CN109889054B - 变流器拓扑 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种变流器拓扑，所述变流器拓扑包括N个变流器模块、整流侧电感和逆变侧电感；每个变流器模块均包括依次连接的整流器、电容和逆变器；整流侧电感包括N个电感，N个电感可以组成N个三相电感或者三组耦合电感，组成的N个三相电感具有差模感量或者组成的三组耦合电感使得相电流的基频成分所产生的磁场在耦合电感内相互抵消；逆变侧电感包括N个电感，N个电感组成三组耦合电感，组成的三组耦合电感使得相电流的基频成分所产生的磁场在耦合电感内相互耦合。本申请通过N个变流器模块、整流侧电感和逆变侧电感构成的变流器拓扑；即可降低网侧机侧谐波电流，又不增加变流器成本，提升了产品的竞争力。

Description

变流器拓扑

技术领域

本申请涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种变流器拓扑。

背景技术

变流器上网谐波电流主要通过以下三种方案实现：提高变流器开关频率、加大变流器滤波回路电容或采用载波移相提高上网开关频率，这三种方案具有一定的局限性：提高开关频率会加大变频器损耗，从而提高整机成本，降低变流器效率；加大变流器滤波回路电容会增加整机成本，另外滤波电容容量增大也会造成整个电网系统可靠性降低。

采用载波移相提高上网开关频率通常有两种实施方案：

如图1所示，网侧采用具有共模抑制能力的电感，由于该电感一般情况下是采用三相五柱电感，所以会增加电感成本；

如图2所示，采用多台变流器，网侧采用载波移相，机侧连连接到电机的不同绕组上，由于该方案要求电机必须为多绕组，其应用具有局限性。

电机的损耗主要是由于铜损与铁损构成，其中铁损大小受制于变流器的谐波电流。为了降低变流器谐波电流，业内多采用提高变流器开关频率或加大滤波电感的大小。这两种方案具有以下缺点：

提高开关频率会加大变频器损耗，从而提高整机成本，降低变流器效率；加大滤波电感会增加整机成本，降低变流器电压利用率。

因此需要提供一种能够降低网侧机侧谐波电流，但又不增加变流器成本的方案。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提供一种变流器拓扑，以解决如何降低网侧机侧谐波电流，又不增加变流器成本的问题。

本申请解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

根据本申请的一个方面，提供的一种变流器拓扑，所述变流器拓扑包括N个变流器模块、整流侧电感和逆变侧电感；每个变流器模块均包括依次连接的整流器、电容和逆变器；N为大于1的整数；

所述整流侧电感包括N个第一A相电感、N个第一B相电感以及N个第一C相电感；所述N个第一A相电感的输入端连接在一起，所述N个第一B相电感的输入端连接在一起，所述N个第一C相电感的输入端连接在一起；每个第一A相电感的输出端连接到对应的一个变流器模块的整流器的A相输入端，每个第一B相电感的输出端连接到对应的一个变流器模块的整流器的B相输入端，每个第一C相电感的输出端连接到对应的一个变流器模块的整流器的C相输入端；

所述逆变侧电感包括N个第二A相电感、N个第二B相电感以及N个第二C相电感；所述N个第二A相电感的输出端连接在一起，所述N个第二B相电感的输出端连接在一起，所述N个第二C相电感的输出端连接在一起；每个第二A相电感的输入端连接到对应的一个变流器模块的逆变器的A相输出端，每个第二B相电感的输入端连接到对应的一个变流器模块的逆变器的B相输出端，每个第二C相电感的输入端连接到对应的一个变流器模块的逆变器的C相输出端；所述第二A相电感间相互耦合，所述第二B相电感间相互耦合，所述第二C相电感间相互耦合。

