一種矩陣式交-交高壓變頻器拓撲結構的製作方法

2023-09-15 20:52:20 1

專利名稱：：一種矩陣式交-交高壓變頻器拓撲結構的製作方法
技術領域：
：本發明涉及一種具有非傳統矩陣結構的矩陣式交-交高壓變頻器拓撲結構。
背景技術：
：高壓變頻器是一種採用電力電子變流技術，對高壓電動機進行無級調速，滿足生產工藝過程調速控制要求的專用電氣設備，具有效率高、節能效果好及功率因數高等特點，被廣泛應用於各個工業應用領域。由於電力電子開關器件耐壓相對較低的原因，高壓變頻器最常用的是級聯H橋式多電平變換器拓撲結構，例如，公開號為CN1414692的中國專利公開的《無諧波汙染高壓大功率變頻器》就是級聯H橋式多電平變換器拓撲結構。高壓變頻器也有採用二極體箝位式三電平變換器拓撲結構，例如，公開號為CN1996734的中國專利公開的《基於二極體箝位型三電平6kV高壓變頻器》。高壓變頻器還有採用IGBT直接串聯的高壓變頻器拓撲結構，例如，公開號為CN201054550的中國專利公開的《IGBT直接串聯高壓變頻器》和公開號為CN101^6838A的中國專利公開的《一種高能效IGBT直接串聯多電平高壓變頻調速裝置》。但上述各種高壓變頻器都需要輸入變壓器，甚至有些需要結構複雜的曲折變壓器，體積較大。在國際會議PowerTechConferenceProceedings,2003IEEEBologna中刊登的"Aninnovativemodularmultilevelconvertertopologysuitableforawidepowerrange」一文(作者Lesnicar，Α.和Marquardt，R.)和在《中國電機工程學報》2009年第29卷第30期1-6頁刊登的「新型多電平VSC子模塊電容參數與均壓策略」一文(作者丁冠軍等)，以及公開號為CN102013813A的中國專利公開的《一種無變壓器的四象限高壓變頻器拓撲結構》提出了一種採用半橋結構的模塊化級聯多電平變換器拓撲結構，可以實現四象限運行，並且不需要變壓器，但各子模塊直流側電容電壓波動受交流頻率影響較大，頻率越低，電容電壓波動越大，因此變頻器不適合從低頻率啟動和運行。上面所提到的高壓變頻器拓撲結構都屬於交-直-交變頻器結構，即先由交流變成直流(稱為整流)，再由直流變為交流(稱為逆變)。公開號為CN102185490A的中國專利公開的《交交直接變換的中壓變頻器》提出了一種交-交直接變換的變頻器拓撲結構，可實現交流到交流的直接變頻，但是它需要升壓和降壓變壓器，增加了體積和成本。在國際會議IndustrialElectronicsSociety,2001.IECON'01中刊登的「Anewfamilyofmatrixconverters"一文(EricksonR.W.和Al-Naseem0.Α·)和在《控制與決策》(2004年第19卷第10期第1159-1162頁)上刊登的「一種新穎的多電平矩陣變換器的建模與仿真」一文(作者張華強等)提出了一種H橋矩陣式多電平變換器拓撲結構，如圖1、圖Ia所示。該拓撲採用H橋代替了傳統矩陣變換器中的雙向開關，並在兩個交流側的每相上都串聯一個電感，其中，SM表示H橋功率單元。但是，該拓撲在控制時存在各單元直流側電容直接短路的風險。例如，如果矩陣的左上角4個單元支路處於導通狀態，如圖2所示，這4個單元就會形成一條閉合迴路，造成4個單元直流側電容之間短路。另外，該拓撲需要9個由H橋功率單元串聯而成的功率鏈，功率開關器件數目較多。
