專利名稱：基于級聯(lián)結構的無輸入和輸出變壓器型高壓大功率變換器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電氣工程技術領域，具體涉及一種基于級聯(lián)結構的無輸入和輸出變壓器型高壓大功率變換器。
背景技術：
隨著電力電子工業(yè)、控制、計算機等的日益發(fā)展，電力電子裝置在電力系統(tǒng)中的應用日益廣泛。雖然半導體工藝的進步使得開關器件的耐壓水平及容量得到很大的提高，但是與電力系統(tǒng)的要求相比，還遠遠不夠。因此，如何通過耐壓及容量有限的開關器件得到高壓大功率電力電子變換裝置非常重要。
以高壓變頻器為例，隨著電氣傳動技術，特別是變頻調(diào)速技術的發(fā)展，作為大容量傳動的高壓變頻調(diào)速技術也得到了廣泛的應用。然而由于電壓高、功率大、技術復雜和投資較高等因素的限制，高壓變頻器到目前為止還沒有像低壓變頻器那樣近乎統(tǒng)一的拓撲結構?；诋斍半娏﹄娮悠骷蛪旱燃壍南拗?，如果在一些高壓大功率場合中采用傳統(tǒng)的電力電子拓撲結構，則會出現(xiàn)逆變器拓撲中主要開關器件耐壓值不夠，與電力系統(tǒng)中高壓范圍不能直接匹配。
一般來講，在高壓供電而功率器件耐壓能力有限的情況下，可采用功率器件串聯(lián)的方法來解決。但器件在串聯(lián)使用的時候，由于各器件的動態(tài)電阻和極電容不同，存在靜態(tài)和動態(tài)均壓問題。為解決均壓問題而使用的均壓電路又增加了變頻器的能量損耗，降低了變換器的效率。而且隨著直接串聯(lián)器件數(shù)的增加，器件間的均壓難以得到有效的保證。
為避免功率器件的串聯(lián)帶來的各種問題，多電平逆變器拓撲結構引起了人們越來越多的關注。多電平的一般結構是由多個電平臺階合成階梯波以逼近正弦輸出電壓。至今已經(jīng)提出了多種多電平主電路拓撲結構，目前應用較為廣泛的幾種結構按照電壓箝位方式可以分為兩大類一類是使用無源器件如二極管或電容箝位的多電平拓撲結構，另一類是使用獨立直流電源箝位的級聯(lián)多電平拓撲結構。
多電平結構有著共同的優(yōu)點減少器件電壓應力，不需器件串聯(lián)而無均壓問題，多輸出電平改善了輸出波形和控制效果，減少了由于dv/dt、di/dt所造成的EMI問題，開關器件頻率可以較低，母線短路危險性大大降低等。
使用無源器件的多電平拓撲結構是利用二極管或電容箝位電壓以輸出多種電平，隨著電平數(shù)的增加需要大量的箝位二極管或箝位電容，成本高且系統(tǒng)封裝困難。而實際中用于高壓大功率場合級聯(lián)多電平結構的直流電源難以得到，一般為蓄電池。當該結構應用于高壓變換器時，獨立的直流電源通過裂相變壓器及不控整流獲得，即目前有些高壓變換器所采用的串聯(lián)多重化結構。裂相變壓器使整個結構復雜、體積增大、成本增加、能量無法翻轉(zhuǎn)及冗余性設計不理想等，進一步，隨著電壓等級的提高，裂相變壓器的抽頭數(shù)激增，使得變壓器及變換器的設計及實現(xiàn)非常困難。
另外，出于對變換器諧波控制以及電壓等級的考慮，一些變換器拓撲結構的輸入和輸出側(cè)均使用了變壓器。輸入和輸出變壓器的使用，使得在使用低壓功率器件的條件下可以輸出高的電壓等級，也有效地控制了變換過程中的輸入和輸出諧波污染。然而，輸出和輸入變壓器的使用增大了變換器的體積和成本，增大了系統(tǒng)的復雜程度。
