一種岸電系統的逆變單元及逆變系統的製作方法
2024-03-05 17:05:15
本發明涉及電力電子技術領域，具體涉及一種岸電系統的逆變單元及逆變系統。
背景技術：
隨著電力電子裝置的應用範圍不斷擴大，大功率的電力變流器的廣泛應用，給電力系統帶來了諧波汙染、功率損耗等問題。目前岸電系統的電力電子裝置常用採用H橋級聯或MMC多電平電路，但是由於拓撲結構的限制會引入種種問題：器件的電壓和電流應力、功率因數和需要無功補償等。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種岸電系統的逆變單元及逆變系統，滿足岸電系統的供電要求，同時提高交流側的功率因數，並提高岸電系統的可靠性。
為了達到上述目的，本發明通過以下技術方案實現：一種岸電系統的逆變單元，其特點是，包含：
電網交流電源，被配置為逆變單元的輸入端；
隔離變壓器，所述的隔離變壓器的原邊線圈連接電網交流電源，所述的隔離變壓器包含兩個副邊線圈，將所述兩個副邊線圈分別標記為第一副邊線圈和第二副邊線圈；
第一整流橋，其輸入端連接所述第一副邊線圈的輸出端，所述的第一整流橋的輸出端被配置為逆變單元的第一隔離電源；
第二整流橋，其輸入端連接所述第二副邊線圈的輸出端，所述的第二整流橋的輸出端被配置為逆變單元的第二隔離電源；
逆變橋，其輸入端分別與所述的第一隔離電源的輸出端及第二隔離電源的輸出端連接，所述的逆變橋的輸出端被配置為逆變單元的輸出端；其中
所述的逆變橋包含兩個橋臂，所述的兩個橋臂分別與第一電源及第二電源連接，並且每一橋臂上設置一對互補導通功率半導體器件，每一功率半導體器件連接一驅動信號。
可選的，所述的逆變橋的四個功率半導體器件為相同的功率半導體器件，或者為不同的功率半導體器件。
可選的，所述的逆變橋的四個功率半導體器件為絕緣柵極雙極電晶體、門極可關斷晶閘管、電力場效應管及集成門極換流晶閘管中的一種或其組合。
可選的，所述的功率半導體器件連接的驅動信號由脈寬調製法、階梯波調製法、消除特定諧波法、載波調製法、空間矢量法及混合調製法中的一種實現。
可選的，所述的第一隔離電源輸出的電壓與第二隔離電源輸出的電壓的比值可變。
可選的，所述的電網交流電源為380V/50Hz、690V/50Hz及11kV/50Hz中的一種。
本發明還提供了一種岸電系統的逆變系統，其特點是，包含：若干個級聯的如上述的逆變單元。
可選的，所述的電網交流電源為380V/50Hz、690V/50Hz及11kV/50Hz中的一種，所述的逆變單元的輸出端用於輸出380V至11kV之間的電壓。
可選的，所述的逆變單元的輸出端用於輸出440V/60Hz、1.1kV/60Hz、6kV/60Hz及11kV/60Hz中的一種或多種。
本發明還提供了一種岸電系統的逆變系統，包含若干相逆變電路，所述的每一相逆變電路包含若干個級聯的如上述的逆變單元。
本發明一種岸電系統的逆變單元及逆變系統與現有技術相比具有以下優點：逆變單元中設有由四個功率半導體器件組成的逆變橋，通過驅動信號控制功率半導體器件的開關，使得逆變單元能夠輸出多電平；通過若干個逆變單元級聯，可以實現單相或多相逆變系統，滿足岸電系統的供電要求，同時提高交流側的功率因數，並提高岸電系統的可靠性。
附圖說明
圖1為本發明一種岸電系統的逆變單元的整體結構示意圖；
圖2為兩個逆變單元級聯的逆變系統的整體結構示意圖；
圖3為多相逆變系統的整體結構示意圖。
具體實施方式
本發明的目的在於提供一種岸電系統的逆變單元及逆變系統，滿足岸電系統的供電要求，同時提高交流側的功率因數，並提高岸電系統的可靠性。
以下結合附圖，通過詳細說明一個較佳的具體實施例，對本發明做進一步闡述。
圖1為本發明一種岸電系統的逆變單元的整體結構示意圖，如圖1所示，一種岸電系統的逆變單元(也可以稱之為單相非對稱四電平變換器)，包含：電網交流電源AC，被配置為逆變單元的輸入端；隔離變壓器T，所述的隔離變壓器T的原邊線圈連接電網交流電源AC，所述的隔離變壓器(或者是多輸出繞組隔離變壓器)T包含兩個副邊線圈，將所述兩個副邊線圈分別標記為第一副邊線圈和第二副邊線圈；第一整流橋U1，其輸入端連接所述第一副邊線圈的輸出端，所述的第一整流橋(三相橋式整流)U1的輸出端被配置為逆變單元的第一隔離電源，經第一電容C1濾波後輸出電壓為Vx1；第二整流橋(三相橋式整流)U2，其輸入端連接所述第二副邊線圈的輸出端，所述的第二整流橋U2的輸出端被配置為逆變單元的第二隔離電源，經第二電容C2濾波後輸出電壓為Vx2；逆變橋，其輸入端分別與所述的第一隔離電源的輸出端及第二隔離電源的輸出端連接，所述的逆變橋的輸出端被配置為逆變單元的輸出端，逆變單元的輸出電壓為Vxo；其中，所述的逆變橋包含兩個橋臂，所述的兩個橋臂分別與第一電源及第二電源連接，並且每一橋臂上設置一對互補導通功率半導體器件(Sx1和Sx2互補導通，Sx3和Sx4互補導通)，每一功率半導體器件連接一驅動信號。
