CN103997232A - 一种基于mmc单元的单相三相变流*** - Google Patents

一种基于mmc单元的单相三相变流*** Download PDF

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黄小红
夏焰坤
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Abstract

一种基于MMC单元的单相三相变流***，每个MMC单元由10个桥臂联接而成,其中4个桥臂构成单相侧逆变器,形成一个单相交流端口,6个桥臂构成三相侧逆变器,形成一个三相交流端口；每个MMC桥臂均由p个结构相同的功率模块与MMC桥臂电感L串联而成；功率模块为单相半桥结构，由一个IGBT半桥和一个直流储能电容构成；n个MMC单元的单相侧交流端口串联连接高压***，每个MMC单元的三相侧交流端口之间绝缘，独立连接低压***，实现单相侧高压***与三相侧低压***有功功率的双向流动。本发明省去了与之匹配的变压器，使得***体积小，重量轻，效率高，投资少。本发明技术先进、可靠，易于实施。

Description

一种基于MMC单元的单相三相变流***
技术领域
本发明涉及一种基于模块式多电平变换器(简称MMC，modular multilevelconverter)的单相三相变流***，特别涉及到电气化铁道列车牵引传动***，亦可用于变频场合。
背景技术
与直流牵引电机相比，交流牵引电机有功率密度高、价格便宜、简单可靠和防空转性能好等优点，因此正在取代直流电机成为电气化铁路和轨道交通牵引的主要动力源。电气化铁道采用单相供电，交流牵引电机需要三相逆变器驱动。为了实现这一转换功能，电力机车或动车组上配有交直交牵引变流器，即先将单相交流变换为直流，再通过逆变器变换为三相交流。电气化铁道牵引网额定电压为27.5kV,最高电压达到31kV,而目前牵引变流器的功率开关器件最高电压等级为6.5kV,正是由于受到电力电子器件电压等级的限制，电力机车和动车组配有牵引变压器先将牵引网电压降压后再供给牵引变流器。牵引变压器体积大,重量大，同时增加损耗，影响牵引***效率。
德国学者R.Marquardt和A.Lesnicar于2002年提出了MMC技术。MMC具有结构对称、模块化程度高，互换性好，-方便实现背靠背联接，组合灵活，易于扩展，开关器件损耗小，谐波特性好等优点，可直挂于高压***实现功率传递。MMC的这一特点使其特别适合于高电压、大功率变流器的有功和无功控制。近年来MMC技术在高压直流输电、静止同步补偿(STATCOM)、统一潮流控制器(UPQC)等领域的应用越来越广泛。
本发明提出基于MMC技术的无变压器的单相三相交直交变流***，实现单相到三相能量的双向传递，主要用于交流电气化铁路列车牵引***，可减小牵引***的体积和重量，提高牵引***效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于MMC单元的单相三相交直交变流***，在电力机车和动车组上实现无牵引变压器的牵引变流器，减小牵引***的体积和重量，提高牵引***效率。本发明主要用电气化铁道牵引传动***，实现单相牵引网到三相电机驱动电源的变换，亦可用于变频场合。
本发明解决其技术问题，所采用的技术方案为：一种基于MMC单元的单相三相变流***,由n个MMC单元构成；每个MMC单元由十个桥臂构成，其中四个桥臂构成一个单相逆变器，其余六桥臂构成一个三相逆变器；两逆变器的直流环节并联；外部分别形成一个单相交流端口和一个三相交流端口；每个桥臂均由p个结构相同的功率模块PM与桥臂电感L串联而成；功率模块PM为单相半桥结构，由一个IGBT半桥和一个直流储能电容构成；交流端口的交流电压最大值Umax＝公共直流端口的直流电压Udc，n个MMC单元的单相交流端口串联连接高压***，每个MMC单元的三相交流端口之间绝缘，独立连接低压***。
这样，每个MMC单元一侧是单相逆变器，形成一个单相交流端口，另一侧是三相逆变器，形成一个三相交流端口，两逆变器的直流环节并联，可实现单相交流端口与三相交流端口之间有功功率的双向流动；每个MMC单元交流端口的交流电压最大值Umax＝公共直流端口的直流电压Udc；n个MMC单元的单相侧串联，并实施均压控制,三相侧独立，彼此电气绝缘,防止环流发生；每个MMC单元由10个结构相同的桥臂Ap、An、Bp、Bn、Cp、Cn、Dp、Dn、Ep和En组成，其中四个桥臂Dp、Dn、Ep和En构成一个单相逆变器，六桥臂Ap、An、Bp、Bn、Cp和Cn构成一个三相逆变器。每个桥臂均由p个结构相同的功率模块PM与桥臂电感L串联而成；功率模块PM为单相半桥结构，由一个IGBT半桥和一个直流储能电容构成。n个MMC单元的单相侧串联,因此,单相侧可以直接入电压等级很高的供电***，实现高压单相侧功率与彼此隔离的低压三相侧功率之间的双向流动。
