一種基于mmc單元的單相三相變流系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種基于MMC單元的單相三相變流系統(tǒng)，每個(gè)MMC單元由10個(gè)橋臂聯(lián)接而成,其中4個(gè)橋臂構(gòu)成單相側(cè)逆變器,形成一個(gè)單相交流端口,6個(gè)橋臂構(gòu)成三相側(cè)逆變器,形成一個(gè)三相交流端口；每個(gè)MMC橋臂均由p個(gè)結(jié)構(gòu)相同的功率模塊與MMC橋臂電感L串聯(lián)而成；功率模塊為單相半橋結(jié)構(gòu)，由一個(gè)IGBT半橋和一個(gè)直流儲(chǔ)能電容構(gòu)成；n個(gè)MMC單元的單相側(cè)交流端口串聯(lián)連接高壓系統(tǒng)，每個(gè)MMC單元的三相側(cè)交流端口之間絕緣，獨(dú)立連接低壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)單相側(cè)高壓系統(tǒng)與三相側(cè)低壓系統(tǒng)有功功率的雙向流動(dòng)。本實(shí)用新型省去了與之匹配的變壓器，使得系統(tǒng)體積小，重量輕，效率高，投資少。本實(shí)用新型技術(shù)先進(jìn)、可靠，易于實(shí)施。
【專利說明】-種基于MMC單元的單相三相變流系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種基于模塊式多電平變換器（簡稱MMC，modular multilevel converter)的單相三相變流系統(tǒng)，特別涉及到電氣化鐵道列車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)，亦可用于變 頻場合。

【背景技術(shù)】
[0002] 與直流牽引電機(jī)相比，交流牽引電機(jī)有功率密度高、價(jià)格便宜、簡單可靠和防空轉(zhuǎn) 性能好等優(yōu)點(diǎn)，因此正在取代直流電機(jī)成為電氣化鐵路和軌道交通牽引的主要?jiǎng)恿υ?。?氣化鐵道采用單相供電，交流牽引電機(jī)需要三相逆變器驅(qū)動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換功能，電力 機(jī)車或動(dòng)車組上配有交直交牽引變流器，即先將單相交流變換為直流，再通過逆變器變換 為三相交流。電氣化鐵道牽引網(wǎng)額定電壓為27. 5kV，最高電壓達(dá)到31kV，而目前牽引變流 器的功率開關(guān)器件最高電壓等級為6. 5kV，正是由于受到電力電子器件電壓等級的限制， 電力機(jī)車和動(dòng)車組配有牽引變壓器先將牽引網(wǎng)電壓降壓后再供給牽引變流器。牽引變壓器 體積大，重量大，同時(shí)增加損耗，影響牽引系統(tǒng)效率。
[0003] 德國學(xué)者R. Marquardt和A. Lesnicar于2002年提出了 MMC技術(shù)。MMC具有結(jié)構(gòu) 對稱、模塊化程度高，互換性好，-方便實(shí)現(xiàn)背靠背聯(lián)接，組合靈活，易于擴(kuò)展，開關(guān)器件損耗 小，諧波特性好等優(yōu)點(diǎn)，可直掛于高壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功率傳遞。MMC的這一特點(diǎn)使其特別適合于 高電壓、大功率變流器的有功和無功控制。近年來MMC技術(shù)在高壓直流輸電、靜止同步補(bǔ)償 (STATC0M)、統(tǒng)一潮流控制器（UPQC)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。
[0004] 本實(shí)用新型提出基于MMC技術(shù)的無變壓器的單相三相交直交變流系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)單相 到三相能量的雙向傳遞，主要用于交流電氣化鐵路列車牽引系統(tǒng)，可減小牽引系統(tǒng)的體積 和重量，提高牽引系統(tǒng)效率。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0005] 本實(shí)用新型的目的是提供一種基于MMC單元的單相三相交直交變流系統(tǒng)，在電力 機(jī)車和動(dòng)車組上實(shí)現(xiàn)無牽引變壓器的牽引變流器，減小牽引系統(tǒng)的體積和重量，提高牽引 系統(tǒng)效率。本實(shí)用新型主要用電氣化鐵道牽引傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)單相牽引網(wǎng)到三相電機(jī)驅(qū)動(dòng) 電源的變換，亦可用于變頻場合。