發明內容本發明的目的就是為解決上述問題，提供一種矩陣式交-交高壓變頻器拓撲結構，該拓撲結構直接進行交-交高壓變頻，可以實現四象限運行，採用非傳統的矩陣結構，大大減少了功率開關器件的數量，降低了成本。為實現上述目的，本發明採用如下技術方案一種矩陣式交-交高壓變頻器拓撲結構，所述變頻器每一個輸入相都通過至少兩條功率鏈分別連接到至少變頻器兩個輸出相，每一個輸出相則通過至少兩條功率鏈分別連接到至少兩個輸入相；其中每個功率鏈均由至少一個電感與至少一個H橋功率單元SM串聯而成。所述功率鏈由兩個電感L和至少一個H橋功率單元SM串聯而成，其中兩個電感L採用對稱方式，分別安置在兩個兩端處的H橋功率單元SM外端子處。所述H橋功率單元由四個帶反並聯二極體的功率電子開關和電容器構成。所述變頻器的輸入端直接或經過變壓器連接電源，輸出端連接電機或變壓器或另一電源。所述變頻器的輸入/輸出相為三相/三相、三相/兩相、兩相/三相或兩相/兩相。與現有技術相比，本發明的新穎性和創造性體現在1)三相/三相高壓變頻器只需要六個功率鏈，比現有矩陣式高壓變頻器所需要的九個功率鏈減少了三分之一，大大降低了成本和體積；2)每個功率鏈中都包含有電感，避免了H橋功率單元的直流側電容出現直接短路的風險；3)高壓變頻器可以不需要變壓器，減小了體積和成本。4)直接進行交-交變頻，不需要把交流變成直流，再把直流變成交流，提高了效率。本發明所涉及的一種矩陣式交-交高壓變頻器拓撲結構，具有成本低、體積小，可以實現四象限工作，可廣泛用於高壓電機驅動、風力發電、新能源發電併網接口、電網互聯、低頻輸電、FACTS或DFACTS裝置以及電力電子變壓器等應用場合。圖1是現有的矩陣式交-交高壓變頻器拓撲結構。圖Ia是圖1的H橋功率單元圖。圖2是現有的矩陣式交-交高壓變頻器拓撲結構的短路現象。圖3是本發明的三相/三相變頻器的一種拓撲結構。圖3a是圖3的一種功率鏈拓撲結構。圖北是本發明的三相/三相變頻器拓撲結構圖3的另一連接方式圖。圖3c是本發明的三相/三相變頻器拓撲結構圖3的另一連接方式圖。圖3d是本發明的三相/三相變頻器拓撲結構圖3的另一連接方式圖。圖!Be是本發明的三相/三相變頻器拓撲結構圖3的另一連接方式圖。圖3f是本發明的三相/三相變頻器拓撲結構圖3的另一連接方式圖。圖4是本發明的三相/兩相變頻器拓撲結構。圖5是本發明的兩相/三相變頻器拓撲結構。圖6是本發明的變頻器中功率鏈的另外一種拓撲結構。圖7是本發明的三相/三相變頻器用於電機驅動。圖8是本發明的變頻器用於直驅式風力發電併網。圖9是本發明的變頻器用於統一潮流控制器。圖10是本發明的變頻器用於電網互聯。圖11是本發明的變頻器用於電力電子變壓器的一個實施方案。圖12是本發明的變頻器用於電力電子變壓器的另一個實施方案。其中，1、H橋功率單元SM，2、功率鏈，3、變頻器拓撲結構。具體實施例方式下面結合附圖與實施例對本發明做進一步說明。圖1、圖Ia給出了H橋功率單元SM的拓撲結構圖，由四個帶反並聯二極體的功率電子開關(Sl、S2、S3和S4)與電容器C構成。Sl與S2、S3與S4先分別串聯再與電容器C並聯。實施例1圖3-圖3f給出了本發明的三相/三相變頻器的一種拓撲結構及一種功率鏈拓撲結構，包括六條功率鏈2。其中，功率鏈2由電感L與N個H橋功率單元SMl串聯而成，且N^l；輸入端A相通過兩條功率鏈2分別與輸出端U及V相相連，輸入端B相通過兩條功率鏈2分別與輸出端V及W相相連，輸入端C相通過兩條功率鏈2分別與輸出端W及U相相連；或者說，輸出端U相通過兩條功率鏈2分別與輸入端C及A相相連，輸出端V相通過兩條功率鏈2分別與輸入端A及B相相連，輸出端W相通過兩條功率鏈2分別與輸入端B及C相相連。輸入和輸出滿足每一個輸入相都通過兩條功率鏈2分別連接到兩個輸出相，每一個輸出相都通過兩條功率鏈2分別連接到兩個輸入相。圖北-圖3f給出了本發明的三相/三相變頻器的另外五種拓撲結構，其中都滿足每一個輸入相都通過兩條功率鏈分別連接到兩個輸出相，每一個輸出相都通過兩條功率鏈分別連接到兩個輸入相。實施例2圖4給出了本發明的三相/兩相變頻器的一種拓撲結構，其中滿足每一個輸入相都通過兩條功率鏈2分別連接到兩個輸出相，每一個輸出相都通過三條功率鏈2分別連接到三個輸入相。實施例3圖5給出了本發明的兩相/三相變頻器的一種拓撲結構，其中滿足每一個輸入相都通過三條功率鏈2分別連接到三個輸出相，每一個輸出相都通過兩條功率鏈2分別連接到兩個輸入相。