专利名称：基于mmc无移相变压器的四象限高压变频调速系统拓扑的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高压变频调速系统拓扑，具体涉及一种基于MMC无移相变压器的四象限高压变频调速系统拓扑，其可应用于电力、冶金、水处理、交通等行业的高压电机变频调速，如大型风机、泵类负载拖动，电力机车牵引等。
背景技术：
高压变频调速系统能够实现高压电机调速，是目前节能降耗的主要手段，广泛应用于冶金、电力等行业。在众多高压变频调速系统拓扑中，图I所示的H桥级联型高压变频调速系统，由于拓展灵活，对电网的谐波污染小，输出电压dv/dt小，成为了目前高压变频调速系统的主流拓扑。 该拓扑采用低压H桥级联，通过隔离移相变压器给各个单元供电的技术，功率单元结构见图2。该高压变频调速系统存在体积大，笨重；无法回馈能量等缺点。在高压变频调速系统的现场应用中，存在电机再生制动的的情况，如矿井提升机、大惯量风机、机车牵引等场合，在电机制动时，可以将能量反馈至电网，因此需要高压变频调速系统具有能量回馈功能。目前,米用MMC(Modular Multilevel Converter)模块化多电平变换器结构的无移相变压器的四象限高压变频调速系统拓扑还未见报道。因此，为避免上述技术问题，确有必要提供一种结构新颖的基于MMC无移相变压器的四象限高压变频调速系统拓扑，以克服现有技术中的所述缺陷。
发明内容为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于MMC无移相变压器的四象限高压变频调速系统拓扑。为实现上述目的，本发明采取的技术方案为一种基于MMC无移相变压器的四象限高压变频调速系统拓扑，其特征在于包括网侧变换器、公共直流母线以及机侧变换器；其中，所述网侧变换器与机侧变换器通过公共直流母线相连而构成AC-DC-AC拓扑；所述网侧变换器一端连接高压交流电压，并将高压交流电压将交流电压转换成直流电压；所述机侧变换器将直流电压转换成电压幅值、频率可调的交流电压。本发明的基于MMC无移相变压器的四象限高压变频调速系统拓扑进一步设置为所述网侧变换器与机侧变换器采用三相模块化多电平变换器，每相由2n个子模块串联而成，分为上桥臂和下桥臂，每个桥臂的子模块个数为n。本发明的基于MMC无移相变压器的四象限高压变频调速系统拓扑进一步设置为所述网侧变换器由桥臂NA，桥臂NB，桥臂NC组成三相模块化多电平变换器，NA的上桥臂与下桥臂通过两个非稱合或单个带中间抽头的稱合缓冲电感Lal、La2连接,NB的上桥臂与下桥臂通过两个非耦合或单个带中间抽头的耦合缓冲电感Lbl、Lb2连接，NC的上桥臂与下桥臂通过两个非稱合或单个带中间抽头的稱合缓冲电感Lcl、Lc2连接；高压交流电网A相、B相、C相分别接入Lai、La2的中间处、Lbl、Lb2的中间处、Lcl、Lc2的中间处。本发明的基于MMC无移相变压器的四象限高压变频调速系统拓扑进一步设置为所述机侧变换器由桥臂NU，桥臂NV，桥臂NW组成三相模块化多电平变换器，NU的上桥臂与下桥臂通过两个非稱合或单个带中间抽头的稱合缓冲电感Lul、Lu2连接,NV的上桥臂与下桥臂通过两个非稱合或单个带中间抽头的稱合缓冲电感Lvl、Lv2连接,NW的上桥臂与下桥臂通过两个非稱合或单个带中间抽头的稱合缓冲电感Lwl、Lw2连接；Lul、Lu2的中间处、LvU Lv2的中间处、LwU Lw2的中间处分别接入高压电机的U相、V相、W相。本发明的基于MMC无移相变压器的四象限高压变频调速系统拓扑还可设置为所述网侧变换器与机侧变换器的子模块结构为半桥结构，由两个全控型开关器件IGBT串联后再并联电容C组成，每个IGBT开关器件均反并联一个二极管。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果本发明的基于MMC无移相变压器的四象限高压变频调速系统拓扑省去了交流电网输入端的隔离移相变压器，高压变频调速系统的体积与重量减小了 55%、材料成本降低了 60%、制造周期减少50%、占地面积减小50% ;该拓扑实现了集成化和模块化，方便工程应用；能够实现高压电机的四象限运行，将能量回馈至电网。
