專利名稱：高壓背靠背變流器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種多電平背靠背變流器，特別涉及高電壓交流傳動系統(tǒng)中能實現(xiàn)能 量雙向流動與控制的多電平背靠背變流器。
背景技術：
隨著電力電子以及交流傳動技術的發(fā)展，高壓交流傳動系統(tǒng)，例如高壓變頻調(diào)速 系統(tǒng)等作為節(jié)能減排的主要手段之一，在國民經(jīng)濟的各個領域得到了越來越廣泛的應用。 在高壓交流傳動系統(tǒng)的實際應用當中，很多場合需要在電機制動時將其能量回饋至電網(wǎng) 側(cè)，以便節(jié)約能源，因此具備能量雙向流動與控制能力的背靠背型變流器也獲得了廣泛的 應用。然而，在目前的電力電子技術發(fā)展水平下單臺以及單個使用的電力電子開關器件 一般不能承受高電壓，例如6kV、10kV等場合的耐壓要求。因此，通過變壓器、功率模塊串 聯(lián)、開關器件串聯(lián)和多電平變流器等來實現(xiàn)的高壓背靠背變流器得到了關注和應用。目前， 高壓變流器的主要拓撲形式有1、通過變壓器將多個低壓的變流器組合成高壓變流器。例如，中國專利 200320121533,200720190811,200780018970,200910184413,02114225.4,03126473.5、 97100477. 3,200410009469. 8,200710114461. 1,200820014044. X,200820238870. 2 采用了 工頻變壓器與低壓變流器結(jié)合的方式構(gòu)成高壓多電平變流器；而中國專利200820208579 和美國專利 US7554824B2、US7558087B2、US2008/0198637A1、US 2008/0158921A1 則采用了 中頻變壓器與低壓變流器結(jié)合的方式構(gòu)成高壓多電平變流器。這種拓撲結(jié)構(gòu)實施容易，模 塊化程度高，但由于變壓器的大量采用導致其裝置體積大，重量大，成本高。2、通過電力電子開關器件的直接串聯(lián)實現(xiàn)的高壓變流器。例如，中國專利 200720140987,200720148108采用了 IGBT直接串聯(lián)兩電平變流器的方式構(gòu)成了高壓變流 器。這種結(jié)構(gòu)的變流器結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，但開關器件動態(tài)和靜態(tài)均壓問題不易解 決，輸出電壓dv/dt大，諧波含量高，容易對電機造成損害。3、通過采用多電平的變流器，例如二極管箝位式、飛跨電容式多電平變流器、級聯(lián)H橋型多電平變流器等構(gòu)成的高壓變流器。例如，美國專利US 5644483、US 5532575 和US2007/0159749A1采用了二極管箝位式的多電平變流器構(gòu)成高壓變流器；而美國專利 US6005788通過級聯(lián)H橋型多電平變流器構(gòu)成高壓變流器，但是這一結(jié)構(gòu)的變流器作為背 靠背變流器時又需要變壓器進行電氣隔離。而美國專利US 2006/0044857A1將二極管箝位 式多電平變流器中需要的多個直流母線所需的多個隔離的交流電源集成到了發(fā)電機的繞 組中，雖然省去了變壓器，卻需要對發(fā)電機進行改造，這在很多實際應用當中尤其是與電網(wǎng) 連接的情況下是不現(xiàn)實的。這一結(jié)構(gòu)的變流器不需要變壓器，也不存在開關器件的動態(tài)均 壓問題。但是，這些類型的變流器的高壓直流母線一般需要高壓直流電容，隨著電平數(shù)量的 增加二極管或高壓電容的數(shù)量也會急劇增加，且存在電容均壓問題，因此在實際應用當中 三電平的結(jié)構(gòu)應用最廣，然而在目前的電力電子開關器件水平下三電平變流器承受7kV以上的高壓是幾乎不可能的。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有高壓交流傳動領域用背靠背變流器的缺點，簡化裝置結(jié)構(gòu)， 減小裝置的體積和重量，降低制造成本，提出一種高電壓交流傳動系統(tǒng)背靠背變流器。
