一种基于mmc的含电容器桥臂的单相—三相变流系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种基于MMC的含电容器桥臂的单相一三相变流系统，特别涉及交流电气化铁路、城市轨道交通机车车辆电力电子与电力传动领域。
【背景技术】
[0002]电力电子装置实现电压变换和功率传递的技术分为交交(AC-AC)变换和交直交(AC-DC-AC)变换两类，相比之下，交直交变换有更好的可控性和灵活性，因此，交直交变换是实现交流电压变换和功率传递的主要手段。
[0003]交直交变换实现高压交流电压变换和功率传递，通常有两种方式。一是低压侧并联，高压侧级联(串联)。此时，低压侧电压受到电力电子器件的限制而较低，为了防止环流，往往需要借助工频变压器实现电压匹配和隔离。二是采用交直交变换+中高频变压器+交直交变换方式，称为电力电子变压器(PET,power electronic transformer)或固态变压器(SST, solid-state transformer),由中高频变压器实现电压匹配和隔离,其优点是输入侧和输出侧均可级联而适于较高电压，中高频变压器体积大大缩小，但结构明显复杂，投资加大。
[0004]为了取消变换过程中的工频或中高频变压器，德国慕尼黑联邦国防军大学的R.Marquardt和A.Lesnicar于2002年提出了模块化多电平变流器(MMC, modularmultilevel converter)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，并且不用变压器即可直挂于高压系统，使其应用领域愈发广泛。
[0005]交流电气化铁路、城市轨道交通机车车辆的电力传动系统的功能就是实现由接触网单相交流电压和功率到三相交流电压和功率的变换与传递，并且实现三相变频、变压以达到三相感应电机牵引过程中光滑调速之需求，其传统典型电路由单相牵引变压器和交直交变流器构成，其中交直交变流器是由单相两桥臂变流器和三相三桥臂变流器“背靠背”联接而成，引入MMC技术，用一个电感L与P个结构相同的功率模块串联成半个桥臂，功率模块为单相半桥结构，皆由一个IGBT半桥和一个直流储能电容构成，这就形成了基于MMC的单相一三相变流器，在此基础上，实用新型人提出申请了 “一种基于MMC的单相直挂交直交变流系统(实用新型申请号:201410181392.6) ”，可以省却其中的单相牵引变压器而实现机车车辆的电力传动系统在25kV接触网上直接受电。考虑到直流储能电容器桥臂造价远比包含IGBT的MMC桥臂造价低廉，本申请进一步提出一种基于MMC的含电容器桥臂的单相一三相变流系统，通过配套的、特殊的控制手段，更经济地实现电力传动系统的电压和功率的变换与传递。
【实用新型内容】
[0006]本实用新型的目的就是提供一种基于MMC的含电容器桥臂的单相一三相变流系统，实现电压和功率的变换与传递，具有无功补偿和变频、变压、变相等功能。
[0007]本实用新型解决其技术问题，所采用的技术方案为:一种基于MMC的含电容器桥臂的单相一三相变流系统，由单相两桥臂变流器和三相三桥臂变流器“背靠背”联接而成；桥臂分为电容器桥臂和MMC桥臂两种；MMC桥臂由两套相同的MMC链串联而成；MMC链由一个电感L与P个结构相同的功率模块串联；功率模块为单相半桥结构，均由一个IGBT半桥和一个直流储能电容构成；电容器桥臂和MMC桥臂的直流总电压相等；其特征在于:在所述单相两桥臂变流器和三相三桥臂变流器中至少有一个电容器桥臂，其余为MMC桥臂；电容器桥臂由两套相同的电容器组串联而成；电容器组均由同规格的直流储能电容串并联构成。分三种情形:
[0008](I)单相两桥臂变流器由一个电容器桥臂和一个MMC桥臂连接而成，MMC桥臂中点P1与电容器桥臂中点P2形成单相交流端口 P iP2，三相三桥臂变流器由三个MMC桥臂连接而成，三个MMC桥臂中点Sp S2、S3形成三相交流端口 S #2、S2S3和S 3S10
[0009](2)单相两桥臂变流器由两个MMC桥臂连接而成，一个MMC桥臂中点？1与另一个MMC桥臂中点P2形成单相交流端口 P1P2，三相三桥臂变流器由两个MMC桥臂与一个电容器桥臂连接而成，两个MMC桥臂中点Sp S2与电容器桥臂中点S 3形成三相交流端口 S #2、S2S3和 S3S115
[0010](3)单相两桥臂变流器由一个电容器桥臂和一个MMC桥臂连接而成，MMC桥臂中点P1与电容器桥臂中点P2形成单相交流端口 P iP2，三相三桥臂变流器由两个MMC桥臂与一个电容器桥臂连接而成，两个MMC桥臂中点Sp S2与电容器桥臂中点S3形成三相交流端口S1S2'S2S3和 S3S1O
[0011]本实用新型的工作原理是:含电容器桥臂的交流端口的交流电压由电容器桥臂的一套电容器组(或两套相同的电容器组中的另一套或电容器组)的直流电压减去同端口的MMC桥臂中适当数量的由IGBT半桥控制的直流储能电容的电压而得到；通过控制单相交流端口电压与单相电源电压的幅值和相位差，可以控制单相交流端口输入/出的有功功率；单相交流端口还可补偿单相交流端口的无功功率和谐波；不考虑变换器的损耗，三相交流端口总的平均有功功率等于单相交流端口的平均有功功率；牵引工况下有功功率由单相交流端口流向三相交流端口，再生制动工况下有功功率由三相交流端口流向单相交流端口 ；三相交流端口的无功功率和谐波也可以独立控制。
[0012]与现有技术相比，本实用新型的有益效果是:
[0013]一、本实用新型可以实现无变压器的高电压场合的有功功率传递。
[0014]二、本实用新型最大限度地采用电容器桥臂，虽然控制方法特殊，但比起全部采用MMC桥臂更加经济，更容易推广。
[0015]三、本实用新型除了用于有功功率传递场合外，还适用于无功功率与谐波补偿和变频、变压、变相等场合。
[0016]四、本实用新型技术先进、可靠，易于实施。
[0017]下面结合附图和【具体实施方式】对本实用新型作进一步的描述。
【附图说明】
[0018]图1是本实用新型实施例的结构一示意图。
[0019]图2是本实用新型实施例的结构二示意图。
[0020]图3是本实用新型实施例的结构三示意图。
[0021]图4是本实用新型实施例MMC桥臂的一个半桥结构示意图。
[0022]图5是本实用新型实施例MMC桥臂的功率模块PM电路结构示意图。
【具体实施方式】
[0023]实施例
[0024]图1示出，本实用新型的第一种【具体实施方式】为:由单相两桥臂变流器和三相三桥臂变流器“背靠背”联接而成；单相两桥臂变流器由一个MMC桥臂和一个电容器桥臂组成，其中MMC桥臂由两套相同的MMC链MpiJP M P12串联而成，电容器桥臂由两套相同的电容器组CPjP C P2串联而成，电容器组CPjPCP2皆由同规格的直流储能电容串并联构成，电容器桥臂和MMC桥臂的直流总电压相等，容量相等；三相三桥臂变流器由3个M