一种y型模块化多电平大功率交交变流器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于高电压、大功率电力变换装置拓扑结构及其控制策略领域，涉及一种Y 型模块化多电平大功率交交变流器。
【背景技术】
[0002] 高电压大功率交交变流器的实际工程应用非常广泛，在异步联网、海上风电、远距 离分频输电、海洋油气开采及未来海底输配电系统建设等方面都具有非常重要的作用。此 外，在轨道交通、采矿、冶炼、乳钢等电力传动以及高电压大功率电源行业领域，大功率交交 变流器同样不可或缺。
[0003] 模块化多电平矩阵式变流器(modular multilevel matrix converter，M3C)由美 国科罗拉多大学的R.W.Erickson和0. A. Al-Naseem于2001年提出。M3C保留了模块化多电平 变流器(modular multilevel converter，MMC)的模块化多电平优点，同时具备高电压大容 量的特性，可以直接实现交交功率变换，但M3C的拓扑结构复杂，实现交交功率变换需要9个 桥臂，每个桥臂均需要η个子模块，从而体积较大，成本较高，可靠性较差;且M3C内部环流通 道众多，其环流分析及抑制策略复杂。此外，由M3C连接的两侧三相交流系统之间电气耦合 程度高，一侧系统的每一相都经由三个桥臂与另一侧系统的三相相连接，若一侧系统的任 何一相发生故障，M3C均无法实现稳定的功率传输。德国汉诺威-莱布尼茨大学的Lennart Baruschka和Axel Mertens于2011年提出了一种可应用于高电压大功率场合的新型六边形 模块化多电平交交变流器(Hexverter)。与MMC和M3C相比，Hexverter只使用6个桥臂就可以 实现两个不同频率和幅值的三相交流系统的连接，降低了设备体积和生产成本，但 Hexverter的拓扑结构决定了其内部环流通道只有一条，其正常运行时系统必须满足严格 的无功约束条件，从而大大限制了此新型交交变流器在实际工程中的应用。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种Y型模块化多电平大功 率交交变流器，该变流器的可靠性较高，并且结构简单、成本低，能够独立实现输入和输出 系统的有功功率及无功功率控制，并且能够通过无功功率在主桥臂和辅助桥臂之间的合理 分配实现对系统整体性能的优化，应用范围较广。
[0005] 为达到上述目的，本发明所述的Y型模块化多电平大功率交交变流器包括第一主 桥臂、第二主桥臂、第三主桥臂、第一辅助桥臂、第二辅助桥臂、第三辅助桥臂、第四辅助桥 臂、第五辅助桥臂、第六辅助桥臂及中性点；
[0006] 第一辅助桥臂的一端、第二辅助桥臂的一端、第三辅助桥臂的一端分别与输入侧 三相电网的u端、V端及w端相连接，第四辅助桥臂的一端、第五辅助桥臂的一端及第六辅助 桥臂的一端分别与输出侧电网的a端、b端及c端相连接，第一辅助桥臂的另一端及第四辅助 桥臂的另一端与第一主桥臂的一端相连接，第二辅助桥臂的另一端及第五辅助桥臂的另一 端与第二主桥臂的一端相连接，第三辅助桥臂的另一端及第六辅助桥臂的另一端与第三主 桥臂的一端相连接，第一主桥臂的另一端、第二主桥臂的另一端及第三主桥臂的另一端均 与中性点相连接。
[0007] 第一主桥臂、第二主桥臂及第三主桥臂均由η个第一H桥子模块级联而成，其中，第 一主桥臂中的第一个第一 H桥子模块与第一辅助桥臂及第四辅助桥臂相连接，第二主桥臂 中的第一个第一 H桥子模块与第二辅助桥臂及第五辅助桥臂相连接，第三主桥臂中的第一 个第一 H桥子模块与第三辅助桥臂及第六辅助桥臂相连接，第一主桥臂中的最后一个第一 H 桥子模块、第二主桥臂中的最后一个第一 H桥子模块及第三主桥臂中的最后一个第一11桥子 模块均与中性点相连接。
[0008] 第一辅助桥臂、第二辅助桥臂、第三辅助桥臂、第四辅助桥臂、第五辅助桥臂及第 六辅助桥臂均由电感、等效电阻及η/2个第二H桥子模块依次级联而成，其中，第一辅助桥臂 中的电感、第二辅助桥臂中的电感及第三辅助桥臂中的电感分别与输入侧三相电网的u端、 V端及w端相连接，第四辅助桥臂中的电感、第五辅助桥臂中的电感及第六辅助桥臂中的电 感分别与输出侧电网的a端、b端及c端相连接，第一辅助桥臂中的最后一个第二H桥子模块 及第四辅助桥臂中的最后一个第二H桥子模块与第一主桥臂相连接，第二辅助桥臂中的最 后一个第二H桥子模块及第五辅助桥臂中的最后一个第二H桥子模块与第二主桥臂相连接， 第三辅助桥臂中的最后一个第二H桥子模块及第六辅助桥臂中的最后一个第二H桥子模块 与第三主桥臂相连接。