本發(fā)明由多個結(jié)構(gòu)相同的橋臂構(gòu)成，每個橋臂的上橋臂和下橋臂均由數(shù)量相同的 η個(η > 1)低壓功率單元級聯(lián)構(gòu)成，每一相輸入或輸出分別對應一個橋臂。每個橋臂的 上端連接在一起，每個橋臂的下端連接在一起，直流母線不需要支撐電容。同時，每相橋臂 包含一個電感模塊，電感模塊由兩個電感構(gòu)成，這兩個電感既可以是相互獨立的分立電感， 也可以是耦合系數(shù)很高的兩個耦合電感。兩個電感直接串聯(lián)，若為耦合電感則為順接串聯(lián)。 兩個電感的共同連接點作為該相橋臂的輸出端子；兩個電感的另外兩個端子一個與該相橋 臂上橋臂的下端相連，另外一個端子與該相橋臂下橋臂的上端相連。橋臂的數(shù)量根據(jù)應用 場合的不同來確定，例如，當電網(wǎng)和電機均為三相三線制時，則電網(wǎng)側(cè)需要三個橋臂，電機 側(cè)需要三個橋臂，也就是總共需要六個橋臂；當電網(wǎng)為單相而電機為三相時，則電網(wǎng)側(cè)需要 一個橋臂，電機側(cè)需要三個橋臂，也就是總共需要四個橋臂。本發(fā)明高電壓交流傳動系統(tǒng)模塊化多電平背靠背變流器具有以下特點和優(yōu)勢1.采用級聯(lián)式模塊化結(jié)構(gòu)，只要級聯(lián)足夠的低壓功率單元，可以承受非常高的電 壓。同時，模塊化的結(jié)構(gòu)便于生產(chǎn)制造和安裝調(diào)試。2.在高壓大容量交流傳動系統(tǒng)中，變壓器的重量體積一般占整個系統(tǒng)的三分之一 以上。而本發(fā)明無需變壓器，因此能夠顯著降低裝置的體積、重量以及制造成本。3.本發(fā)明通過低壓功率單元的級聯(lián)可以實現(xiàn)多電平的輸入/輸出電壓，且電壓越 高需要級聯(lián)的模塊越多，輸入/輸出電壓的電平數(shù)也越多。電壓越高越能減小輸入/輸出 電壓和電流的諧波含量，提高電網(wǎng)側(cè)的電能質(zhì)量，減小了電機側(cè)諧波損耗。因此特別適用于 高壓交流傳動系統(tǒng)。4.高壓直流側(cè)無需直流母線支撐電容，減少了系統(tǒng)設備數(shù)量，也消除了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu) 中采用高壓直流電容帶來的困難。5.本發(fā)明可四象限運行，可以實現(xiàn)能量的雙向流動與控制。對于交流傳動系統(tǒng)而 言，能夠節(jié)約能源，省去制動電路，降低硬件成本。6.本發(fā)明配置靈活，適用范圍廣，既可以用于典型的三相交流傳動系統(tǒng)，也可以用 于單相或多相的交流傳動系統(tǒng)。
圖1為本發(fā)明高電壓交流傳動系統(tǒng)背靠背變流器在三相/三相交流傳動系統(tǒng)應用 時的整體結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明中低壓功率單元Ukll (K = Α、B、C、a、b、或c)的電路結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明中電感模塊Uk2 (K =々、8、(、113、或(3)的具體電路結(jié)構(gòu)圖，圖3a為 由兩個分立的電感構(gòu)成的電感模塊；圖3b為由兩個耦合電感構(gòu)成的電感模塊。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖和具體實施方式
