一種基于自耦變壓器的四象限電流源換流器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于自耦變壓器的四象限電流源換流器，包括：自耦變壓器，交流電源，電感，第一三相整流橋、第二三相整流橋和直流諧波注入電路；其中，第一三相整流橋與第二三相整流并聯(lián)；自耦變壓器的輸入端經(jīng)電感與交流電源的輸出端相連，其輸出端與第一三相整流橋和第二三相整流橋的輸入端相連，第一三相整流橋和第二三相整流橋的輸出端與直流諧波注入電路相連。本發(fā)明主拓撲采用自耦變壓器為基礎(chǔ)，通過兩組三相橋連接直流注入電路，通過控制直流電路的注入電流，對自耦變壓器的輸出電流進行調(diào)制，進而達到抑制諧波的目的。
【專利說明】
一種基于自耦變壓器的四象限電流源換流器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及電流源換流器，具體講涉及一種基于自耦變壓器的四象限電流源換流 器。
【背景技術(shù)】
[0002] 兩個三相全橋變換器通過一個△-Y，Y-Y連接的隔離變壓器并聯(lián)或串聯(lián)在一起的 傳統(tǒng)的12脈波換流器能減小一定程度的諧波，但整流變壓器的額定容量比輸出容量高，所 以用自耦變壓器取代隔離變壓器來減小變壓器的繞組容量。另外換流電路中大量采用PWM 技術(shù)來有效調(diào)節(jié)輸出電壓，使輸出電流接近正弦波，其缺陷是成本高，開關(guān)損耗大，效率不 尚。
[0003] 目前作為高壓變壓器的自耦變壓器一般用在高壓輸電或是企業(yè)用電由高壓變低 壓，因其體積小、容量大，節(jié)約材料，而廣受歡迎。
[0004] 近30年來，對VSC型的AC/DC換流器的研究已經(jīng)相對成熟，世界上容量最大的VSC換 流器目前可達幾百MVA，電壓達幾百kV，目前工業(yè)應(yīng)用的變流裝置的容量仍未超過GVA、超過 500kV見。VSC換流器一般由IGBT開關(guān)元件和電力電容器構(gòu)成，由于IGBT開關(guān)損耗高，效率低 于98%。因此，VSC不具有直流電壓大范圍控制能力，難以滿足人們對于高效率、大容量、長 距離的輸電要求。
[0005]已有的用于電能傳輸?shù)膿Q流器容量最大可達數(shù)GW、電壓等級最高達SOOkV)的晶閘 管LCC型CSC具有雙向控制有功的能力，由于晶閘管屬于半控型器件，三相橋觸發(fā)角的移相 范圍為0°-180°，只能通過觸發(fā)信號控制其開通，而無法控制其關(guān)斷，而，不具有無功控制能 力，需要配備緩沖電容來吸收無功，這就致使裝置體積較大，在工程應(yīng)用中使用不便。
[0006] 因此，需要提供一種技術(shù)方案來滿足現(xiàn)有技術(shù)的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于自耦變壓器的四象限電流源 換流器，其包括：自耦變壓器，交流電源，電感，第一三相整流橋、第二三相整流橋和直流諧 波注入電路；
[0008] 第一三相整流橋與第二三相整流并聯(lián)；自耦變壓器的輸入端經(jīng)電感與交流電源的 輸出端相連，其輸出端與第一三相整流橋和第二三相整流橋的輸入端相連，第一三相整流 橋和第二三相整流橋的輸出端與直流諧波注入電路相連。
[0009] 自耦變壓器包括:三相鐵芯和纏繞在所述三相鐵芯上的短繞組及長繞組;每相鐵 芯的短繞組設(shè)有中間抽頭和兩側(cè)抽頭，中間抽頭經(jīng)電感與交流電源的輸出端相連，兩側(cè)繞 組抽頭與第一三相整流橋和第二三相整流橋的的輸入端相連。
[0010] 三相鐵芯包括:A相鐵芯、B相鐵芯和C相鐵芯;A相鐵芯的短繞組一端(a'）與C相鐵 芯的長繞組一端相連，B相鐵芯的短繞組一端(b'）與A相鐵芯的長繞組一端相連，所C相鐵芯 的短繞組一端（c'）與B相鐵芯的長繞組一端相連;A相鐵芯的短繞組另一端(a"）與B相鐵芯 的長繞組另一端相連;B相鐵芯的短繞組另一端(b"）與C相鐵芯的長繞組另一端相連;C相鐵 芯的短繞組另一端(c"）與所述A相鐵芯的長繞組另一端相連。
[0011] 每相長繞組和所述短繞組同相繞制;每相長繞組和短繞組的匝數(shù)比為1:5.46。
[0012] 直流諧波注入電路包括:并聯(lián)的多級直流諧波注入支路;直流諧波注入支路包括： 全控型器件IGBT、二極管和雙繞組平波電抗;全控型器件IGBT-端與第一三相整流橋和所 述第二三相整流橋的輸出端相連，另一端與二極管一端相連;二極管的另一端與雙繞組平 波電抗的輸入端相連，雙繞組平波電抗的輸出端連接負載。