在一种实施方式中，所述变流器拓扑还包括驱动电路；

所述驱动电路用于产生2N个驱动信号，其中第2m-1个驱动信号用于驱动第m个变流器模块的整流器，第2m个驱动信号用于驱动所述第m个变流器模块的逆变器；所述第2m-1个驱动信号由第2m-1调制波和第2m-1载波调制而成，所述第2m个驱动信号由第2m调制波和第2m载波调制而成；第2m-1载波和第2m载波相位相同，第2m-1载波和第2m+1载波之间的相位相差360/N度；其中m为整数且1≤m≤N。

在一种实施方式中，所述整流器和所述逆变器为两电平拓扑或三电平拓扑。

在一种实施方式中，所述三电平拓扑包括三电平T型拓扑或三电平中点钳位拓扑。

在一种实施方式中，第n个第一A相电感、第n个第一B相电感以及第n个第一C相电感共同组成一个三相电感，其中n为整数且1≤n≤N；或者，

所述N个第一A相电感组成第一耦合电感，所述N个第一B相电感组成第二耦合电感，所述N个第一C相电感组成第三耦合电感。

在一种实施方式中，所述N个第二A相电感组成第四耦合电感，所述N个第二B相电感组成第五耦合电感，所述N个第二C相电感组成第六耦合电感。

在一种实施方式中，所述第一耦合电感至所述第三耦合电感、或者所述第四耦合电感至所述第六耦合电感，通过以下方式之一实现：

在并联于上铁轭和下铁轭之间的j个芯柱上缠绕k个绕组，每个芯柱上的k个绕组的磁动势之和相等，其中1≤k≤N、1≤j≤N，且k*j＝N；

在并联于上铁轭和下铁轭之间的x个芯柱上缠绕2y个绕组，每个芯柱上的2y个绕组的磁动势之和为零，其中1≤x≤N、1≤y≤N，且x*2y＝N。

在一种实施方式中，所述在并联于上铁轭和下铁轭之间的x个芯柱上缠绕2y个绕组包括：

每个芯柱上的第1个到第y个绕组以第一方向进行缠绕，第y+1个到第2y个绕组以第二方向进行缠绕，所述第一方向和所述第二方向为相反的方向。

在一种实施方式中，在所述第四耦合电感至所述第六耦合电感通过以下方式实现的情况下，将所述第四耦合电感至所述第六耦合电感并联在一起：

在并联于上铁轭和下铁轭之间的3x个芯柱上缠绕2y个绕组，每个芯柱上的2y个绕组的磁动势之和为零，其中1≤x≤N、1≤y≤N，且3x*2y＝3N。

本申请实施例的变流器拓扑，通过N个变流器模块、整流侧电感和逆变侧电感构成的变流器拓扑；即可降低网侧机侧谐波电流，又不增加变流器成本，提升了产品的竞争力。

附图说明

图1为现有的网侧具有共模抑制能力的变流器载波移相拓扑结构示意图；

图2为现有的机侧为多绕组的变流器载波移相拓扑结构示意图；

图3为本申请实施例的变流器拓扑结构示意图；

图4为本申请实施例的变流器拓扑的一种示例结构示意图；

图5为本申请实施例的变流器拓扑的另一种示例结构示意图；

图6为本申请实施例的变流器拓扑中耦合电感的一种结构示意图；

图7为本申请实施例的变流器拓扑中耦合电感的另一种结构示意图；

图8为本申请实施例的变流器拓扑中耦合电感并联结构示意图。

本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图3所示，本申请实施例提供一种变流器拓扑，所述变流器拓扑包括N个变流器模块11、整流侧电感12和逆变侧电感13；每个变流器模块11均包括依次连接的整流器、电容和逆变器(附图未示出)；N为大于1的整数；

所述整流侧电感12包括N个第一A相电感、N个第一B相电感以及N个第一C相电感；所述N个第一A相电感的输入端连接在一起，所述N个第一B相电感的输入端连接在一起，所述N个第一C相电感的输入端连接在一起；每个第一A相电感的输出端连接到对应的一个变流器模块的整流器的A相输入端，每个第一B相电感的输出端连接到对应的一个变流器模块的整流器的B相输入端，每个第一C相电感的输出端连接到对应的一个变流器模块的整流器的C相输入端；