在本實施例中，較佳的，所述的逆變橋的四個功率半導體器件為相同的功率半導體器件，或者為不同的功率半導體器件；優選地，所述的逆變橋的四個功率半導體器件為理想開關，比如絕緣柵極雙極電晶體(IGBT)、門極可關斷晶閘管(GTO)、電力場效應管(MOSFET)及集成門極換流晶閘管(IGCT)中的一種或其組合；在實際應用中，有些器件承受較高的電壓，但是開關的頻率低；有些器件承受較低的電壓，但是開關頻率高，所以可以選擇不同的器件，比如，對承受的電壓高而開關頻率低的器件採用耐壓高的低速器件，比如GTO；而對於承受的電壓低而開關頻率低的器件採用耐壓低的高頻器件，比如IGBT。
在本實施例中，所述的功率半導體器件連接的驅動信號由脈寬調製法(PWM)、階梯波調製法、消除特定諧波法、載波調製法、空間矢量法及混合調製法中的一種實現，通過不同的調製方法可以實現逆變單元的多電平輸出。
在本實施例中，所述的第一隔離電源輸出的電壓Vx1與第二隔離電源輸出的電壓Vx2的比值可變，通過改變Vx1和Vx2的比值，可以實現逆變單元的不同的電壓波形。
比如，若令Vx1E，Vx2Vx1則輸出電壓Vxo可為-2E、-E、0和E四種電平；若令Vx1 E，Vx22Vx1則輸出電壓Vxo可為-3E、-E、0和2E四種電平。
在本發明中還公開了一種岸電系統的逆變系統，其包含：若干個級聯的逆變單元。圖2為兩個逆變單元級聯的逆變系統的整體結構示意圖，如圖2所示，為包含兩個逆變單元的逆變系統，該逆變系統也稱之為單相級聯逆變系統，其輸出端是由兩個獨立的逆變單元的輸出疊加所得，可以由式1表示：
vAN v1o v2o (1)
其中，vAN表示逆變系統的輸出的相電壓，v1o和v2o分別表示兩個逆變單元的輸出電壓。
對於每個逆變單元，設V11E，V12E，V21E，V22E，則v1o可以為-2E、-E、0和E四種電平，而v2o也可以為2E、E、0和-E四種電平。
把兩個逆變單元的輸出電壓經過組合和疊加，vAN最多可以輸出-3E、-2E、-E、0、E、2E和3E共7個電平，其詳細0、E、2E和3E的組合如表1所示，同樣也可以給出-3E、-2E和-E的組合。從表1中可以看出，該逆變系統的輸出電壓存在冗餘組合，在實際應用中，可以通過選擇不同的組合來減少功率半導體器件的開關次數而減少損耗提高效率。
當第一隔離電源與第二隔離電源的電壓比值發生變化時，可以得到不同的輸出電平值。
再比如，設V11 4E，V12 E則v1o可以為-5E、-E、0和4E四種電平；設V21 E，V22 E則v2o也可以為2E、E、0和-E四種電平。此時逆變系統最多可以輸出5E、4E、3E、2E、E、0、-5E、-4E、-3E、-2E和-E共11種電平。
對於岸電系統而言，由於需要進行供電的船舶的類型多樣，功率、電壓等級也各不相同，而且我國電網採用的頻率為50Hz，電壓則有380V、690V、11kV等，而國外大部分船舶供電採用的是60Hz頻率，並且電壓可為440V，1.1kV，6kV或11kV等。因此可以針對不同的對象，設計不同的級聯逆變單元的個數來滿足不同的需求。
在本發明中，也可以通過若干個逆變單元級聯，實現包含多相逆變電路的逆變系統，即，每一相逆變電路包含若干個級聯的逆變單元，圖3為多相逆變系統的整體結構示意圖，如圖3所示，一個三相逆變電路，假設每個逆變單元的輸出電壓690V，可以通過5個(n＝5)逆變單元級聯，實現相電壓3450V，滿足線電壓6kV的需求。對於N相對稱的負載(三相或以上)可以通過N相直接供電；對於非對稱的負載，可以分別控制每相電路通過N相N+1(三相四線)線供電。
儘管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容後，對於本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護範圍應由所附的權利要求來限定。