CN201774458U - 基于mmc无变压器的四象限高压变频电源拓扑结构 - Google Patents

基于mmc无变压器的四象限高压变频电源拓扑结构 Download PDF

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杨洋
赵淑玉
张跃平
胡涛
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张坤
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    • H02M7/4835Converters with outputs that each can have more than two voltages levels comprising two or more cells, each including a switchable capacitor, the capacitors having a nominal charge voltage which corresponds to a given fraction of the input voltage, and the capacitors being selectively connected in series to determine the instantaneous output voltage

Abstract

本实用新型涉及一种基于MMC无变压器的四象限高压变频电源拓扑结构,整流模块与逆变模块均采用模块化多电平结构,由多个子单元串联而成,该拓扑整流模块输入侧通过充电电路直接与网侧高压相连;整流模块将高压交流电压转换为直流输入逆变模块,逆变模块将直流转换为交流;实现对电网各种状态的模拟,同时该拓扑结构为四象限型,可以实现能量的回馈。其优点在于去掉了电源输入端的高压变压器,降低了成本,减小了高压变频电源的体积及重量;降低了元器件损耗,提高工作效率,同时单元结构简单,接线方便,易于拆卸和安装。

Description

基于MMC无变压器的四象限高压变频电源拓扑结构
技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种高压变频电源拓扑,特别是一种基于MMC的无变压器的四象 限高压变频电源拓扑。
背景技术
[0002] 高压变频电源是将高压交流电经过AC — DC — AC变换,输出为纯净的正弦波,输 出频率和电压一定范围内可调。高压变频电源可以根据实际需求模拟电网的各种状况、提 供纯净可靠的、低谐波失真、高稳定的频率和稳压率的正弦波电力输出,用于产品检测、寿 命、过高压模拟等。
[0003] 现有技术中的高压变频电源主要采用低压单元串联,通过隔离移相变压器给各个 单元供电的技术。该种高压变频电源存在能耗高,效率低,体积大,笨重;功率因数低,谐波 污染大;启动冲击大;隔离效果差等缺点
[0004] 随着高压变频电源的应用领域越来越广,对其性能的要求也越来越高,特别是在 风力发电及光伏发电的并网测试上。高压变频电源不仅要输出稳定的电压,模拟电网的工 况及故障,还需要高压变频电源具有能量回馈的性能。
[0005] 目前,采用MMC(Modular Multilevel Converter)模块化多电平逆变器结构的无 变压器的四象限高压变频电源拓扑还未见报道。
实用新型内容
[0006] 本实用新型的目的是提供一种基于MMC无变压器的四象限高压变频电源拓扑结 构,MMC是Modular Multilevel Converter模块化多电平逆变器的简称;该拓扑采用模块 化多电平结构,是一种高_高型直接变频电源,其优点在于去掉了电源输入端的高压变压 器,降低了成本,减小了高压变频电源的体积及重量;降低了元器件损耗,提高工作效率,同 时单元结构简单,接线方便,易于拆卸和安装。
[0007] 为实现上述目的,本实用新型通过以下技术方案实现:
[0008] 基于MMC无变压器的四象限高压变频电源拓扑结构,整流模块与逆变模块均采用 模块化多电平结构,由多个子单元串联而成,该拓扑整流模块输入侧通过充电电路直接与 网侧高压相连;整流模块将高压交流电压转换为直流输入逆变模块,逆变模块将直流转换 为交流;实现对电网各种状态的模拟,该拓扑结构为四象限型,可实现能量回馈。
[0009] 所述的整流模块、逆变模块为三相,每相由偶数η个子单元串联而成,分为上下两 组,每组的子单元个数为η/2个;逆变模块的输出端为两组子单元的中点处,且输出端与每 组子单元之间以耦合或非耦合缓冲电感连接;整流模块的输入端为两组子单元的中点处, 且输入端与每组子单元之间以耦合或非耦合缓冲电感连接。
[0010] 所述每个子单元的结构为半桥结构,两个开关器件IGBT相串联,再并联直流电容 C0
[0011] 所述的整流模块、逆变模块为三相,每相由η个子单元串联而成,三相串联子单元的整流模块的输入端与充电电路相连接,三相串联子单元的逆变模块的输出端通过电感输出。[0012] 所述的每个子单元结构为H桥结构,由四个IGBT开关器件组成,每个IGBT开关器 件反并联一个二极管,每两个IGBT开关器件相串联后,再与直流电容C并联。
[0013] 所述的整流模块、逆变模块的子单元结构相同,可互换使用。
[0014] 所述的充电电路由充电电阻与开关串联后,与高压断路器并联而成。
[0015] 所述的基于MMC的无变压器风力发电并网拓扑结构可应用于风机LVRT测试、光伏 并网测试、以及变压器、不断电系统、机场地面设施、船舶、航天、军事研究所、实验室、研发 等的测试电源领域。
[0016] 与现有技术相比,本实用新型的有益效果是:
[0017] 该无变压器的四象限高压变频电源的拓扑,去掉了电源输入端的高压变压器,高 压变频器的体积及重量减小了 1/2、材料成本降低了 1/2、制造周期减小1/2、运输成本减小 1/2、占地面积减小1/2,同时降低了元器件损耗,提高工作效率;有利于改善和增加新的控 制功能,改善动态特性,可明显地降低工作噪声;在结构上实现了集成化和模块化,有效提 高设备的可用性。