所述逆变侧电感13包括N个第二A相电感、N个第二B相电感以及N个第二C相电感；所述N个第二A相电感的输出端连接在一起，所述N个第二B相电感的输出端连接在一起，所述N个第二C相电感的输出端连接在一起；每个第二A相电感的输入端连接到对应的一个变流器模块的逆变器的A相输出端，每个第二B相电感的输入端连接到对应的一个变流器模块的逆变器的B相输出端，每个第二C相电感的输入端连接到对应的一个变流器模块的逆变器的C相输出端；所述第二A相电感间相互耦合，所述第二B相电感间相互耦合，所述第二C相电感间相互耦合。

在一种实施方式中，所述变流器拓扑还包括驱动电路(附图未示出)；

所述驱动电路用于产生2N个驱动信号，其中第2m-1个驱动信号用于驱动第m个变流器模块的整流器，第2m个驱动信号用于驱动所述第m个变流器模块的逆变器；所述第2m-1个驱动信号由第2m-1调制波和第2m-1载波调制而成，所述第2m个驱动信号由第2m调制波和第2m载波调制而成；第2m-1载波和第2m载波相位相同，第2m-1载波和第2m+1载波之间的相位相差360/N度；其中m为整数且1≤m≤N。

作为示例地，假设N＝2，即变流器拓扑包括2个变流器模块：变流器模块1和变流器模块2。此时驱动电路产生4个驱动信号，第1个驱动信号驱动变流器模块1的整流器，第2个驱动信号驱动变流器模块1的逆变器，第3个驱动信号驱动变流器模块2的整流器，第4个驱动信号驱动变流器模块2的逆变器。第1个驱动信号由第一调制波和第一载波调制而成，第2个驱动信号由第二调制波和第二载波调制而成，第3个驱动信号由第三调制波和第三载波调制而成，第4个驱动信号由第四调制波和第四载波调制而成，第一载波和第二载波相位相同，第一载波和第三载波之间的相位相差360/2＝180度。

在一种实施方式中，所述整流器和所述逆变器为两电平拓扑或三电平拓扑。

在该实施方式中，所述三电平拓扑包括三电平T型拓扑或三电平中点钳位拓扑。

在一种实施方式中，第n个第一A相电感、第n个第一B相电感以及第n个第一C相电感共同组成一个三相电感，其中n为整数且1≤n≤N；或者，

所述N个第一A相电感组成第一耦合电感，所述N个第一B相电感组成第二耦合电感，所述N个第一C相电感组成第三耦合电感。

所述N个第二A相电感组成第四耦合电感，所述N个第二B相电感组成第五耦合电感，所述N个第二C相电感组成第六耦合电感。

为了更好地阐述该实施方式，以下结合图4和图5进行说明：

如图4所示，所述变流器拓扑包括N个变流器模块、整流侧电感和逆变侧电感；每个变流器模块均包括依次连接的整流器、电容和逆变器；N为大于1的整数。

整流侧电感包括N个三相电感，其中N个三相电感的A相输入端连接在一起、N个三相电感的B相输入端连接在一起、N个三相电感的C相输入端连接在一起，每一个三相电感的A相输出端连接到对应的一个变流器模块的整流器的A相输入端，每一个三相电感的B相输出端连接到对应的一个变流器模块的整流器的B相输入端，每一个三相电感的C相输出端连接到对应的一个变流器模块的整流器的C相输入端。