進一步說明本發(fā)明。圖1為本發(fā)明高電壓交流傳動系統(tǒng)背靠背變流器在三相/三相交流傳動系統(tǒng)應用 時的整體結(jié)構(gòu)圖。本發(fā)明背靠背變流器由多個結(jié)構(gòu)相同的橋臂構(gòu)成，每個橋臂的上橋臂和 下橋臂均由數(shù)量相同的η個低壓功率單元級聯(lián)構(gòu)成，η > 1 ；每一個橋臂分別對應所述的背 靠背變流器的輸入或輸出的一相；所述的每個橋臂的上端連接在一起，每個橋臂的下端連 接在一起，高壓直流母線不需要支撐電容。圖1所示的本發(fā)明由六個橋臂組成，六個橋臂的上端連接在同一點P，六個橋臂的 下端連接在同一點N。每個橋臂的結(jié)構(gòu)完全相同第Κ(Κ = A、B、C、a、b、或c)相橋臂的上 半橋臂由低壓功率單元Ukii UKln級聯(lián)構(gòu)成，即UKlj的11端子與Uki(計的12端子相連，而 Ukij的12端子與Uki(j+1)的11端子相連(2彡j彡n-1)；第K(K = A、B、C、a、b、或c)相橋 臂的下半橋臂由低壓功率模塊Uk21 UK2n級聯(lián)構(gòu)成，即UK2j的11端子與υκ2 _ 的12端子相 連，而UK2j的12端子與UK2(j+1)的11端子相連(2彡j彡η 1) ；Uku的11端子連接到P點； UKln的12端子連接到電感模塊Uk2的21端子；Uk21的11端子連接到電感模塊Uk2的23端子； UK2n的12端子連接到N點；電感模塊Uk2的22端子作為第K(K = A、B、C、a、b、或c)相橋臂 的輸入或輸出端子K。低壓功率單元Ukii UKln和Uk21 UK2n的電路結(jié)構(gòu)完全相同且可以相 互替換。A、B、C三個端子及a、b、c三個端子分別與三相高壓電網(wǎng)及三相高壓電機相連，且 A、B、C、a、b、c六個端子中的任意兩個位置均可互換。圖2為本發(fā)明的低壓功率單元Ukii的具體電路結(jié)構(gòu)。低壓功率單元Ukii由第十一 開關Tn、第十二開關T12，第十一二極管Dn、第十二二極管D12和第一電容C1構(gòu)成；第十一開 關T11的集電極與第十一二極管D11的負極相連，第十一開關T11的發(fā)射極與第十一二極管 D11的正極相連；第十二開關T12的集電極與第十二二極管D12的負極相連，第十二開關T12的 發(fā)射極與第十二二極管D12的正極相連；第十一二極管D11和第十二二極管D12正向串聯(lián)，兩 者的共同連接點為低壓功率單元的第一端子11 ；第十一二極管D11的負極與第一電容C1的 正極相連，第十二二極管D12的正極與第一電容C1的負極相連；第一電容C1的負極作為低 壓功率單元的第二端子12。其余低壓功率單元Uk12 UKln和Uk21 UK2n(K = A、B、C、a、b、 或c)的具體電路結(jié)構(gòu)和低壓功率單元Ukii相同。圖3為本發(fā)明中電感模塊Uk2 (K = A、B、C、a、b、或c)的具體電路結(jié)構(gòu)。這里給出 了兩種具體的實施方式。其中，圖3a由兩個分立的電感直接串聯(lián)構(gòu)成；兩個電感的共同連 接點作為電感模塊Uk2的端子22，這里的端子22也作為第K橋臂的輸入/輸出端子K ；兩個 電感其余的兩個端子作為電感模塊Uk2的端子21和23，且端子21和23可以互換位置。如圖3b所示，電感模塊Uk2 (K = A、B、C、a、b、或c)的另一種具體的實施方式由兩 個耦合系數(shù)很高的耦合電感構(gòu)成；兩個耦合電感順接連接，即第一個電感的同名端連接另 外一個電感的非同名端，其共同連接點作為電感模塊Uk2的端子22，這里的端子22也作為 第K橋臂的輸入/輸出端子K ；兩個耦合電感其余的兩個端子作為電感模塊Uk2的端子21 和23，且端子21和23可以互換位置。以上所述只是本發(fā)明在三相/三相交流傳動系統(tǒng)應用時的具體實施方式
