C1滤波后输出电压为Vx1；第二整流桥(三相桥式整流)U2，其输入端连接所述第二副边线圈的输出端，所述的第二整流桥U2的输出端被配置为逆变单元的第二隔离电源，经第二电容C2滤波后输出电压为Vx2；逆变桥，其输入端分别与所述的第一隔离电源的输出端及第二隔离电源的输出端连接，所述的逆变桥的输出端被配置为逆变单元的输出端，逆变单元的输出电压为Vxo；其中，所述的逆变桥包含两个桥臂，所述的两个桥臂分别与第一电源及第二电源连接，并且每一桥臂上设置一对互补导通功率半导体器件(Sx1和Sx2互补导通，Sx3和Sx4互补导通)，每一功率半导体器件连接一驱动信号。
在本实施例中，较佳的，所述的逆变桥的四个功率半导体器件为相同的功率半导体器件，或者为不同的功率半导体器件；优选地，所述的逆变桥的四个功率半导体器件为理想开关，比如绝缘栅极双极晶体管(IGBT)、门极可关断晶闸管(GTO)、电力场效应管(MOSFET)及集成门极换流晶闸管(IGCT)中的一种或其组合；在实际应用中，有些器件承受较高的电压，但是开关的频率低；有些器件承受较低的电压，但是开关频率高，所以可以选择不同的器件，比如，对承受的电压高而开关频率低的器件采用耐压高的低速器件，比如GTO；而对于承受的电压低而开关频率低的器件采用耐压低的高频器件，比如IGBT。
在本实施例中，所述的功率半导体器件连接的驱动信号由脉宽调制法(PWM)、阶梯波调制法、消除特定谐波法、载波调制法、空间矢量法及混合调制法中的一种实现，通过不同的调制方法可以实现逆变单元的多电平输出。
在本实施例中，所述的第一隔离电源输出的电压Vx1与第二隔离电源输出的电压Vx2的比值可变，通过改变Vx1和Vx2的比值，可以实现逆变单元的不同的电压波形。
比如，若令Vx1E，Vx2Vx1则输出电压Vxo可为-2E、-E、0和E四种电平；若令Vx1 E，Vx22Vx1则输出电压Vxo可为-3E、-E、0和2E四种电平。
在本发明中还公开了一种岸电系统的逆变系统，其包含：若干个级联的逆变单元。图2为两个逆变单元级联的逆变系统的整体结构示意图，如图2所示，为包含两个逆变单元的逆变系统，该逆变系统也称之为单相级联逆变系统，其输出端是由两个独立的逆变单元的输出叠加所得，可以由式1表示：
vAN v1o v2o (1)
其中，vAN表示逆变系统的输出的相电压，v1o和v2o分别表示两个逆变单元的输出电压。
对于每个逆变单元，设V11E，V12E，V21E，V22E，则v1o可以为-2E、-E、0和E四种电平，而v2o也可以为2E、E、0和-E四种电平。
把两个逆变单元的输出电压经过组合和叠加，vAN最多可以输出-3E、-2E、-E、0、E、2E和3E共7个电平，其详细0、E、2E和3E的组合如表1所示，同样也可以给出-3E、-2E和-E的组合。从表1中可以看出，该逆变系统的输出电压存在冗余组合，在实际应用中，可以通过选择不同的组合来减少功率半导体器件的开关次数而减少损耗提高效率。
当第一隔离电源与第二隔离电源的电压比值发生变化时，可以得到不同的输出电平值。
再比如，设V11 4E，V12 E则v1o可以为-5E、-E、0和4E四种电平；设V21 E，V22 E则v2o也可以为2E、E、0和-E四种电平。此时逆变系统最多可以输出5E、4E、3E、2E、E、0、-5E、-4E、-3E、-2E和-E共11种电平。
对于岸电系统而言，由于需要进行供电的船舶的类型多样，功率、电压等级也各不相同，而且我国电网采用的频率为50Hz，电压则有380V、690V、11kV等，而国外大部分船舶供电采用的是60Hz频率，并且电压可为440V，1.1kV，6kV或11kV等。因此可以针对不同的对象，设计不同的级联逆变单元的个数来满足不同的需求。
在本发明中，也可以通过若干个逆变单元级联，实现包含多相逆变电路的逆变系统，即，每一相逆变电路包含若干个级联的逆变单元，图3为多相逆变系统的整体结构示意图，如图3所示，一个三相逆变电路，假设每个逆变单元的输出电压690V，可以通过5个(n＝5)逆变单元级联，实现相电压3450V，满足线电压6kV的需求。对于N相对称的负载(三相或以上)可以通过N相直接供电；对于非对称的负载，可以分别控制每相电路通过N相N+1(三相四线)线供电。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种岸电系统的逆变单元，其特征在于，包含：
电网交流电源，被配置为逆变单元的输入端；
隔离变压器，所述的隔离变压器的原边线圈连接电网交流电源，所述的隔离变压器包含两个副边线圈，将所述两个副边线圈分别标记为第一副边线圈和第二副边线圈；
第一整流桥，所述第一整流桥的输入端连接所述第一副边线圈的输出端，所述的第一整流桥的输出端被配置为逆变单元的第一隔离电源；
第二整流桥，所述第二整流桥的输入端连接所述第二副边线圈的输出端，所述的第二整流桥的输出端被配置为逆变单元的第二隔离电源；
逆变桥，所述逆变桥的输入端分别与所述的第一隔离电源的输出端及第二隔离电源的输出端连接，所述的逆变桥的输出端被配置为逆变单元的输出端；其中，
所述的逆变桥包含两个桥臂，所述的两个桥臂分别与第一电源及第二电源连接，并且每一桥臂上设置一对互补导通功率半导体器件，每一功率半导体器件连接一驱动信号。
2.如权利要求1所述的逆变单元，其特征在于，所述的逆变桥的四个功率半导体器件为相同的功率半导体器件，或者为不同的功率半导体器件。
3.如权利要求1或2所述的逆变单元，其特征在于，所述的逆变桥的四个功率半导体器件为绝缘栅极双极晶体管、门极可关断晶闸管、电力场效应管及集成门极换流晶闸管中的一种或其组合。
4.如权利要求1所述的逆变单元，其特征在于，所述的功率半导体器件连接的驱动信号由脉宽调制法、阶梯波调制法、消除特定谐波法、载波调制法、空间矢量法及混合调制法中的一种实现。
5.如权利要求1所述的逆变单元，其特征在于，所述的第一隔离电源输出的电压与第二隔离电源输出的电压的比值可变。
6.如权利要求1所述的逆变单元，其特征在于，所述的电网交流电源为380V/50Hz、690V/50Hz及11kV/50Hz中的一种。
7.一种岸电系统的逆变系统，其特征在于，包含：若干个级联的如权利要求1～5任意一项所述的逆变单元。
8.如权利要求7所述的逆变系统，其特征在于，所述的电网交流电源为380V/50Hz、690V/50Hz及11kV/50Hz中的一种，所述的逆变单元的输出端用于输出380V至11kV之间的电压。
9.如权利要求8所述的逆变系统，其特征在于，所述的逆变单元的输出端用于输出440V/60Hz、1.1kV/60Hz、6kV/60Hz及11kV/60Hz中的一种或多种。
10.一种岸电系统的逆变系统，其特征在于，包含若干相逆变电路，所述的每一相逆变电路包含若干个级联的如权利要求1～5任意一项所述的逆变单元。
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