專利名稱：基于mmc無移相變壓器的四象限高壓變頻調速系統拓撲的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種高壓變頻調速系統拓撲，具體涉及一種基于MMC無移相變壓器的四象限高壓變頻調速系統拓撲，其可應用于電力、冶金、水處理、交通等行業的高壓電機變頻調速，如大型風機、泵類負載拖動，電力機車牽引等。
背景技術：
高壓變頻調速系統能夠實現高壓電機調速，是目前節能降耗的主要手段，廣泛應用于冶金、電力等行業。在眾多高壓變頻調速系統拓撲中，圖I所示的H橋級聯型高壓變頻調速系統，由于拓展靈活，對電網的諧波污染小，輸出電壓dv/dt小，成為了目前高壓變頻調速系統的主流拓撲。 該拓撲采用低壓H橋級聯，通過隔離移相變壓器給各個單元供電的技術，功率單元結構見圖2。該高壓變頻調速系統存在體積大，笨重；無法回饋能量等缺點。在高壓變頻調速系統的現場應用中，存在電機再生制動的的情況，如礦井提升機、大慣量風機、機車牽引等場合，在電機制動時，可以將能量反饋至電網，因此需要高壓變頻調速系統具有能量回饋功能。目前,米用MMC(Modular Multilevel Converter)模塊化多電平變換器結構的無移相變壓器的四象限高壓變頻調速系統拓撲還未見報道。因此，為避免上述技術問題，確有必要提供一種結構新穎的基于MMC無移相變壓器的四象限高壓變頻調速系統拓撲，以克服現有技術中的所述缺陷。
發明內容為解決上述問題，本發明的目的在于提供一種基于MMC無移相變壓器的四象限高壓變頻調速系統拓撲。為實現上述目的，本發明采取的技術方案為一種基于MMC無移相變壓器的四象限高壓變頻調速系統拓撲，其特征在于包括網側變換器、公共直流母線以及機側變換器；其中，所述網側變換器與機側變換器通過公共直流母線相連而構成AC-DC-AC拓撲；所述網側變換器一端連接高壓交流電壓，并將高壓交流電壓將交流電壓轉換成直流電壓；所述機側變換器將直流電壓轉換成電壓幅值、頻率可調的交流電壓。本發明的基于MMC無移相變壓器的四象限高壓變頻調速系統拓撲進一步設置為所述網側變換器與機側變換器采用三相模塊化多電平變換器，每相由2n個子模塊串聯而成，分為上橋臂和下橋臂，每個橋臂的子模塊個數為n。本發明的基于MMC無移相變壓器的四象限高壓變頻調速系統拓撲進一步設置為所述網側變換器由橋臂NA，橋臂NB，橋臂NC組成三相模塊化多電平變換器，NA的上橋臂與下橋臂通過兩個非稱合或單個帶中間抽頭的稱合緩沖電感Lal、La2連接,NB的上橋臂與下橋臂通過兩個非耦合或單個帶中間抽頭的耦合緩沖電感Lbl、Lb2連接，NC的上橋臂與下橋臂通過兩個非稱合或單個帶中間抽頭的稱合緩沖電感Lcl、Lc2連接；高壓交流電網A相、B相、C相分別接入Lai、La2的中間處、Lbl、Lb2的中間處、Lcl、Lc2的中間處。本發明的基于MMC無移相變壓器的四象限高壓變頻調速系統拓撲進一步設置為所述機側變換器由橋臂NU，橋臂NV，橋臂NW組成三相模塊化多電平變換器，NU的上橋臂與下橋臂通過兩個非稱合或單個帶中間抽頭的稱合緩沖電感Lul、Lu2連接,NV的上橋臂與下橋臂通過兩個非稱合或單個帶中間抽頭的稱合緩沖電感Lvl、Lv2連接,NW的上橋臂與下橋臂通過兩個非稱合或單個帶中間抽頭的稱合緩沖電感Lwl、Lw2連接；Lul、Lu2的中間處、LvU Lv2的中間處、LwU Lw2的中間處分別接入高壓電機的U相、V相、W相。本發明的基于MMC無移相變壓器的四象限高壓變頻調速系統拓撲還可設置為所述網側變換器與機側變換器的子模塊結構為半橋結構，由兩個全控型開關器件IGBT串聯后再并聯電容C組成，每個IGBT開關器件均反并聯一個二極管。與現有技術相比，本發明具有如下有益效果本發明的基于MMC無移相變壓器的四象限高壓變頻調速系統拓撲省去了交流電網輸入端的隔離移相變壓器，高壓變頻調速系統的體積與重量減小了 55%、材料成本降低了 60%、制造周期減少50%、占地面積減小50% ;該拓撲實現了集成化和模塊化，方便工程應用；能夠實現高壓電機的四象限運行，將能量回饋至電網。
