一種基于mmc的含電容器橋臂的單相-三相變流系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于MMC的含電容器橋臂的單相-三相變流系統(tǒng)，特別涉及交流電氣化鐵路、城市軌道交通機(jī)車車輛電力電子與電力傳動(dòng)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]電力電子裝置實(shí)現(xiàn)電壓變換和功率傳遞的技術(shù)分為交交(AC-AC)變換和交直交(AC-DC-AC)變換兩類，相比之下，交直交變換有更好的可控性和靈活性，因此，交直交變換是實(shí)現(xiàn)交流電壓變換和功率傳遞的主要手段。
[0003]交直交變換實(shí)現(xiàn)高壓交流電壓變換和功率傳遞，通常有兩種方式。一是低壓側(cè)并聯(lián)，高壓側(cè)級(jí)聯(lián)(串聯(lián))。此時(shí)，低壓側(cè)電壓受到電力電子器件的限制而較低，為了防止環(huán)流，往往需要借助工頻變壓器實(shí)現(xiàn)電壓匹配和隔離。二是采用交直交變換+中高頻變壓器+交直交變換方式，稱為電力電子變壓器(PET，power electronic transformer)或固態(tài)變壓器(SST, solid-state transformer)，由中高頻變壓器實(shí)現(xiàn)電壓匹配和隔離，其優(yōu)點(diǎn)是輸入側(cè)和輸出側(cè)均可級(jí)聯(lián)而適于較高電壓，中高頻變壓器體積大大縮小，但結(jié)構(gòu)明顯復(fù)雜，投資加大。
[0004]為了取消變換過(guò)程中的工頻或中高頻變壓器，德國(guó)慕尼黑聯(lián)邦國(guó)防軍大學(xué)的R.Marquardt和A.Lesnicar于2002年提出了模塊化多電平變流器(MMC, modularmultilevel converter)技術(shù)。MMC具有結(jié)構(gòu)對(duì)稱、模塊化程度高、互換性好、方便實(shí)現(xiàn)背靠背聯(lián)接、組合靈活、易于擴(kuò)展、開(kāi)關(guān)器件損耗小、諧波特性好等優(yōu)點(diǎn)，并且不用變壓器即可直掛于高壓系統(tǒng)，使其應(yīng)用領(lǐng)域愈發(fā)廣泛。
[0005]交流電氣化鐵路、城市軌道交通機(jī)車車輛的電力傳動(dòng)系統(tǒng)的功能就是實(shí)現(xiàn)由接觸網(wǎng)單相交流電壓和功率到三相交流電壓和功率的變換與傳遞，并且實(shí)現(xiàn)三相變頻、變壓以達(dá)到三相感應(yīng)電機(jī)牽引過(guò)程中光滑調(diào)速之需求，其傳統(tǒng)典型電路由單相牽引變壓器和交直交變流器構(gòu)成，其中交直交變流器是由單相兩橋臂變流器和三相三橋臂變流器“背靠背”聯(lián)接而成，引入MMC技術(shù)，用一個(gè)電感L與P個(gè)結(jié)構(gòu)相同的功率模塊串聯(lián)成半個(gè)橋臂，功率模塊為單相半橋結(jié)構(gòu)，皆由一個(gè)IGBT半橋和一個(gè)直流儲(chǔ)能電容構(gòu)成，這就形成了基于MMC的單相一三相變流器，在此基礎(chǔ)上，發(fā)明人提出申請(qǐng)了 “一種基于MMC的單相直掛交直交變流系統(tǒng)(發(fā)明申請(qǐng)?zhí)?201410181392.6)”，可以省卻其中的單相牽引變壓器而實(shí)現(xiàn)機(jī)車車輛的電力傳動(dòng)系統(tǒng)在25kV接觸網(wǎng)上直接受電?？紤]到直流儲(chǔ)能電容器橋臂造價(jià)遠(yuǎn)比包含IGBT的MMC橋臂造價(jià)低廉，本申請(qǐng)進(jìn)一步提出一種基于MMC的含電容器橋臂的單相-三相變流系統(tǒng)，通過(guò)配套的、特殊的控制手段，更經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)電力傳動(dòng)系統(tǒng)的電壓和功率的變換與傳遞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的就是提供一種基于MMC的含電容器橋臂的單相-三相變流系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電壓和功率的變換與傳遞，具有無(wú)功補(bǔ)償和變頻、變壓、變相等功能。
