一种基于自耦变压器的四象限电流源换流器的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种基于自耦变压器的四象限电流源换流器，包括：自耦变压器，交流电源，电感，三相整流桥和直流谐波注入电路；其中，自耦变压器的输入端经电感与交流电源的输出端相连，其输出端与三相整流桥的输入端相连，三相整流桥的输出端与直流谐波注入电路相连。本实用新型主拓扑采用自耦变压器为基础，通过两组三相桥连接直流注入电路，通过控制直流电路的注入电流，对自耦变压器的输出电流进行调制，进而达到抑制谐波的目的。
【专利说明】
一种基于自耦变压器的四象限电流源换流器
技术领域
[0001] 本实用新型涉及电流源换流器，具体讲涉及一种基于自耦变压器的四象限电流源 换流器。
【背景技术】
[0002] 两个三相全桥变换器通过一个△-Y，Y-Y连接的隔离变压器并联或串联在一起的 传统的12脉波换流器能减小一定程度的谐波，但整流变压器的额定容量比输出容量高，所 以用自耦变压器取代隔离变压器来减小变压器的绕组容量。另外换流电路中大量采用PWM 技术来有效调节输出电压，使输出电流接近正弦波，其缺陷是成本高，开关损耗大，效率不 尚。
[0003] 目前作为高压变压器的自耦变压器一般用在高压输电或是企业用电由高压变低 压，因其体积小、容量大，节约材料，而广受欢迎。
[0004] 近30年来，对VSC型的AC/DC换流器的研究已经相对成熟，世界上容量最大的VSC换 流器目前可达几百MVA，电压达几百kV，目前工业应用的变流装置的容量仍未超过GVA、超过 500kV见。VSC换流器一般由IGBT开关元件和电力电容器构成，由于IGBT开关损耗高，效率低 于98%。因此，VSC不具有直流电压大范围控制能力，难以满足人们对于高效率、大容量、长 距离的输电要求。
[0005]已有的用于电能传输的换流器容量最大可达数GW、电压等级最高达SOOkV)的晶闸 管LCC型CSC具有双向控制有功的能力，由于晶闸管属于半控型器件，三相桥触发角的移相 范围为0°-180°，只能通过触发信号控制其开通，而无法控制其关断，而，不具有无功控制能 力，需要配备缓冲电容来吸收无功，这就致使装置体积较大，在工程应用中使用不便。
[0006] 因此，需要提供一种技术方案来满足现有技术的需要。 【实用新型内容】
[0007] 为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供一种基于自耦变压器的四象限电 流源换流器，包括：自耦变压器，交流电源，电感，三相整流桥和直流谐波注入电路；
[0008] 自耦变压器的输入端经电感与交流电源的输出端相连，其输出端与三相整流桥的 输入端相连，三相整流桥的输出端与直流谐波注入电路相连。
[0009] 自耦变压器包括:三相铁芯和缠绕在三相铁芯上的短绕组及长绕组。
[0010] 三相铁芯包括:A相铁芯、B相铁芯和C相铁芯;每相铁芯的短绕组设有中间抽头和 两侧抽头，中间抽头经所述电感与交流电源的输出端相连;两侧绕组抽头分别与两个并联 设置的三相整流桥的输入端相连。
[0011] A相铁芯的短绕组一端(a'）与C相铁芯的长绕组一端相连，B相铁芯的短绕组一端 (b'）与A相铁芯的长绕组一端相连，C相铁芯的短绕组一端（c'）与B相铁芯的长绕组一端相 连；
[0012] A相铁芯的短绕组另一端(a"）与B相铁芯的长绕组另一端相连;B相铁芯短绕组的 另一端(b"）与C相铁芯的长绕组另一端相连;C相铁芯的短绕组另一端（C"）与A相铁芯的长 绕组另一端相连。
[0013] 每相铁芯的长绕组和其短绕组同相绕制。每相铁芯的长绕组和其短绕组的匝数比 为1:5.46。
[0014] 直流谐波注入电路包括:并联的多级直流谐波注入支路;直流谐波注入支路包括： 全控型器件IGBT、二极管和双绕组平波电抗;全控型器件IGBT-端与所述三相整流桥的输 出端相连，另一端与二极管一端相连;二极管的另一端与双绕组平波电抗的输入端相连，双 绕组平波电抗的输出端连接负载。
[0015] 与最接近的现有技术相比，本实用新型提供的技术方案具有以下益效果：
[0016] 1、本实用新型主拓扑采用自耦变压器为基础，通过两组三相桥连接直流注入电 路，通过控制直流电路的注入电流，对自耦变压器的输出电流进行调制，进而达到抑制谐波 的目的。
[0017] 2、本实用新型的整个拓扑结构可以实现12脉波晶闸管电路的触发角移相范围扩 展从-180°到180°，即不需要大容量电容器就可以实现电路四象限的运行，并通过对直流谐 波注入支路中IGBT的控制对三相整流桥中半控型器件晶闸管实现零电流关断。
[0018] 3、本实用新型采用的直流侧电流注入法解决了传统12脉波换流器输出电流谐波 多、电流谐波总畸变率高的问题。
[0019] 4、本实用新型有效降低了换流器系统的体积和容量。
[0020] 5、本实用新型适用于对电流谐波要求比较严格的大功率场合。
【附图说明】
[0021] 图1为本实用新型的电流源换流器的拓扑图；