綜上所述，在無輸入和輸出變壓器的前提下，如何有效地采用級聯(lián)結構的思想，解決獨立直流電源難以得到的不足并實現(xiàn)變換裝置輸入和輸出諧波的有效控制以及四象限運行有著非常重要的理論及實際工業(yè)價值，該思路的實現(xiàn)有望進一步推動大功率電力電子在電力系統(tǒng)中的應用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于級聯(lián)結構的無輸入和輸出變壓器型高壓大功率變換器，該變換器可以利用低壓功率器件實現(xiàn)高壓大功率輸入、輸出，使得在無輸入和輸出變壓器的條件下，各相直接輸入三相交流電壓。
本發(fā)明提供的一種基于級聯(lián)結構的無輸入和輸出變壓器型高壓大功率變換器，其特征在于，單相變換器由輸入電抗器，n個整流-逆變單元模塊和輸出電抗器構成，其中n為級聯(lián)單元數(shù)，n≥1；輸入電抗器與第一級整流-逆變單元模塊的輸入端連接，第一級整流-逆變單元模塊的輸出端與輸出電抗器連接，n級整流-逆變單元模塊的輸入、輸出端分別依次串聯(lián)連接；其中，整流-逆變單元模塊均由全控H整流橋、直流電容和全控H逆變橋組成，直流電容并聯(lián)于H整流橋的輸出端和H逆變橋的輸入端。
三相變換器由三個上述單相變換器采用星形或角形接法連接。
本發(fā)明無需輸入及輸出變壓器，將傳統(tǒng)H整流橋、直流電容和傳統(tǒng)H逆變橋整合，便于結構的模塊化設計和冗余性設計。該結構中各子模塊的獨立直流電源是通過可控整流得到。各相直接輸入交流電壓，輸出直接給負載，結構簡化，成本降低；利用低壓器件實現(xiàn)高壓大功率，便于通過SPWM方法對所有開關管進行控制，有效控制諧波，可以實現(xiàn)輸入、輸出完美無諧波，同時實現(xiàn)功率的雙向流動；結構和控制上易于實現(xiàn)模塊化和冗余性設計，容易實現(xiàn)各級聯(lián)單元電壓與功率的均衡控制。當某一級聯(lián)單元發(fā)生故障被旁路后，可以利用冗余性設計和調(diào)整控制策略來確保系統(tǒng)繼續(xù)正常運行，提高了系統(tǒng)的可靠性，并且本發(fā)明可實現(xiàn)功率翻轉(zhuǎn)并帶來較好的動態(tài)特性。


圖1是基于級聯(lián)結構的無輸入和輸出變壓器型高壓大功率變換器單相拓撲結構圖。
圖2是圖1中級聯(lián)單元模塊的拓撲結構圖。
圖3是基于級聯(lián)結構的無輸入和輸出變壓器型高壓大功率變換器星形接法的三相結構示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明提供的變換器結構上可以是單相變換器，也可以是三相變換器。其中單相變換器1包括輸入電抗器L1，n個整流-逆變單元模塊2.1、2.2……2.n和輸出電抗器L2，其中n為級聯(lián)單元數(shù)，n≥1；輸入電抗器L1與第一級整流-逆變單元模塊2.1的輸入端AC5連接，輸入電抗器L1的另一端為相電壓輸入端AC1，第一級整流-逆變單元模塊2.1的輸出端AC7與輸出電抗器L2連接，輸出電抗器L2的另一端為相電壓輸出端AC3，n級整流-逆變單元模塊2.1、2.2……2.n的輸入、輸出端分別依次串聯(lián)連接。圖1中AC2為相電壓的另一輸入端，AC4為相電壓另一輸出端，AC6為第一級整流-逆變單元模塊2.1的另一輸入端，AC8為其另一輸出端。
