CN107666251A - 一种模块化多电平交‑交变换器 - Google Patents

一种模块化多电平交‑交变换器 Download PDF

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Abstract

本发明提供的模块化多电平交交变换器，包括三相，其中，每相包含上桥臂和下桥臂，上桥臂和下桥臂分别包括至少一个可控功率模块以及一个电抗器，可控功率模块和电抗器串联连接；上桥臂的一端和下桥臂的一端连接，其连接点作为三相交流输入端之一；第一相的上桥臂的另一端和第二相的下桥臂的另一端连接，其连接点作为三相交流输出端之一；第二相的上桥臂的另一端和第三相的下桥臂的另一端连接，其连接点作为三相交流输出端之一；第三相的上桥臂的另一端和第一相的下桥臂的另一端连接，其连接点作为三相交流输出端之一。

Description

一种模块化多电平交-交变换器
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种模块化多电平交-交变换器。
背景技术
海上风力发电具有资源丰富、不占用土地资源、机组年利用小时数高等优点，受到了越来越多的关注。同时，海上风电场离岸距离越远，风速越大且稳定，输出功率更高。随着海上风机的容量的不断提升，某些风机制造商生产的8MW风机其出口电压已达6600V，且仍会随着风机容量的提升而进一步升高。
传统的应用于大容量海上风力发电并网系统的多电平变换器，主要为嵌位式多电平变换器，该种嵌位式多电平变换器随着电平数的增加，其嵌位器件急剧增加，且控制复杂，不便于使用。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的多电平变换器控制复杂的缺陷，从而提供一种模块化多电平交-交变换器。
为此，本发明的技术方案如下：
一种模块化多电平交-交变换器，包括三相，其中，每相包含上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和所述下桥臂分别包括至少一个可控功率模块以及一个电抗器，所述可控功率模块和所述电抗器串联连接；
所述上桥臂的一端和所述下桥臂的一端连接，其连接点作为三相交流输入端之一；
第一相的所述上桥臂的另一端和第二相的所述下桥臂的另一端连接，其连接点作为三相交流输出端之一；第二相的所述上桥臂的另一端和第三相的所述下桥臂的另一端连接，其连接点作为三相交流输出端之一；第三相的所述上桥臂的另一端和第一相的所述下桥臂的另一端连接，其连接点作为三相交流输出端之一。
优选地，所述可控功率模块包括：H桥变流单元与电容C，所述H桥变流单元与电容C并联连接；所述H桥变流单元两个桥臂的中点作为所述可控功率模块的两个输出端。
优选地，所述H桥变流单元包括第一电力电子开关器件、第二电力电子开关器件、第三电力电子开关器件、第四电力电子开关器件、第一二极管、第二二极管、第三二极管以及第四二极管，其中，
所述第一电力电子开关器件与所述第一二极管并联连接；所述第二电力电子开关器件与所述第二二极管并联连接；所述第三电力电子开关器件与所述第三二极管并联连接；所述第四电力电子开关器件与所述第四二极管并联连接；
所述第一电力电子开关器件和所述第三电力电子开关器件串联连接；所述第二电力电子开关器件和所述第四电力电子开关器件串联连接；
串联后的所述第一电力电子开关器件和所述第三电力电子开关器件与串联后的所述第二电力电子开关器件和所述第四电力电子开关器件以及所述电容C并联连接；
所述第一电力电子开关器件和所述第三电力电子开关器件连接的中点作为所述H桥变流单元的一个输出端；所述第二电力电子开关器件和所述第四电力电子开关器件连接的中点作为所述H桥变流单元的另一个输出端。
优选地，所述的模块化多电平交-交变换器拓扑结构还包括控制模块，用于控制所述可控功率模块的输出，其中，所述可控功率模块的输出包括三种模式，其中，第一模式为所述可控功率模块输出正向电压；第二模式为输出负向电压；第三模式为输出零电压。