采用本发明的结构，利用MMC技术构成单相三相单元，单相交流端口与三相交流端口间通过直流环节实现有功功率的双向流动；利用基于MMC的单相逆变器串联，使单相侧能直接接入高压***,实现单相侧高压***与三相侧低压***有功功率的双向流动；单相侧也可同时向单相电网提供无功功率和谐波电流,实现有源无功功率补偿和谐波滤除；根据需要，三相侧亦可同时提供无功功率和谐波电流。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、本发明可以省去变压器，实现高压单相到低压三相的双向功率传递，使得***体积小,重量轻，效率高。
二、本发明因为采用了多电平结构，在单相侧和三相侧能在开关频率很低时获得很好的电压和电流波形。
三、本发明采用MMC结构，通过冗余设计，可以提高***的可靠性和可用性。
四、本发明技术先进、可靠，易于实施。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
图2是本发明实施例的MMC单元的结构示意图。
图3是本发明实施例的MMC桥臂结构BM示意图。
图4是本发明实施例的功率模块PM电路结构示意图。
具体实施方式
实施例
图1示出，本发明的一种具体实施方式为：***由n个MMC单元构成。每个MMC单元一侧是单相逆变器，另一侧是三相逆变器，两逆变器的直流环节并联。n个MMC单元间单相侧串联，实施均压测控,三相侧独立，彼此电气绝缘。每个单元由十个结构相同的桥臂Ap、An、Bp、Bn、Cp、Cn、Dp、Dn、Ep和En组成，其中四个桥臂Dp、Dn、Ep和En构成一个单相逆变器，6桥臂Ap、An、Bp、Bn、Cp和Cn构成一个三相逆变器；每个桥臂均由p个结构相同的功率模块PM与桥臂电感L串联而成；功率模块PM为单相半桥结构，由一个IGBT半桥和一个直流储能电容构成。n个MMC单元的单相侧串联，单元间进行均压控制，保证各单元的直流电压均衡；单相侧串联可以直接入电压等级很高的供电***，实现单相侧高压***与彼此隔离的三相侧低压***之间的功率的双向流动。
本发明的工作原理是：利用MMC技术构成单相三相单元，单相交流端口与三相交流端口间通过直流环节实现有功功率的双向流动；利用基于MMC的单相逆变器串联，使单相侧能直接接入高压***,实现单相侧高压***与三相侧低压***有功功率的双向流动；单相侧也可同时向单相电网提供无功功率和谐波电流,实现有源无功功率补偿和谐波滤除；根据需要，三相侧亦可同时提供无功功率和谐波电流。
图2是本发明实施例的MMC单元的结构图。每个MMC单元由10个结构相同的桥臂Ap、An、Bp、Bn、Cp、Cn、Dp、Dn、Ep和En组成；桥臂Dp、Dn、Ep和En构成单相逆变器，桥臂Ap、An、Bp、Bn、Cp和Cn构成三相逆变器。两逆变器的直流侧并联。
图3是本发明实施例的MMC单元桥臂结构示意图。每个桥臂均由p个结构相同的功率模块PM与桥臂电感L串联而成。
图4是本发明实施例的功率模块电路示意图。功率模块PM为单相半桥结构，由一个IGBT半桥(含T1和T2两个开关)和一个直流储能电容C0构成。
应用实例：无牵引变压器的动车组交流牵引***。单相侧a1bn直接由受电弓接入牵引网，n个三相侧A1B1C1、A2B2C2，….AnBnCn分别给n台牵引电机供电，驱动列车运行。牵引时，功率由单相侧流向三相侧供给牵引电机，此时牵引电机为电动机，将电能转化机械能，产生牵引力；再生制动时，功率由三相侧流向单相侧，此时电机为发电机，将机械能转化为电能，同时产生制动力。已知受电弓高压***额定电压(有效值)为27.5kV，低压***三相牵引电机额定(线)电压(有效值)＝2.2kV，则所需MMC单元个数n＝(高压***额定电压有效值÷低压***额定电压有效值)的整数＝(27.5/2.2)的整数＝(12.5)的整数＝12，那么，每个MMC单元的单相交流端口额定电压(有效值)＝三相交流端口额定(线)电压(有效值)＝27.5/12kV＝2.29kV，MMC单元交流端口的交流电压最大值(峰值)于是，高压***将12个MMC单元单相交流端口串联起来，低压***12组三相牵引电机彼此电气绝缘，独立运行。

Claims (2)

1.一种基于MMC单元的单相三相变流***，其特征在于，由n个MMC单元构成；每个MMC单元由十个桥臂构成，其中四个桥臂构成一个单相逆变器，其余六桥臂构成一个三相逆变器；两逆变器的直流环节并联；外部分别形成一个单相交流端口和一个三相交流端口；每个桥臂均由p个结构相同的功率模块PM与桥臂电感L串联而成；功率模块PM为单相半桥结构，由一个IGBT半桥和一个直流储能电容构成；交流端口的交流电压最大值Umax＝公共直流端口的直流电压Udc，n个MMC单元的单相交流端口串联连接高压***，每个MMC单元的三相交流端口之间绝缘，独立连接低压***。
2.根据权利要求1所述的一种基于MMC单元的单相三相变流***，其特征在于:MMC单元个数n＝(高压***额定电压有效值÷低压***额定电压有效值)的整数；MMC单元的交流端口额定电压有效值＝高压***额定电压有效值/n。
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