CN200980045Y - 基于级联结构的无输入和输出变压器型高压大功率变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于级联结构的无输入和输出变压器型高压大功率变换器。变换器由输入电抗器，n个整流－逆变单元模块和输出电抗器构成；输入电抗器与第一级整流－逆变单元模块的输入端连接，第一级整流－逆变单元模块的输出端与输出电抗器连接，n级整流－逆变单元模块的输入、输出端分别依次串联连接；整流－逆变单元模块均由全控H整流桥、直流电容和全控H逆变桥组成，直流电容并联于H整流桥的输出端和H逆变桥的输入端。本实用新型的特点在于无需输入及输出变压器，利用低压器件实现高压大功率，通过SPWM方法对所有开关管进行控制，实现输入、输出完美无谐波和功率的双向流动；易于实现模块化和冗余性设计和各级联单元电压与功率的均衡控制。

Description

基于级联结构的无输入和输出变压器型高压大功率变换器

技术领域

本实用新型属于电气工程技术领域，具体涉及一种基于级联结构的无输入和输出变压器型高压大功率变换器。

背景技术

随着电力电子工业、控制、计算机等的日益发展，电力电子装置在电力系统中的应用日益广泛。虽然半导体工艺的进步使得开关器件的耐压水平及容量得到很大的提高，但是与电力系统的要求相比，还远远不够。因此，如何通过耐压及容量有限的开关器件得到高压大功率电力电子变换装置非常重要。

以高压变频器为例，随着电气传动技术，特别是变频调速技术的发展，作为大容量传动的高压变频调速技术也得到了广泛的应用。然而由于电压高、功率大、技术复杂和投资较高等因素的限制，高压变频器到目前为止还没有像低压变频器那样近乎统一的拓扑结构。基于当前电力电子器件耐压等级的限制，如果在一些高压大功率场合中采用传统的电力电子拓扑结构，则会出现逆变器拓扑中主要开关器件耐压值不够，与电力系统中高压范围不能直接匹配。

一般来讲，在高压供电而功率器件耐压能力有限的情况下，可采用功率器件串联的方法来解决。但器件在串联使用的时候，由于各器件的动态电阻和极电容不同，存在静态和动态均压问题。为解决均压问题而使用的均压电路又增加了变频器的能量损耗，降低了变换器的效率。而且随着直接串联器件数的增加，器件间的均压难以得到有效的保证。

为避免功率器件的串联带来的各种问题，多电平逆变器拓扑结构引起了人们越来越多的关注。多电平的一般结构是由多个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦输出电压。至今已经提出了多种多电平主电路拓扑结构，目前应用较为广泛的几种结构按照电压箝位方式可以分为两大类：一类是使用无源器件如二极管或电容箝位的多电平拓扑结构，另一类是使用独立直流电源箝位的级联多电平拓扑结构。

多电平结构有着共同的优点：减少器件电压应力，不需器件串联而无均压问题，多输出电平改善了输出波形和控制效果，减少了由于dv/dt、di/dt所造成的EMI问题，开关器件频率可以较低，母线短路危险性大大降低等。

使用无源器件的多电平拓扑结构是利用二极管或电容箝位电压以输出多种电平，随着电平数的增加需要大量的箝位二极管或箝位电容，成本高且系统封装困难。而实际中用于高压大功率场合级联多电平结构的直流电源难以得到，一般为蓄电池。当该结构应用于高压变换器时，独立的直流电源通过裂相变压器及不控整流获得，即目前有些高压变换器所采用的串联多重化结构。裂相变压器使整个结构复杂、体积增大、成本增加、能量无法翻转及冗余性设计不理想等，进一步，随着电压等级的提高，裂相变压器的抽头数激增，使得变压器及变换器的设计及实现非常困难。

另外，出于对变换器谐波控制以及电压等级的考虑，一些变换器拓扑结构的输入和输出侧均使用了变压器。输入和输出变压器的使用，使得在使用低压功率器件的条件下可以输出高的电压等级，也有效地控制了变换过程中的输入和输出谐波污染。然而，输出和输入变压器的使用增大了变换器的体积和成本，增大了系统的复杂程度。

综上所述，在无输入和输出变压器的前提下，如何有效地采用级联结构的思想，解决独立直流电源难以得到的不足并实现变换装置输入和输出谐波的有效控制以及四象限运行有着非常重要的理论及实际工业价值，该思路的实现有望进一步推动大功率电力电子在电力系统中的应用。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种基于级联结构的无输入和输出变压器型高压大功率变换器，该变换器可以利用低压功率器件实现高压大功率输入、输出，使得在无输入和输出变压器的条件下，各相直接输入三相交流电压。

