一種基於mmc的中高壓變頻調速電路的製作方法

2023-10-09 21:45:19 2

一種基於mmc的中高壓變頻調速電路的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種基於MMC的中高壓變頻調速電路，包括：級聯整流電路、級聯逆變電路，輸入電容和輸出電容之間通過高頻隔離DC/DC變換器連接，高頻隔離DC/DC變換器包括：帶有四個功率開關器件的原邊H橋，原邊H橋的輸出端與高頻變壓器的原邊線圈連接，高頻變壓器副邊線圈與副邊H橋的輸入端連接，副邊H橋的輸出端跨接在輸出電容的兩端。本發明採用高頻隔離DC/DC變換器將MMC變頻調速系統的整流段和逆變端隔離。本發明無需使用工頻變壓器，可高效的實現能量的傳輸與回饋。由於增加了高頻隔離DC/DC變換器，使得整流器和逆變器可以安全工作不受彼此影響，在保證能量高效傳輸的同時實現更加安全可靠的工作。
【專利說明】—種基於圖C的中高壓變頻調速電路

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基於MMC (Modular Multilevel Converter)的中高壓變頻調速電路，是一種帶有高頻隔離的級聯MMC變頻器，是一種基於MMC的中高壓變頻調速電路。

【背景技術】
[0002]隨著科學技術與工業現代化的迅猛發展和對節約能源的要求，應用於大功率場合的中高壓電力電子變頻器起著越來越重要的作用。基於電力電子變壓器(PET )的中高壓變頻器在高電壓大功率變頻調速、有源電力濾波裝置和電力系統無功補償等領域已得到成功的應用。近年來，基於MMC的中高壓變頻調速系統因其諧波汙染低，模塊結構簡單且集成度高，容錯能力強等優勢，逐漸成為變頻調速領域的研究熱點。作為一種新型級聯式多電平變頻器，基於MMC的中高壓變頻器最主要的優勢在於擺脫了工頻變壓器的限制，在縮小自身體積的前提下大大提高了能量的傳輸效率，完美的功率因數調節以及低諧波汙染可以使得變頻器將從電網吸收的全部能量以非常低的損耗傳遞給負載。這為電力傳動系統尤其礦井變頻調速系統中能源節約以及能量的高效傳輸的實現提供了切實可行的方案。
[0003]雖然，基於MMC的中高壓變頻調速系統得到了一定程度的發展，但其自身存在的問題還需要進一步改進。針對基於MMC的背靠背變頻調速系統存在的整流側與逆變側不能完全實現有效隔離的問題，任何一側出現擊穿、短路等事故時，都會影響到另一側，甚至整個整流、逆變系統，使整個系統全部破壞。


【發明內容】

[0004]為了克服現有技術的問題，本發明提出了一種基於MMC的中高壓變頻調速電路。所述的電路能夠在實現整流和逆變隔離的基礎上提高能量的傳遞效率，實現變頻調速系統更加高效、可靠地運行。
[0005]本發明的目的是這樣實現的:一種基於MMC的中高壓變頻調速電路，包括:與三相電源連接的帶有多個MMC單元的級聯整流電路、與負載連接的帶有多個MMC單元的級聯逆變電路、串聯連接在級聯整流電路兩個輸出端的多個輸出電容，和串聯連接在級聯逆變電路輸入兩端的輸入電容，所述的輸出電容和輸入電容之間通過與至少一個高頻隔離DC/DC變換器連接，所述的高頻隔離DC/DC變換器包括:帶有四個功率開關器件的原邊H橋，所述的原邊H橋的輸入端跨接在一個輸出電容兩端，所述原邊H橋的輸出端與高頻變壓器的原邊線圈連接，所述的高頻變壓器副邊線圈與帶有四個功率開關器件的副邊H橋的輸入端連接，所述的副邊H橋的輸出端跨接在一個輸入電容的兩端。
[0006]進一步的，所述的功率開關器件是MOSFET或IGBT中的一種。
[0007]本發明產生的有益效果是:本發明採用高頻隔離DC/DC變換器將MMC變頻調速系統的整流側和逆變側隔離。使用本發明的變頻器無需使用移相工頻變壓器，可以高效的實現能量的傳輸與回饋。由於在變頻調速系統中增加了高頻隔離DC/DC變換器，使得整流器和逆變器可以安全工作不受彼此影響。這種變頻調速系統可以在保證能量高效傳輸的同時實現更加安全可靠的工作，從而使得此種基於MMC的中高壓變頻調速電路在大功率電力電子變壓器，大功率中高壓交-直-交變頻傳動等應用領域的具有重要的實用價值。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
[0009]圖1是本發明的實施例一所述電路的原理框圖；
圖2是本發明的實施例一所述電路的拓撲原理圖。

