CN116191896B - 一种正负双极型模块化多电平交-交变频器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种正负双极型模块化多电平交‑交变频器，包含模块化多电平变频器和三相三绕组双极型变压器，所述的模块化多电平变频器为ABC三相结构，每相均包含相同的上桥臂和下桥臂，上、下桥臂均包含串联的n个全桥子模块和一个桥臂电感；所述的三相三绕组双极型变压器，副边星形变压器T1为正极变压器，副边星型变压器T2为负极变压器，模块化多电平变频器工频侧连接至工频电网，低频侧经三相三绕组双极型变压器连接至低频电网；正负双极型模块化多电平交‑交变频器可进一步扩展，且能够实现能量双向流动。本发明通过引入具有正负双极的三绕组变压器，实现了一种结构简单、高效、灵活、可靠的交‑交变频器拓扑，具有较高的实用价值。
Description
技术领域
本发明属于多电平电力电子变换器领域，具体涉及一种正负双极型模块化多电平交-交变频器。
背景技术
分频(低频)输电相较于传统工频交流输电，具有线路传输能力强、无功补偿容量低、线路损耗低等优点，在海上风电并网、远距离交流输电等领域备受关注。其中，交-交变频器起到连接低频交流***和工频交流***的作用，是分频输电的关键设备。
目前，应用于交-交变频的主流变频器主要有三种：背靠背MMC型、M3C型、Hexverter型。其中，背靠背MMC型交-交变频器技术相对成熟，它采用两个直流侧相连接的MMC实现变频，控制算法比较简单易懂，但背靠背MMC结构使用了12个桥臂，子模块数量较多，建设时占用体积较大、花费成本较高。
相比而言，M3C型交-交变频器使用了9个桥臂，减少了桥臂数量，降低了变频器的制造成本，但M3C内部电路十分复杂，耦合性强，环流通路多，这无疑增加了其制造和控制难度。
Hexverter型交-交变频器仅使用了6个桥臂，大大减少了桥臂数量，降低了变频器的制造成本，但其拓扑结构难以进一步进行扩展，且Hexverter变频器必须严格满足无功条件才能够正常运行，结构和控制灵活度较差，难以应用于情况多变的工业实际中。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：针对现有交-交变频器存在的不足，本发明旨在提供一种正负双极型模块化多电平交-交变频器。通过引入一个由正极变压器和负极变压器构成的三相三绕组双极型变压器，以简化***拓扑、降低变频站的建设空间和成本，同时能够实现能量的双向流动、容量的灵活调整。
与现有方法相比，正负双极型模块化多电平交-交变频器桥臂数量少，***复杂度低，且具有较好的可扩展性，灵活高效，在***搭建、算法控制上更容易实现。
为解决以上技术问题，本发明通过采用以下技术方案实现：
一种正负双极型模块化多电平交-交变频器，包含模块化多电平变频器和三相三绕组双极型变压器；
所述的模块化多电平变频器为ABC三相结构，工频侧连接至工频电网，低频侧经三相三绕组双极型变压器连接至低频电网；
所述的三相三绕组双极型变压器包括两个副边星形变压器T1、T2，其中T1为正极变压器，T2为负极变压器，副边星形变压器T1三相端口分别连接至模块化多电平变频器三相上桥臂上端；副边星形变压器T2三相端口分别连接至模块化多电平变频器三相下桥臂下端。
进一步地，所述的模块化多电平变频器，每相均包含相同的上桥臂和下桥臂，上、下桥臂均分别包含串联的n个全桥子模块和一个桥臂电感。
进一步地，所述的全桥子模块包括第一至第四IGBT和第一电解电容，其中，第一IGBT的发射极连接第二IGBT的集电极，并以该连接点作为该全桥子模块的正端；第三IGBT的发射极连接第四IGBT的集电极，并以该连接点作为该全桥子模块的负端；第一IGBT的集电极、第三IGBT的集电极和第一电解电容的正极相连接；第二IGBT的发射极、第四IGBT的发射极和第一电解电容的负极相连接；第一至第四IGBT均连接有反并联二极管。
进一步地，所述的三相三绕组双极型变压器，T1中性点o和T2中性点o’相互连接。
进一步地，所述的三相三绕组双极型变压器，T1和T2变压器端口电压关系为：X和x端口电压相位相差180°，Y和y端口电压相位相差180°，Z和z端口电压相位相差180°。
进一步地，一种正负双极型模块化多电平交-交变频器的扩展，包含两个模块化多电平变频器和一个三相三绕组双极型变压器，两个模块化多电平变频器三相的上桥臂上端分别连接至三相三绕组双极型变压器T1的三相端口，两个模块化多电平变频器三相的下桥臂下端分别连接至三相三绕组双极型变压器T2的三相端口。