[0022]图2为本实用新型的电压矢量图；
[0023] 图3为本实用新型的自耦变压器接线图；
[0024] 图4为本实用新型9电平注入时的一种开关策略图；
[0025] 图5为本实用新型的交流侧输出的仿真波形图。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合说明书附图对本实用新型的技术方案做进一步详细说明。
[0027] 本实用新型提出的是基于自耦变压器的12脉波电流源换流器，通过自耦变压器与 两个三相整流桥连接，三相桥后再接一个直流谐波注入支路，整个拓扑结构可以实现12脉 波晶闸管电路的触发角移相范围扩展从-180°到180°，即不需要大容量电容器就可以实现 电路四象限的运行，并通过对直流谐波注入支路中IGBT的控制对三相整流桥中半控型器件 晶闸管实现零电流关断。
[0028] 为了实现以上目的，本实用新型采用了自耦变压器的12脉波直流注入电流换流 器，两组晶闸管三相全桥，直流注入电路，其中自耦变压器与交流电源侧对接，晶闸管三相 全桥起到交直流变换作用，直流注入电路使三相桥产生阶梯波，实现四象限调节。
[0029]变压器采用的是移相自耦变压器，一侧接入交流段，一侧接入三相整流桥。通过改 变绕组产生移相30°的电压，从而产生12脉波电压。两组基于晶闸管的三相整流桥电路各自 接入一组自耦变压器产生的三相电压。
[0030] 如附图3所示的多边形12脉波自耦变压器，A相、B相、C相的铁芯柱上均包括三个绕 组:一个匝数为Np长绕组和两个匝数分别为Ns'和Ns"的短绕组。两个短绕组分为:a'和a"、 b'和b"、c'和c"，对应的短绕组连在一起，中间有抽头引出I b,和?,电流从中间抽头中流入。
[0031] 其中，A相短绕组的首端a'与C相长绕组的首端相连，A相长绕组的末端与C相短绕 组的末端c"相连，B相长绕组的首端与C相短绕组的首端c '相连，B相长绕组的末端与A相短 绕组的末端a"相连，C长绕组的末端与B相短绕组的末端b"相连，B相短绕组的首端b'与A相 长绕组的首端相连，三相变压器的短绕组的抽头分别为民I 6和反分别连接换流器中 两侧三相整流桥的三相输入端，两个三相桥并联与多级直流谐波注入支路相连。
[0032]短绕组c'和c、c和c"同相绕制，短绕组c'和c、c和c"分别用于滞后、超前移相。
[0033]自耦变压器A相长绕组和短绕组匝数关系为的匝比为Np: NY = 1:5.46，Np: Ns〃 = 1 :5.46;自耦变压器B相长绕组和短绕组匝数关系为的匝比为Np: Ns ^ = 1: 5.46，Np:Ns" = 1: 5.46;自耦变压器C相长绕组和短绕组匝数关系为的匝比为Np: Ns ^ = 1: 5.46，Np: Ns" = 1: 5.46〇
[0034] 直流注入电路由多路结构相同的注入单元构成，每路注入单元由两个全控型器件 IGBT、两个二极管与一只双绕组平波电抗器构成，通过IGBT和二极管的串联，从而使其具有 逆阻特性，双绕组平波电抗器不但可以提高并联双桥利用效率，同时可以维持直流电流连 续以及减小直流脉动，该注入单元的支路数可根据不同的情况来确定，通过对模型的数学 计算和仿真，注入单元越多，总谐波畸变率越低，但当波形级数大于9时，总谐波畸变率的下 降速度减慢，线性注入和ESEDS注入的差别也变得很小，因此，这时可以用线性注入代替 ESEDS注入。
[0035] 三相桥晶闸管依据一定的规律触发导通，通过注入支路的零电流区间，晶闸管实 现零电流关断，实现了软开关。
[0036] 为了保证注入支路的均流，注入脉冲的分配需要使每个开关在一定周期内遍历所 有开关状态。注入开关状态切换的频率为主桥频率的六倍，因此注入开关每个导通单位为 60°。如果是m电平注入，则注入电流将有m-1个非零值阶梯，则注入开关触发脉冲的种类有 m-1种，故为了保证注入支路开关状态遍历，最基本的注入脉冲循环周期应有(m-l)x60°。
[0037] 以如图4所示的一种9电平的开关策略为例，对应注入开关VT1~VT8的脉宽调制方 式，开关VDl~VD8的脉冲形式与之互补，这里不再给出。每个开关均在每60°中导通如下角 度，导通时间在每个60°中居中，例如，如果导通56.25°，则导通角度在1.875° -58.125°之 间。每个开关在任意480°内都能实现循环。
[0038] VTi：……33.75° ^26.25° ^ll .25° ^3.75° ^18.75° ^33.25° ^48.75° ^ 56.25°……
[0039] VT2:……26.25° ^ll .25° ^3.75° ^18.75° ^33.25° ^48.75° ^56.25° ^ 33.75°……
[0040] VT3:……11.25° ^3.75° ^ 18.75° ^33.25° ^48.75° ^56.25° ^33.75° ^ 26.25°……
[0041] VT4 ：……3.75° ^ 18.75° ^33.25° ^48.75° ^56.25° ^33.75° ^26.25° ^ 11.25°……
