專利名稱：基于mmc無變壓器的四象限高壓變頻電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高壓變頻電源拓?fù)洌貏e是一種基于MMC的無變壓器的四象限高 壓變頻電源拓?fù)洹?br> 背景技術(shù)：
高壓變頻電源是將高壓交流電經(jīng)過AC — DC — AC變換，輸出為純凈的正弦波，輸 出頻率和電壓一定范圍內(nèi)可調(diào)。高壓變頻電源可以根據(jù)實(shí)際需求模擬電網(wǎng)的各種狀況、提 供純凈可靠的、低諧波失真、高穩(wěn)定的頻率和穩(wěn)壓率的正弦波電力輸出，用于產(chǎn)品檢測、壽 命、過高壓模擬等?，F(xiàn)有技術(shù)中的高壓變頻電源主要采用低壓單元串聯(lián)，通過隔離移相變壓器給各個 單元供電的技術(shù)。該種高壓變頻電源存在能耗高，效率低，體積大，笨重；功率因數(shù)低，諧波 污染大；啟動沖擊大；隔離效果差等缺點(diǎn)。隨著高壓變頻電源的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，對其性能的要求也越來越高，特別是在 風(fēng)力發(fā)電及光伏發(fā)電的并網(wǎng)測試上。高壓變頻電源不僅要輸出穩(wěn)定的電壓，模擬電網(wǎng)的工 況及故障，還需要高壓變頻電源具有能量回饋的性能。目前，采用MMC(Modular Multilevel Converter)模塊化多電平逆變器結(jié)構(gòu)的無 變壓器的四象限高壓變頻電源拓?fù)溥€未見報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于MMC無變壓器的四象限高壓變頻電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， MMC是Modular Multilevel Converter模塊化多電平逆變器的簡稱；該拓?fù)洳捎媚K化多 電平結(jié)構(gòu)，是一種高-高型直接變頻電源，其優(yōu)點(diǎn)在于去掉了電源輸入端的高壓變壓器，降 低了成本，減小了高壓變頻電源的體積及重量；降低了元器件損耗，提高工作效率，同時單 元結(jié)構(gòu)簡單，接線方便，易于拆卸和安裝。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)基于MMC無變壓器的四象限高壓變頻電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，整流模塊與逆變模塊均采用 模塊化多電平結(jié)構(gòu)，由多個子單元串聯(lián)而成，該拓?fù)湔髂K輸入側(cè)通過充電電路直接與 網(wǎng)側(cè)高壓相連；整流模塊將高壓交流電壓轉(zhuǎn)換為直流輸入逆變模塊，逆變模塊將直流轉(zhuǎn)換 為交流；實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)各種狀態(tài)的模擬，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為四象限型，可實(shí)現(xiàn)能量回饋。所述的整流模塊、逆變模塊為三相，每相由偶數(shù)η個子單元串聯(lián)而成，分為上下兩 組，每組的子單元個數(shù)為η/2個；逆變模塊的輸出端為兩組子單元的中點(diǎn)處，且輸出端與每 組子單元之間以耦合或非耦合緩沖電感連接；整流模塊的輸入端為兩組子單元的中點(diǎn)處， 且輸入端與每組子單元之間以耦合或非耦合緩沖電感連接。所述每個子單元的結(jié)構(gòu)為半橋結(jié)構(gòu)，兩個開關(guān)器件IGBT相串聯(lián)，再并聯(lián)直流電容 C0所述的整流模塊、逆變模塊為三相，每相由η個子單元串聯(lián)而成，三相串聯(lián)子單元的整流模塊的輸入端與充電電路相連接，三相串聯(lián)子單元的逆變模塊的輸出端通過電感輸出ο所述的每個子單元結(jié)構(gòu)為H橋結(jié)構(gòu)，由四個IGBT開關(guān)器件組成，每個IGBT開關(guān)器 件反并聯(lián)一個二極管，每兩個IGBT開關(guān)器件相串聯(lián)后，再與直流電容C并聯(lián)。所述的整流模塊、逆變模塊的子單元結(jié)構(gòu)相同，可互換使用。所述的充電電路由充電電阻與開關(guān)串聯(lián)后，與高壓斷路器并聯(lián)而成。所述的基于MMC的無變壓器風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可應(yīng)用于風(fēng)機(jī)LVRT測試、光伏 并網(wǎng)測試、以及變壓器、不斷電系統(tǒng)、機(jī)場地面設(shè)施、船舶、航天、軍事研究所、實(shí)驗(yàn)室、研發(fā) 等的測試電源領(lǐng)域。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是該無變壓器的四象限高壓變頻電源的拓?fù)洌サ袅穗娫摧斎攵说母邏鹤儔浩?，?壓變頻器的體積及重量減小了 1/2、材料成本降低了 1/2、制造周期減小1/2、運(yùn)輸成本減小 1/2、占地面積減小1/2，同時降低了元器件損耗，提高工作效率；有利于改善和增加新的控 制功能，改善動態(tài)特性，可明顯地降低工作噪聲；在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了集成化和模塊化，有效提 高設(shè)備的可用性。