實施例4:在本實施例中，變頻器可以採用實施例1-3的結構形式，但功率鏈替換為圖6給出的本發明的變頻器中功率鏈2的另外一種拓撲結構，由兩個電感和N個H橋功率單元SMl串聯而成，其中兩個電感採用對稱方式，分別安置在兩個外端子處。實施例5圖7給出了本發明的三相/三相變頻器用於電機驅動的實施方案，其中輸入端A、B和C並接電網，輸出端U、V和W連接電機，實現高壓電機四象限變頻驅動。實施例6圖8給出了本發明的變頻器用於直驅式風力發電併網的實施方案，其中輸入端A、B和C並接電網，輸出端U、V和W連接發電機，實現直接交-交併網風力發電。實施例7圖9給出了本發明的變頻器用於統一潮流控制器的實施方案，其中輸入端A、B和C並接電網，輸出端U、V和W連接到串聯變壓器串入到線路，對線路進行潮流控制或抑制振蕩。實施例8圖10給出了本發明的變頻器用於「背靠背」併網的實施方案，其中輸入端A、B和C連接電網1，輸出端U、V和W連接電網2，實現兩個電網的非同步併網。實施例9圖11給出了本發明的變頻器用於電力電子變壓器的一個實施方案，包括兩個三相/三相變頻器和一個三相中/高頻變壓器。其中第一個變頻器的輸入端A、B和C連接到電網1，其輸出端U、V和W連接三相中/高頻變壓器的一次側；第二個變頻器的輸入端A2、B2和C2連接另一個電網2，其輸出端U2、V2和W2連接中/高頻變壓器的二次側。兩個變頻器的功率鏈中的H橋功率單元數量取決於所本身連接電網的電壓等級。實施例10圖12給出了本發明的變頻器用於電力電子變壓器的一個實施方案，包括兩個三相/兩相變頻器和一個單相中/高頻變壓器。其中第一個變頻器的輸入端A、B和C連接到電網1，其輸出端U和V連接單相中/高頻變壓器的一次側；第二個變頻器的輸入端A2、B2和C2連接另一個電網2，其輸出端U2和V2連接單相中/高頻變壓器的二次側。兩個變頻器的功率鏈中的H橋功率單元數量取決於所本身連接電網的電壓等級。權利要求1.一種矩陣式交-交高壓變頻器拓撲結構，其特徵是，所述變頻器每一個輸入相都通過至少兩條功率鏈分別連接到至少變頻器兩個輸出相，每一個輸出相則通過至少兩條功率鏈分別連接到至少兩個輸入相；其中每個功率鏈均由至少一個電感與至少一個H橋功率單元SM串聯而成。2.如權利要求1所述的矩陣式交-交高壓變頻器拓撲結構，其特徵是，所述功率鏈由兩個電感L和至少一個H橋功率單元SM串聯而成，其中兩個電感L採用對稱方式，分別安置在兩個兩端處的H橋功率單元SM外端子處。3.如權利要求1或2所述的矩陣式交-交高壓變頻器拓撲結構，其特徵是，所述H橋功率單元由四個帶反並聯二極體的功率電子開關和電容器構成。4.如權利要求1所述的矩陣式交-交高壓變頻器拓撲結構，其特徵是，所述變頻器的輸入端直接或經過變壓器連接電源，輸出端連接電機或變壓器或另一電源。5.如權利要求1所述的矩陣式交-交高壓變頻器拓撲結構，其特徵是，所述變頻器的輸入/輸出相為三相/三相、三相/兩相、兩相/三相或兩相/兩相。全文摘要本發明公開了一種矩陣式交-交高壓變頻器拓撲結構，該拓撲結構直接進行交-交高壓變頻，可以實現四象限運行，採用非傳統的矩陣結構，大大減少了功率開關器件的數量，降低了成本。所述變頻器每一個輸入相都通過至少兩條功率鏈分別連接到至少變頻器兩個輸出相，每一個輸出相則通過至少兩條功率鏈分別連接到至少兩個輸入相；其中每個功率鏈均由至少一個電感與至少一個H橋功率單元SM串聯而成。本發明的三相/三相高壓變頻器只需要六個功率鏈，可以不需要變壓器，大大降低了成本和體積；實現四象限工作，可廣泛用於高壓電機驅動、風力發電、新能源發電併網接口、電網互聯、低頻輸電、FACTS或DFACTS裝置以及電力電子變壓器等應用場合。文檔編號H02J3/38GK102545644SQ201210066019公開日2012年7月4日申請日期2012年3月14日優先權日2012年3月14日發明者王廣柱申請人:山東大學