专利名称：高压交流传动用背靠背变流器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种背靠背变流器，特别涉及一种高电压交流传动系统中能实现能量双向流动与控制的多电平背靠背变流器。
背景技术：
随着电力电子以及交流传动技术的发展，高压交流传动系统，例如高压变频调速 系统等作为节能减排的主要手段之一，在国民经济的各个领域得到了越来越广泛的应用。 在高压交流传动系统的实际应用当中，很多场合需要在电机制动时将其能量回馈至电网 侧，以便节约能源，因此具备能量双向流动与控制能力的背靠背型变流器也获得了广泛的 应用。然而，在目前的电力电子技术发展水平下单台以及单个使用的电力电子开关器件 一般不能承受高电压，例如6kV、10kV等场合的耐压要求。因此，通过变压器、功率模块串 联、开关器件串联和多电平变流器等来实现的高压背靠背变流器得到了关注和应用。目前， 高压变流器的主要拓扑形式有1、通过变压器将多个低压的变流器组合成高压变流器。例如，中国专利 200320121533,200720190811,200780018970,200910184413,02114225.4,03126473.5、 97100477. 3,200410009469. 8,200710114461. 1,200820014044. X,200820238870. 2 采用了 工频变压器与低压变流器结合的方式构成高压多电平变流器；而中国专利200820208579 和美国专利 US7554824B2、US7558087B2、US2008/0198637A1、US 2008/0158921A1 则采用了 中频变压器与低压变流器结合的方式构成高压多电平变流器。这种拓扑结构实施容易，模 块化程度高，但由于变压器的大量采用导致其装置体积大，重量大，成本高。2、通过电力电子开关器件的直接串联实现的高压变流器。例如，中国专利 200720140987,200720148108采用了 IGBT直接串联两电平变流器的方式构成了高压变流 器。这种结构的变流器结构简单，体积小，重量轻，但开关器件动态和静态均压问题不易解 决，输出电压dv/dt大，谐波含量高，容易对电机造成损害。3、通过采用多电平的变流器，例如二极管箝位式、飞跨电容式多电平变流器、级 联H桥型多电平变流器等构成的高压变流器。例如，美国专利US 5644483、US 5532575 和US2007/0159749A1采用了二极管箝位式的多电平变流器构成高压变流器；而美国专利 US6005788通过级联H桥型多电平变流器构成高压变流器，但是这一结构的变流器作为背 靠背变流器时又需要变压器进行电气隔离。而美国专利US 2006/0044857A1将二极管箝位 式多电平变流器中需要的多个直流母线所需的多个隔离的交流电源集成到了发电机的绕 组中，虽然省去了变压器，却需要对发电机进行改造，这在很多实际应用当中尤其是与电网 连接的情况下是不现实的。这一结构的变流器不需要变压器，也不存在开关器件的动态均 压问题。但是，这些类型的变流器的高压直流母线一般需要高压直流电容，随着电平数量的 增加二极管或高压电容的数量也会急剧增加，且存在电容均压问题，因此在实际应用当中 三电平的结构应用最广，然而在目前的电力电子开关器件水平下三电平变流器承受7kV以上的高压是几乎不可能的。
发明内容
本发明旨在克服现有高压交流传动领域用背靠背变流器的缺点，简化装置结构， 减小装置的体积和重量，降低制造成本，提出一种高电压交流传动系统模块化多电平背靠 背变流器。本发明的特征在于由多个结构相同的桥臂构成，每个桥臂的上桥臂和下桥臂均由 数量相同的n(n ^ 1)个低压功率单元级联构成，每一相输入或输出分别对应一个桥臂。每 个桥臂的上端连接在一起，每个桥臂的下端连接在一起，不需要直流母线支撑电容。同时， 每相桥臂包含一个电感模块，电感模块由两个电感构成，这两个电感既可以是相互独立的 分立电感，也可以是耦合系数很高的两个耦合电感。两个电感直接串联(若为耦合电感则 为顺接串联)，两个电感的共同连接点作为该相桥臂的输出端子；两个电感的另外两个端 子一个与该相桥臂上桥臂的下端相连，另外一个端子与该相桥臂下桥臂的上端相连。桥臂 的数量根据应用场合的不同来确定，例如，当电网和电机均为三相三线制时，则电网侧需要 三个桥臂，电机侧需要三个桥臂，也就是共需要六个桥臂；当电网为单相而电机为三相时， 则电网侧需要一个桥臂，电机侧需要三个桥臂，即共需要四个桥臂。本发明高电压交流传动系统模块化多电平背靠背变流器具有以下特点和优势1.采用级联式模块化结构，只要级联足够的低压功率单元，可以承受 非常高的电 压。同时，模块化的结构便于生产制造和安装调试。2.在高压大容量交流传动系统中，变压器的重量体积一般占整个系统的三分之一 以上。