圖1是基于MMC無變壓器的四象限高壓變頻電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)框圖；圖2是基于MMC無變壓器的四象限高壓變頻電源半橋型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；圖3是半橋型單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；圖4是基于MMC無變壓器的四象限高壓變頻電源H橋型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；圖5是H橋型單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；圖6-1、圖6-2、圖6-3、圖6-4是半橋型單元內(nèi)部電流流向圖；圖7-1、圖7-2、圖7-3、圖7-4是H橋型單元內(nèi)部電流流向圖。
具體實(shí)施例方式見圖1，基于MMC無變壓器的四象限高壓變頻電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括整流模塊、逆變 模塊，整流模塊與逆變模塊均采用模塊化多電平結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)高壓電源直接輸入， 無需變壓器，整流模塊直接將高壓交流電壓轉(zhuǎn)換為直流，逆變模塊將直流轉(zhuǎn)換為交流；實(shí)現(xiàn) 對電網(wǎng)各種狀態(tài)的模擬，同時整流模塊為四象限型可以實(shí)現(xiàn)能量的回饋。下面通過具體實(shí) 施例敘述模塊化多電平結(jié)構(gòu)的子單元為半橋結(jié)構(gòu)、H橋結(jié)構(gòu)的兩種情況。實(shí)施例1見圖2、圖3，基于MMC無變壓器的四象限高壓變頻電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，整流模塊與逆變 模塊采用相同的子單元結(jié)構(gòu)，由多個子單元串聯(lián)而成，該拓?fù)漭斎雮?cè)無變壓器，通過充電電 路直接與網(wǎng)側(cè)高壓相連。充電電路連接整流模塊，整流模塊將高壓交流電壓轉(zhuǎn)換為直流，逆 變模塊將直流轉(zhuǎn)換為交流，實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)各種狀態(tài)的模擬。整流模塊、逆變模塊均為三相，每相由偶數(shù)η個子單元串聯(lián)而成，分為上下兩組， 每組的子單元個數(shù)為η/2個；逆變模塊的輸出端為兩組子單元的中點(diǎn)處，且輸出端與每組 子單元之間以耦合或非耦合緩沖電感L連接；整流模塊的輸入端為兩組子單元的中點(diǎn)處，且輸入端與每組子單元之間以耦合或非耦合緩沖電感L連接。充電電路由充電電阻R與開 關(guān)K2串聯(lián)后，與高壓斷路器Kl并聯(lián)而成。整流模塊、逆變模塊的子單元均由半橋型單元構(gòu) 成四象限三電平結(jié)構(gòu)；整流模塊、逆變模塊的子單元結(jié)構(gòu)相同，可互換使用。單元個數(shù)η(偶 數(shù))根據(jù)輸入輸出電壓等級而設(shè)定。見圖3，整流模塊、逆變模塊每個子單元的結(jié)構(gòu)為半橋結(jié)構(gòu)，開關(guān)器件IGBTl和 IGBT2相串聯(lián)，再并聯(lián)直流電容C，并且開關(guān)器件IGBTl和IGBT2分別反并聯(lián)二極管D1、D2 ； IGBTl與IGBT2的公共端，電容C與IGBT2的公共端作為每個單元的輸出端，與其他單元相 連。當(dāng)IGBTl導(dǎo)通時，輸出電平為高；當(dāng)IGBT2導(dǎo)通時，輸出電平為0。本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)能量回饋，當(dāng)輸出側(cè)有能量反向注入到四象限高壓變頻電源 時，可通過整流模塊、逆變模塊將能量注入回電網(wǎng)輸入側(cè)。本發(fā)明半橋型單元拓?fù)?，通過控制IGBT的柵極電壓使其導(dǎo)通或者關(guān)斷，可以使單 元具有不同的電路狀態(tài)。見圖6-1，電流經(jīng)IGBT2從A流向B，采用半橋式逆變電路的功率單元輸出電平“0”。