[0006] 本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題，所采用的技術(shù)方案為：一種基于MMC單元的單相三 相變流系統(tǒng)，由η個(gè)MMC單元構(gòu)成；每個(gè)MMC單元由十個(gè)橋臂構(gòu)成，其中四個(gè)橋臂構(gòu)成一 個(gè)單相逆變器，其余六橋臂構(gòu)成一個(gè)三相逆變器；兩逆變器的直流環(huán)節(jié)并聯(lián)；外部分別形 成一個(gè)單相交流端口和一個(gè)三相交流端口；每個(gè)橋臂均由ρ個(gè)結(jié)構(gòu)相同的功率模塊ΡΜ與橋 臂電感L串聯(lián)而成；功率模塊ΡΜ為單相半橋結(jié)構(gòu)，由一個(gè)IGBT半橋和一個(gè)直流儲(chǔ)能電容構(gòu) 成；交流端口的交流電壓最大值U max =公共直流端口的直流電壓Ud。，η個(gè)MMC單元的單相交 流端口串聯(lián)連接高壓系統(tǒng)，每個(gè)MMC單元的三相交流端口之間絕緣，獨(dú)立連接低壓系統(tǒng)。
[0007] 這樣，每個(gè)MMC單元一側(cè)是單相逆變器，形成一個(gè)單相交流端口，另一側(cè)是三相逆 變器，形成一個(gè)三相交流端口，兩逆變器的直流環(huán)節(jié)并聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)單相交流端口與三相交流 端口之間有功功率的雙向流動(dòng)；每個(gè)MMC單元交流端口的交流電壓最大值Umax =公共直流 端口的直流電壓Ud。；n個(gè)MMC單元的單相側(cè)串聯(lián)，并實(shí)施均壓控制，三相側(cè)獨(dú)立，彼此電氣 絕緣，防止環(huán)流發(fā)生；每個(gè)MMC單元由10個(gè)結(jié)構(gòu)相同的橋臂Ap、An、Bp、Bn、Cp、Cn、Dp、Dn、 Ep和En組成，其中四個(gè)橋臂Dp、Dn、Ep和En構(gòu)成一個(gè)單相逆變器，六橋臂Ap、An、Bp、Bn、 Cp和Cn構(gòu)成一個(gè)三相逆變器。每個(gè)橋臂均由p個(gè)結(jié)構(gòu)相同的功率模塊PM與橋臂電感L 串聯(lián)而成；功率模塊PM為單相半橋結(jié)構(gòu)，由一個(gè)IGBT半橋和一個(gè)直流儲(chǔ)能電容構(gòu)成。η個(gè) MMC單元的單相側(cè)串聯(lián)，因此，單相側(cè)可以直接入電壓等級很高的供電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高壓單相 側(cè)功率與彼此隔離的低壓三相側(cè)功率之間的雙向流動(dòng)。
[0008] 采用本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)，利用MMC技術(shù)構(gòu)成單相三相單元，單相交流端口與三相 交流端口間通過直流環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)有功功率的雙向流動(dòng)；利用基于MMC的單相逆變器串聯(lián)，使 單相側(cè)能直接接入高壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)單相側(cè)高壓系統(tǒng)與三相側(cè)低壓系統(tǒng)有功功率的雙向流 動(dòng)；單相側(cè)也可同時(shí)向單相電網(wǎng)提供無功功率和諧波電流，實(shí)現(xiàn)有源無功功率補(bǔ)償和諧波 濾除；根據(jù)需要，三相側(cè)亦可同時(shí)提供無功功率和諧波電流。
[0009] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是：
[0010] 一、本實(shí)用新型可以省去變壓器，實(shí)現(xiàn)高壓單相到低壓三相的雙向功率傳遞，使得 系統(tǒng)體積小，重量輕，效率高。
