三相四線橋式模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了三相四線橋式模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器，包括2N個三相四線橋式模塊單元和8個橋臂電感，其中三相四線高壓變換器的上橋臂由N個三相四線橋式模塊單元串聯(lián)后再相應(yīng)與4個橋臂電感的一端串聯(lián)構(gòu)成，下橋臂由另外4個橋臂電感的一端與另外N個三相四線橋式模塊單元依次串聯(lián)構(gòu)成，然后上橋臂的4個橋臂電感的另一端與下橋臂的4個橋臂電感的另一端串聯(lián)，上橋臂的4個橋臂電感與下橋臂的4個橋臂電感之間的4個連接點構(gòu)成對應(yīng)相橋臂的輸出端，上下橋臂電感的連接點構(gòu)成對應(yīng)相橋臂的交流輸出端及中線，交流輸出端接至三相星形連接方式的負載，中線接至負載中點。本發(fā)明減少了元器件，減少了功率單元數(shù)，組合簡單，可靠性更高。
【專利說明】三相四線橋式模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電力電子變換器或高電壓應(yīng)用領(lǐng)域，涉及三相四線橋式模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器拓撲的構(gòu)造。
【背景技術(shù)】
[0002]實現(xiàn)高壓大功率變換器的關(guān)鍵技術(shù)之一是大功率變換器拓撲，近幾十年來國際上對高壓大容量變換器進行了深入的研究，提出了眾多有意義的髙壓大容量拓撲。主要構(gòu)造拓撲的技術(shù)包括:1、功率開關(guān)器件直接串聯(lián)技術(shù)，其優(yōu)點是可以直接應(yīng)用現(xiàn)有拓撲，缺點是各功率開關(guān)器件串聯(lián)存在靜態(tài)和動態(tài)均壓問題，對功率開關(guān)器件的開通和關(guān)斷一致性要求較高，易于出現(xiàn)器件故障；2、多重化技術(shù)，其優(yōu)點是傳統(tǒng)H橋或者三相橋式電路通過多繞組工頻變壓器耦合，實現(xiàn)高電壓、低諧波輸出，缺點是需要用工頻多繞組變壓器，成本、損耗、復(fù)雜性增加，且有直流磁化現(xiàn)象；3、多電平技術(shù)，其優(yōu)點是直流側(cè)采用串聯(lián)直流電容實現(xiàn)功率開關(guān)器件均壓，缺點是功率開關(guān)器件的導(dǎo)通電流負荷不一致，造成各直流電容上直流電壓的不平衡，且拓撲較復(fù)雜；4、模塊組合多電平變換器即MMC變換器，其優(yōu)點是各相橋臂根據(jù)電壓等級，由多個相同的模塊化功率單元和兩個橋臂電感依次串聯(lián)構(gòu)成，實現(xiàn)了高度模塊化，在器件電流應(yīng)力、不平衡運行、故障保護等方面比一般多電平技術(shù)具有更明顯的優(yōu)勢，是目前高壓電能變換首選的變換器。
[0003]本發(fā)明在MMC變換器基礎(chǔ)上，提出一種模塊化程度更高的三相四線橋式模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提出一種三相四線橋式模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器，與現(xiàn)有高壓大容量變換器比較，模塊化程度更高，減少了元器件，減少了功率單元數(shù)，組合簡單，可靠性更高，且成本下降，在高壓大容量工業(yè)應(yīng)用中有廣闊的前景。本發(fā)明通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)。
[0005]三相四線橋式模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器，其包括2N個三相四線橋式模塊單元和8個橋臂電感，其中三相四線高壓變換器的上橋臂由N個三相四線橋式模塊單元串聯(lián)后再相應(yīng)與4個橋臂電感的一端串聯(lián)構(gòu)成，下橋臂由另外4個橋臂電感的一端與另外N個三相四線橋式模塊單元依次串聯(lián)構(gòu)成，然后上橋臂的4個橋臂電感的另一端與下橋臂的4個橋臂電感的另一端串聯(lián)，上橋臂的4個橋臂電感與下橋臂的4個橋臂電感之間的4個連接點構(gòu)成對應(yīng)相橋臂的輸出端，N為正整數(shù)。
[0006]進一步地，所述三相四線橋式模塊單元由8個帶續(xù)流二極管的功率開關(guān)元件及I個直流電容構(gòu)成。