圖I是現有技術的H橋級聯型高壓變頻調速系統的原理圖。圖2是圖I中的功率單元結構圖。圖3是本發明的基于MMC無移相變壓器的四象限高壓變頻調速系統拓撲的結構框圖。圖4是本發明的基于MMC無移相變壓器的四象限高壓變頻調速系統拓撲的原理圖。圖5是圖4中網側變換器和機側變換器的子模塊的結構圖。圖6-1至圖6-4是圖5的子模塊的工作狀態圖。
具體實施方式
請參閱說明書附圖3至說明書附圖6-4所示，本發明為一種基于MMC無移相變壓器的四象限高壓變頻調速系統拓撲，其由網側變換器I、公共直流母線2以及機側變換器3等幾部分組成。其中，所述網側變換器I與機側變換器3通過公共直流母線2相連，從而構成背靠背的AC-DC-AC拓撲。所述網側變換器I與機側變換器3采用模塊化多電平變換器拓撲，該拓撲無需隔離移相變壓器，可以將高壓交流電壓直接輸入到網側變換器I。所述網側變換器I 一端連接高壓交流電壓，并將交流電壓轉換成直流電壓，機側變換器3將直流電壓轉換成電壓幅值、頻率可調的交流電壓，實現高壓電機的變頻調速。同時，該模塊化多電平變換器拓撲為四象限型，能實現能量回饋。 所述網側變換器I和機側變換器3采用相同的三相模塊化多電平變換器，由多個子模塊串聯而成；每相由2n個子模塊串聯而成，分為上橋臂和下橋臂，每個橋臂的子模塊個數為n，n根據輸入、輸出電壓等級而定。所述網側變換器I由橋臂NA，橋臂NB，橋臂NC組成三相模塊化多電平變換器，NA的上橋臂與下橋臂通過兩個非耦合或單個帶中間抽頭的耦合緩沖電感Lal、La2連接，NB的上橋臂與下橋臂通過兩個非耦合或單個帶中間抽頭的耦合緩沖電感Lbl、Lb2連接，NC的上橋臂與下橋臂通過兩個非稱合或單個帶中間抽頭的稱合緩沖電感Lcl、Lc2連接；高壓交流電網A相、B相、C相分別接入Lai、La2的中間處、Lbl、Lb2的中間處、Lcl、Lc2的中間處。所述機側變換器3由橋臂NU，橋臂NV，橋臂NW組成三相模塊化多電平變換器，NU的上橋臂與下橋臂通過兩個非稱合或單個帶中間抽頭的稱合緩沖電感Lul、Lu2連接,NV的上橋臂與下橋臂通過兩個非稱合或單個帶中間抽頭的稱合緩沖電感Lvl、Lv2連接,NW的上 橋臂與下橋臂通過兩個非稱合或單個帶中間抽頭的稱合緩沖電感Lwl、Lw2連接Lul、Lu2的中間處、Lvl、Lv2的中間處、Lwl、Lw2的中間處分別接入高壓電機的U相、V相、W相。如附圖5所示，所述網側變換器I、機側變換器3的子模塊結構為半橋結構，全控型開關器件IGBTl和IGBT2相串聯，再并聯直流電容C，IGBTl和IGBT2分別反并聯二極管Dl和D2 ；IGBTl和IGBT2的公共端、電容C與IGBT2的公共端分別作為半橋的輸出端A、B。當IGBTl (或Dl)導通時，輸出電壓為電容C的電壓；當IGBT2(或D2)導通時，輸出電壓為O。本發明的基于MMC無移相變壓器的四象限高壓變頻調速系統拓撲采用的半橋結構，通過控制IGBT1、IGBT2的導通或關斷，根據電流方向，可以使電路處于不同的工作狀態。見圖6-1，電流經二極管Dl、電容C從A流向B，采用半橋結構的子模塊輸出電壓為電容C的電壓，電容C處于充電狀態。見圖6-2，電流經電容C、IGBTl從B流向A，采用半橋結構的子模塊輸出電壓為電容C的電壓，電容C處于放電狀態。見圖6-3，電流經IGBT2從A流向B，采用半橋結構的子模塊輸出電壓為0，電容C被旁路，電壓不變化。見圖6-4，電流經二極管D2從B流向A，采用半橋結構的子模塊輸出電壓為0，電容C被旁路，電壓不變化。本發明的基于MMC無移相變壓器的四象限高壓變頻調速系統拓撲可實現能量回饋，當電機處于再生制動時，電機發出的能量反向注入到高壓變頻調速系統，通過機側變換器I、公共直流母線2、網側變換器3將能量反饋至交流電網。以上的具體實施方式