例如：图中的三相电感1的A相输出端、B相输出端、C相输出端分别连接到变流器模块1的A相输入端、B相输入端、C相输入端。

逆变侧电感包括3个耦合电感，耦合电感1包括N个A相电感，N个A相电感的输出端连接在一起，每个A相电感的输入端连接到对应的一个变流器模块的逆变器的A相输出端；耦合电感2包括N个B相电感，N个B相电感的输出端连接在一起，每个B相电感的输入端连接到对应的一个变流器模块的逆变器的B相输出端；耦合电感3包括N个C相电感，N个C相电感的输出端连接在一起，每个C相电感的输入端连接到对应的一个变流器模块的逆变器的C相输出端。

如图5所示，与图4不同的是：整流侧电感包括3个耦合电感，耦合电感1包括N个A相电感，N个A相电感的输入端连接在一起，每个A相电感的输出端连接到对应的一个变流器模块的整流器的A相输入端；耦合电感2包括N个B相电感，N个B相电感的输入端连接在一起，每个B相电感的输出端连接到对应的一个变流器模块的整流器的B相输入端；耦合电感3包括N个C相电感，N个C相电感的输入端连接在一起，每个C相电感的输出端连接到对应的一个变流器模块的整流器的C相输入端。

在一种实施方式中，所述第一耦合电感至所述第三耦合电感、或者所述第四耦合电感至所述第六耦合电感，通过以下方式之一实现：

在并联于上铁轭和下铁轭之间的j个芯柱上缠绕k个绕组，每个芯柱上的k个绕组的磁动势之和相等，其中1≤k≤N、1≤j≤N，且k*j＝N；

在并联于上铁轭和下铁轭之间的x个芯柱上缠绕2y个绕组，每个芯柱上的2y个绕组的磁动势之和为零，其中1≤x≤N、1≤y≤N，且x*2y＝N。

在该实施方式中，所述在并联于上铁轭和下铁轭之间的x个芯柱上缠绕2y个绕组包括：

每个芯柱上的第1个到第y个绕组以第一方向进行缠绕，第y+1个到第2y个绕组以第二方向进行缠绕，所述第一方向和所述第二方向为相反的方向。

为了更好地阐述该实施方式，以下结合图6和图7进行说明：

如图6所示，耦合电感共有j个芯柱(芯柱1-芯柱j)，每个芯柱上绕组数量为k(绕组1-绕组k)，其中1≤k≤N、1≤j≤N，且k*j＝N。每个芯柱上k个绕组的磁动势之和相等，芯柱并联于上下铁轭之间，从而使N个同相的基波电流在芯柱内产生的磁场相互抵消。

如图7所示，耦合电感共x个芯柱(芯柱1-芯柱x)，每个芯柱上绕组数量为2y(绕组1-绕组2y)，其中1≤x≤N、1≤y≤N，且x*2y＝N。同一芯柱上1到y绕组以从外到里的缠绕方向布置，y+1到2y绕组以从里到外的缠绕方向布置，芯柱上2k个绕组的磁动势之和为0，从而使N个同相的基波电流在芯柱内产生的磁场相互抵消。

在一种实施方式中，在所述第四耦合电感至所述第六耦合电感通过以下方式实现的情况下，将所述第四耦合电感至所述第六耦合电感并联在一起：

如图8所示，A、B、C三相的耦合电感并联在一起。

在并联于上铁轭和下铁轭之间的3x个芯柱上缠绕2y个绕组，每个芯柱上的2y个绕组的磁动势之和为零，其中1≤x≤N、1≤y≤N，且3x*2y＝3N。

本申请实施例的变流器拓扑，通过N个变流器模块、整流侧电感和逆变侧电感构成的变流器拓扑；即可降低网侧机侧谐波电流，又不增加变流器成本，提升了产品的竞争力。

以上参照附图说明了本申请的优选实施例，并非因此局限本申请的权利范围。本领域技术人员不脱离本申请的范围和实质内所作的任何修改、等同替换和改进，均应在本申请的权利范围之内。

Claims (7)