如圖2所示，整流-逆變單元模塊2.1、2.2……2.n均由全控H整流橋3、直流電容4和全控H逆變橋5組成，直流電容4并聯(lián)于H整流橋3的輸出端DC1、DC2和H逆變橋5的輸入端DC3、DC4，實現(xiàn)電壓的AC/DC/AC(交流/直流/交流)變換。AC5、AC6為H整流橋3的輸入端。其中，H整流橋3和H逆變橋5屬于已有拓撲結構，不在本發(fā)明之列，均采用全控功率器件，所有H整流橋3和H逆變橋5的開關管S1、S2、…、S8均使用SPWM法進行控制，從而實現(xiàn)對各單元電壓、功率、諧波的控制。各相H整流橋3使用相同相位的正弦調(diào)制波調(diào)制開關信號，各相H逆變橋5使用相同相位的正弦調(diào)制波調(diào)制開關信號，三相變換器各相H逆變橋5正弦調(diào)制波相位依次滯后2π/3。
級聯(lián)單元模塊2的數(shù)量可以根據(jù)電壓等級和諧波控制需要任意確定，級聯(lián)數(shù)量越多，變換器電壓等級越高，輸入、輸出諧波污染越小。
三相變換器可以連接成星形或角形接法，各相直接輸入三相交流電源電壓，直接輸出相位依次滯后2π/3的交流相電壓給負載。
如圖3所示，星形接法的三相變換器由3個單相變換器1構成，直接輸入三相交流電源相電壓，A、B、C為電壓輸入端；直接輸出三相交流電壓給三相負載，a、b、c為電壓輸出端。三相變換器也可以接成角形接法直接輸入三相交流電源線電壓。
對于本發(fā)明的變換器結構，使用SPWM方法控制所有開關器件，例如載波移相SPWM法(PSCPWM)、多載波SPWM法(SHPWM)、開關頻率最優(yōu)PWM法(SFOPWM)等常用于級聯(lián)結構變換器的調(diào)制方法。對于單相變換器1，各整流-逆變單元模塊2中的全控H整流橋3都使用相同相位的正弦調(diào)制波進行開關信號的調(diào)制；各整流-逆變單元模塊2中的全控H逆變橋5都使用相同相位的正弦調(diào)制波進行開關信號的調(diào)制；整流橋3的正弦調(diào)制波相位可根據(jù)輸入功率因數(shù)的要求而改變。對于三相變換器，各單相變換器1的逆變橋5的正弦調(diào)制波相位依次滯后2π/3利用單元模塊級聯(lián)也表明該變換器在結構上易于實現(xiàn)模塊化設計，同時結合模塊化控制，使得冗余性設計成為可能，使變換器結構簡單，封裝容易。當變換器某一個級聯(lián)單元發(fā)生故障，旁路掉故障單元后，可以利用模塊化和冗余性設計及適當?shù)目刂撇呗允棺儞Q器由n級過渡到n-1級繼續(xù)運行，提高了整個系統(tǒng)的可靠性。
以上提到的單元模塊級聯(lián)數(shù)n值的確定主要根據(jù)變換器的工作電壓與所用開關器件的耐壓水平及冗余性設計之間的配合來決定。例如，對于6kV系統(tǒng)，若采用額定電壓為1200V的開關器件，則需要7個整流-逆變單元模塊，即此時n為7。另外，不同的輸出電壓電平數(shù)及不同的SPWM法對級聯(lián)數(shù)n也有相應的要求。
下面對本發(fā)明具體實施舉一個例子。
6kV三相基于級聯(lián)結構的無輸入和輸出變壓器型高壓大功率變頻器。
各相均采用7個模塊級聯(lián)。交流相電壓有效值約為3464V，考慮到電壓波動及冗余設計，整流橋和逆變橋的開關器件均采用額定電壓為1200V的IGBT。IGBT額定電流的大小可以根據(jù)高壓大功率變頻器的容量選取。
對于該變頻器，選擇載波移相的SPWM法(PSCPWM)對開關器件進行控制。若取正弦調(diào)制波的頻率fr＝50Hz，三角載波的頻率fc＝1650Hz，則頻率調(diào)制比kc＝fc/fr＝33。若采用π/n移相，即半周期移相，則相鄰級聯(lián)單元之間載波移相角θsh＝π/7kc＝π/231；若采用2π/n移相，即整周期移相，則相鄰級聯(lián)單元之間載波移相角θsh＝2π/7kc＝2π/231。三相正弦調(diào)制波相位依次滯后2π/3。