僅為本創作的較佳實施例，并不用以限制本創作，凡在本創作的精神及原則之內所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本創作的保護范圍之內。
權利要求
1.一種基于MMC無移相變壓器的四象限高壓變頻調速系統拓撲，其特征在于包括網側變換器、公共直流母線以及機側變換器；其中，所述網側變換器與機側變換器通過公共直流母線相連而構成AC-DC-AC拓撲；所述網側變換器一端連接高壓交流電壓，并將高壓交流電壓將交流電壓轉換成直流電壓；所述機側變換器將直流電壓轉換成電壓幅值、頻率可調的交流電壓。
2.如權利要求I所述的基于MMC無移相變壓器的四象限高壓變頻調速系統拓撲，其特征在于所述網側變換器與機側變換器采用三相模塊化多電平變換器，每相由2η個子模塊串聯而成，分為上橋臂和下橋臂，每個橋臂的子模塊個數為η。
3.如權利要求2所述的基于MMC無移相變壓器的四象限高壓變頻調速系統拓撲，其特征在于所述網側變換器由橋臂NA，橋臂NB，橋臂NC組成三相模塊化多電平變換器，NA的上橋臂與下橋臂通過兩個非耦合或單個帶中間抽頭的耦合緩沖電感Lal、La2連接，NB的上橋臂與下橋臂通過兩個非耦合或單個帶中間抽頭的耦合緩沖電感Lbl、Lb2連接，NC的上橋臂與下橋臂通過兩個非稱合或單個帶中間抽頭的稱合緩沖電感Lcl、Lc2連接；高壓交流電網A相、B相、C相分別接入Lai、La2的中間處、Lbl、Lb2的中間處、Lcl、Lc2的中間處。
4.如權利要求3所述的基于MMC無移相變壓器的四象限高壓變頻調速系統拓撲，其特征在于所述機側變換器由橋臂NU，橋臂NV，橋臂NW組成三相模塊化多電平變換器，NU的上橋臂與下橋臂通過兩個非耦合或單個帶中間抽頭的耦合緩沖電感Lul、Lu2連接，NV的上橋臂與下橋臂通過兩個非稱合或單個帶中間抽頭的稱合緩沖電感Lvl、Lv2連接,NW的上橋臂與下橋臂通過兩個非稱合或單個帶中間抽頭的稱合緩沖電感Lwl、Lw2連接；Lul、Lu2的中間處、LvU Lv2的中間處、LwU Lw2的中間處分別接入高壓電機的U相、V相、W相。
5.如權利要求4所述的基于MMC無移相變壓器的四象限高壓變頻調速系統拓撲，其特征在于所述網側變換器與機側變換器的子模塊結構為半橋結構，由兩個全控型開關器件IGBT串聯后再并聯電容C組成，每個IGBT開關器件均反并聯一個二極管。
全文摘要
本發明涉及一種基于MMC無移相變壓器的四象限高壓變頻調速系統拓撲，其包括網側變換器、公共直流母線以及機側變換器；其中，所述網側變換器與機側變換器通過公共直流母線相連而構成AC-DC-AC拓撲；所述網側變換器一端連接高壓交流電壓，并將高壓交流電壓將交流電壓轉換成直流電壓；所述機側變換器將直流電壓轉換成電壓幅值、頻率可調的交流電壓。本發明的拓撲省去了交流電網輸入端的隔離移相變壓器，高壓變頻調速系統的體積與重量減小了55％、材料成本降低了60％、制造周期減少50％、占地面積減小50％；該拓撲實現了集成化和模塊化，方便工程應用；能夠實現高壓電機的四象限運行，將能量回饋至電網。
文檔編號H02M5/45GK102664535SQ20121010279
公開日2012年9月12日 申請日期2012年4月10日 優先權日2012年4月10日
發明者余維成 申請人:江蘇力普電子科技有限公司