1.一种变流器拓扑，其特征在于，所述变流器拓扑包括N个变流器模块、整流侧电感和逆变侧电感；每个变流器模块均包括依次连接的整流器、电容和逆变器；N为大于1的整数；

所述整流侧电感包括N个第一A相电感、N个第一B相电感以及N个第一C相电感；所述N个第一A相电感的输入端连接在一起，所述N个第一B相电感的输入端连接在一起，所述N个第一C相电感的输入端连接在一起；每个第一A相电感的输出端连接到对应的一个变流器模块的整流器的A相输入端，每个第一B相电感的输出端连接到对应的一个变流器模块的整流器的B相输入端，每个第一C相电感的输出端连接到对应的一个变流器模块的整流器的C相输入端；所述N个第一A相电感组成第一耦合电感，所述N个第一B相电感组成第二耦合电感，所述N个第一C相电感组成第三耦合电感；

所述逆变侧电感包括N个第二A相电感、N个第二B相电感以及N个第二C相电感；所述N个第二A相电感的输出端连接在一起，所述N个第二B相电感的输出端连接在一起，所述N个第二C相电感的输出端连接在一起；每个第二A相电感的输入端连接到对应的一个变流器模块的逆变器的A相输出端，每个第二B相电感的输入端连接到对应的一个变流器模块的逆变器的B相输出端，每个第二C相电感的输入端连接到对应的一个变流器模块的逆变器的C相输出端；所述第二A相电感间相互耦合，所述第二B相电感间相互耦合，所述第二C相电感间相互耦合；

所述变流器拓扑还包括驱动电路；

所述驱动电路用于产生2N个驱动信号，其中第2m-1个驱动信号用于驱动第m个变流器模块的整流器，第2m个驱动信号用于驱动所述第m个变流器模块的逆变器；所述第2m-1个驱动信号由第2m-1调制波和第2m-1载波调制而成，所述第2m个驱动信号由第2m调制波和第2m载波调制而成；第2m-1载波和第2m载波相位相同，第2m-1载波和第2m+1载波之间的相位相差360/N度；其中m为整数且1≤m≤N。

2.根据权利要求1所述的变流器拓扑，其特征在于，所述整流器和所述逆变器为两电平拓扑或三电平拓扑。

3.根据权利要求2所述的变流器拓扑，其特征在于，所述三电平拓扑包括三电平T型拓扑或三电平中点钳位拓扑。

4.根据权利要求1所述的变流器拓扑，其特征在于，所述N个第二A相电感组成第四耦合电感，所述N个第二B相电感组成第五耦合电感，所述N个第二C相电感组成第六耦合电感。

5.根据权利要求4所述的变流器拓扑，其特征在于，所述第一耦合电感至所述第三耦合电感、或者所述第四耦合电感至所述第六耦合电感，通过以下方式之一实现：

在并联于上铁轭和下铁轭之间的j个芯柱上缠绕k个绕组，每个芯柱上的k个绕组的磁动势之和相等，其中1≤k≤N、1≤j≤N，且k*j＝N；

在并联于上铁轭和下铁轭之间的x个芯柱上缠绕2y个绕组，每个芯柱上的2y个绕组的磁动势之和为零，其中1≤x≤N、1≤y≤N，且x*2y＝N。

6.根据权利要求5所述的变流器拓扑，其特征在于，所述在并联于上铁轭和下铁轭之间的x个芯柱上缠绕2y个绕组包括：

每个芯柱上的第1个到第y个绕组以第一方向进行缠绕，第y+1个到第2y个绕组以第二方向进行缠绕，所述第一方向和所述第二方向为相反的方向。

7.根据权利要求5所述的变流器拓扑，其特征在于，在所述第四耦合电感至所述第六耦合电感通过以下方式实现的情况下，将所述第四耦合电感至所述第六耦合电感并联在一起：

在并联于上铁轭和下铁轭之间的3x个芯柱上缠绕2y个绕组，每个芯柱上的2y个绕组的磁动势之和为零，其中1≤x≤N、1≤y≤N，且3x*2y＝3N。

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