而本发明无需变压器，因此能够显著降低装置的体积、重量以及制造成本。3.电力电子开关器件的开通和关断无需死区时间，减小了死区效应带来的电压、 电流畸变，也提高了系统运行的可靠性。4.本发明每个桥臂中级联的功率单元只采用两个开关器件就能产生三电平的输 出电压，而现有拓扑中采用两个开关器件只能产生两电平的输出电压，在同样的功率等级 和开关器件耐压及开关频率条件下，本发明的等效开关频率几乎提高了近一倍。因此，本发 明能够大大减小输入/输出电压和电流的谐波含量，提高了电网侧的电能质量，减小了电 机侧谐波损耗。5.高压直流侧无需直流母线支撑电容，减少了系统设备数量，也消除了传统结构 中采用高压直流电容带来的困难。6.本发明可四象限运行，可以实现能量的双向流动与控制。对于交流传动系统而 言，能够节约能源，省去制动电路，降低硬件成本。7.本发明配置灵活，适用范围广，既可以用于典型的三相交流传动系统，也可以用 于单相或多相的交流传动系统。
图1为本发明高电压交流传动系统模块化多电平背靠背变流器在三相/三相交流 传动系统应用时的整体结构图；图2为本发明中低压功率单元Ukii (K = A、B、C、a、b、或c)的电路结构图3为本发明电感模块UK2 (K =々、8、(、113、或(3)的电路结构图，图3a为由两个分立的电感构成的电感模块；图3b为由两个耦合电感构成的电感模块。
具体实施例方式以下结合附图和具体实施方式
进一步说明本发明。本发明由多个结构相同的桥臂构成，每个桥臂的上桥臂和下桥臂均由数量相同的 η (η ^ 1)个低压功率单元级联构成，每一相输入或输出分别对应一个桥臂。每个桥臂的上 端连接在一起，每个桥臂的下端连接在一起，不需要直流母线支撑电容。图1所示为本发明高电压交流传动系统模块化多电平背靠背变流器在三相/三相 交流传动系统应用时的整体结构。图1所示的本发明共由六个桥臂组成，六个桥臂的上端 连接在同一点P，六个桥臂的下端连接在同一点N。每个桥臂均结构完全相同第Κ(Κ = A、 B、C、a、b、或c)相桥臂的上半桥臂由低压功率模块Ukii UKln串联构成，即Ukii的11端子与 Uki(^1)的12端子相连，而Unj的12端子与Uki(j+1)的11端子相连(2彡j彡n-1)；第K(K = A、B、C、a、b、或c)相桥臂的下半桥臂由低压功率模块Uk21 UK2n串联构成，即UK2j的11端 子与Umj-D的12端子相连，而UK2j的12端子与UK2(j+1)的11端子相连(2彡j彡n-1) ；Ukii 的11端子连接到P点；UKln的12端子连接到电感模块Uk2的21端子；Uk21的11端子连接到 电感模块Uk2的23端子；UK2n的12端子连接到N点；电感模块Uk2的22端子作为第K (K = A、B、C、a、b、或c)相桥臂的输入/输出端子K。低压功率单元Ukii UKln和Uk21 UK2n的电 路结构完全相同且可以相互替换。A、B、C三个端子及a、b、c三个端子分别与三相高压电网 及三相高压电机相连，且A、B、C、a、b、c六个端子中的任意两个位置均可互换。图2为本发明低压功率单元Ukii (K = A、B、C、a、b、或c)的具体电路结构。低压功 率单元Ukii由第十三开关T13、第十四开关T14，第十三二极管D13、第十四二极管D14、第十五二 极管D15、第十六二极管D16、带中间抽头的耦合电感和第一电容C1构成；第十三开关T13的集 电极与第十三二极管D13的负极相连，第十三开关T13的发射极与第十三二极管D13的正极相 连；第十四开关T14的集电极与第十四二极管D14的负极相连，第十四开关T14的发射极与第 十四二极管D14的正极相连；第十三二极管D13和第十五二极管D15正向串联，两者的共同连 接点与带中间抽头的耦合电感非中间抽头的一个端子相连；第十四二极管D14和第十六二 极管D16正向串联，两者的共同连接点与带中间抽头的耦合电感的非中间抽头另一个端子 相连；第十三二极管D13的负极与第一电容C1的正极相连，第十五二极管D15的正极与第一 电容C1的负极相连；第十六二极管D16的负极与第一电容C1的正极相连，第十四二极管D14 的正极与第一电容C1的负极相连；耦合电感的中间抽头作为低压功率单元的第一端子11， 第一电容(^的负极作为低压功率单元的第二端子12。通过控制开关T13和T14，这一结构的 低压功率单元可以产生三电平输出电压。其余低压功率单元Uk12 UKln和Uk21 UK2n(K = A、B、C、a、b、或c)的结构和低压功率单元Ukii相同。图3为本发明中电感模块Uk2 (K = A、B、C、a、b、或c)的具体电路结构。这里给出 了两种具体的实施方式。其中，图3a由两个分立的电感直接串联构成；两个电感的两个端 子连接在一起，其共同连接点作为电感模块Uk2的端子22，这里的端子22也作为第K桥臂的 输入或输出端子K ；两个电感其余的两个端子作为电感模块Uk2的端子21和23，且端子21 和23可以互换位置。
