专利名称：基于mmc无变压器的四象限高压变频电源拓扑结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高压变频电源拓扑，特别是一种基于MMC的无变压器的四象限高 压变频电源拓扑。
背景技术：
高压变频电源是将高压交流电经过AC — DC — AC变换，输出为纯净的正弦波，输 出频率和电压一定范围内可调。高压变频电源可以根据实际需求模拟电网的各种状况、提 供纯净可靠的、低谐波失真、高稳定的频率和稳压率的正弦波电力输出，用于产品检测、寿 命、过高压模拟等。现有技术中的高压变频电源主要采用低压单元串联，通过隔离移相变压器给各个 单元供电的技术。该种高压变频电源存在能耗高，效率低，体积大，笨重；功率因数低，谐波 污染大；启动冲击大；隔离效果差等缺点。随着高压变频电源的应用领域越来越广，对其性能的要求也越来越高，特别是在 风力发电及光伏发电的并网测试上。高压变频电源不仅要输出稳定的电压，模拟电网的工 况及故障，还需要高压变频电源具有能量回馈的性能。目前，采用MMC(Modular Multilevel Converter)模块化多电平逆变器结构的无 变压器的四象限高压变频电源拓扑还未见报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于MMC无变压器的四象限高压变频电源拓扑结构， MMC是Modular Multilevel Converter模块化多电平逆变器的简称；该拓扑采用模块化多 电平结构，是一种高-高型直接变频电源，其优点在于去掉了电源输入端的高压变压器，降 低了成本，减小了高压变频电源的体积及重量；降低了元器件损耗，提高工作效率，同时单 元结构简单，接线方便，易于拆卸和安装。为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现基于MMC无变压器的四象限高压变频电源拓扑结构，整流模块与逆变模块均采用 模块化多电平结构，由多个子单元串联而成，该拓扑整流模块输入侧通过充电电路直接与 网侧高压相连；整流模块将高压交流电压转换为直流输入逆变模块，逆变模块将直流转换 为交流；实现对电网各种状态的模拟，该拓扑结构为四象限型，可实现能量回馈。所述的整流模块、逆变模块为三相，每相由偶数η个子单元串联而成，分为上下两 组，每组的子单元个数为η/2个；逆变模块的输出端为两组子单元的中点处，且输出端与每 组子单元之间以耦合或非耦合缓冲电感连接；整流模块的输入端为两组子单元的中点处， 且输入端与每组子单元之间以耦合或非耦合缓冲电感连接。所述每个子单元的结构为半桥结构，两个开关器件IGBT相串联，再并联直流电容 C0所述的整流模块、逆变模块为三相，每相由η个子单元串联而成，三相串联子单元的整流模块的输入端与充电电路相连接，三相串联子单元的逆变模块的输出端通过电感输出ο所述的每个子单元结构为H桥结构，由四个IGBT开关器件组成，每个IGBT开关器 件反并联一个二极管，每两个IGBT开关器件相串联后，再与直流电容C并联。所述的整流模块、逆变模块的子单元结构相同，可互换使用。所述的充电电路由充电电阻与开关串联后，与高压断路器并联而成。所述的基于MMC的无变压器风力发电并网拓扑结构可应用于风机LVRT测试、光伏 并网测试、以及变压器、不断电系统、机场地面设施、船舶、航天、军事研究所、实验室、研发 等的测试电源领域。与现有技术相比，本发明的有益效果是该无变压器的四象限高压变频电源的拓扑，去掉了电源输入端的高压变压器，高 压变频器的体积及重量减小了 1/2、材料成本降低了 1/2、制造周期减小1/2、运输成本减小 1/2、占地面积减小1/2，同时降低了元器件损耗，提高工作效率；有利于改善和增加新的控 制功能，改善动态特性，可明显地降低工作噪声；在结构上实现了集成化和模块化，有效提 高设备的可用性。
图1是基于MMC无变压器的四象限高压变频电源拓扑结构框图；图2是基于MMC无变压器的四象限高压变频电源半桥型拓扑结构图；图3是半桥型单元拓扑结构图；图4是基于MMC无变压器的四象限高压变频电源H桥型拓扑结构图；图5是H桥型单元拓扑结构图；图6-1、图6-2、图6-3、图6-4是半桥型单元内部电流流向图；图7-1、图7-2、图7-3、图7-4是H桥型单元内部电流流向图。
