三相四线桥式模块单元串联组合高压变换器的制造方法
【专利摘要】本发明提供了三相四线桥式模块单元串联组合高压变换器，包括2N个三相四线桥式模块单元和8个桥臂电感，其中三相四线高压变换器的上桥臂由N个三相四线桥式模块单元串联后再相应与4个桥臂电感的一端串联构成，下桥臂由另外4个桥臂电感的一端与另外N个三相四线桥式模块单元依次串联构成，然后上桥臂的4个桥臂电感的另一端与下桥臂的4个桥臂电感的另一端串联，上桥臂的4个桥臂电感与下桥臂的4个桥臂电感之间的4个连接点构成对应相桥臂的输出端，上下桥臂电感的连接点构成对应相桥臂的交流输出端及中线，交流输出端接至三相星形连接方式的负载，中线接至负载中点。本发明减少了元器件，减少了功率单元数，组合简单，可靠性更高。
【专利说明】三相四线桥式模块单元串联组合高压变换器
【技术领域】
[0001]本发明属于电力电子变换器或高电压应用领域，涉及三相四线桥式模块单元串联组合高压变换器拓扑的构造。
【背景技术】
[0002]实现高压大功率变换器的关键技术之一是大功率变换器拓扑，近几十年来国际上对高压大容量变换器进行了深入的研究，提出了众多有意义的髙压大容量拓扑。主要构造拓扑的技术包括:1、功率开关器件直接串联技术，其优点是可以直接应用现有拓扑，缺点是各功率开关器件串联存在静态和动态均压问题，对功率开关器件的开通和关断一致性要求较高，易于出现器件故障；2、多重化技术，其优点是传统H桥或者三相桥式电路通过多绕组工频变压器耦合，实现高电压、低谐波输出，缺点是需要用工频多绕组变压器，成本、损耗、复杂性增加，且有直流磁化现象；3、多电平技术，其优点是直流侧采用串联直流电容实现功率开关器件均压，缺点是功率开关器件的导通电流负荷不一致，造成各直流电容上直流电压的不平衡，且拓扑较复杂；4、模块组合多电平变换器即MMC变换器，其优点是各相桥臂根据电压等级，由多个相同的模块化功率单元和两个桥臂电感依次串联构成，实现了高度模块化，在器件电流应力、不平衡运行、故障保护等方面比一般多电平技术具有更明显的优势，是目前高压电能变换首选的变换器。
[0003]本发明在MMC变换器基础上，提出一种模块化程度更高的三相四线桥式模块单元串联组合高压变换器。
【发明内容】
[0004]本发明提出一种三相四线桥式模块单元串联组合高压变换器，与现有高压大容量变换器比较，模块化程度更高，减少了元器件，减少了功率单元数，组合简单，可靠性更高，且成本下降，在高压大容量工业应用中有广阔的前景。本发明通过如下技术方案实现。
[0005]三相四线桥式模块单元串联组合高压变换器，其包括2N个三相四线桥式模块单元和8个桥臂电感，其中三相四线高压变换器的上桥臂由N个三相四线桥式模块单元串联后再相应与4个桥臂电感的一端串联构成，下桥臂由另外4个桥臂电感的一端与另外N个三相四线桥式模块单元依次串联构成，然后上桥臂的4个桥臂电感的另一端与下桥臂的4个桥臂电感的另一端串联，上桥臂的4个桥臂电感与下桥臂的4个桥臂电感之间的4个连接点构成对应相桥臂的输出端，N为正整数。
[0006]进一步地，所述三相四线桥式模块单元由8个带续流二极管的功率开关元件及I个直流电容构成。
[0007]进一步地，所述三相四线桥式模块单元中，每2个功率开关元件串联构成I相，8个功率开关元件共构成4相，即a相、b相、c相和ο相，其中每I相均各自包括第一开关管和第二开关管，第一开关管和第二开关管的两端均与续流二极管连接，分别为第一续流二极管和第二续流二极管；第一开关管的正极接到A端，负极接到B端；第二开关管的正极接到B端，负极接到C端，其中B端、C端为输出端。然后a相、b相、c相和ο相的A端相互连接，选择ο相即中线相的A端接到直流电容的正极、C端接到直流电容的负极，直流电容上的电压E=V/2N，V为输入直流电源的电压值。