[0009] 通过输入侧电网及输出侧电网的有功电流与无功电流的前馈解耦控制调节流过 第一主桥臂、第二主桥臂及第三主桥臂上的电流。
[0010]第一主桥臂、第二主桥臂及第三主桥臂采用定有功功率及交流电压控制输入侧电 网。
[0011] 第一主桥臂、第二主桥臂及第三主桥臂采用定直流电压及交流电压控制输出侧电 网。
[0012] 第一辅助桥臂、第二辅助桥臂、第三辅助桥臂、第四辅助桥臂、第五辅助桥臂及第 六辅助桥臂对其交流电压采用电流定向的定直流电压进行控制。
[0013] 引入无功功率分配系数kl和k2,通过无功功率分配系数kl和k2实现无功功率在主 桥臂和辅助桥臂之间的分配。
[0014] 本发明具有以下有益效果：
[0015] 本发明所述的Y型模块化多电平大功率交交变流器通过九个桥臂组成3个Y型结 构，再通过中性点将三个Y型结构相连接，既可以直接连接两个不同频率及幅值的三相交流 系统，实现高压风力发电、异步联网及低频输电的功能，同时还可以直接连接无源负荷作为 高压变频电源和高压电力传动变频使用，使用范围较为广泛，同时采用模块化设计，将一个 主桥臂与两个辅助桥臂组成Y型结构，可靠性及对称性较好，并且设计较为简单，制作成本 较低，同时等效桥臂数较少，所提出的控制策略能够实现输入电网系统及输出电网系统的 无功功率与有功功率的独立控制。
【附图说明】
[0016] 图1为本发明的等效电路图；
[0017] 图2为本发明中一相的等效电路
[0018] 图3为本发明中输入侧一相的等效电路
[0019] 图4为本发明中输出侧一相等效电路
[0020] 图5为本发明的一控制策略框图；
[0021]图6为本发明的又一控制策略框图；
[0022]图7为本发明稳态运行时桥臂调制波分配示意图；
[0023]图8为仿真实验中Iu = I，k2 = 1时输入侧三相电压电流波形图；
[0024] 图9为仿真实验中Iu = I，k2 = 1时输出侧三相电压电流波形图；
[0025] 图10为仿真实验中lu = l，k2 = 1时传输的有功功率和无功功率波形图；
[0026] 图11为仿真实验中lu = l，k2 = l时主桥臂和辅助桥臂直流电容电压波形图；
[0027]图12为仿真实验中ki = I，k2 = 1时输入侧电流频谱分析图；
[0028] 图13为仿真实验中ki = I，k2 = 1时输出侧电流频谱分析图；
[0029] 图14为仿真实验中lu = l，k2 = l时输入侧辅助桥臂调制波波形图；
[0030] 图15为仿真实验中lu = l，k2 = l时输出侧辅助桥臂调制波波形图；
[0031] 图16为仿真实验中ki = I，k2 = 1时主桥臂调制波波形图；
[0032]图17为仿真实验中Iu = 0.6，k2 = 0.6时输入侧三相电压电流波形图；
[0033]图18为仿真实验中Iu = 0.6，k2 = 0.6时输出侧三相电压电流波形图；
[0034]图19为仿真实验中Iu = O. 6，k2 = 0.6时传送的有功功率和无功功率波形图；
[0035]图20为仿真实验中Iu = O.6，k2 = 0.6时主桥臂和辅助桥臂直流电容电压波形图；
[0036] 图21为仿真实验中ki = 0.6，k2 = 0.6时输入侧电流频谱分析图；
[0037] 图22为仿真实验中Iu = 0.6，k2 = 0.6时输出侧电流频谱分析图；
[0038]图23为仿真实验中Iu = 0.6，k2 = 0.6时输入侧辅助桥臂调制波波形图；
[0039]图24为仿真实验中Iu = 0.6，k2 = 0.6时输出侧辅助桥臂调制波波形图；
[0040] 图25为仿真实验中ki = 0.6，k2 = 0.6时主桥臂调制波波形图。
【具体实施方式】
[0041] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
[0042] 参考图1，本发明所述的Y型模块化多电平大功率交交变流器包括第一主桥臂1N、 第二主桥臂2N、第三主桥臂3N、第一辅助桥臂ul、第二辅助桥臂vl、第三辅助桥臂wl、第四辅 助桥臂al、第五辅助桥臂b2、第六辅助桥臂c3及中性点N;第一辅助桥臂ul的一端、第二辅助 桥臂vl的一端、第三辅助桥臂wl的一端分别与输入侧三相电网的u端、V端及w端相连接，第 四辅助桥臂al的一端、第五辅助桥臂b2的一端及第六辅助桥臂c3的一端分别与输出侧