見圖6-2，電流經(jīng)續(xù)流二極管D2從B流向A，采用半橋式逆變電路的功率單元輸出 電平“0”。見圖6-3，電流經(jīng)續(xù)流二極管D1，再通過直流側(cè)電容C，從A流向B，采用半橋式逆 變電路的功率單元輸出電平“ 1 ”。見圖6-4，電流經(jīng)IGBTl，再通過直流側(cè)電容C，從B流向A，采用半橋式逆變電路的 功率單元輸出電平“1”。實(shí)施例2見圖4、圖5，基于MMC無變壓器的四象限高壓變頻電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，整流模塊與逆變 模塊均采用模塊化多電平結(jié)構(gòu)，由多個子單元串聯(lián)而成，該拓?fù)漭斎雮?cè)無變壓器，通過充電 電路直接與網(wǎng)側(cè)高壓相連。該結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)高壓電源直接輸入，無需變壓器，整流模塊直接 將高壓交流電壓轉(zhuǎn)換為直流，逆變模塊將直流轉(zhuǎn)換為交流；實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)各種狀態(tài)的模擬，該 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為四象限型，可實(shí)現(xiàn)能量回饋。見圖4，整流模塊、逆變模塊均為三相，每相由η個子單元串聯(lián)而成，三相串聯(lián)子單 元的整流模塊的輸入端與充電電路相連接，三相串聯(lián)子單元的逆變模塊的輸出端通過電感 L輸出。充電電路由充電電阻R與開關(guān)Κ2串聯(lián)后，與高壓斷路器Kl并聯(lián)而成。見圖5，每個子單元結(jié)構(gòu)為H橋結(jié)構(gòu)，由四個開關(guān)器件IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGB1M 和直流側(cè)電容C組成，開關(guān)器件IGBTl和IGBT2相串聯(lián)，開關(guān)器件IGBT3和IGBT4相串聯(lián)， 再和直流電容C并聯(lián)。并且四個開關(guān)器件IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4分別并聯(lián)一個反接 二極管D11、D22、D33、D44。IGBTl與IGBT2的公共端、IGBT3與IGBiM的公共端為該功率單 元與其它功率單元相連接的輸入、輸出端。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中整流模塊，逆變模塊均由H橋型單元構(gòu)成四象限三電平結(jié)構(gòu)；單元 個數(shù)η根據(jù)輸入輸出電壓等級而設(shè)定。本發(fā)明H橋型單元拓?fù)?，通過控制IGBT的柵極電壓使其導(dǎo)通或者關(guān)斷，可以使單 元具有不同的電路狀態(tài)。見圖7-1，電流經(jīng)IGBT2、直流側(cè)電容C、IGBT3,從B流向Α，或電流經(jīng)續(xù)流二極管 D3、直流側(cè)電容C、續(xù)流二極管D2，從A流向B，此時采用H橋式逆變電路的功率單元輸出電平 “1”。見圖7-2，電流經(jīng)續(xù)流二極管Dl、IGBT3，從B流向A，或電流經(jīng)續(xù)流二極管D3、 IGBT1，從A流向B，此時采用H橋式逆變電路的功率單元輸出電平“0”。見圖7-3，電流經(jīng)IGBT2、續(xù)流二極管D4，從B流向A，或電流經(jīng)IGBT4、續(xù)流二極管 D2，從A流向B，此時采用H橋式逆變電路的功率單元輸出電平“0”。見圖7-4，電流經(jīng)續(xù)流二極管D1、直流側(cè)電容C、續(xù)流二極管D4，從B流向A，或電流 經(jīng)IGBT4、直流側(cè)電容C、IGBT1，從A流向B，此時采用H橋式逆變電路的功率單元輸出電平 “-1”。本發(fā)明無變壓器的四象限高壓變頻電源可應(yīng)用于風(fēng)機(jī)LVRT測試、光伏并網(wǎng)測試、 以及變壓器、不斷電系統(tǒng)、機(jī)場地面設(shè)施、船舶、航天、軍事研究所、實(shí)驗(yàn)室、研發(fā)等的測試電 源領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1.基于MMC無變壓器的四象限高壓變頻電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征在于，整流模塊與逆變 模塊均采用模塊化多電平結(jié)構(gòu)，由多個子單元串聯(lián)而成，該拓?fù)湔髂K輸入側(cè)通過充電 電路直接與網(wǎng)側(cè)高壓相連；整流模塊將高壓交流電壓轉(zhuǎn)換為直流輸入逆變模塊，逆變模塊 將直流轉(zhuǎn)換為交流；實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)各種狀態(tài)的模擬，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為四象限型，可實(shí)現(xiàn)能量回饋。