优选地，当所述控制模块控制所述第一电力电子开关器件和所述第四电力电子开关器件导通、所述第二电力电子开关器件和所述第三电力电子开关器件关断时，所述可控功率模块输出正向电压。
优选地，当所述控制模块控制所述第二电力电子开关器件和所述第三电力电子开关器件导通、所述第一电力电子开关器件和所述第四电力电子开关器件关断时，所述可控功率模块输出负向电压。
优选地，当所述控制模块控制所述第一电力电子开关器件和所述第二电力电子开关器件导通、所述第三电力电子开关器件和所述第四电力电子开关器件关断时，所述可控功率模块输出零电压。
优选地，当所述控制模块控制所述第三电力电子开关器件和所述第四电力电子开关器件导通、所述第一电力电子开关器件和所述第二电力电子开关器件关断时，所述可控功率模块输出零电压。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明提供的模块化多电平交-交变换器，包括三相，其中，每相包含上桥臂和下桥臂，上桥臂和下桥臂分别包括至少一个可控功率模块以及一个电抗器，可控功率模块和电抗器串联连接；上桥臂的一端和下桥臂的一端连接，其连接点作为三相交流输入端之一；第一相的上桥臂的另一端和第二相的下桥臂的另一端连接，其连接点作为三相交流输出端之一；第二相的上桥臂的另一端和第三相的下桥臂的另一端连接，其连接点作为三相交流输出端之一；第三相的上桥臂的另一端和第一相的下桥臂的另一端连接，其连接点作为三相交流输出端之一。该模块化多电平交-交变换器的拓扑结构，采用的桥臂数较少，采用直接型交-交变换，无中间公共直流环节，结构更为简单，控制简单，具有较高的功率密度。同时，以输入侧为基准，桥臂以三角形接法连接，输入侧每相间均串联两个桥臂，两桥臂中点为输出电压。通过控制各可控功率模块投切，使桥臂级联模块输出期望的电压，从而控制输入、输出侧电压、电流。由于对称性，以输出侧为基准时桥臂仍为三角形连接；采用三星形连接的方式连接桥臂，节省了电力电子器件和无源器件，节约了成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1中模块化多电平交-交变换器的一个具体示例的原理框图；
图2为本发明实施例1中模块化多电平交-交变换器中可控功率模块的一个具体示例的原理框图；
图3a-3c为本发明实施例1中模块化多电平交-交变换器中可控功率模块的不同工作模式的示意图；
附图标记：1-第一相的上桥臂；2-第二相的上桥臂；3-第三相的上桥臂；4-第一相的下桥臂；5-第二相的下桥臂；6-第三相的下桥臂；7-可控功率模块。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种模块化多电平交-交变换器，包括三相，其中，每相包含上桥臂和下桥臂，上桥臂和下桥臂分别包括至少一个可控功率模块7以及一个电抗器L，可控功率模块7和电抗器L串联连接，其中可控功率模块7的输出电压可以被控制；上桥臂的一端和下桥臂的一端连接，其连接点作为三相交流输入端之一(即：第一相的上桥臂的一端和第一相的下桥臂的一端连接，其连接点作为三相交流输出端之一；第二相的上桥臂的一端和第二相的下桥臂的一端连接，其连接点作为三相交流输出端之一；第三相的上桥臂的一端和第三相的下桥臂的一端连接，其连接点作为三相交流输出端之一；由此构成了三相交流的三个输入端)；第一相的上桥臂1的另一端和第二相的下桥臂5的另一端连接，其连接点作为三相交流输出端之一；第二相的上桥臂2的另一端和第三相的下桥臂6的另一端连接，其连接点作为三相交流输出端之一；第三相的上桥臂3的另一端和第一相的下桥臂4的另一端连接，其连接点作为三相交流输出端之一；由此构成了三相交流的三个输出端。
本实施例提供了一种新型的模块化多电平交-交变换器拓扑结构，该拓扑结构采用的桥臂数更少，采用直接型交-交变换，无中间公共直流环节，结构更为简单，控制简单，具有较高的功率密度。
