CN106655841A - 一种新的基于模块化多电平变换器的三相变流器拓扑 - Google Patents

一种新的基于模块化多电平变换器的三相变流器拓扑 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种新的基于模块化多电平变换器的三相变流器拓扑，属于电力电子变换器技术领域。本发明包括高压级、隔离级和低压级，其中，高压级为三相结构，采用四桥臂三相模块化多电平变换器结构，即三相中的两相由四个桥臂构成，第三相的输出端通过电容串联获得；高压级的第三相输出端位于电容串联的中点，第三相中所有电容的电压之和等于母线电压；隔离级由多个隔离子模块先串联后并联构成，采用高频隔离方式；隔离级的子模块个数由隔离级电压和所采用的开关器件的耐压等级来决定；所述的隔离级的子模块的原边电压等级可以与高压级半桥子模块的电压等级不一样。本发明具有所需子模块个数少，输出电压谐波小，系统效率高等特点。

Description

一种新的基于模块化多电平变换器的三相变流器拓扑
技术领域
本发明属于电力电子变换器技术领域，尤其涉及一种用于电网等的模块化三相变流器拓扑。
背景技术
模块化多电平变换器（Modular Multilevel Converter， MMC）由于其具有模块化易于扩展，共直流母线，效率高，输出电压谐波小等一系列优点，在高压大容量领域得到了越来越多的应用。现有的基于MMC的三相变流器基本结构如图1所示，其中高压级为基于半桥子模块的MMC。MMC分为上桥臂和下桥臂两部分，每个桥臂由N个半桥子模块串联得到，上桥臂和下桥臂之间通常串接缓冲电感L a防止桥臂在开关过程中发生桥臂直通，导致大的桥臂电流。若正母线P+和负母线N-之间的电压为V dc，则每个子模块所需承受的电压为V dc/N。MMC的输出接滤波电感，使输出的电流满足负载对THD（Total Harmonic Distortion）的要求。图1中的隔离级由2M个子模块先串联后并联构成，其隔离子模块采用串联谐振双H桥，中间采用高频隔离方式。图1中低压级可为直流母线输出或者三相低压交流输出。
现有的基于MMC的三相变流器拓扑结构，高压级的每一相都由多个半桥子模块组成，每个半桥子模块由半导体开关器件和子模块电容构成，当直流母线电压较高时，需要很多的半桥子模块，所需的半导体器件个数和子模块电容个数也多。此外，半桥子模块中开关器件在开关动作时会产生开关损耗，同时开关器件在有电流流过时就会产生导通损耗，这些损耗限制了系统的整体效率的提升。
发明内容
本发明的目的是针对已有技术中所述的基于MMC的三相变流器拓扑结构中子模块数多，所需的半导体器件数和子模块电容个数也多，系统整理效率提升受限等问题，提出了一种新的基于MMC的三相变流器拓扑结构。
本发明采用的技术方案：一种新的基于MMC的三相变流器拓扑结构包括高压级、隔离级和低压级，所述高压级与低压级之间通过隔离级连接；所述高压级为三相结构，采用四桥臂三相模块化多电平变换器结构，即三相中的两相由四个桥臂构成，桥臂分别由上桥臂和下桥臂组成；高压级的桥臂由半桥子模块串联构成，桥臂通过桥臂电感与直流母线相连接；所述高压级的第三相由多个电容串联构成；所述隔离级由多个隔离子模块先串联后并联构成，采用高频隔离方式。
进一步的，高压级的半桥子模块个数由直流母线电压和所采用的开关器件的耐压等级来决定。
进一步的，所述高压级串联电容的个数由母线电压和所采用的电容的耐压值来确定。
进一步的，所述高压级的第三相输出端位于电容串联的中点。
进一步的，所述高压级第三相中所有电容的电压之和等于母线电压。
进一步的，所述隔离级的子模块个数由隔离级电压和所采用的开关器件的耐压等级来决定。
进一步的，所述隔离级的子模块的原边电压等级可以与高压级半桥子模块的电压等级可以不一样。
进一步的，所述隔离子模块可以采用任何双向直流变流拓扑结构，如双有源全桥，串联谐振双H桥等。
进一步的，所述低压级输出电压为直流电压，可连接直流母线、直流负载，逆变器等。
本发明拓扑中高压级中的两相结构与已有的拓扑结构相同，第三相通过多个电容串联构成。与已有的拓扑相比，本发明拓扑高压级的子模块个数比已有拓扑减少三分之一，所采用的半导体器件个数比已有拓扑减少三分之一；当本发明拓扑高压级中所有电容的耐压值相同时，本发明拓扑高压级中所需的电容个数比已有拓扑减少六分之一。本发明拓扑高压级的第三相由隔离级的输入电容串联构成，无开关器件，因此高压级第三相中不存在开关器件的开关损耗和导通损耗，系统效率高。同时，第三相中无桥臂电感，减少了系统的元件个数，从而可降低系统的成本。此外，本发明拓扑中隔离级子模块个数与高压级半桥子模块个数可以不一样，隔离级的原边电压等级不需要与高压级半桥子模块保持一致，使得不同电压等级的开关器件可以组合应用，从而实现系统体积和成本的最优设计。