[0013] 與最接近的現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的技術(shù)方案具有以下益效果：
[0014] 1、本發(fā)明主拓撲采用自耦變壓器為基礎(chǔ)，通過兩組三相橋連接直流注入電路，通 過控制直流電路的注入電流，對自耦變壓器的輸出電流進行調(diào)制，進而達到抑制諧波的目 的。
[0015] 2、本發(fā)明的整個拓撲結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)12脈波晶閘管電路的觸發(fā)角移相范圍擴展從-180°到180°，即不需要大容量電容器就可以實現(xiàn)電路四象限的運行，并通過對直流諧波注 入支路中IGBT的控制對三相整流橋中半控型器件晶閘管實現(xiàn)零電流關(guān)斷。
[0016] 3、本發(fā)明采用的直流側(cè)電流注入法解決了傳統(tǒng)12脈波換流器輸出電流諧波多、電 流諧波總畸變率高的問題。
[0017] 4、本發(fā)明有效降低了換流器系統(tǒng)的體積和容量。
[0018] 5、本發(fā)明適用于對電流諧波要求比較嚴格的大功率場合。
【附圖說明】
[0019] 圖1為本發(fā)明的電流源換流器的拓撲圖；
[0020] 圖2為本發(fā)明的電壓矢量圖；
[0021 ]圖3為本發(fā)明的自耦變壓器接線圖；
[0022]圖4為本發(fā)明9電平注入時的一種開關(guān)策略圖；
[0023]圖5為本發(fā)明的交流側(cè)輸出的仿真波形圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步詳細說明。
[0025] 本發(fā)明提出的是基于自耦變壓器的12脈波電流源換流器，通過自耦變壓器與兩個 三相整流橋連接，三相橋后再接一個直流諧波注入支路，整個拓撲結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)12脈波晶 閘管電路的觸發(fā)角移相范圍擴展從-180°到180°，即不需要大容量電容器就可以實現(xiàn)電路 四象限的運行，并通過對直流諧波注入支路中IGBT的控制對三相整流橋中半控型器件晶閘 管實現(xiàn)零電流關(guān)斷。
[0026] 為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采用了自耦變壓器的12脈波直流注入電流換流器，兩 組晶閘管三相全橋，直流注入電路，其中自耦變壓器與交流電源側(cè)對接，晶閘管三相全橋起 到交直流變換作用，直流注入電路使三相橋產(chǎn)生階梯波，實現(xiàn)四象限調(diào)節(jié)。
[0027]變壓器采用的是移相自耦變壓器，一側(cè)接入交流段，一側(cè)接入三相整流橋。通過改 變繞組產(chǎn)生移相30°的電壓，從而產(chǎn)生12脈波電壓。兩組基于晶閘管的三相整流橋電路各自 接入一組自耦變壓器產(chǎn)生的三相電壓。
[0028] 如附圖3所示的多邊形12脈波自耦變壓器，A相、B相、C相的鐵芯柱上均包括三個繞 組:一個匝數(shù)為Np長繞組和兩個匝數(shù)分別為NY和Ns〃的短繞組。兩個短繞組分為:a'和a"、 b '和b"、c '和c"，對應(yīng)的短繞組連在一起，中間有抽頭引出a K、和t電流從中間抽頭中流 入。
[0029] 其中，A相短繞組的首端a'與C相長繞組的首端相連，A相長繞組的末端與C相短繞 組的末端c"相連，B相長繞組的首端與C相短繞組的首端c '相連，B相長繞組的末端與A相短 繞組的末端a"相連，C長繞組的末端與B相短繞組的末端b"相連，B相短繞組的首端b'與A相 長繞組的首端相連，三相變壓器的短繞組的抽頭分別為氣S i 6和及E匕分別連接換流器中 兩側(cè)三相整流橋的三相輸入端，兩個三相橋并聯(lián)與多級直流諧波注入支路相連。
[0030] 短繞組c'和c、c和c"同相繞制，短繞組c'和c、c和c"分別用于滯后、超前移相。