[0008]进一步地，三相四线桥式模块单元包括2种工作状态，第一种状态是第一开关管或第一续流二极管导通，其它器件均关断；第二种状态是第二开关管或第二续流二极管导通，其它器件均关断。
[0009]进一步地，三相四线高压变换器的上桥臂由N个串联连接三相四线桥式模块单元与4个桥臂电感连接构成，即第一个三相四线桥式模块单元每相的B端即与电源的正极相连接，第一个三相四线桥式模块单元每相的C端与第二个三相四线桥式模块单元相同相的B端即Ua2、Ub2、Uc2、U02相连接，依此连接规律，第i个三相四线桥式模块单元的Ua1、Ub1、Uc1、Uoi分别连接到第1-Ι个三相四线桥式模块单元相同相的C端，第i个三相四线桥式模块单元每相的C端分别连接到第i+Ι个三相四线桥式模块单元相同相的B端即Ua(i+D、Ub(i+1)、Uc(i+1)、Uo(i+1)， N个三相四线桥式模块单元连接后，第N个三相四线桥式模块单元每相的C端分别与第一电感、第二电感、第三电感和第四电感连接。
[0010]进一步地，三相四线高压变换器的下桥臂由4个桥臂电感与N个串联连接的三相四线桥式模块单元依次连接构成，第五电感、第六电感、第七电感和第八电感(Lm)分别与第N+1个三相四线桥式模块单元每相的B端即
Ua(N+l)、Ub (N+1)、UC(N+1)、U0(N+1) 相连接，第N+1个三
相四线桥式模块单元每相的C端与第N+2个三相四线桥式模块单元相同相的B端即U相)、Ub(N+2)>Uc(N+2)、U0(N+2)相连接，依此规律，N个三相四线桥式模块单元连接后，第2N个三相四线桥式模块单元每相的C端即a_、b_、c_、o_端连接到电源的负极。
[0011]进一步地，三相四线高压变换器在上下桥臂电感的连接点即a、b、C、O点处引出，其中a、b、c点连接到三相星形连接的负载，ο点连接到负载中点。
[0012]本发明与MMC变换器相比，具有如下优点和技术效果:1、模块化功率单元不同，MMC变换器采用单相模块化功率单元，本发明是采用三相四线桥式模块单元；2、组合方式不同，MMC变换器是单相模块化功率单元串联组合后、再三相组合，而本发明是三相四线桥式模块化功率单元串联一次组合完成。因而本发明与MMC变换器相比较，具有以下显著的优点:1、减少了元器件；2、模块化程度更高；3、组合简单；4、可靠性高；5、成本下降。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是构成高压变换器的三相四线桥式模块单元结构图。
[0014]图2是本发明的三相四线桥式模块单元串联组合高压变换器主电路图。
[0015]图3是具有2N=4个模块的三相四线桥式模块单元串联组合高压变换器结构图。
[0016]图4是采用多电平控制时具有2N=4个模块的三相四线桥式模块单元串联组合高压变换器的3电平输出电压波形。
[0017]图5是采用多电平控制时具有2N=4个模块的三相四线桥式模块单元串联组合高压变换器的4电平输出电压波形。
具体实施方案