[0007]進一步地，所述三相四線橋式模塊單元中，每2個功率開關(guān)元件串聯(lián)構(gòu)成I相，8個功率開關(guān)元件共構(gòu)成4相，即a相、b相、c相和ο相，其中每I相均各自包括第一開關(guān)管和第二開關(guān)管，第一開關(guān)管和第二開關(guān)管的兩端均與續(xù)流二極管連接，分別為第一續(xù)流二極管和第二續(xù)流二極管；第一開關(guān)管的正極接到A端，負極接到B端；第二開關(guān)管的正極接到B端，負極接到C端，其中B端、C端為輸出端。然后a相、b相、c相和ο相的A端相互連接，選擇ο相即中線相的A端接到直流電容的正極、C端接到直流電容的負極，直流電容上的電壓E=V/2N，V為輸入直流電源的電壓值。
[0008]進一步地，三相四線橋式模塊單元包括2種工作狀態(tài)，第一種狀態(tài)是第一開關(guān)管或第一續(xù)流二極管導(dǎo)通，其它器件均關(guān)斷；第二種狀態(tài)是第二開關(guān)管或第二續(xù)流二極管導(dǎo)通，其它器件均關(guān)斷。
[0009]進一步地，三相四線高壓變換器的上橋臂由N個串聯(lián)連接三相四線橋式模塊單元與4個橋臂電感連接構(gòu)成，即第一個三相四線橋式模塊單元每相的B端即與電源的正極相連接，第一個三相四線橋式模塊單元每相的C端與第二個三相四線橋式模塊單元相同相的B端即Ua2、Ub2、Uc2、U02相連接，依此連接規(guī)律，第i個三相四線橋式模塊單元的Ua1、Ub1、Uc1、Uoi分別連接到第1-Ι個三相四線橋式模塊單元相同相的C端，第i個三相四線橋式模塊單元每相的C端分別連接到第i+Ι個三相四線橋式模塊單元相同相的B端即Ua(i+D、Ub(i+1)、Uc(i+1)、Uo(i+1)， N個三相四線橋式模塊單元連接后，第N個三相四線橋式模塊單元每相的C端分別與第一電感、第二電感、第三電感和第四電感連接。
[0010]進一步地，三相四線高壓變換器的下橋臂由4個橋臂電感與N個串聯(lián)連接的三相四線橋式模塊單元依次連接構(gòu)成，第五電感、第六電感、第七電感和第八電感(Lm)分別與第N+1個三相四線橋式模塊單元每相的B端即
Ua(N+l)、Ub (N+1)、UC(N+1)、U0(N+1) 相連接，第N+1個三
相四線橋式模塊單元每相的C端與第N+2個三相四線橋式模塊單元相同相的B端即U相)、Ub(N+2)>Uc(N+2)、U0(N+2)相連接，依此規(guī)律，N個三相四線橋式模塊單元連接后，第2N個三相四線橋式模塊單元每相的C端即a_、b_、c_、o_端連接到電源的負極。
[0011]進一步地，三相四線高壓變換器在上下橋臂電感的連接點即a、b、C、O點處引出，其中a、b、c點連接到三相星形連接的負載，ο點連接到負載中點。
[0012]本發(fā)明與MMC變換器相比，具有如下優(yōu)點和技術(shù)效果:1、模塊化功率單元不同，MMC變換器采用單相模塊化功率單元，本發(fā)明是采用三相四線橋式模塊單元；2、組合方式不同，MMC變換器是單相模塊化功率單元串聯(lián)組合后、再三相組合，而本發(fā)明是三相四線橋式模塊化功率單元串聯(lián)一次組合完成。因而本發(fā)明與MMC變換器相比較，具有以下顯著的優(yōu)點:1、減少了元器件；2、模塊化程度更高；3、組合簡單；4、可靠性高；5、成本下降。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是構(gòu)成高壓變換器的三相四線橋式模塊單元結(jié)構(gòu)圖。
[0014]圖2是本發(fā)明的三相四線橋式模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器主電路圖。
[0015]圖3是具有2N=4個模塊的三相四線橋式模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器結(jié)構(gòu)圖。
[0016]圖4是采用多電平控制時具有2N=4個模塊的三相四線橋式模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器的3電平輸出電壓波形。
[0017]圖5是采用多電平控制時具有2N=4個模塊的三相四線橋式模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器的4電平輸出電壓波形。
具體實施方案