图I是现有技术的H桥级联型高压变频调速系统的原理图。图2是图I中的功率单元结构图。图3是本发明的基于MMC无移相变压器的四象限高压变频调速系统拓扑的结构框图。图4是本发明的基于MMC无移相变压器的四象限高压变频调速系统拓扑的原理图。图5是图4中网侧变换器和机侧变换器的子模块的结构图。图6-1至图6-4是图5的子模块的工作状态图。
具体实施方式
请参阅说明书附图3至说明书附图6-4所示，本发明为一种基于MMC无移相变压器的四象限高压变频调速系统拓扑，其由网侧变换器I、公共直流母线2以及机侧变换器3等几部分组成。其中，所述网侧变换器I与机侧变换器3通过公共直流母线2相连，从而构成背靠背的AC-DC-AC拓扑。所述网侧变换器I与机侧变换器3采用模块化多电平变换器拓扑，该拓扑无需隔离移相变压器，可以将高压交流电压直接输入到网侧变换器I。所述网侧变换器I 一端连接高压交流电压，并将交流电压转换成直流电压，机侧变换器3将直流电压转换成电压幅值、频率可调的交流电压，实现高压电机的变频调速。同时，该模块化多电平变换器拓扑为四象限型，能实现能量回馈。 所述网侧变换器I和机侧变换器3采用相同的三相模块化多电平变换器，由多个子模块串联而成；每相由2n个子模块串联而成，分为上桥臂和下桥臂，每个桥臂的子模块个数为n，n根据输入、输出电压等级而定。所述网侧变换器I由桥臂NA，桥臂NB，桥臂NC组成三相模块化多电平变换器，NA的上桥臂与下桥臂通过两个非耦合或单个带中间抽头的耦合缓冲电感Lal、La2连接，NB的上桥臂与下桥臂通过两个非耦合或单个带中间抽头的耦合缓冲电感Lbl、Lb2连接，NC的上桥臂与下桥臂通过两个非稱合或单个带中间抽头的稱合缓冲电感Lcl、Lc2连接；高压交流电网A相、B相、C相分别接入Lai、La2的中间处、Lbl、Lb2的中间处、Lcl、Lc2的中间处。所述机侧变换器3由桥臂NU，桥臂NV，桥臂NW组成三相模块化多电平变换器，NU的上桥臂与下桥臂通过两个非稱合或单个带中间抽头的稱合缓冲电感Lul、Lu2连接,NV的上桥臂与下桥臂通过两个非稱合或单个带中间抽头的稱合缓冲电感Lvl、Lv2连接,NW的上 桥臂与下桥臂通过两个非稱合或单个带中间抽头的稱合缓冲电感Lwl、Lw2连接Lul、Lu2的中间处、Lvl、Lv2的中间处、Lwl、Lw2的中间处分别接入高压电机的U相、V相、W相。如附图5所示，所述网侧变换器I、机侧变换器3的子模块结构为半桥结构，全控型开关器件IGBTl和IGBT2相串联，再并联直流电容C，IGBTl和IGBT2分别反并联二极管Dl和D2 ；IGBTl和IGBT2的公共端、电容C与IGBT2的公共端分别作为半桥的输出端A、B。当IGBTl (或Dl)导通时，输出电压为电容C的电压；当IGBT2(或D2)导通时，输出电压为O。本发明的基于MMC无移相变压器的四象限高压变频调速系统拓扑采用的半桥结构，通过控制IGBT1、IGBT2的导通或关断，根据电流方向，可以使电路处于不同的工作状态。见图6-1，电流经二极管Dl、电容C从A流向B，采用半桥结构的子模块输出电压为电容C的电压，电容C处于充电状态。见图6-2，电流经电容C、IGBTl从B流向A，采用半桥结构的子模块输出电压为电容C的电压，电容C处于放电状态。见图6-3，电流经IGBT2从A流向B，采用半桥结构的子模块输出电压为0，电容C被旁路，电压不变化。见图6-4，电流经二极管D2从B流向A，采用半桥结构的子模块输出电压为0，电容C被旁路，电压不变化。本发明的基于MMC无移相变压器的四象限高压变频调速系统拓扑可实现能量回馈，当电机处于再生制动时，电机发出的能量反向注入到高压变频调速系统，通过机侧变换器I、公共直流母线2、网侧变换器3将能量反馈至交流电网。以上的具体实施方式