附图说明
[0018] 图1是基于MMC无变压器的四象限高压变频电源拓扑结构框图;
[0019] 图2是基于MMC无变压器的四象限高压变频电源半桥型拓扑结构图;
[0020] 图3是半桥型单元拓扑结构图;
[0021] 图4是基于MMC无变压器的四象限高压变频电源H桥型拓扑结构图;
[0022] 图5是H桥型单元拓扑结构图;
[0023] 图6是半桥型单元内部电流流向图;
[0024] 图7是H桥型单元内部电流流向图。
具体实施方式
[0025] 见图1,基于MMC无变压器的四象限高压变频电源拓扑结构,包括整流模块、逆变 模块,整流模块与逆变模块均采用模块化多电平结构,该结构可以实现高压电源直接输入, 无需变压器,整流模块直接将高压交流电压转换为直流,逆变模块将直流转换为交流;实现 对电网各种状态的模拟,同时整流模块为四象限型可以实现能量的回馈。下面通过具体实 施例叙述模块化多电平结构的子单元为半桥结构、H桥结构的两种情况。
[0026] 实施例1
[0027] 见图2、图3,基于MMC无变压器的四象限高压变频电源拓扑结构,整流模块与逆变 模块采用相同的子单元结构,由多个子单元串联而成,该拓扑输入侧无变压器,通过充电电 路直接与网侧高压相连。充电电路连接整流模块,整流模块将高压交流电压转换为直流,逆 变模块将直流转换为交流,实现对电网各种状态的模拟。
[0028] 整流模块、逆变模块均为三相,每相由偶数η个子单元串联而成,分为上下两组, 每组的子单元个数为n/2个;逆变模块的输出端为两组子单元的中点处,且输出端与每组 子单元之间以耦合或非耦合缓冲电感L连接;整流模块的输入端为两组子单元的中点处,且输入端与每组子单元之间以耦合或非耦合缓冲电感L连接。充电电路由充电电阻R与开 关K2串联后,与高压断路器Kl并联而成。整流模块、逆变模块的子单元均由半桥型单元构 成四象限三电平结构;整流模块、逆变模块的子单元结构相同,可互换使用。单元个数η(偶 数)根据输入输出电压等级而设定。
[0029] 见图3,整流模块、逆变模块每个子单元的结构为半桥结构,开关器件IGBTl和 IGBT2相串联,再并联直流电容C,并且开关器件IGBTl和IGBT2分别反并联二极管D1、D2 ; IGBTl与IGBT2的公共端,电容C与IGBT2的公共端作为每个单元的输出端,与其他单元相 连。当IGBTl导通时,输出电平为高;当IGBT2导通时,输出电平为0。
[0030] 本拓扑结构可实现能量回馈,当输出侧有能量反向注入到四象限高 压变频电源 时,可通过整流模块、逆变模块将能量注入回电网输入侧。 [0031] 本实用新型半桥型单元拓扑,通过控制IGBT的栅极电压使其导通或者关断,可以 使单元具有不同的电路状态。
[0032] 见图6-1,电流经IGBT2从A流向B,采用半桥式逆变电路的功率单元输出电平 “0”。
[0033] 见图6-2,电流经续流二极管D2从B流向A,采用半桥式逆变电路的功率单元输出 电平“0”。
[0034] 见图6-3,电流经续流二极管D1,再通过直流侧电容C,从A流向B,采用半桥式逆 变电路的功率单元输出电平“ 1 ”。
[0035] 见图6-4,电流经IGBTl,再通过直流侧电容C,从B流向A,采用半桥式逆变电路的 功率单元输出电平“1”。
[0036] 实施例2
[0037] 见图4、图5,基于MMC无变压器的四象限高压变频电源拓扑结构,整流模块与逆变 模块均采用模块化多电平结构,由多个子单元串联而成,该拓扑输入侧无变压器,通过充电 电路直接与网侧高压相连。该结构可以实现高压电源直接输入,无需变压器,整流模块直接 将高压交流电压转换为直流,逆变模块将直流转换为交流;实现对电网各种状态的模拟,该 拓扑结构为四象限型,可实现能量回馈。
[0038] 见图4,整流模块、逆变模块均为三相,每相由η个子单元串联而成,三相串联子单 元的整流模块的输入端与充电电路相连接,三相串联子单元的逆变模块的输出端通过电感 L输出。充电电路由充电电阻R与开关Κ2串联后,与高压断路器Kl并联而成。
[0039] 见图5,每个子单元结构为H桥结构,由四个开关器件IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4 和直流侧电容C组成,开关器件IGBTl和IGBT2相串联,开关器件IGBT3和IGBT4相串联, 再和直流电容C并联。并且四个开关器件IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4分别并联一个反接 二极管D11、D22、D33、D44。IGBTl与IGBT2的公共端、IGBT3与IGBT4的公共端为该功率单 元与其它功率单元相连接的输入、输出端。
[0040] 该拓扑结构中整流模块,逆变模块均由H桥型单元构成四象限三电平结构;单元 个数η根据输入输出电压等级而设定。
[0041] 本实用新型H桥型单元拓扑,通过控制IGBT的栅极电压使其导通或者关断,可以 使单元具有不同的电路状态。
[0042] 见图7-1,电流经IGBT2、直流侧电容C、IGBT3,从B流向Α,或电流经续流二极管D3、直流侧电容C、续流二极管D2,从A流向B,此时采用H桥式逆变电路的功率单元输出电 平 “1”。
[0043] 见图7-2,电流经续流二极管Dl、IGBT3,从B流向A,或电流经续流二极管D3、 IGBT1,从A流向B,此时采用H桥式逆变电路的功率单元输出电平“0”。
[0044] 见图7-3,电流经IGBT2、续流二极管D4,从B流向A,或电流经IGBT4、续流二极管 D2,从A流向B,此时采用H桥式逆变电路的功率单元输出电平“0”。
[0045] 见图7-4,电流经续流二极管D1、直流侧电容C、续流二极管D4,从B流向A,或电流 经IGBT4、直流侧电容C、IGBT1,从A流向B,此时采用H桥式逆变电路的功率单元输出电平 “-1”。 [0046] 本实用新型无变压器的四象限高压变频电源可应用于风机LVRT测试、光伏并网 测试、以及变压器、不断电系统、机场地面设施、船舶、航天、军事研究所、实验室、研发等的 测试电源领域。