[0018]以下结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。[0019]图1所示的是本发明的三相四线桥式模块单元，三相四线桥式模块单元由8个带续流二极管的功率开关元件及I个直流电容构成。其中每2个功率开关元件串联构成I相，8个功率开关元件共构成4相，即a相、b相、c相和ο相，每I相均各自包括第一开关管T1和第二开关管T2，第一开关管T1的正极接到A端，负极接到B端，第二开关管T2的正极接到B端，负极接到C端，其中B端、C端为输出端。然后a相、b相、c相和ο相的A端相互连接，选择ο相即中线相的A端接到直流电容Ce的正极、C端接到直流电容Ce的负极，直流电容Ce上的电压E=V/2N，V为输入直流电源的电压值。
[0020]按照图1的三相四线桥式模块单元结构，包括2种工作状态，第一种状态是第一开关管或第一续流二极管导通，其它器件均关断；第二种状态是第二开关管或第二续流二极管导通，其它器件均关断。
[0021]图2所示的三相四线桥式模块单元串联组合高压变换器构成方式如下:1、三相四线高压变换器的上桥臂由N个串联连接的三相四线桥式模块单元与4个桥臂电感连接构成，即第一个三相四线桥式模块单元M1每相的B端即Ual、Ubl、Ucl、U01与电源V的正极相连接，第一个三相四线桥式模块单元M1每相的C端与第二个三相四线桥式模块单元M2相同相的B端即Ua2、Ub2、Uc2, U02相连接，依此连接规律，第i个三相四线桥式模块单元Mi每相的B端即分别连接到第1-Ι个三相四线桥式模块单元Mp1相同相的C端，第i个三相四线桥式模块单元％每相的C端分别连接到第i+Ι个三相四线桥式模块单元Mi+1相同相的B端即
Ua(i+D、Ub(1.1)、Uc(i+i)、U0(i+1)， N个三相四线桥式模块单元连接后，第N个三相四线桥式模块单元Mn每相的C端分别与第一电感Lap、第二电感Lbp、第三电感Lct和第四电感Ltjp连接；2、三相四线高压变换器的下桥臂由4个桥臂电感与N个串联连接的三相四线桥式模块单元连接构成，第五电感Lan、第六电感Lbn、第七电感Lm和第八电感Lm分别与第N+1个三相四线桥式模块单元Mn+1每相的B端即
`Ua(N+l)、Ub (N+1)、Uc (n+1)、U0(N+1) 相连接，第N+1个三相
四线桥式模块单元Mn+1每相的C端与`第N+2个三相四线桥式模块单元Mn+2相同相的B端即Ua(N+2)、Ub (N+2)、Uc (N+2)、U0 (N+2) 相连接，依此规律，N个三相四线桥式模块单元连接后，第2N个三相四线桥式模块单元M2n每相的C端即a_、b_、c_、o_端连接到电源V的负极，即构造成下桥臂；3、三相四线高压变换器在上下桥臂电感的连接点即a、b、c、o点处引出，其中a、b、c点连接到三相星形连接的负载，ο点连接到负载中点。
[0022]图3是一个具有2N=4个模块的三相四线桥式模块单元串联组合高压变换器，它由4个三相四线桥式模块札、M2、M3、]?4及8个电感值相同的桥臂电感Z构成。采用多电平调制策略调节中线相电压V。，可实现三相负载电压vM、vb()、v。。多电平输出，其中两种不同的多电平电压波形见图4和5。
【权利要求】
1.一种三相四线桥式模块单元串联组合高压变换器，其特征在于包括2N个三相四线桥式模块单元和8个桥臂电感，其中高压变换器的上桥臂由N个三相四线桥式模块单元串联后再相应与4个桥臂电感的一端串联构成，下桥臂由另外4个桥臂电感的一端与另外N个三相四线桥式模块单元依次串联构成，然后上桥臂的4个桥臂电感的另一端与下桥臂的4个桥臂电感的另一端串联，上桥臂的4个桥臂电感与下桥臂的4个桥臂电感之间的4个连接点构成对应相桥臂的输出端，N为正整数。
2.根据权利要求1所述三相四线桥式模块单元串联组合高压变换器，其特征在于，所述三相四线桥式模块单元由8个带续流二极管的功率开关元件及I个直流电容构成。