仅为本创作的较佳实施例，并不用以限制本创作，凡在本创作的精神及原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本创作的保护范围之内。
权利要求
1.一种基于MMC无移相变压器的四象限高压变频调速系统拓扑，其特征在于包括网侧变换器、公共直流母线以及机侧变换器；其中，所述网侧变换器与机侧变换器通过公共直流母线相连而构成AC-DC-AC拓扑；所述网侧变换器一端连接高压交流电压，并将高压交流电压将交流电压转换成直流电压；所述机侧变换器将直流电压转换成电压幅值、频率可调的交流电压。
2.如权利要求I所述的基于MMC无移相变压器的四象限高压变频调速系统拓扑，其特征在于所述网侧变换器与机侧变换器采用三相模块化多电平变换器，每相由2η个子模块串联而成，分为上桥臂和下桥臂，每个桥臂的子模块个数为η。
3.如权利要求2所述的基于MMC无移相变压器的四象限高压变频调速系统拓扑，其特征在于所述网侧变换器由桥臂NA，桥臂NB，桥臂NC组成三相模块化多电平变换器，NA的上桥臂与下桥臂通过两个非耦合或单个带中间抽头的耦合缓冲电感Lal、La2连接，NB的上桥臂与下桥臂通过两个非耦合或单个带中间抽头的耦合缓冲电感Lbl、Lb2连接，NC的上桥臂与下桥臂通过两个非稱合或单个带中间抽头的稱合缓冲电感Lcl、Lc2连接；高压交流电网A相、B相、C相分别接入Lai、La2的中间处、Lbl、Lb2的中间处、Lcl、Lc2的中间处。
4.如权利要求3所述的基于MMC无移相变压器的四象限高压变频调速系统拓扑，其特征在于所述机侧变换器由桥臂NU，桥臂NV，桥臂NW组成三相模块化多电平变换器，NU的上桥臂与下桥臂通过两个非耦合或单个带中间抽头的耦合缓冲电感Lul、Lu2连接，NV的上桥臂与下桥臂通过两个非稱合或单个带中间抽头的稱合缓冲电感Lvl、Lv2连接,NW的上桥臂与下桥臂通过两个非稱合或单个带中间抽头的稱合缓冲电感Lwl、Lw2连接；Lul、Lu2的中间处、LvU Lv2的中间处、LwU Lw2的中间处分别接入高压电机的U相、V相、W相。
5.如权利要求4所述的基于MMC无移相变压器的四象限高压变频调速系统拓扑，其特征在于所述网侧变换器与机侧变换器的子模块结构为半桥结构，由两个全控型开关器件IGBT串联后再并联电容C组成，每个IGBT开关器件均反并联一个二极管。
全文摘要
本发明涉及一种基于MMC无移相变压器的四象限高压变频调速系统拓扑，其包括网侧变换器、公共直流母线以及机侧变换器；其中，所述网侧变换器与机侧变换器通过公共直流母线相连而构成AC-DC-AC拓扑；所述网侧变换器一端连接高压交流电压，并将高压交流电压将交流电压转换成直流电压；所述机侧变换器将直流电压转换成电压幅值、频率可调的交流电压。本发明的拓扑省去了交流电网输入端的隔离移相变压器，高压变频调速系统的体积与重量减小了55％、材料成本降低了60％、制造周期减少50％、占地面积减小50％；该拓扑实现了集成化和模块化，方便工程应用；能够实现高压电机的四象限运行，将能量回馈至电网。
文档编号H02M5/45GK102664535SQ20121010279
公开日2012年9月12日 申请日期2012年4月10日 优先权日2012年4月10日
发明者余维成 申请人:江苏力普电子科技有限公司