Claims (5)

  1. 基于MMC无变压器的四象限高压变频电源拓扑结构,其特征在于,整流模块与逆变模块均采用模块化多电平结构,由多个子单元串联而成,该拓扑整流模块输入侧通过充电电路直接与网侧高压相连;整流模块将高压交流电压转换为直流输入逆变模块,逆变模块将直流转换为交流;该拓扑结构为可实现能量回馈的四象限型。
  2. 2.根据权利要求1所述的基于MMC无变压器的四象限高压变频电源拓扑结构,其特征 在于,所述的整流模块、逆变模块为三相,每相由偶数η个子单元串联而成,分为上下两组, 每组的子单元个数为η/2个;逆变模块的输出端为两组子单元的中点处,且输出端与每组 子单元之间以耦合或非耦合缓冲电感连接;整流模块的输入端为两组子单元的中点处,且 输入端与每组子单元之间以耦合或非耦合缓冲电感连接;所述每个子单元的结构为半桥结 构,两个开关器件IGBT相串联,再并联直流电容C。
  3. 3.根据权利要求1所述的基于MMC无变压器的四象限高压变频电源拓扑结构,其特 征在于,所述的整流模块、逆变模块为三相,每相由η个子单元串联而成,三相串联子单元 的整流模块的输入端与充电电路相连接,三相串联子单元的逆变模块的输出端通过电感输 出;所述的每个子单元结构为H桥结构,由四个IGBT开关器件组成,每个IGBT开关器件反 并联一个二极管,每两个IGBT开关器件相串联后,再与直流电容C并联。
  4. 4.根据权利要求2或3所述的基于MMC无变压器的四象限高压变频电源拓扑结构,其 特征在于,所述的整流模块、逆变模块的子单元结构相同,可互换使用。
  5. 5.根据权利要求1所述的基于MMC无变压器的四象限高压变频电源拓扑结构,其特征 在于,所述的充电电路由充电电阻与开关串联后,与高压断路器并联而成。
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