對于該變頻器，采用恒壓頻比(V/f)控制輸出電壓及頻率，對負載電機進行變頻調(diào)速。本例工頻50Hz時輸出額定電壓，則恒壓頻比V/f＝6000/50＝120。同時，通過一定的控制策略實現(xiàn)(1)各級電壓均衡，包括各級直流電容穩(wěn)態(tài)電壓相等、輸入基波電壓幅值相等以及輸出基波電壓幅值相等；(2)各級功率均衡，包括各級輸入功率及輸出功率相等。
運行中當檢測到某一模塊出現(xiàn)故障時，控制系統(tǒng)立即將其短路。此時便由7單元模塊減為6單元模塊運行，控制系統(tǒng)將重新調(diào)整各單元模塊三角載波的相位，及相鄰單元模塊之間載波移相角調(diào)整為θsh＝π/6kc＝π/198(半周期移相)或θsh＝2π/6kc＝2π/198(整周期移相)。
權利要求
1.一種基于級聯(lián)結構的無輸入和輸出變壓器型高壓大功率變換器，其特征在于，單相變換器(1)由輸入電抗器(L1)，n個整流-逆變單元模塊(2.1、2.2……2.n)和輸出電抗器(L2)構成，其中n為級聯(lián)單元數(shù)，n≥1；輸入電抗器(L1)與第一級整流-逆變單元模塊(2.1)的輸入端連接，第一級整流-逆變單元模塊(2.1)的輸出端與輸出電抗器(L2)連接，n級整流-逆變單元模塊(2.1、2.2……2.n)的輸入、輸出端分別依次串聯(lián)連接；其中，整流-逆變單元模塊(2.1、2.2……2.n)均由全控H整流橋(3)、直流電容(4)和全控H逆變橋(5)組成，直流電容(4)并聯(lián)于H整流橋(3)的輸出端和H逆變橋(5)的輸入端。
2.一種基于級聯(lián)結構的無輸入和輸出變壓器型高壓大功率變換器，其特征在于，三相變換器由三個單相變換器(1)采用星形或角形接法連接，其中單相變換器(1)由輸入電抗器(L1)，n個整流-逆變單元模塊(2.1、2.2……2.n)和輸出電抗器(L2)構成，其中n為級聯(lián)單元數(shù)，n≥1；輸入電抗器(L1)與第一級整流-逆變單元模塊(2.1)的輸入端連接，第一級整流-逆變單元模塊(2.1)的輸出端與輸出電抗器(L2)連接，n級整流-逆變單元模塊(2.1、2.2……2.n)的輸入、輸出端分別依次串聯(lián)連接；整流-逆變單元模塊(2.1、2.2……2.n)均由全控H整流橋(3)、直流電容(4)和全控H逆變橋(5)組成，直流電容(4)并聯(lián)于H整流橋(3)的輸出端和H逆變橋(5)的輸入端。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于級聯(lián)結構的無輸入和輸出變壓器型高壓大功率變換器。變換器由輸入電抗器，n個整流－逆變單元模塊和輸出電抗器構成；輸入電抗器與第一級整流－逆變單元模塊的輸入端連接，第一級整流－逆變單元模塊的輸出端與輸出電抗器連接，n級整流－逆變單元模塊的輸入、輸出端分別依次串聯(lián)連接；整流－逆變單元模塊均由全控H整流橋、直流電容和全控H逆變橋組成，直流電容并聯(lián)于H整流橋的輸出端和H逆變橋的輸入端。本發(fā)明的特點在于無需輸入及輸出變壓器，利用低壓器件實現(xiàn)高壓大功率，通過SPWM方法對所有開關管進行控制，實現(xiàn)輸入、輸出完美無諧波和功率的雙向流動；易于實現(xiàn)模塊化和冗余性設計和各級聯(lián)單元電壓與功率的均衡控制。
文檔編號H02M7/48GK1917349SQ20061002004
公開日2007年2月21日 申請日期2006年8月25日 優(yōu)先權日2006年8月25日
發(fā)明者毛承雄, 李國棟, 陸繼明, 殷幼軍, 王丹, 項小娟, 李時華 申請人:華中科技大學