如图3b所示，电感模块UK2 (K = A、B、C、a、b、或c)的另一种具体的实施方式由两 个耦合系数很高的耦合电感构成；两个耦合电感顺接连接，即第一个电感的同名端连接另 外一个电感的非同名端，其共同连接点作为电感模块Uk2的端子22，这里的端子22也作为 第K桥臂的输入或输出端子K ；两个耦合电感其余的两个端子作为电感模块Uk2的端子21 和23，且端子21和23可以互换位置。以上所述，只是本发明在三相/三相交流传动系统应用时的具体实施方式
。对于其他的应用场合，例如单相/单相，单相/三相，三相/多相等高压交流传动领域，只要改变 相应的桥臂数量即可，不再赘述。
权利要求
一种用于高压交流传动系统的模块化多电平背靠背变流器，其特征在于所述的背靠背变流器由多个结构相同的桥臂构成，每个桥臂对应输入或输出的一相，每相桥臂指输入或输出的每相所对应的每个桥臂。每个桥臂的上桥臂和下桥臂均由数量相同的n个低压功率单元级联构成，n≥1；所述的每个桥臂的上端连接在一起，每个桥臂的下端连接在一起，高压直流母线无需支撑电容。
2.如权利要求1所述的用于高压交流传动系统的模块化多电平背靠背变流器，其特征 在于所述的每个桥臂包含一个电感模块，所述的电感模块由两个电感串联构成；两个电 感的两个端子连接在一起，其共同连接点作为该相桥臂的输出端子；两个电感的另外两个 端子中，其中一个端子与该相桥臂上桥臂的下端相连，另一个端子与该相桥臂下桥臂的上 端相连。
3.如权利要求2所述的用于高压交流传动系统的模块化多电平背靠背变流器，其特征 在于所述的电感模块中，所述的电感是相互独立的分立电感或耦合电感。
4.如权利要求1所述的用于高压交流传动系统的模块化多电平背靠背变流器，其特 征在于所述的低压功率单元(UK11)由第十三开关(T13)、第十四开关(T14)，第十三二极 管(D13)、第十四二极管(D14)、第十五二极管(D15)、第十六二极管(D16)、带中间抽头的 耦合电感和第一电容(C1)构成；第十三开关(T13)的集电极与第十三二极管(D13)的负 极相连，第十三开关(T13)的发射极与第十三二极管(D13)的正极相连；第十四开关(T14) 的集电极与第十四二极管(D14)的负极相连，第十四开关(T14)的发射极与第十四二极管 (D14)的正极相连；第十三二极管(D13)和第十五二极管(D15)正向串联，第十三二极管 (D13)和第十五二极管(D15)的共同连接点与所述的耦合电感非中间抽头的一个端子相 连；第十四二极管(D14)和第十六二极管(D16)正向串联，第十四二极管(D14)和第十六二 极管(D16)的共同连接点与所述的耦合电感的另一个非中间抽头的端子相连；第十三二 极管(D13)的负极与第一电容(C1)的正极相连，第十五二极管(D15)的正极与第一电容 (C1)的负极相连；第十六二极管(D16)的负极与第一电容(C1)的正极相连，第十四二极管 (D14)的正极与第一电容(C1)的负极相连；所述的耦合电感的中间抽头作为低压功率单 元(UK11)的第一端子(11)，第一电容(C1)的负极作为低压功率单元(UK11)的第二端子 (12)。
5.如权利要求1所述的用于高压交流传动系统的模块化多电平背靠背变流器，其特征 在于每个低压功率单元的两个全控型电力电子开关器件在开通和关断的时刻均不需要设 置死区时间。
6.如权利要求1所述的用于高压交流传动系统的模块化多电平背靠背变流器，其特征 在于通过改变每个桥臂上级联的低压功率单元的数量，实现不同电平数的输入/输出多电 平电压。
全文摘要
一种用于高电压交流传动系统的模块化多电平背靠背变流器，由结构相同的多个桥臂构成，每个桥臂由低压功率单元和电感模块串联构成。每个低压功率单元结构相同，每一个桥臂分别对应变流器输入或输出的一相；所述的每个桥臂的上端连接在一起，每个桥臂的下端连接在一起。高压直流母线中无需支撑电容。所述的电感模块由两个电感串联构成；两个电感的两个端子连接在一起，其共同连接点作为该相桥臂的输出端子；两个电感的另外两个端子中，其中一个端子与该相桥臂上桥臂的下端相连，另一个端子与该相桥臂下桥臂的上端相连。每个低压功率单元采用两个电力电子开关器件即可实现三电平电压输出，且开关器件的开通和关断无需设置死区时间。
文档编号H02M7/483GK101834452SQ201010172320
公开日2010年9月15日 申请日期2010年5月7日 优先权日2010年5月7日
发明者刘育红, 朱海滨, 李子欣, 李耀华, 武林, 王平, 胜晓松 申请人:中国科学院电工研究所