[0042] VT5 ：……18.75° ^33.25° ^48.75° ^56.25° ^33.75° ^26.25° ^ll .25°^ 3.75°……
[0043] VT6:……33.25° ^48.75° ^56.25° ^33.75° ^26.25° ^ll .25° ^3.75° ^ 18.75°……
[0044] VT7 ：……48.75° ^56.25° ^33.75° ^26.25° ^ll .25° ^3.75° ^18.75° ^ 33.25°……
[0045] VT8:……56.25° ^33.75° ^26.25° ^ll .25° ^3.75° ^18.75° ^33.25° ^ 48.75°……
[0046]从上到下是8条支路分配开关的控制脉冲，脉冲的循环周期为480°，这样可以保证 每条支路的均流电感伏秒积均相等，实现各个支路的电流均等。
[0047]脉冲分配策略可以根据实际的需求进行调整，例如，如果要保证主桥晶闸管能够 可靠关断，可以适当加宽注入脉冲的零值区间，这样会带来一定谐波的增加，但是，适当的 加宽零电流区间既仍然可以使谐波畸变率保持在标准范围内，又可以防止晶闸管因为关断 时间过短而继续导通。
[0048] 为了验证本实用新型的有效性，以9电平注入为例在Matlab/Simulink中进行了仿 真实验。仿真在10kV/50Hz，延迟触发角α = -30°条件下进行，采用ode23tb仿真算法，仿真波 形如图5所示，第一条和第二条波形是向两组三相桥注入的9阶梯波形，第三条为合成的多 阶梯交流电流波形，第四条为交流电压波形，可以看出，电流由多脉波合成，电流超前电压 30°，验证了设置的延迟触发角，通过FFT分析，得出电流谐波畸变率THD = 2.08%，可以看 出，大大减少了谐波量。
[0049]最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限 制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本实用新型的【具体实施方式】进行 修改或者等同替换，这些未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申 请待批的本实用新型的权利要求保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于自耦变压器的四象限电流源换流器，其特征在于，包括：自耦变压器，交流 电源，电感，三相整流桥和直流谐波注入电路； 所述自耦变压器的输入端经所述电感与所述交流电源的输出端相连，其输出端与所述 三相整流桥的输入端相连，所述三相整流桥的输出端与所述直流谐波注入电路相连。2. 根据权利要求1所述的四象限电流源换流器，其特征在于， 所述自耦变压器包括:三相铁芯和缠绕在三相铁芯上的短绕组及长绕组。3. 根据权利要求2所述的四象限电流源换流器，其特征在于， 所述三相铁芯包括:A相铁芯、B相铁芯和C相铁芯； 每相铁芯的短绕组设有中间抽头和两侧抽头，所述中间抽头经所述电感与所述交流电 源的输出端相连； 所述两侧绕组抽头分别与两个并联设置的所述三相整流桥的输入端相连。4. 根据权利要求3所述的四象限电流源换流器，其特征在于， 所述A相铁芯的短绕组一端(a'）与所述C相铁芯的长绕组一端相连，所述B相铁芯的短 绕组一端(b'）与所述A相铁芯的长绕组一端相连，所述C相铁芯的短绕组一端（c'）与所述B 相铁芯的长绕组一端相连； 所述A相铁芯的短绕组另一端(a"）与所述B相铁芯的长绕组另一端相连;所述B相铁芯 短绕组的另一端(b"）与所述C相铁芯的长绕组另一端相连;所述C相铁芯的短绕组另一端 (c"）与所述A相铁芯的长绕组另一端相连。5. 根据权利要求3所述的四象限电流源换流器，其特征在于， 所述每相铁芯的长绕组和其短绕组同相绕制。6. 根据权利要求3所述的四象限电流源换流器，其特征在于， 所述每相铁芯的长绕组和其短绕组的匝数比为1:5.46。7. 根据权利要求5或6所述的四象限电流源换流器，其特征在于，所述直流谐波注入电 路包括:并联的多级直流谐波注入支路。8. 根据权利要求7所述的四象限电流源换流器，其特征在于， 所述直流谐波注入支路包括:全控型器件IGBT、二极管和双绕组平波电抗； 所述全控型器件IGBT-端与所述三相整流桥的输出端相连，另一端与所述二极管一端 相连； 所述二极管的另一端与所述双绕组平波电抗的输入端相连，所述双绕组平波电抗的输 出端连接负载。
【文档编号】H02M7/17GK205544977SQ201620248756
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年3月29日
【发明人】于弘洋, 刘宗烨, 祁欢欢, 蔡林海, 周飞, 王永, 何金城, 马研, 尹晓旭, 朱珣
【申请人】全球能源互联网研究院, 国网浙江省电力公司, 国家电网公司, 北京航空航天大学