本实用新型提供的一种基于级联结构的无输入和输出变压器型高压大功率变换器，其特征在于，单相变换器由输入电抗器，n个整流-逆变单元模块和输出电抗器构成，其中n为级联单元数，n≥1；输入电抗器与第一级整流-逆变单元模块的输入端连接，第一级整流-逆变单元模块的输出端与输出电抗器连接，n级整流-逆变单元模块的输入、输出端分别依次串联连接；其中，整流-逆变单元模块均由全控H整流桥、直流电容和全控H逆变桥组成，直流电容并联于H整流桥的输出端和H逆变桥的输入端。

三相变换器由三个上述单相变换器采用星形或角形接法连接。

本实用新型无需输入及输出变压器，将传统H整流桥、直流电容和传统H逆变桥整合，便于结构的模块化设计和冗余性设计。该结构中各子模块的独立直流电源是通过可控整流得到。各相直接输入交流电压，输出直接给负载，结构简化，成本降低；利用低压器件实现高压大功率，便于通过SPWM方法对所有开关管进行控制，有效控制谐波，可以实现输入、输出完美无谐波，同时实现功率的双向流动；结构和控制上易于实现模块化和冗余性设计，容易实现各级联单元电压与功率的均衡控制。当某一级联单元发生故障被旁路后，可以利用冗余性设计和调整控制策略来确保系统继续正常运行，提高了系统的可靠性，并且本实用新型可实现功率翻转并带来较好的动态特性。

附图说明

图1是基于级联结构的无输入和输出变压器型高压大功率变换器单相拓扑结构图。

图2是图1中级联单元模块的拓扑结构图。

图3是基于级联结构的无输入和输出变压器型高压大功率变换器星形接法的三相结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型提供的变换器结构上可以是单相变换器，也可以是三相变换器。其中单相变换器1包括输入电抗器L1，n个整流-逆变单元模块2.1、2.2……2.n和输出电抗器L2，其中n为级联单元数，n≥1；输入电抗器L1与第一级整流-逆变单元模块2.1的输入端AC5连接，输入电抗器L1的另一端为相电压输入端AC1，第一级整流-逆变单元模块2.1的输出端AC7与输出电抗器L2连接，输出电抗器L2的另一端为相电压输出端AC3，n级整流-逆变单元模块2.1、2.2……2.n的输入、输出端分别依次串联连接。图1中AC2为相电压的另一输入端，AC4为相电压另一输出端，AC6为第一级整流-逆变单元模块2.1的另一输入端，AC8为其另一输出端。

如图2所示，整流-逆变单元模块2.1、2.2……2.n均由全控H整流桥3、直流电容4和全控H逆变桥5组成，直流电容4并联于H整流桥3的输出端DC1、DC2和H逆变桥5的输入端DC3、DC4，实现电压的AC/DC/AC(交流/直流/交流)变换。AC5、AC6为H整流桥3的输入端。其中，H整流桥3和H逆变桥5属于已有拓扑结构，不在本实用新型之列，均采用全控功率器件，所有H整流桥3和H逆变桥5的开关管S1、S2、…、S8均使用SPWM法进行控制，从而实现对各单元电压、功率、谐波的控制。各相H整流桥3使用相同相位的正弦调制波调制开关信号，各相H逆变桥5使用相同相位的正弦调制波调制开关信号，三相变换器各相H逆变桥5正弦调制波相位依次滞后2π/3。

级联单元模块2的数量可以根据电压等级和谐波控制需要任意确定，级联数量越多，变换器电压等级越高，输入、输出谐波污染越小。

三相变换器可以连接成星形或角形接法，各相直接输入三相交流电源电压，直接输出相位依次滞后2π/3的交流相电压给负载。

如图3所示，星形接法的三相变换器由3个单相变换器1构成，直接输入三相交流电源相电压，A、B、C为电压输入端；直接输出三相交流电压给三相负载，a、b、c为电压输出端。三相变换器也可以接成角形接法直接输入三相交流电源线电压。