[0011] 二、本實(shí)用新型因?yàn)椴捎昧硕嚯娖浇Y(jié)構(gòu)，在單相側(cè)和三相側(cè)能在開關(guān)頻率很低時(shí) 獲得很好的電壓和電流波形。
[0012] 三、本實(shí)用新型采用MMC結(jié)構(gòu)，通過冗余設(shè)計(jì)，可以提高系統(tǒng)的可靠性和可用性。
[0013] 四、本實(shí)用新型技術(shù)先進(jìn)、可靠，易于實(shí)施。
[0014] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的描述。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016] 圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例的MMC單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017] 圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例的MMC橋臂結(jié)構(gòu)ΒΜ示意圖。
[0018] 圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例的功率模塊ΡΜ電路結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0019] 實(shí)施例
[0020] 圖1示出，本實(shí)用新型的一種【具體實(shí)施方式】為：系統(tǒng)由η個(gè)MMC單元構(gòu)成。每個(gè) MMC單元一側(cè)是單相逆變器，另一側(cè)是三相逆變器，兩逆變器的直流環(huán)節(jié)并聯(lián)。η個(gè)MMC單 元間單相側(cè)串聯(lián)，實(shí)施均壓測控，三相側(cè)獨(dú)立，彼此電氣絕緣。每個(gè)單元由十個(gè)結(jié)構(gòu)相同的 橋臂Ap、An、Bp、Bn、Cp、Cn、Dp、Dn、Ep和En組成，其中四個(gè)橋臂Dp、Dn、Ep和En構(gòu)成一個(gè) 單相逆變器，6橋臂Ap、An、Bp、Bn、Cp和Cn構(gòu)成一個(gè)三相逆變器；每個(gè)橋臂均由p個(gè)結(jié)構(gòu) 相同的功率模塊PM與橋臂電感L串聯(lián)而成；功率模塊PM為單相半橋結(jié)構(gòu)，由一個(gè)IGBT半 橋和一個(gè)直流儲(chǔ)能電容構(gòu)成。η個(gè)MMC單元的單相側(cè)串聯(lián)，單元間進(jìn)行均壓控制，保證各單 元的直流電壓均衡；單相側(cè)串聯(lián)可以直接入電壓等級很高的供電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)單相側(cè)高壓系 統(tǒng)與彼此隔尚的三相側(cè)低壓系統(tǒng)之間的功率的雙向流動(dòng)。
[0021] 本實(shí)用新型的工作原理是：利用MMC技術(shù)構(gòu)成單相三相單元，單相交流端口與三 相交流端口間通過直流環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)有功功率的雙向流動(dòng)；利用基于MMC的單相逆變器串聯(lián)， 使單相側(cè)能直接接入高壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)單相側(cè)高壓系統(tǒng)與三相側(cè)低壓系統(tǒng)有功功率的雙向 流動(dòng)；單相側(cè)也可同時(shí)向單相電網(wǎng)提供無功功率和諧波電流，實(shí)現(xiàn)有源無功功率補(bǔ)償和諧 波濾除；根據(jù)需要，三相側(cè)亦可同時(shí)提供無功功率和諧波電流。
[0022] 圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例的MMC單元的結(jié)構(gòu)圖。每個(gè)MMC單元由10個(gè)結(jié)構(gòu)相同 的橋臂Ap、An、Bp、Bn、Cp、Cn、Dp、Dn、Ep和En組成；橋臂Dp、Dn、Ep和En構(gòu)成單相逆變器， 橋臂Ap、An、Bp、Bn、Cp和Cn構(gòu)成三相逆變器。兩逆變器的直流側(cè)并聯(lián)。