【具體實施方式】
[0010]實施例一:
本實施例是一種基於MMC的中高壓變頻調速電路，圖1、2所示。本實施例包括:與三相電源連接的帶有多個MMC單元的級聯整流電路、與負載連接的帶有多個MMC單元的級聯逆變電路、串聯連接在級聯整流電路兩個輸出端的多個輸出電容，和串聯連接在級聯逆變電路輸入兩端的輸入電容，所述的輸出電容和輸入電容之間通過與至少一個高頻隔離DC/DC變換器連接，所述的高頻隔離DC/DC變換器包括:帶有四個功率開關器件的原邊H橋，所述的原邊H橋的輸入端跨接在一個輸出電容兩端，所述原邊H橋的輸出端與高頻變壓器的原邊線圈連接，所述的高頻變壓器副邊線圈與帶有四個功率開關器件的副邊H橋的輸入端連接，所述的副邊H橋的輸出端跨接在一個輸入電容的兩端。
[0011]本實施例所述的中高壓變頻調速電路包括三個部分:級聯整流電路、高頻隔離DC/DC變換器和級聯逆變電路，如圖1所示。
[0012]級聯整流電路包括MMC單元、三相輸入電感、橋臂電感、輸出電容。級聯整流電路的作用是將三相輸入側的交流高壓整流為直流。每個MMC單元包括兩個功率開關器件，兩個功率開關器件串聯，串聯後的功率開關器件與儲能電容並聯從而組成一個MMC單元。本實施例為三相電源輸入，每一相串聯的MMC單元分為上下橋臂兩部分，上下橋臂部分經兩個橋臂電感連接到一起。每相輸入電感分別連接輸入電源和橋臂電感連接中點。每相MMC單元剩餘的兩個公共端並聯在一起組成一組直流母線，直流母線的兩端與輸出電容相連，共同組成三相星接的級聯整流器。MMC單元的個數由三相輸入電壓確定。對於三相電源來說至少應當有六個MMC單元,即每相在整流過程中使用兩個MMC單元,而三相則是六個。如果要將變頻電路用在更高的電壓工作場合，可以串聯更多的MMC單元。所需MMC單元的個數是根據三相輸入電壓和每個功率開關器件的耐壓能力決定的。
[0013]本實施例中直流母線的兩端(包括整流側和逆變側)連接的輸出電容和輸入電容可以是兩個單個電容，也可以是兩串串聯的電容。串聯電容的個數可以與高頻隔離DC/DC變換器個數相同，也可以不同。在通常情況下，如果只有一個高頻隔離DC/DC變換器，則可以只使用一個輸出電容和一個輸入電容，如果有兩個高頻隔離DC/DC變換器則需要使用兩個輸入電容和兩個輸出電容，餘此類推。
[0014]高頻隔離DC/DC變換器是本實施例的關鍵，其中包括兩組對稱的H橋(原邊H橋和副邊H橋)、高頻變壓器等。高頻隔離DC/DC變換器的作用是實現整流側和逆變側的隔離，將整流側的能量傳遞到逆變側，同時防止逆變側或整流側任何一方出現事故而影響另一側，避免事故的擴散，保證電網或負載的安全。
[0015]每一組H橋包括4個大功率的功率開關器件。功率開關器件兩個一組串聯起來然後再並聯到一起組成H橋。高頻變壓器主要起到隔離作用，其原邊和副邊分別接兩組H橋的交流端，組成高頻隔離DC/DC變換器。原邊H橋在功率開關器件的觸發信號的控制下，將整流電路輸出的直流電變換為高頻交流電，通過高頻變壓器的原、副邊的感應，在副邊產生高頻交流電，再經過副邊H橋，在副邊H橋的功率開關器件的觸發信號控制下，將高頻交流電變換為直流電。根據功率傳遞要求，高頻隔離DC/DC變換器可以單獨使用，也可以若干個並聯使用，實現能量的高效傳輸。
[0016]本實施例所述的大功率的功率開關器件是指額定功率在數千瓦，或數十千瓦的功率開關器件。在MMC和H橋中的這些功率開關器件可以是各種形式的功率開關器件，例如:MOSFET或IGBT，以及其他相應的器件。
[0017]功率開關器件組成的高頻隔離DC/DC變換器的優勢在於:更改功率開關器件的觸發信號，可以控制電路中能量的雙向傳輸。本實施例也正是利用了高頻隔離DC/DC變換器的這一優勢。在傳統使用工頻變壓器的變頻調速系統中，工頻變壓器的體積和成本是很大的。原因很簡單，在工頻下傳遞較大的功率，就需要較大體積的工頻變壓器，較大體積的工頻變壓器意味著成本的增加。而本實施例利用高頻隔離DC/DC變換器取代傳統的工頻變壓器，在提高能量傳輸效率的前提下，減少了電路的體積，降低了電路的製作成本。
[0018]如同變頻調速電路中增加MMC模塊單元一樣，高頻隔離DC/DC變換器的個數主要由整個負載的功率和使用的功率開關器件的功率(成本)決定。並聯多個高頻隔離DC/DC變換器，可以使逆變器的額定功率成倍增加。