具体实施例方式见图1，基于MMC无变压器的四象限高压变频电源拓扑结构，包括整流模块、逆变 模块，整流模块与逆变模块均采用模块化多电平结构，该结构可以实现高压电源直接输入， 无需变压器，整流模块直接将高压交流电压转换为直流，逆变模块将直流转换为交流；实现 对电网各种状态的模拟，同时整流模块为四象限型可以实现能量的回馈。下面通过具体实 施例叙述模块化多电平结构的子单元为半桥结构、H桥结构的两种情况。实施例1见图2、图3，基于MMC无变压器的四象限高压变频电源拓扑结构，整流模块与逆变 模块采用相同的子单元结构，由多个子单元串联而成，该拓扑输入侧无变压器，通过充电电 路直接与网侧高压相连。充电电路连接整流模块，整流模块将高压交流电压转换为直流，逆 变模块将直流转换为交流，实现对电网各种状态的模拟。整流模块、逆变模块均为三相，每相由偶数η个子单元串联而成，分为上下两组， 每组的子单元个数为η/2个；逆变模块的输出端为两组子单元的中点处，且输出端与每组 子单元之间以耦合或非耦合缓冲电感L连接；整流模块的输入端为两组子单元的中点处，且输入端与每组子单元之间以耦合或非耦合缓冲电感L连接。充电电路由充电电阻R与开 关K2串联后，与高压断路器Kl并联而成。整流模块、逆变模块的子单元均由半桥型单元构 成四象限三电平结构；整流模块、逆变模块的子单元结构相同，可互换使用。单元个数η(偶 数)根据输入输出电压等级而设定。见图3，整流模块、逆变模块每个子单元的结构为半桥结构，开关器件IGBTl和 IGBT2相串联，再并联直流电容C，并且开关器件IGBTl和IGBT2分别反并联二极管D1、D2 ； IGBTl与IGBT2的公共端，电容C与IGBT2的公共端作为每个单元的输出端，与其他单元相 连。当IGBTl导通时，输出电平为高；当IGBT2导通时，输出电平为0。本拓扑结构可实现能量回馈，当输出侧有能量反向注入到四象限高压变频电源 时，可通过整流模块、逆变模块将能量注入回电网输入侧。本发明半桥型单元拓扑，通过控制IGBT的栅极电压使其导通或者关断，可以使单 元具有不同的电路状态。见图6-1，电流经IGBT2从A流向B，采用半桥式逆变电路的功率单元输出电平“0”。见图6-2，电流经续流二极管D2从B流向A，采用半桥式逆变电路的功率单元输出 电平“0”。见图6-3，电流经续流二极管D1，再通过直流侧电容C，从A流向B，采用半桥式逆 变电路的功率单元输出电平“ 1 ”。见图6-4，电流经IGBTl，再通过直流侧电容C，从B流向A，采用半桥式逆变电路的 功率单元输出电平“1”。实施例2见图4、图5，基于MMC无变压器的四象限高压变频电源拓扑结构，整流模块与逆变 模块均采用模块化多电平结构，由多个子单元串联而成，该拓扑输入侧无变压器，通过充电 电路直接与网侧高压相连。该结构可以实现高压电源直接输入，无需变压器，整流模块直接 将高压交流电压转换为直流，逆变模块将直流转换为交流；实现对电网各种状态的模拟，该 拓扑结构为四象限型，可实现能量回馈。见图4，整流模块、逆变模块均为三相，每相由η个子单元串联而成，三相串联子单 元的整流模块的输入端与充电电路相连接，三相串联子单元的逆变模块的输出端通过电感 L输出。充电电路由充电电阻R与开关Κ2串联后，与高压断路器Kl并联而成。见图5，每个子单元结构为H桥结构，由四个开关器件IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGB1M 和直流侧电容C组成，开关器件IGBTl和IGBT2相串联，开关器件IGBT3和IGBT4相串联， 再和直流电容C并联。并且四个开关器件IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4分别并联一个反接 二极管D11、D22、D33、D44。IGBTl与IGBT2的公共端、IGBT3与IGBiM的公共端为该功率单 元与其它功率单元相连接的输入、输出端。