3.根据权利要求2所述三相四线桥式模块单元串联组合高压变换器，其特征在于，所述三相四线桥式模块单元中，每2个功率开关元件串联构成I相，8个功率开关元件共构成4相，即a相、b相、c相和ο相，其中每I相均各自包括第一开关管(T1)和第二开关管(T2),第一开关管(T1)和第二开关管(T2)的两端均与续流二极管连接，分别为第一续流二极管(D1)和第二续流二极管(D2);第一开关管(T1)的正极接到A端，负极接到B端，第二开关管(T2)的正极接到B端，负极接到C端，其中B端、C端为输出端；然后a相、b相、c相和ο相的A端相互连接，选择ο相即中线相的A端接到直流电容(Ce)的正极、C端接到直流电容(Ce)的负极，直流电容(Ce)上的电压E=V/2N，V为输入直流电源的电压值。
4.根据权利要求3所述三相四线桥式模块单元串联组合高压变换器，其特征在于，三相四线桥式模块单元包括2种工作状态，第一种状态是第一开关管(T1)或第一续流二极管(D1)导通，其它器件均关断；第二种状态是第二开关管(T2)或第二续流二极管(D2)导通，其它器件均关断。
5.根据权利要求 3所述三相四线桥式模块单元串联组合高压变换器，其特征在于，高压变换器的上桥臂由N个串联连接的三相四线桥式模块单元与4个桥臂电感连接构成，即第一个三相四线桥式模块单元(M1)每相的B端即与电源(V)的正极相连接，第一个三相四线桥式模块单元(M1)每相的C端与第二个三相四线桥式模块单元(M2)相同相的B端即Ua2AdA2相连接，依此连接规律，第i个三相四线桥式模块单元(Mi)每相的B端Ua1、Ub1、U。”Utji分别连接到第1-Ι个三相四线桥式模块单元(Mp1)相同相的C端，第i个三相四线桥式模块单元(Mi)每相的C端分别连接到第i+Ι个三相四线桥式模块单元(Mi+1)相同相的B端即
Ua(i+D、Ub(1.1)、Uc(i+i)、U0(i+1)， N个三相四线桥式模块单元连接后，第N个三相四线桥式模块单元(Mn)每相的C端分别与第一电感(Lap)、第二电感(Lbp)、第三电感(1^)和第四电感(Ltjp)连接。
6.根据权利要求3所述三相四线桥式模块单元串联组合高压变换器，其特征在于，三相四线高压变换器的下桥臂由4个桥臂电感与N个串联连接的三相四线桥式模块单元连接构成，其中第五电感(Lan)、第六电感(Lbn)、第七电感(Lm)和第八电感(Lm)分别与第N+1个三相四线桥式模块单元(Mn+1)每相的B端即Ua(N+l)、Ub (N+1)、UC(N+1)、U0(N+1) 相连接，第N+1个三相四线桥式模块单元(Mn+1)每相的C端与第N+2个三相四线桥式模块单元(Mn+2)相同相的B 立而艮 P Ua(N+2)、Ub (N+2)、Uc (N+2)、 U0(N+2)相连接，依此规律，N个三相四线桥式模块单元连接后，第2N个三相四线桥式模块单元(M2n)每相的C端即a_、b_、c_、o_端连接到电源(V)的负极，即构造成下桥臂。
7.根据权利要求3所述三相四线桥式模块单元串联组合高压变换器，其特征在于，三相四线高压变换器在上下桥臂电感的连接点即a、b、c、o点处引出，其中a、b、c点连接到三相星形连接的负载，ο`点连接到负载中点。
【文档编号】H02M7/483GK103825482SQ201410073339
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年2月28日 优先权日:2014年2月28日
【发明者】张波, 丘东元 申请人:华南理工大学