一种互补双极型多电平交-交变频器

本发明涉及多电平电力电子变换器，具体为一种互补双极型多电平交-交变频器。

背景技术：

1、低频输电通过降低输电频率，能够大幅提高传统工频交流输电的输电容量和输电距离，是实现中远距离海上风电的有力竞争方案，在低频输电系统中，交-交变频器是实现工频到低频变换的核心装置。

2、在低频输电等中高压、大容量场合中，备受关注的交-交变频器主要有btb-mmc、m3c、hexverter等，但它们或多或少存在着模块数多、控制困难、造价高昂等缺陷，因此，一种名为双极性多电平交-交变频器(bipolar multilevel ac-ac converter,bmac)的拓扑被提出，该方案采用一个双极型变压器实现了工/低频解耦，其具有模块数少、控制简单等优点，但是，bmac的双极型变压器副边同时存在工频分量和低频分量，这无疑增加了变压器的体积和重量，不利于降低变频器的建设成本，为此，我们提出一种互补双极型多电平交-交变频器。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种互补双极型多电平交-交变频器，在提高变频器传输容量的基础上，消除了变压器中的低频电流，减小变压器的体积，降低变频器的建设成本。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种互补双极型多电平交-交变频器，包括六相模块化多电平变频器、工频侧三相三绕组双极型变压器和低频侧三相三绕组双极型变压器；

3、所述的六相模块化多电平变频器包括a、a’、b、b’、c、c’六相，其中a、a’互为互补相，b、b’互为互补相，c、c’互为互补相，且每相均包括上桥臂和下桥臂；

4、所述的工频侧三相三绕组双极型变压器包括副边变压器tg1和副边星型变压器tg2，所述副边变压器tg1为正极变压器，其包括x、y、z三绕组，且绕组采用星形接法；所述副边星型变压器tg2为负极变压器，其包括x’、y’、z’三绕组，且绕组采用星形接法；

5、所述的低频侧三相三绕组双极型变压器包括副边变压器tl1和副边星型变压器tl2，所述副边变压器tl1为正极变压器，其包括x、y、z三绕组，且绕组采用星形接法；所述副边星型变压器tl2为负极变压器，其包括x’、y’、z’三绕组，且绕组采用星形接法。

6、进一步的，所述六相模块化多电平变频器和工频侧三相三绕组双极型变压器的连接方式为：

7、六相模块化多电平变频器a、a’相上桥臂与副边变压器tg1的x绕组相连，下桥臂与副边变压器tg2的x’绕组相连；b、b’相上桥臂与副边变压器tg1的y绕组相连，下桥臂与副边变压器tg2的y’绕组相连；c、c’相上桥臂与副边变压器tg1的z绕组相连，下桥臂与副边变压器tg2的z’绕组相连。

8、进一步的，所述六相模块化多电平变频器和低频侧三相三绕组双极型变压器的连接方式为：

9、六相模块化多电平变频器a、b、c三相上、下桥臂连接点分别与副边变压器tl1的x、y、z绕组相连；a’、b’、c’三相上、下桥臂连接点分别与副边变压器tl2的x’、y’、z’绕组相连。

10、进一步的，所述上桥臂、下桥臂均分别包含n个串联的全桥子模块和一个桥臂电感ls。

11、进一步的，所述全桥子模块包括第一igbt、第二igbt、第三igbt、第四igbt和第一电解电容，所述第一igbt的发射极连接第二igbt的集电极，并以该连接点作为该全桥子模块的正端；所述第三igbt的发射极连接第四igbt的集电极，并以该连接点作为该全桥子模块的负端；第一igbt的集电极、第三igbt的集电极和第一电解电容的正极相连接；第二igbt的发射极、第四igbt的发射极和第一电解电容的负极相连接；第一igbt、第二igbt、第三igbt以及第四igbt均连接有反并联二极管。