下面结合图1，进一步描述本实施例提供的模块化多电平交-交变换器的拓扑结构，该拓扑电路共有AU(第一相的上桥臂1)、AW(第一相的下桥臂4)、BV(第二相的上桥臂2)、BU(第二相的下桥臂5)、CW(第三相的上桥臂3)、CV六个桥臂(第三相的下桥臂6)，AU桥臂包含N个功率模块以及一个电感，采用串联形式连接输入侧A相与输出侧U相；AW包含N个功率模块以及一个电感，采用串联形式连接输入侧A相与输出侧W相；BV包含N个功率模块以及一个电感，采用串联形式连接输入侧B相与输出侧V相；BU桥臂包含N个功率模块以及一个电感，采用串联形式连接输入侧B相与输出侧U相；CW包含N个功率模块以及一个电感，采用串联形式连接输入侧C相与输出侧W相；CV包含N个功率模块以及一个电感，采用串联形式连接输入侧C相与输出侧V相。
下面结合图1，进一步描述本实施例提供的模块化多电平交-交变换器的工作原理，ux，ix(x＝a,b,c)为输入侧相电压、电流；uy，iy(y＝u,v,w)为输出侧相电压、电流；ixy为连接输入侧x相，输出侧连接y相的桥臂电流。其中，每个桥臂由N个可控功率模块7(N为大于等于1的自然数)与一个电抗器L串联而成。以输入侧为基准，桥臂以三角形接法连接，输入侧每相间均串联两个桥臂，两桥臂中点为输出电压。通过控制各可控功率模块7投切，使桥臂级联模块输出期望的电压，从而控制输入、输出侧电压、电流。由于对称性，以输出侧为基准时桥臂仍为三角形连接。采用三星形连接的方式连接桥臂，节省了电力电子器件和无源器件，节约了成本。变换器工作原理如下：uxy为连接输入侧x相，输出侧连接y相的桥臂电压。为保证输入、输出侧电流独立不相互耦合，桥臂电压应有如下关系：
作为一种可选实施方式，如图2所示，可控功率模块7可以包括：H桥变流单元与电容C(优选地，电容C可以为直流储能电容)，H桥变流单元与电容C并联连接；H桥变流单元两个桥臂的中点作为可控功率模块7的两个输出端。其中，H桥变流单元可以包括第一电力电子开关器件T1、第二电力电子开关器件T2、第三电力电子开关器件T3、第四电力电子开关器件T4、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3以及第四二极管D4，其中，第一电力电子开关器件T1与第一二极管D1并联连接；第二电力电子开关器件T2与第二二极管D2并联连接；第三电力电子开关器件T3与第三二极管D3并联连接；第四电力电子开关器件T4与第四二极管D4并联连接；第一电力电子开关器件T1和第三电力电子开关器件T3串联连接；第二电力电子开关器件T2和第四电力电子开关器件T4串联连接；串联后的第一电力电子开关器件T1和第三电力电子开关器件T3与串联后的第二电力电子开关器件T2和第四电力电子开关器件T4以及电容C并联连接；第一电力电子开关器件T1和第三电力电子开关器件T3连接的中点作为H桥变流单元的一个输出端；第二电力电子开关器件T2和第四电力电子开关器件T4连接的中点作为H桥变流单元的另一个输出端。
在上述方案的基础上，本实施例提供的模块化多电平交-交变换器拓扑结构，还包括控制模块，用于控制可控功率模块7的输出，其中，可控功率模块7的输出包括三种模式，其中，第一模式为所述可控功率模块输出正向电压；第二模式为输出负向电压；第三模式为输出零电压。本领域技术人员应该可以理解，具体选择可控功率模块7处于哪种工作模式，可以根据输入、输出侧指令电压确定。运用于海上风力发电的场合时，可以根据当前风机输出工况及电网运行状况确定变换器指令电压，从而控制可控功率模块7的工作模式。具体地，可控功率模块7的三种工作模式如下：
如图3a所示，当控制模块控制第一电力电子开关器件T1和第四电力电子开关器件T4导通、第二电力电子开关器件T2和第三电力电子开关器件T3关断时，所可控功率模块7输出正向电压。
如图3b所示，当控制模块控制第二电力电子开关器件T2和第三电力电子开关器件T3导通、第一电力电子开关器件T1和第四电力电子开关器件T4关断时，可控功率模块7输出负向电压。