[0018]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施作進一步描述。[0019]圖1所示的是本發(fā)明的三相四線橋式模塊單元，三相四線橋式模塊單元由8個帶續(xù)流二極管的功率開關(guān)元件及I個直流電容構(gòu)成。其中每2個功率開關(guān)元件串聯(lián)構(gòu)成I相，8個功率開關(guān)元件共構(gòu)成4相，即a相、b相、c相和ο相，每I相均各自包括第一開關(guān)管T1和第二開關(guān)管T2，第一開關(guān)管T1的正極接到A端，負極接到B端，第二開關(guān)管T2的正極接到B端，負極接到C端，其中B端、C端為輸出端。然后a相、b相、c相和ο相的A端相互連接，選擇ο相即中線相的A端接到直流電容Ce的正極、C端接到直流電容Ce的負極，直流電容Ce上的電壓E=V/2N，V為輸入直流電源的電壓值。
[0020]按照圖1的三相四線橋式模塊單元結(jié)構(gòu)，包括2種工作狀態(tài)，第一種狀態(tài)是第一開關(guān)管或第一續(xù)流二極管導(dǎo)通，其它器件均關(guān)斷；第二種狀態(tài)是第二開關(guān)管或第二續(xù)流二極管導(dǎo)通，其它器件均關(guān)斷。
[0021]圖2所示的三相四線橋式模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器構(gòu)成方式如下:1、三相四線高壓變換器的上橋臂由N個串聯(lián)連接的三相四線橋式模塊單元與4個橋臂電感連接構(gòu)成，即第一個三相四線橋式模塊單元M1每相的B端即Ual、Ubl、Ucl、U01與電源V的正極相連接，第一個三相四線橋式模塊單元M1每相的C端與第二個三相四線橋式模塊單元M2相同相的B端即Ua2、Ub2、Uc2, U02相連接，依此連接規(guī)律，第i個三相四線橋式模塊單元Mi每相的B端即分別連接到第1-Ι個三相四線橋式模塊單元Mp1相同相的C端，第i個三相四線橋式模塊單元％每相的C端分別連接到第i+Ι個三相四線橋式模塊單元Mi+1相同相的B端即
Ua(i+D、Ub(1.1)、Uc(i+i)、U0(i+1)， N個三相四線橋式模塊單元連接后，第N個三相四線橋式模塊單元Mn每相的C端分別與第一電感Lap、第二電感Lbp、第三電感Lct和第四電感Ltjp連接；2、三相四線高壓變換器的下橋臂由4個橋臂電感與N個串聯(lián)連接的三相四線橋式模塊單元連接構(gòu)成，第五電感Lan、第六電感Lbn、第七電感Lm和第八電感Lm分別與第N+1個三相四線橋式模塊單元Mn+1每相的B端即
`Ua(N+l)、Ub (N+1)、Uc (n+1)、U0(N+1) 相連接，第N+1個三相
四線橋式模塊單元Mn+1每相的C端與`第N+2個三相四線橋式模塊單元Mn+2相同相的B端即Ua(N+2)、Ub (N+2)、Uc (N+2)、U0 (N+2) 相連接，依此規(guī)律，N個三相四線橋式模塊單元連接后，第2N個三相四線橋式模塊單元M2n每相的C端即a_、b_、c_、o_端連接到電源V的負極，即構(gòu)造成下橋臂；3、三相四線高壓變換器在上下橋臂電感的連接點即a、b、c、o點處引出，其中a、b、c點連接到三相星形連接的負載，ο點連接到負載中點。
[0022]圖3是一個具有2N=4個模塊的三相四線橋式模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器，它由4個三相四線橋式模塊札、M2、M3、]?4及8個電感值相同的橋臂電感Z構(gòu)成。采用多電平調(diào)制策略調(diào)節(jié)中線相電壓V。，可實現(xiàn)三相負載電壓vM、vb()、v。。多電平輸出，其中兩種不同的多電平電壓波形見圖4和5。
【權(quán)利要求】
1.一種三相四線橋式模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器，其特征在于包括2N個三相四線橋式模塊單元和8個橋臂電感，其中高壓變換器的上橋臂由N個三相四線橋式模塊單元串聯(lián)后再相應(yīng)與4個橋臂電感的一端串聯(lián)構(gòu)成，下橋臂由另外4個橋臂電感的一端與另外N個三相四線橋式模塊單元依次串聯(lián)構(gòu)成，然后上橋臂的4個橋臂電感的另一端與下橋臂的4個橋臂電感的另一端串聯(lián)，上橋臂的4個橋臂電感與下橋臂的4個橋臂電感之間的4個連接點構(gòu)成對應(yīng)相橋臂的輸出端，N為正整數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述三相四線橋式模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器，其特征在于，所述三相四線橋式模塊單元由8個帶續(xù)流二極管的功率開關(guān)元件及I個直流電容構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