本发明的有益效果是实现了三相的交流-直流功率变换功能，通过采用新的电路拓扑结构，可以减少三相变流器中的子模块个数，开关器件数、子模块电容个数和桥臂电感个数；降低系统中半导体器件总的开关损耗和导通损耗，从而提高系统的整体效率。新拓扑中的隔离级子模块个数与高压级半桥子模块个数可以不一样，隔离级的原边电压等级不需要与高压级半桥子模块保持一致，从而可实现系统体积和成本的最优设计。
附图说明
图1是现有基于MMC的三相变流器基本结构图；
图2是本发明所提出的基于MMC的三相变流器拓扑；
图3是实施例的结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。
一种新的基于模块化多电平变换器的三相变流器拓扑，包括高压级、隔离级和低压级，所述高压级与低压级之间通过隔离级连接，所述高压级采用四桥臂三相模块化多电平变换器结构，三相中的两相分别由上桥臂和下桥臂组成，上桥臂和下桥臂由半桥子模块串联构成，第三相由多个电容串联构成；所述隔离级采用高频隔离方式，由多个隔离子模块先串联后并联构成。
所述高压级的第三相输出端位于电容串联的中点；
所述高压级第三相中所有电容的电压之和等于母线电压。
所述隔离子模块采用双向直流变流拓扑结构。
所述隔离子模块个数由隔离级电压和所采用的开关器件的耐压等级来决定。
所述低压级输出电压为直流电压，连接直流母线、直流负载，逆变器。
如图3所示，本实施例中交流输入线电压为10kV/50Hz，直流输出V DCL为900V。高压级采用4.5kV电压等级的绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT），高压子模块的电容电压为3.2kV，选择正母线P+和负母线N-之间的电压V dc为28.8kV。直流母线电压和高压子模块电容的总电压相等，可得高压级每个桥臂中的子模块个数N=9，高压级所需的开关器件个数为72个。隔离级原边采用3.3kV的IGBT，隔离级原边的电容电压为1.6kV；隔离级副边采用1700V的IGBT，隔离级副边的电容电压为900V。直流母线电压和隔离级原边电容电压相等可得隔离级所需的子模块个数为2M=18，隔离级所需的开关器件个数为72个。因此整个变换器所需的总开关器件个数为144个。
若采用如图1所示的已有基于MMC的三相变流器拓扑，交流输入线电压为10kV/50Hz，直流输出V DCL为900V。高压级采用4.5kV电压等级的IGBT，高压子模块的电容电压为3.2kV，选择正母线P+和负母线N-之间的电压V dc为28.8kV。根据直流母线电压和高压子模块电容电压的关系可得高压级每个桥臂中的子模块个数N=9，高压级所需要的开关器件数为108个。隔离级原边采用3.3kV的IGBT，隔离级原边的电容电压为1.6kV；隔离级副边采用1700V的IGBT，隔离级副边的电容电压为900V。根据直流母线电压和隔离级原边电容电压的关系可得隔离级所需的子模块个数为2M=18，隔离级所需的开关器件个数为72个。因此，整个变换器所需的总开关器件个数为180个。与本发明中的具体实施例相比，开关器件个数增加了36个。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式而非对其限制，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种新的基于模块化多电平变换器的三相变流器拓扑，其特征在于：包括高压级、隔离级和低压级，所述高压级与低压级之间通过隔离级连接，所述高压级采用四桥臂三相模块化多电平变换器结构，其中两相分别由上桥臂和下桥臂组成，上桥臂和下桥臂均由半桥子模块串联构成，第三相由多个电容串联构成；所述隔离级采用高频隔离方式，由多个隔离子模块先串联后并联构成。
2.根据权利要求1所述的基于模块化多电平变换器的三相变流器拓扑，其特征在于：所述高压级的半桥子模块个数由直流母线电压和所采用的开关器件的耐压等级决定。
3.根据权利要求1所述的基于模块化多电平变换器的三相变流器拓扑，其特征在于：所述高压级的第三相输出端位于电容串联的中点。
4.根据权利要求1所述的基于模块化多电平变换器的三相变流器拓扑，其特征在于：所述高压级第三相中串联电容的个数由母线电压和所采用的电容的耐压值确定。
5.根据权利要求4所述的基于模块化多电平变换器的三相变流器拓扑，其特征在于：所述高压级第三相中所有电容的电压之和等于母线电压。
6.根据权利要求1所述的基于模块化多电平变换器的三相变流器拓扑，其特征在于：所述隔离子模块采用双向直流变流拓扑结构。
7.根据权利要求1或6所述的基于模块化多电平变换器的三相变流器拓扑，其特征在于：所述隔离子模块个数由隔离级电压和所采用的开关器件的耐压等级来决定。
8.根据权利要求1所述的基于模块化多电平变换器的三相变流器拓扑，其特征在于：所述低压级输出电压为直流电压，连接直流母线、直流负载和逆变器。
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