如图3c所示，当控制模块控制第一电力电子开关器件T1和第二电力电子开关器件T2导通、第三电力电子开关器件T3和第四电力电子开关器件(T4)关断时，可控功率模块7输出零电压。同样的，当控制模块控制第三电力电子开关器件T3和第四电力电子开关器件T4导通、第一电力电子开关器件T1和第二电力电子开关器件T2关断时，可控功率模块7输出零电压。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种模块化多电平交-交变换器，其特征在于，包括三相，其中，每相包含上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和所述下桥臂分别包括至少一个可控功率模块以及一个电抗器(L)，所述可控功率模块和所述电抗器(L)串联连接；
所述上桥臂的一端和所述下桥臂的一端连接，其连接点作为三相交流输入端之一；
第一相的所述上桥臂的另一端和第二相的所述下桥臂的另一端连接，其连接点作为三相交流输出端之一；第二相的所述上桥臂的另一端和第三相的所述下桥臂的另一端连接，其连接点作为三相交流输出端之一；第三相的所述上桥臂的另一端和第一相的所述下桥臂的另一端连接，其连接点作为三相交流输出端之一。
2.根据权利要求1所述的模块化多电平交-交变换器，其特征在于，所述可控功率模块包括：H桥变流单元与电容C，所述H桥变流单元与电容C并联连接；所述H桥变流单元两个桥臂的中点作为所述可控功率模块的两个输出端。
3.根据权利要求2所述的模块化多电平交-交变换器拓扑结构，其特征在于，所述H桥变流单元包括第一电力电子开关器件(T1)、第二电力电子开关器件(T2)、第三电力电子开关器件(T3)、第四电力电子开关器件(T4)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)以及第四二极管(D4)，其中，
所述第一电力电子开关器件(T1)与所述第一二极管(D1)并联连接；所述第二电力电子开关器件(T2)与所述第二二极管(D2)并联连接；所述第三电力电子开关器件(T3)与所述第三二极管(D3)并联连接；所述第四电力电子开关器件(T4)与所述第四二极管(D4)并联连接；
所述第一电力电子开关器件(T1)和所述第三电力电子开关器件(T3)串联连接；所述第二电力电子开关器件(T2)和所述第四电力电子开关器件(T4)串联连接；
串联后的所述第一电力电子开关器件(T1)和所述第三电力电子开关器件(T3)与串联后的所述第二电力电子开关器件(T2)和所述第四电力电子开关器件(T4)以及所述电容C并联连接；
所述第一电力电子开关器件(T1)和所述第三电力电子开关器件(T3)连接的中点作为所述H桥变流单元的一个输出端；所述第二电力电子开关器件(T2)和所述第四电力电子开关器件(T4)连接的中点作为所述H桥变流单元的另一个输出端。
4.根据权利要求3所述的模块化多电平交-交变换器拓扑结构，其特征在于，还包括控制模块，用于控制所述可控功率模块的输出，其中，所述可控功率模块的输出包括三种模式，其中，第一模式为所述可控功率模块输出正向电压；第二模式为输出负向电压；第三模式为输出零电压。
5.根据权利要求4所述的模块化多电平交-交变换器，其特征在于，当所述控制模块控制所述第一电力电子开关器件(T1)和所述第四电力电子开关器件(T4)导通、所述第二电力电子开关器件(T2)和所述第三电力电子开关器件(T3)关断时，所述可控功率模块输出正向电压。
6.根据权利要求4所述的模块化多电平交-交变换器，其特征在于，当所述控制模块控制所述第二电力电子开关器件(T2)和所述第三电力电子开关器件(T3)导通、所述第一电力电子开关器件(T1)和所述第四电力电子开关器件(T4)关断时，所述可控功率模块输出负向电压。
7.根据权利要求4所述的模块化多电平交-交变换器，其特征在于，当所述控制模块控制所述第一电力电子开关器件(T1)和所述第二电力电子开关器件(T2)导通、所述第三电力电子开关器件(T3)和所述第四电力电子开关器件(T4)关断时，所述可控功率模块输出零电压。
8.根据权利要求4所述的模块化多电平交-交变换器，其特征在于，当所述控制模块控制所述第三电力电子开关器件(T3)和所述第四电力电子开关器件(T4)导通、所述第一电力电子开关器件(T1)和所述第二电力电子开关器件(T2)关断时，所述可控功率模块输出零电压。
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