进一步地，所述的正负双极型模块化多电平交-交变频器在工频侧进行扩展，扩展后的正负双极型模块化多电平交-交变频器包含多个模块化多电平变频器。
进一步地，所述的正负双极型模块化多电平交-交变频器，功率从工频侧向低频侧流动或从低频侧向工频侧流动。
进一步地，所述的正负双极型模块化多电平交-交变频器，其j(j＝a,b,c)相上桥臂调制波yju和下桥臂调制波yjl的表达式分别为：
其中，yj_l为低频调制波分量，yj_g为工频调制波分量。
进一步地，j相低频调制波yj_l和工频调制波yj_g的表达式分别为：
其中，mg为工频调制度，ml为低频调制度，ωg为工频角频率，ωl为低频角频率，θjg为j相工频移相角，θjl为j相低频移相角。
进一步地，j相上桥臂电压uau和下桥臂电压ual表达式分别为：
其中，n为子模块个数，uc为子模块电容电压平均值。
采用以上技术方案，与现有技术相比，本发明的有益技术效果如下：
1、本发明提出的一种正负双极型模块化多电平交-交变频器，通过引入一个由正极变压器和负极变压器构成的三相三绕组变压器，同时保留了模块化的特点，大大简化了***结构，且具有很高的可扩展性，高效可靠，便于进行***搭建、改造和设计控制策略。
2、本发明提出的一种正负双极型模块化多电平交-交变频器，仅使用了6个桥臂，相比现有的几种主流变频器方案，提出的正负双极型模块化多电平交-交变频器大大减少了桥臂的数量，降低了变频站的建设空间和成本，降低了设计控制算法的难度，具有较高的工业价值。
3、本发明提出的一种正负双极型模块化多电平交-交变频器，能够实现能量的双向流动，能够进行容量的灵活调整，是一种柔性的交-交变频器，多电平的输出特性使得变频器的输出电能质量较高，适用于包括分频输电、海上风电经分频输电并网等中高压交-交变频领域及其他交-交变频领域，具有广泛的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的正负双极型模块化多电平交-交变频器拓扑结构示意图。
图2是本发明实施例的正负双极型模块化多电平交-交变频器扩展示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明为一种正负双极型模块化多电平交-交变频器，所述***由两个主要部分组成：第一部分是模块化多电平变频器1，所述的模块化多电平变频器为ABC三相结构，每相均包含相同的上桥臂和下桥臂，上、下桥臂均包含串联的n个全桥子模块1-1和一个桥臂电感1-2；第二部分是三相三绕组双极型变压器2，三相三绕组双极型变压器副边星形变压器T1为正极变压器，T1三相端口为X、Y、Z，副边星型变压器T2为负极变压器，T2三相端口为x、y、z。在提出的正负双极型模块化多电平交-交变频器中，模块化多电平变频器工频侧连接至工频电网，低频侧经三相三绕组双极型变压器连接至低频电网。
模块化多电平变频器中采用的全桥子模块包括第一至第四IGBT和第一电解电容，其中，第一IGBT的发射极连接第二IGBT的集电极，并以该连接点作为该全桥子模块的正端；第三IGBT的发射极连接第四IGBT的集电极，并以该连接点作为该全桥子模块的负端；第一IGBT的集电极、第三IGBT的集电极和第一电解电容的正极相连接；第二IGBT的发射极、第四IGBT的发射极和第一电解电容的负极相连接；第一至第四IGBT均连接有反并联二极管。
三相三绕组双极型变压器副边星型变压器T1中性点o和副边星型变压器T2中性点o’相互连接。且T1和T2变压器端口电压关系为：X和x端口电压相位相差180°，Y和y端口电压相位相差180°，Z和z端口电压相位相差180°。
三相三绕组双极型变压器与模块化多电平变频器的连接方式为：副边星形变压器T1端口X连接至模块化多电平变频器A相上桥臂上端，端口Y连接至模块化多电平变频器B相上桥臂上端，端口Z连接至模块化多电平变频器C相上桥臂上端；副边星形变压器T2端口x连接至模块化多电平变频器A相下桥臂下端，端口y连接至模块化多电平变频器B相下桥臂下端，端口z连接至模块化多电平变频器C相下桥臂下端。