[0019]高頻變壓器的變比可以選擇為1:1，也可以選擇為其它變比。變比的選擇完全根據具體場合的需要進行。在多數情況下可以選擇變比為1:1，這樣可以隨意的進行能量進出方向的調整。而在一些特殊的場合下，例如需要優化某個參數，比如功率、電流、功率因數等，則可以通過選擇合適的變比，並配合合適的控制策略來實現上述目的。
[0020]級聯逆變電路包括輸入電容、MMC單元、橋臂電感以及負載。級聯逆變電路的作用是將DC/DC變換器得到的電壓逆變為三相交流電供負載使用。與級聯整流電路類似，級聯逆變器的每個MMC單元同樣包括兩個大功率MOSFET或IGBT (功率開關器件)，兩個功率開關器件串聯，串聯後的功率開關器件與儲能電容並聯從而組成一個MMC模塊單元。每相MMC單元的兩個公共端並聯在一起組成一組直流母線，直流母線的兩端與輸出電容相連。每一相串聯MMC單元分為上下橋臂兩部分，上下橋臂部分經兩個橋臂電感連接到一起。橋臂電感連接中點與負載相連，組成級聯式多電平逆變電路。
[0021]級聯逆變電路中的MMC單元的個數與級聯整流電路中的MMC單元個數可以相同，也可以不相同。主要根據負載的整個變頻調速電路的額定功率、功率開關器件的成本綜合考慮，確定MMC模塊單元的個數。
[0022]由於在本實施例中，對輸入端和輸出端而言，電路都是完全對稱的，因此，本實施例的輸入端和輸出端是相對的，只要改變變頻器電路的控制方式，輸入端可以成為輸出端，而輸出端則變為輸入端。這樣的電路有一個優勢，即在一些場合下，可以實現能力互換。例如:本實施例應用在抽水蓄能發電站的發電機-水泵電機的場合，就可以發揮極大的作用。在抽水蓄能的過程中，負載(水泵電機)使用電網的電能驅動水泵；當利用蓄水池中的水流發電時剛好相反，水泵電機成了發電機，輸出能量，而原來吸取電網能量的一端成為負載端。而使用本實施例的整流、隔離和逆變電路，其硬體完全不用改變，也無需使用倒閘等手段，只需改變各個MMC單元和高頻隔離DC/DC變換器各個功率開關器件的觸發信號控制方式，就可以隨意的改變能量的流動方向。如果各個MMC單元和高頻隔離DC/DC變換器各個功率開關器件，使用了具有數字存儲和計算功能的數字處理裝置對各個可控制器件進行功率開關器件的觸發信號控制，則在能量方向的掌控方面，只需更改數字處理裝置中的軟體即可，實現了軟供電控制。
[0023]實施例二:
本實施例是實施例一的改進，是實施例一關於功率開關器件的細化。本實施例所述的功率開關器件是MOSFET或IGBT中的一種。
[0024]最後應說明的是，以上僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳布置方案對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案(比如整個電路的連接方式、MMC和H橋的連接方式等)進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍。
【權利要求】
1.一種基於MMC的中高壓變頻調速電路，包括:與三相電源連接的帶有多個MMC單元的級聯整流電路、與負載連接的帶有多個MMC單元的級聯逆變電路、串聯連接在級聯整流電路兩個輸出端的多個輸出電容，和串聯連接在級聯逆變電路輸入兩端的輸入電容，其特徵在於，所述的輸出電容和輸入電容之間通過與至少一個高頻隔離DC/DC變換器連接，所述的高頻隔離DC/DC變換器包括:帶有四個功率開關器件的原邊H橋，所述的原邊H橋的輸入端跨接在一個輸出電容兩端，所述原邊H橋的輸出端與高頻變壓器的原邊線圈連接，所述的高頻變壓器副邊線圈與帶有四個功率開關器件的副邊H橋的輸入端連接，所述的副邊H橋的輸出端跨接在一個輸入電容的兩端。
2.根據權利要求1所述的中高壓變頻調速電路，其特徵在於，所述的功率開關器件是MOSFET或IGBT中的一種。
【文檔編號】H02M5/44GK104319999SQ201410572061
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月24日 優先權日:2014年10月24日
【發明者】崔義森 申請人:天地科技股份有限公司