。對于其 他的應用場合，例如單相/單相，單相/三相，三相/多相等高壓交流傳動領域，只要改變相 應的橋臂數(shù)量即可，不再贅述。
權利要求
一種用于高壓背靠背變流器，其特征在于所述的背靠背變流器由多個結(jié)構(gòu)相同的橋臂構(gòu)成，每個橋臂對應輸入或輸出的一相，每相橋臂指輸入或輸出的每相所對應的每個橋臂；每個橋臂的上橋臂和下橋臂均由數(shù)量相同的n個低壓功率單元級聯(lián)構(gòu)成，n≥1；所述的每個橋臂的上端連接在一起，每個橋臂的下端連接在一起，高壓直流母線不需要支撐電容。
2.如權利要求1所述的用于高壓交流傳動系統(tǒng)的背靠背變流器，其特征在于所述的 每個橋臂包含一個電感模塊，所述的電感模塊由串聯(lián)的兩個電感構(gòu)成；兩個電感的兩個端 子的共同連接點作為該相橋臂的輸出端子；兩個電感的另外兩個端子中，一個端子與該相 橋臂上橋臂的下端相連，另一個端子與該相橋臂下橋臂的上端相連。
3.如權利要求2所述的用于高壓交流傳動系統(tǒng)的背靠背變流器，其特征在于所述的電 感模塊中的兩個電感為分立的電感或耦合電感；分立的電感兩個直接串聯(lián)；兩個耦合電感 順接連接，即第一個電感的同名端連接另外一個電感的非同名端。
4.如權利要求1所述的用于高壓交流傳動系統(tǒng)的模塊化多電平背靠背變流器，其特 征在于所述的低壓功率單元(Ukll)由第十一開關(Tn)、第十二開關(T12)，第十一二極管 (Dn)、第十二二極管(D12)和第一電容(C》構(gòu)成；第十一開關(Tn)的集電極與第十一二 極管(Dn)的負極相連，第十一開關(Tn)的發(fā)射極與第十一二極管(Dn)的正極相連；第 十二開關(T12)的集電極與第十二二極管(D12)的負極相連，第十二開關(T12)的發(fā)射極與 第十二二極管(D12)的正極相連；第十一二極管(Dn)和第十二二極管(D12)正向串聯(lián)，第 十一二極管(Dn)和第十二二極管(D12)的共同連接點為低壓功率單元的第一端子(11)；第 十一二極管(Dn)的負極與第一電容(Q)的正極相連，第十二二極管(D12)的正極與第一電 容(q)的負極相連；第一電容(q)的負極作為低壓功率單元的第二端子(12)。
5.如權利要求1所述的用于高壓交流傳動系統(tǒng)的模塊化多電平背靠背變流器，其特征 在于通過改變每個橋臂上級聯(lián)的低壓功率單元的數(shù)量，實現(xiàn)不同電平數(shù)的輸入/輸出多電 平電壓。
全文摘要
一種用于高電壓背靠背變流器，由結(jié)構(gòu)相同的多個橋臂構(gòu)成，每個橋臂的上橋臂和下橋臂均由數(shù)量相同的多個低壓功率單元級聯(lián)構(gòu)成。每一個橋臂分別對應所述的背靠背變流器的輸入或輸出的一相。所述的每個橋臂的上端連接在一起，每個橋臂的下端連接在一起，高壓直流母線不需要支撐電容。每個橋臂包含一個電感模塊，所述的電感模塊由串聯(lián)的兩個電感構(gòu)成；兩個電感的兩個端子的共同連接點作為該相橋臂的輸出端子；兩個電感的另外兩個端子中，一個端子與該相橋臂上橋臂的下端相連，另一個端子與該相橋臂下橋臂的上端相連。本發(fā)明適用于單相/單相、單相/三相、三相/三相、三相/多相等高壓交流傳動場合。
文檔編號H02J3/38GK101834451SQ20101017231
公開日2010年9月15日 申請日期2010年5月7日 優(yōu)先權日2010年5月7日
發(fā)明者劉育紅, 朱海濱, 李子欣, 李耀華, 武林, 王平, 勝曉松 申請人:中國科學院電工研究所