该拓扑结构中整流模块，逆变模块均由H桥型单元构成四象限三电平结构；单元 个数η根据输入输出电压等级而设定。本发明H桥型单元拓扑，通过控制IGBT的栅极电压使其导通或者关断，可以使单 元具有不同的电路状态。见图7-1，电流经IGBT2、直流侧电容C、IGBT3,从B流向Α，或电流经续流二极管 D3、直流侧电容C、续流二极管D2，从A流向B，此时采用H桥式逆变电路的功率单元输出电平 “1”。见图7-2，电流经续流二极管Dl、IGBT3，从B流向A，或电流经续流二极管D3、 IGBT1，从A流向B，此时采用H桥式逆变电路的功率单元输出电平“0”。见图7-3，电流经IGBT2、续流二极管D4，从B流向A，或电流经IGBT4、续流二极管 D2，从A流向B，此时采用H桥式逆变电路的功率单元输出电平“0”。见图7-4，电流经续流二极管D1、直流侧电容C、续流二极管D4，从B流向A，或电流 经IGBT4、直流侧电容C、IGBT1，从A流向B，此时采用H桥式逆变电路的功率单元输出电平 “-1”。本发明无变压器的四象限高压变频电源可应用于风机LVRT测试、光伏并网测试、 以及变压器、不断电系统、机场地面设施、船舶、航天、军事研究所、实验室、研发等的测试电 源领域。
权利要求
1.基于MMC无变压器的四象限高压变频电源拓扑结构，其特征在于，整流模块与逆变 模块均采用模块化多电平结构，由多个子单元串联而成，该拓扑整流模块输入侧通过充电 电路直接与网侧高压相连；整流模块将高压交流电压转换为直流输入逆变模块，逆变模块 将直流转换为交流；实现对电网各种状态的模拟，该拓扑结构为四象限型，可实现能量回馈。
2.根据权利要求1所述的基于MMC无变压器的四象限高压变频电源拓扑结构，其特征 在于，所述的整流模块、逆变模块为三相，每相由偶数η个子单元串联而成，分为上下两组， 每组的子单元个数为η/2个；逆变模块的输出端为两组子单元的中点处，且输出端与每组 子单元之间以耦合或非耦合缓冲电感连接；整流模块的输入端为两组子单元的中点处，且 输入端与每组子单元之间以耦合或非耦合缓冲电感连接；所述每个子单元的结构为半桥结 构，两个开关器件IGBT相串联，再并联直流电容C。
3.根据权利要求1所述的基于MMC无变压器的四象限高压变频电源拓扑结构，其特 征在于，所述的整流模块、逆变模块为三相，每相由η个子单元串联而成，三相串联子单元 的整流模块的输入端与充电电路相连接，三相串联子单元的逆变模块的输出端通过电感输 出；所述的每个子单元结构为H桥结构，由四个IGBT开关器件组成，每个IGBT开关器件反 并联一个二极管，每两个IGBT开关器件相串联后，再与直流电容C并联。
4.根据权利要求2或3所述的基于MMC无变压器的四象限高压变频电源拓扑结构，其 特征在于，所述的整流模块、逆变模块的子单元结构相同，可互换使用。
5.根据权利要求1所述的基于MMC无变压器的四象限高压变频电源拓扑结构，其特征 在于，所述的充电电路由充电电阻与开关串联后，与高压断路器并联而成。
6.根据权利要求1所述的基于MMC无变压器的四象限高压变频电源拓扑结构，其特征 在于，所述的基于MMC的无变压器风力发电并网拓扑结构可应用于风机LVRT测试、光伏并 网测试、以及变压器、不断电系统、机场地面设施、船舶、航天、军事研究所、实验室、研发等 的测试电源领域。
全文摘要
本发明涉及一种基于MMC无变压器的四象限高压变频电源拓扑结构，整流模块与逆变模块均采用模块化多电平结构，由多个子单元串联而成，该拓扑整流模块输入侧通过充电电路直接与网侧高压相连；整流模块将高压交流电压转换为直流输入逆变模块，逆变模块将直流转换为交流；实现对电网各种状态的模拟，同时该拓扑结构为四象限型，可以实现能量的回馈。其优点在于去掉了电源输入端的高压变压器，降低了成本，减小了高压变频电源的体积及重量；降低了元器件损耗，提高工作效率，同时单元结构简单，接线方便，易于拆卸和安装。
文档编号H02M5/44GK102055347SQ20101023408
公开日2011年5月11日 申请日期2010年7月22日 优先权日2010年7月22日
发明者张坤, 张跃平, 李太峰, 杨洋, 王振, 胡涛, 赵淑玉, 魏西平 申请人:荣信电力电子股份有限公司