如图2所示，所述的正负双极型模块化多电平交-交变频器可以在工频侧进行扩展，扩展后的正负双极型模块化多电平交-交变频器可包含M(M大于等于2)个模块化多电平变频器和一个三相三绕组双极型变压器。如图2所示为M＝2时的扩展型模块化多电平交-交变频器，其A、B、C三相和A’、B’、C’三相上桥臂上端分别连接至三相三绕组双极型变压器T1端口X、Y、Z，模块化多电平变频器A、B、C三相和A’、B’、C’三相下桥臂下端分别连接至三相三绕组双极型变压器T2端口x、y、z。
所述的正负双极型模块化多电平交-交变频器，功率可以从工频侧向低频侧流动，也可以从低频侧向工频侧流动。
对所述的正负双极型模块化多电平交-交变频器进行控制时，其j(j＝a,b,c)相上桥臂调制波yju和下桥臂调制波yjl的表达式分别为：
其中，yj_l为低频调制波分量，yj_g为工频调制波分量，其表达式分别为：
其中，mg为工频调制度，ml为低频调制度，ωg为工频角频率，ωl为低频角频率，θjg为j相工频移相角，θjl为j相低频移相角。
j相上桥臂电压uau和下桥臂电压ual表达式分别为：
其中，n为子模块个数，uc为子模块电容电压平均值。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (8)
1.一种正负双极型模块化多电平交-交变频器，其特征在于：包含模块化多电平变频器和三相三绕组双极型变压器；
所述的模块化多电平变频器为ABC三相结构，工频侧连接至工频电网，低频侧经三相三绕组双极型变压器连接至低频电网；
所述的三相三绕组双极型变压器包括两个副边星形变压器T1、T2，其中T1为正极变压器，T2为负极变压器，副边星形变压器T1三相端口分别连接至模块化多电平变频器三相上桥臂上端；副边星形变压器T2三相端口分别连接至模块化多电平变频器三相下桥臂下端；
所述的三相三绕组双极型变压器，T1中性点o和T2中性点o’相互连接，T1和T2变压器端口电压关系为：X和x端口电压相位相差180°，Y和y端口电压相位相差180°，Z和z端口电压相位相差180°。
2.根据权利要求1所述的正负双极型模块化多电平交-交变频器，其特征在于：所述的模块化多电平变频器，每相均包含相同的上桥臂和下桥臂，上、下桥臂均分别包含串联的n个全桥子模块和一个桥臂电感。
3.根据权利要求2所述的正负双极型模块化多电平交-交变频器，其特征在于：所述的全桥子模块包括第一至第四IGBT和第一电解电容，其中，第一IGBT的发射极连接第二IGBT的集电极，并以该连接点作为该全桥子模块的正端；第三IGBT的发射极连接第四IGBT的集电极，并以该连接点作为该全桥子模块的负端；第一IGBT的集电极、第三IGBT的集电极和第一电解电容的正极相连接；第二IGBT的发射极、第四IGBT的发射极和第一电解电容的负极相连接；第一至第四IGBT均连接有反并联二极管。
4.根据权利要求1所述的正负双极型模块化多电平交-交变频器，其特征在于：模块化多电平变频器的数量为M个，均在工频侧，M为大于或等于1的正整数，M个模块化多电平变频器三相的上桥臂上端分别连接至三相三绕组双极型变压器T1的三相端口，M个模块化多电平变频器三相的下桥臂下端分别连接至三相三绕组双极型变压器T2的三相端口。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的正负双极型模块化多电平交-交变频器，其特征在于：所述的正负双极型模块化多电平交-交变频器，功率从工频侧向低频侧流动或从低频侧向工频侧流动。
6.一种如权利要求1-4任意一项所述的正负双极型模块化多电平交-交变频器，其特征在于：所述的正负双极型模块化多电平交-交变频器，其j相上桥臂调制波yju和下桥臂调制波yjl的采用以下公式计算得到：
其中，yj_l为低频调制波分量，yj_g为工频调制波分量，j＝a,b,c。
7.根据权利要求6所述的正负双极型模块化多电平交-交变频器，其特征在于：j相低频调制波yj_l和工频调制波yj_g的表达式分别为：
其中，mg为工频调制度，ml为低频调制度，ωg为工频角频率，ωl为低频角频率，θjg为j相工频移相角，θjl为j相低频移相角。
8.根据权利要求7所述的正负双极型模块化多电平交-交变频器，其特征在于：j相上桥臂电压uju和下桥臂电压ujl表达式分别为：
其中，n为子模块个数，uc为子模块电容电压平均值。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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