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MMC無變壓器的四象限高壓變頻電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征 在于，所述的整流模塊、逆變模塊為三相，每相由偶數(shù)η個子單元串聯(lián)而成，分為上下兩組， 每組的子單元個數(shù)為η/2個；逆變模塊的輸出端為兩組子單元的中點(diǎn)處，且輸出端與每組 子單元之間以耦合或非耦合緩沖電感連接；整流模塊的輸入端為兩組子單元的中點(diǎn)處，且 輸入端與每組子單元之間以耦合或非耦合緩沖電感連接；所述每個子單元的結(jié)構(gòu)為半橋結(jié) 構(gòu)，兩個開關(guān)器件IGBT相串聯(lián)，再并聯(lián)直流電容C。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MMC無變壓器的四象限高壓變頻電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特 征在于，所述的整流模塊、逆變模塊為三相，每相由η個子單元串聯(lián)而成，三相串聯(lián)子單元 的整流模塊的輸入端與充電電路相連接，三相串聯(lián)子單元的逆變模塊的輸出端通過電感輸 出；所述的每個子單元結(jié)構(gòu)為H橋結(jié)構(gòu)，由四個IGBT開關(guān)器件組成，每個IGBT開關(guān)器件反 并聯(lián)一個二極管，每兩個IGBT開關(guān)器件相串聯(lián)后，再與直流電容C并聯(lián)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的基于MMC無變壓器的四象限高壓變頻電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其 特征在于，所述的整流模塊、逆變模塊的子單元結(jié)構(gòu)相同，可互換使用。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MMC無變壓器的四象限高壓變頻電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征 在于，所述的充電電路由充電電阻與開關(guān)串聯(lián)后，與高壓斷路器并聯(lián)而成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MMC無變壓器的四象限高壓變頻電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征 在于，所述的基于MMC的無變壓器風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可應(yīng)用于風(fēng)機(jī)LVRT測試、光伏并 網(wǎng)測試、以及變壓器、不斷電系統(tǒng)、機(jī)場地面設(shè)施、船舶、航天、軍事研究所、實(shí)驗(yàn)室、研發(fā)等 的測試電源領(lǐng)域。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于MMC無變壓器的四象限高壓變頻電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，整流模塊與逆變模塊均采用模塊化多電平結(jié)構(gòu)，由多個子單元串聯(lián)而成，該拓?fù)湔髂K輸入側(cè)通過充電電路直接與網(wǎng)側(cè)高壓相連；整流模塊將高壓交流電壓轉(zhuǎn)換為直流輸入逆變模塊，逆變模塊將直流轉(zhuǎn)換為交流；實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)各種狀態(tài)的模擬，同時該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為四象限型，可以實(shí)現(xiàn)能量的回饋。其優(yōu)點(diǎn)在于去掉了電源輸入端的高壓變壓器，降低了成本，減小了高壓變頻電源的體積及重量；降低了元器件損耗，提高工作效率，同時單元結(jié)構(gòu)簡單，接線方便，易于拆卸和安裝。
文檔編號H02M5/44GK102055347SQ20101023408
公開日2011年5月11日 申請日期2010年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月22日
發(fā)明者張坤, 張躍平, 李太峰, 楊洋, 王振, 胡濤, 趙淑玉, 魏西平 申請人:榮信電力電子股份有限公司