[0007]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題，所采用的技術(shù)方案為:一種基于MMC的含電容器橋臂的單相-三相變流系統(tǒng)，由單相兩橋臂變流器和三相三橋臂變流器“背靠背”聯(lián)接而成；橋臂分為電容器橋臂和MMC橋臂兩種；MMC橋臂由兩套相同的MMC鏈串聯(lián)而成；MMC鏈由一個(gè)電感L與P個(gè)結(jié)構(gòu)相同的功率模塊串聯(lián)；功率模塊為單相半橋結(jié)構(gòu)，均由一個(gè)IGBT半橋和一個(gè)直流儲(chǔ)能電容構(gòu)成；電容器橋臂和MMC橋臂的直流總電壓相等；其特征在于:在所述單相兩橋臂變流器和三相三橋臂變流器中至少有一個(gè)電容器橋臂，其余為MMC橋臂；電容器橋臂由兩套相同的電容器組串聯(lián)而成；電容器組均由同規(guī)格的直流儲(chǔ)能電容串并聯(lián)構(gòu)成。分三種情形:
[0008](I)單相兩橋臂變流器由一個(gè)電容器橋臂和一個(gè)MMC橋臂連接而成，MMC橋臂中點(diǎn)P1^電容器橋臂中點(diǎn)P 2形成單相交流端口 P #2，三相三橋臂變流器由三個(gè)MMC橋臂連接而成，三個(gè)MMC橋臂中點(diǎn)Sp S2、S3形成三相交流端口 S #2、S2S3和S 3S10
[0009](2)單相兩橋臂變流器由兩個(gè)MMC橋臂連接而成，一個(gè)MMC橋臂中點(diǎn)P1與另一個(gè)MMC橋臂中點(diǎn)己形成單相交流端口 P #2，三相三橋臂變流器由兩個(gè)MMC橋臂與一個(gè)電容器橋臂連接而成，兩個(gè)MMC橋臂中點(diǎn)Sp S2與電容器橋臂中點(diǎn)S 3形成三相交流端口 S #2、S2S3和 S3S10
[0010](3)單相兩橋臂變流器由一個(gè)電容器橋臂和一個(gè)MMC橋臂連接而成，MMC橋臂中點(diǎn)卩1與電容器橋臂中點(diǎn)P 2形成單相交流端口 P #2，三相三橋臂變流器由兩個(gè)MMC橋臂與一個(gè)電容器橋臂連接而成，兩個(gè)MMC橋臂中點(diǎn)Sp S2與電容器橋臂中點(diǎn)S3形成三相交流端口S1S2'S2S3和 S3S1O
[0011]本發(fā)明的工作原理是:含電容器橋臂的交流端口的交流電壓由電容器橋臂的一套電容器組(或兩套相同的電容器組中的另一套或電容器組)的直流電壓減去同端口的MMC橋臂中適當(dāng)數(shù)量的由IGBT半橋控制的直流儲(chǔ)能電容的電壓而得到；通過(guò)控制單相交流端口電壓與單相電源電壓的幅值和相位差，可以控制單相交流端口輸入/出的有功功率；單相交流端口還可補(bǔ)償單相交流端口的無(wú)功功率和諧波；不考慮變換器的損耗，三相交流端口總的平均有功功率等于單相交流端口的平均有功功率；牽引工況下有功功率由單相交流端口流向三相交流端口，再生制動(dòng)工況下有功功率由三相交流端口流向單相交流端口 ；三相交流端口的無(wú)功功率和諧波也可以獨(dú)立控制。
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0013]一、本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)無(wú)變壓器的高電壓場(chǎng)合的有功功率傳遞。
[0014]二、本發(fā)明最大限度地采用電容器橋臂，雖然控制方法特殊，但比起全部采用MMC橋臂更加經(jīng)濟(jì)，更容易推廣。
[0015]三、本發(fā)明除了用于有功功率傳遞場(chǎng)合外，還適用于無(wú)功功率與諧波補(bǔ)償和變頻、變壓、變相等場(chǎng)合。
[0016]四、本發(fā)明技術(shù)先進(jìn)、可靠，易于實(shí)施。
[0017]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1是本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)一示意圖。
[0019]圖2是本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)二示意圖。
[0020]圖3是本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)三示意圖。
[0021]圖4是本發(fā)明實(shí)施例MMC橋臂的一個(gè)半橋結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖5是本發(fā)明實(shí)施例MMC橋臂的功率模塊PM電路結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]實(shí)施例
[0024]圖1示出，本發(fā)明的第一種【具體實(shí)施方式】為:由單相兩橋臂變流器和三相三橋臂變流器“背靠背”聯(lián)接而成；單相兩橋臂變流器由一個(gè)MMC橋臂和一個(gè)電容器橋臂組成，其中MMC橋臂由兩套相同的MMC鏈MP1jP M P12串聯(lián)而成，電容器橋臂由兩套相同的電容器組CPjP C P2串聯(lián)而成，電容器組CPjP C P2皆由同規(guī)格的直流儲(chǔ)能電容串并聯(lián)構(gòu)成，電容器橋臂和麗C橋臂的直流總電壓相等，容量相等；三相三橋臂變流器由3個(gè)MMC橋臂組成，