[0031]自耦變壓器A相長繞組和短繞組匝數(shù)關(guān)系為的匝比為Np: NY = 1:5.46，Np: Ns" = 1 :5.46;自耦變壓器B相長繞組和短繞組匝數(shù)關(guān)系為的匝比為Np:NY = 1:5.46，Np:Ns" = 1: 5.46;自耦變壓器C相長繞組和短繞組匝數(shù)關(guān)系為的匝比為Np: NY = 1:5.46，Np: Ns" = 1: 5.46〇
[0032] 直流注入電路由多路結(jié)構(gòu)相同的注入單元構(gòu)成，每路注入單元由兩個全控型器件 IGBT、兩個二極管與一只雙繞組平波電抗器構(gòu)成，通過IGBT和二極管的串聯(lián)，從而使其具有 逆阻特性，雙繞組平波電抗器不但可以提高并聯(lián)雙橋利用效率，同時可以維持直流電流連 續(xù)以及減小直流脈動，該注入單元的支路數(shù)可根據(jù)不同的情況來確定，通過對模型的數(shù)學(xué) 計算和仿真，注入單元越多，總諧波畸變率越低，但當(dāng)波形級數(shù)大于9時，總諧波畸變率的下 降速度減慢，線性注入和ESEDS注入的差別也變得很小，因此，這時可以用線性注入代替 ESEDS注入。
[0033] 三相橋晶閘管依據(jù)一定的規(guī)律觸發(fā)導(dǎo)通，通過注入支路的零電流區(qū)間，晶閘管實 現(xiàn)零電流關(guān)斷，實現(xiàn)了軟開關(guān)。
[0034] 為了保證注入支路的均流，注入脈沖的分配需要使每個開關(guān)在一定周期內(nèi)遍歷所 有開關(guān)狀態(tài)。注入開關(guān)狀態(tài)切換的頻率為主橋頻率的六倍，因此注入開關(guān)每個導(dǎo)通單位為 60°。如果是m電平注入，則注入電流將有m-1個非零值階梯，則注入開關(guān)觸發(fā)脈沖的種類有 m-1種，故為了保證注入支路開關(guān)狀態(tài)遍歷，最基本的注入脈沖循環(huán)周期應(yīng)有(m-l)x60°。
[0035] 以如圖4所示的一種9電平的開關(guān)策略為例，對應(yīng)注入開關(guān)VT1~VT8的脈寬調(diào)制方 式，開關(guān)VDl~VD8的脈沖形式與之互補，這里不再給出。每個開關(guān)均在每60°中導(dǎo)通如下角 度，導(dǎo)通時間在每個60°中居中，例如，如果導(dǎo)通56.25°，則導(dǎo)通角度在1.875° -58.125°之 間。每個開關(guān)在任意480°內(nèi)都能實現(xiàn)循環(huán)。
[0036] VTi：……33.75° ^26.25° ^ll .25° ^3.75° ^18.75° ^33.25° ^48.75° ^ 56.25°……
[0037] VT2:……26.25° ^ll .25° ^3.75° ^18.75° ^33.25° ^48.75° ^56.25° ^ 33.75°……
[0038] VT3:……11.25° ^3.75° ^ 18.75° ^33.25° ^48.75° ^56.25° ^33.75° ^ 26.25°……
[0039] VT4 ：……3.75° ^ 18.75° ^33.25° ^48.75° ^56.25° ^33.75° ^26.25° ^ 11.25°……
[0040] VT5 ：……18.75° ^33.25° ^48.75° ^56.25° ^33.75° ^26.25° ^ll .25°^ 3.75°……
[0041] VT6:……33.25° ^48.75° ^56.25° ^33.75° ^26.25° ^ll .25° ^3.75° ^ 18.75°……
[0042] VT7 ：……48.75° ^56.25° ^33.75° ^26.25° ^ll .25° ^3.75° ^18.75° ^ 33.25°……
[0043] VT8:……56.25° ^33.75° ^26.25° ^ll .25° ^3.75° ^18.75° ^33.25° ^ 48.75°……
[0044]從上到下是8條支路分配開關(guān)的控制脈沖，脈沖的循環(huán)周期為480°，這樣可以保證 每條支路的均流電感伏秒積均相等，實現(xiàn)各個支路的電流均等。
[0045]脈沖分配策略可以根據(jù)實際的需求進行調(diào)整，例如，如果要保證主橋晶閘管能夠 可靠關(guān)斷，可以適當(dāng)加寬注入脈沖的零值區(qū)間，這樣會帶來一定諧波的增加，但是，適當(dāng)?shù)?加寬零電流區(qū)間既仍然可以使諧波畸變率保持在標(biāo)準范圍內(nèi)，又可以防止晶閘管因為關(guān)斷 時間過短而繼續(xù)導(dǎo)通。