12、进一步的，所述工频侧三相三绕组双极型变压器中副边变压器tg1和副边变压器tg2中各绕组电压关系为：

13、x和x’绕组电压相位相差180°，y和y’绕组电压相位相差180°，z和z’绕组电压相位相差180°。

14、进一步的，所述低频侧三相三绕组双极型变压器中副边变压器tl1和副边变压器tl2各绕组电压关系为：

15、x和x’绕组电压相位相差180°，y和y’绕组电压相位相差180°，z和z’绕组电压相位相差180°。

16、进一步的，所述互补双极型多电平交-交变频器，其j(j＝a、b、c)相上桥臂电流的低频分量和j’相上桥臂电流的低频分量分别在m(m＝x、y、z)点相互抵消，其j相下桥臂电流的低频分量和j’相下桥臂电流的低频分量分别在m’点相互抵消，此时仅有工频电流流入工频侧三相三绕组变压器。

17、进一步的，所述互补双极型多电平交-交变频器，其j(j＝a、b、c)相上桥臂电流的工频分量和j相下桥臂电流的工频分量分别在m(m＝x、y、z)点相互抵消，其j’相上桥臂电流的工频分量和j’相下桥臂电流的工频分量分别在m’点相互抵消，此时仅有低频电流流入工频侧三相三绕组变压器。

18、进一步的，所述六相模块化多电平变频器j(j’)相上、下桥臂调制波yju(yj’u)、yjl(yj’l)的表达式分别为：

19、

20、式中，yj_l为低频调制分量，yj_g为工频调制分量，j＝a、b、c；

21、其中，所述工频调制分量yj_g，通过dq坐标系下的工频侧电流控制获得，具体步骤如下：

22、根据给定的电容电压参考值uc_ref，对所述互补双极型多电平交-交变频器所有电容电压的集合平均值uc_ave进行pi闭环控制，获得工频侧电流d轴参考值igd_ref；根据给定的工频侧无功功率qg_ref，对所述互补双极型多电平交-交变频器的工频侧无功功率qg进行pi闭环控制，获得工频侧电流q轴参考值igq_ref；

23、根据工频侧电流在dq坐标系下的参考值igd_ref和igq_ref，分别对所述互补双极型多电平交-交变频器工频侧电流在dq坐标系下的分量igd和igq进行pi控制，获得dq轴参考电压ugd_ref和ugq_ref；

24、将ugd_ref和ugq_ref变换到abc三相坐标系，获得工频调制分量yj_g，j＝a、b、c；

25、其中，所述低频调制分量yj_g，通过dq坐标系下的低频侧电流控制获得，具体步骤如下：

26、根据给定的低频侧有功功率参考值pl_ref，对所述互补双极型多电平交-交变频器低频侧有功功率pl进行pi闭环控制，获得低频侧电流d轴参考值ild_ref；根据给定的低频侧无功功率ql_ref，对所述互补双极型多电平交-交变频器的低频侧无功功率ql进行pi闭环控制，获得低频侧电流q轴参考值ilq_ref；

27、根据低频侧电流在dq坐标系下的参考值ild_ref和ilq_ref，分别对所述互补双极型多电平交-交变频器低频侧电流在dq坐标系下的分量ild和ilq进行pi控制，获得dq轴参考电压uld_ref和ulq_ref；

28、将uld_ref和ulq_ref变换到abc三相坐标系，获得低频调制分量yj_l，j＝a、b、c。

29、本发明至少具备以下有益效果：

30、1、本发明提出的一种互补双极型多电平交-交变频器，由六相构成，与原有方案相比，传输容量更大，容错率更高，且保留了模块化特点及简单的控制，系统可扩展性强。

31、2、本发明提出的一种互补双极型多电平交-交变频器，工频侧三绕组变压器中仅流过工频电流，低频侧三绕组变压器中仅流过低频电流，实现了工/低频电流的完全解耦，能够进一步减小变压器的体积和重量，具有较高的工程应用价值。

32、3、本发明提出的一种互补双极型多电平交-交变频器，是一种工/低频对称的拓扑，工低频侧可相互交换，能量能够双向流动，适用于包括分频输电、海上风电经分频输电并网等中高压交-交变频领域及其他交-交变频领域，具有广泛的应用前景。

33、当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。