[0023] 圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例的MMC單元橋臂結(jié)構(gòu)示意圖。每個(gè)橋臂均由p個(gè)結(jié)構(gòu)相 同的功率模塊PM與橋臂電感L串聯(lián)而成。
[0024] 圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例的功率模塊電路示意圖。功率模塊PM為單相半橋結(jié)構(gòu)， 由一個(gè)IGBT半橋（含?\和T2兩個(gè)開關(guān)）和一個(gè)直流儲(chǔ)能電容Q構(gòu)成。
[0025] 應(yīng)用實(shí)例：無牽引變壓器的動(dòng)車組交流牽引系統(tǒng)。單相側(cè)aibn直接由受電弓接 入牽引網(wǎng)，η個(gè)三相側(cè)APA、A 2B2C2, . . . . AnBnCn分別給η臺(tái)牽引電機(jī)供電，驅(qū)動(dòng)列車運(yùn)行。 牽引時(shí)，功率由單相側(cè)流向三相側(cè)供給牽引電機(jī)，此時(shí)牽引電機(jī)為電動(dòng)機(jī)，將電能轉(zhuǎn)化機(jī)械 能，產(chǎn)生牽引力；再生制動(dòng)時(shí)，功率由三相側(cè)流向單相側(cè)，此時(shí)電機(jī)為發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化 為電能，同時(shí)產(chǎn)生制動(dòng)力。已知受電弓高壓系統(tǒng)額定電壓（有效值）為27. 5kV，低壓系統(tǒng) 三相牽引電機(jī)額定（線）電壓（有效值）=2. 2kV，則所需MMC單元個(gè)數(shù)η =(高壓系統(tǒng) 額定電壓有效值+低壓系統(tǒng)額定電壓有效值）的整數(shù)=(27. 5/2. 2)的整數(shù)=(12. 5)的 整數(shù)=12,那么，每個(gè)MMC單元的單相交流端口額定電壓（有效值）=三相交流端口額定 (線）電壓（有效值）=27. 5/12kV = 2. 29kV，MMC單元交流端口的交流電壓最大值（峰 值）Umax=; X2.29 kV=3.24 kV。于是，高壓系統(tǒng)將12個(gè)MMC單元單相交流端口串聯(lián)起 來，低壓系統(tǒng)12組三相牽引電機(jī)彼此電氣絕緣，獨(dú)立運(yùn)行。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于MMC單元的單相三相變流系統(tǒng)，其特征在于，由η個(gè)MMC單元構(gòu)成；每個(gè) MMC單元由十個(gè)橋臂構(gòu)成，其中四個(gè)橋臂構(gòu)成一個(gè)單相逆變器，其余六橋臂構(gòu)成一個(gè)三相逆 變器；兩逆變器的直流環(huán)節(jié)并聯(lián)；外部分別形成一個(gè)單相交流端口和一個(gè)三相交流端口； 每個(gè)橋臂均由P個(gè)結(jié)構(gòu)相同的功率模塊PM與橋臂電感L串聯(lián)而成；功率模塊PM為單相半 橋結(jié)構(gòu)，由一個(gè)IGBT半橋和一個(gè)直流儲(chǔ)能電容構(gòu)成；交流端口的交流電壓最大值U max =公 共直流端口的直流電壓Ud。，η個(gè)MMC單元的單相交流端口串聯(lián)連接高壓系統(tǒng)，每個(gè)MMC單元 的三相交流端口之間絕緣，獨(dú)立連接低壓系統(tǒng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于MMC單元的單相三相變流系統(tǒng)，其特征在于：MMC單 元個(gè)數(shù)η =(高壓系統(tǒng)額定電壓有效值+低壓系統(tǒng)額定電壓有效值）的整數(shù);MMC單元的 交流端口額定電壓有效值=高壓系統(tǒng)額定電壓有效值/η。
【文檔編號】H02M1/42GK203872062SQ201420214887
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年4月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月29日
【發(fā)明者】李群湛, 郭育華, 黃小紅, 夏焰坤, 李亞楠, 丁菊霞 申請人:西南交通大學(xué)