[0046]為了驗證本發(fā)明的有效性，以9電平注入為例在Matlab/Simulink中進行了仿真實 驗。仿真在10kV/50Hz，延遲觸發(fā)角α = -30°條件下進行，采用ode23tb仿真算法，仿真波形如 圖5所示，第一條和第二條波形是向兩組三相橋注入的9階梯波形，第三條為合成的多階梯 交流電流波形，第四條為交流電壓波形，可以看出，電流由多脈波合成，電流超前電壓30°， 驗證了設(shè)置的延遲觸發(fā)角，通過FFT分析，得出電流諧波畸變率THD = 2.08%，可以看出，大 大減少了諧波量。
[0047]最后應(yīng)當(dāng)說明的是：以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其限制，所 屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員參照上述實施例依然可以對本發(fā)明的【具體實施方式】進行修改或者 等同替換，這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請待批的本發(fā) 明的權(quán)利要求保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種基于自耦變壓器的四象限電流源換流器，其特征在于，包括：自耦變壓器，交流 電源，電感，第一三相整流橋、第二三相整流橋和直流諧波注入電路； 所述第一三相整流橋與所述第二三相整流并聯(lián)； 所述自耦變壓器的輸入端經(jīng)所述電感與所述交流電源的輸出端相連，其輸出端與所述 第一三相整流橋和所述第二三相整流橋的輸入端相連，所述第一三相整流橋和所述第二三 相整流橋的輸出端與所述直流諧波注入電路相連。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的四象限電流源換流器，其特征在于， 所述自耦變壓器包括:三相鐵芯和纏繞在所述三相鐵芯上的短繞組及長繞組； 每相鐵芯的短繞組設(shè)有中間抽頭和兩側(cè)抽頭，所述中間抽頭經(jīng)所述電感與所述交流電 源的輸出端相連，所述兩側(cè)繞組抽頭與所述第一三相整流橋和所述第二三相整流橋的的輸 入端相連。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的四象限電流源換流器，其特征在于， 所述三相鐵芯包括:A相鐵芯、B相鐵芯和C相鐵芯； 所述A相鐵芯的短繞組一端(a'）與所述C相鐵芯的長繞組一端相連，所述B相鐵芯的短 繞組一端(b'）與所述A相鐵芯的長繞組一端相連，所述C相鐵芯的短繞組一端（c'）與所述B 相鐵芯的長繞組一端相連； 所述A相鐵芯的短繞組另一端(a"）與所述B相鐵芯的長繞組另一端相連;所述B相鐵芯 的短繞組另一端(b"）與所述C相鐵芯的長繞組另一端相連;所述C相鐵芯的短繞組另一端 (c"）與所述A相鐵芯的長繞組另一端相連。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的四象限電流源換流器，其特征在于， 每相所述長繞組和所述短繞組同相繞制;每相所述長繞組和所述短繞組的匝數(shù)比為1: 5.46〇5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的四象限電流源換流器，其特征在于，所述直流諧波注入電路包 括:并聯(lián)的多級直流諧波注入支路； 所述直流諧波注入支路包括:全控型器件IGBT、二極管和雙繞組平波電抗； 所述全控型器件IGBT-端與所述第一三相整流橋和所述第二三相整流橋的輸出端相 連，另一端與所述二極管一端相連； 所述二極管的另一端與所述雙繞組平波電抗的輸入端相連，所述雙繞組平波電抗的輸 出端連接負載。
【文檔編號】H02M7/162GK105915079SQ201610186663
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年3月29日
【發(fā)明人】祁歡歡, 于弘洋, 周飛, 蔡林海, 劉宗燁, 王永, 何金城, 馬研, 尹曉旭, 朱珣
【申請人】全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院, 國網(wǎng)浙江省電力公司, 國家電網(wǎng)公司, 北京航空航天大學(xué)