对于本实用新型的变换器结构，使用SPWM方法控制所有开关器件，例如载波移相SPWM法(PSCPWM)、多载波SPWM法(SHPWM)、开关频率最优PWM法(SFOPWM)等常用于级联结构变换器的调制方法。对于单相变换器1，各整流-逆变单元模块2中的全控H整流桥3都使用相同相位的正弦调制波进行开关信号的调制；各整流-逆变单元模块2中的全控H逆变桥5都使用相同相位的正弦调制波进行开关信号的调制；整流桥3的正弦调制波相位可根据输入功率因数的要求而改变。对于三相变换器，各单相变换器1的逆变桥5的正弦调制波相位依次滞后2π/3

利用单元模块级联也表明该变换器在结构上易于实现模块化设计，同时结合模块化控制，使得冗余性设计成为可能，使变换器结构简单，封装容易。当变换器某一个级联单元发生故障，旁路掉故障单元后，可以利用模块化和冗余性设计及适当的控制策略使变换器由n级过渡到n-1级继续运行，提高了整个系统的可靠性。

以上提到的单元模块级联数n值的确定主要根据变换器的工作电压与所用开关器件的耐压水平及冗余性设计之间的配合来决定。例如，对于6kV系统，若采用额定电压为1200V的开关器件，则需要7个整流-逆变单元模块，即此时n为7。另外，不同的输出电压电平数及不同的SPWM法对级联数n也有相应的要求。

下面对本实用新型具体实施举一个例子。

6kV三相基于级联结构的无输入和输出变压器型高压大功率变频器。

各相均采用7个模块级联。交流相电压有效值约为3464V，考虑到电压波动及冗余设计，整流桥和逆变桥的开关器件均采用额定电压为1200V的IGBT。IGBT额定电流的大小可以根据高压大功率变频器的容量选取。

对于该变频器，选择载波移相的SPWM法(PSCPWM)对开关器件进行控制。若取正弦调制波的频率fr＝50Hz，三角载波的频率fC＝1650Hz，则频率调制比kc＝fc/fr＝33。若采用π/n移相，即半周期移相，则相邻级联单元之间载波移相角θsh＝π/7kc＝π/231；若采用2π/n移相，即整周期移相，则相邻级联单元之间载波移相角θsh＝2π/7kc＝2π/231。三相正弦调制波相位依次滞后2π/3。

对于该变频器，采用恒压频比(V/f)控制输出电压及频率，对负载电机进行变频调速。本例工频50Hz时输出额定电压，则恒压频比V/f＝6000/50＝120。同时，通过一定的控制策略实现：(1)各级电压均衡，包括各级直流电容稳态电压相等、输入基波电压幅值相等以及输出基波电压幅值相等；(2)各级功率均衡，包括各级输入功率及输出功率相等。

运行中当检测到某一模块出现故障时，控制系统立即将其短路。此时便由7单元模块减为6单元模块运行，控制系统将重新调整各单元模块三角载波的相位，及相邻单元模块之间载波移相角调整为θsh＝π/6kc＝π/198(半周期移相)或θsh＝2π/6kc＝2π/198(整周期移相)。

Claims (2)

1、一种基于级联结构的无输入和输出变压器型高压大功率变换器，其特征在于，单相变换器(1)由输入电抗器(L1)，n个整流-逆变单元模块(2.1、2.2……2.n)和输出电抗器(L2)构成，其中n为级联单元数，n≥1；输入电抗器(L1)与第一级整流-逆变单元模块(2.1)的输入端连接，第一级整流-逆变单元模块(2.1)的输出端与输出电抗器(L2)连接，n级整流-逆变单元模块(2.1、2.2……2.n)的输入、输出端分别依次串联连接；

其中，整流-逆变单元模块(2.1、2.2……2.n)均由全控H整流桥(3)、直流电容(4)和全控H逆变桥(5)组成，直流电容(4)并联于H整流桥(3)的输出端和H逆变桥(5)的输入端。

2、一种基于级联结构的无输入和输出变压器型高压大功率变换器，其特征在于，三相变换器由三个单相变换器(1)采用星形或角形接法连接，其中单相变换器(1)由输入电抗器(L1)，n个整流-逆变单元模块(2.1、2.2……2.n)和输出电抗器(L2)构成，其中n为级联单元数，n≥1；输入电抗器(L1)与第一级整流-逆变单元模块(2.1)的输入端连接，第一级整流-逆变单元模块(2.1)的输出端与输出电抗器(L2)连接，n级整流-逆变单元模块(2.1、2.2……2.n)的输入、输出端分别依次串联连接；整流-逆变单元模块(2.1、2.2……2.n)均由全控H整流桥(3)、直流电容(4)和全控H逆变桥(5)组成，直流电容(4)并联于H整流桥(3)的输出端和H逆变桥(5)的输入端。

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