述三相四線橋式模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器，其特征在于，所述三相四線橋式模塊單元中，每2個功率開關(guān)元件串聯(lián)構(gòu)成I相，8個功率開關(guān)元件共構(gòu)成4相，即a相、b相、c相和ο相，其中每I相均各自包括第一開關(guān)管(T1)和第二開關(guān)管(T2),第一開關(guān)管(T1)和第二開關(guān)管(T2)的兩端均與續(xù)流二極管連接，分別為第一續(xù)流二極管(D1)和第二續(xù)流二極管(D2);第一開關(guān)管(T1)的正極接到A端，負極接到B端，第二開關(guān)管(T2)的正極接到B端，負極接到C端，其中B端、C端為輸出端；然后a相、b相、c相和ο相的A端相互連接，選擇ο相即中線相的A端接到直流電容(Ce)的正極、C端接到直流電容(Ce)的負極，直流電容(Ce)上的電壓E=V/2N，V為輸入直流電源的電壓值。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述三相四線橋式模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器，其特征在于，三相四線橋式模塊單元包括2種工作狀態(tài)，第一種狀態(tài)是第一開關(guān)管(T1)或第一續(xù)流二極管(D1)導(dǎo)通，其它器件均關(guān)斷；第二種狀態(tài)是第二開關(guān)管(T2)或第二續(xù)流二極管(D2)導(dǎo)通，其它器件均關(guān)斷。
5.根據(jù)權(quán)利要求 3所述三相四線橋式模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器，其特征在于，高壓變換器的上橋臂由N個串聯(lián)連接的三相四線橋式模塊單元與4個橋臂電感連接構(gòu)成，即第一個三相四線橋式模塊單元(M1)每相的B端即與電源(V)的正極相連接，第一個三相四線橋式模塊單元(M1)每相的C端與第二個三相四線橋式模塊單元(M2)相同相的B端即Ua2AdA2相連接，依此連接規(guī)律，第i個三相四線橋式模塊單元(Mi)每相的B端Ua1、Ub1、U?！盪tji分別連接到第1-Ι個三相四線橋式模塊單元(Mp1)相同相的C端，第i個三相四線橋式模塊單元(Mi)每相的C端分別連接到第i+Ι個三相四線橋式模塊單元(Mi+1)相同相的B端即
Ua(i+D、Ub(1.1)、Uc(i+i)、U0(i+1)， N個三相四線橋式模塊單元連接后，第N個三相四線橋式模塊單元(Mn)每相的C端分別與第一電感(Lap)、第二電感(Lbp)、第三電感(1^)和第四電感(Ltjp)連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述三相四線橋式模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器，其特征在于，三相四線高壓變換器的下橋臂由4個橋臂電感與N個串聯(lián)連接的三相四線橋式模塊單元連接構(gòu)成，其中第五電感(Lan)、第六電感(Lbn)、第七電感(Lm)和第八電感(Lm)分別與第N+1個三相四線橋式模塊單元(Mn+1)每相的B端即Ua(N+l)、Ub (N+1)、UC(N+1)、U0(N+1) 相連接，第N+1個三相四線橋式模塊單元(Mn+1)每相的C端與第N+2個三相四線橋式模塊單元(Mn+2)相同相的B 立而艮 P Ua(N+2)、Ub (N+2)、Uc (N+2)、 U0(N+2)相連接，依此規(guī)律，N個三相四線橋式模塊單元連接后，第2N個三相四線橋式模塊單元(M2n)每相的C端即a_、b_、c_、o_端連接到電源(V)的負極，即構(gòu)造成下橋臂。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述三相四線橋式模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器，其特征在于，三相四線高壓變換器在上下橋臂電感的連接點即a、b、c、o點處引出，其中a、b、c點連接到三相星形連接的負載，ο`點連接到負載中點。
【文檔編號】H02M7/483GK103825482SQ201410073339
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年2月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月28日
【發(fā)明者】張波, 丘東元 申請人:華南理工大學(xué)