无变压器的大容量级联型多相多电平功率变换器

摘要

无变压器的大容量级联型多相多电平功率变换器，属于高压大容量多相多电平变频技术领域，其特征在于：单相主电路由相同的基本功率变换单元通过级联的形式组成，三个单相主电路通过星形或三角形可连接到三相电网。基本功率变换单元由H型整流桥通过直流母线电容与多相逆变器构成“背靠背”的AC-DC-AC逆变器电路拓扑。基本功率变换单元的不同电平、类型、相数以及连接关系等可以引伸出多种不同的多相变流器实用拓扑电路，省去了原先必不可少但体积重量占系统1/3多的移相变压器，大大降低了整机体积和成本。本发明能够实现调速系统在四象限范围内高性能运行，可以在电机制动时把能量从电机回馈到电网中，提高了调速系统的工况运行效率；且交流电网侧电流谐波小，功率因数接近于1。

权利要求

1.无变压器的大容量级联型多相多电平功率变换器，其特征在于，是一个单相电源供电的无变压器的大容量级联型多相多电平功率变换器，由多个基本功率变换单元的输入侧经过级联后再与电网-相相连接而成；

所述各基本功率变换单元由H型PWM整流桥、直流母线电容、逆变器各自的输出端依次并联而成，其中所述H型PWM整流桥的一个输入端与所述电网的一相相连，而所述逆变器的输出端与电机的输入端相连，电网电源的相数q、电机相数m1、功率变换单元相数m2、相互级联的基本功率变换单元数k存在以下关系：m1＝qm2k。

2.根据权利要求1所述的无变压器的大容量级联型多相多电平功率变换器，其特征在于，三个同样的所述的单相电源供电的无变压器的大容量级联型多相多电平功率变换器以三角形连接方式连接到三相交流电网。

3.根据权利要求1所述的无变压器的大容量级联型多相多电平功率变换器，其特征在于，三个同样的所述的单相电源供电的无变压器的大容量级联型多相多电平功率变换器以星形连接方式连接到三相交流电网。

说明书

无变压器的大容量级联型多相多电平功率变换器

技术领域

[0001] 本发明涉及电力电子高压大容量多相多电平拓扑结构，具体是指一种级联式背靠背双PWM控制的功率变换器拓扑。

背景技术

[0002] 变频调速技术以其节能的优势在建材、冶金、船舶、机车牵引、水泥等高压大容量调速领域得到了广泛的应用。随着电力电子器件、拓扑以及相关控制技术的进步，大型电气传动系统正朝着单机容量大、功率密度高的方向发展。但是，受现有功率器件耐压水平和载流能力的限制，传统两电平三相逆变器的变换装置难以满足高压大功率如10KV，几十MW的电能变换要求。因此，以“并联均流”和“串联均压”思想构成的多相多电平技术，是解决当前功率器件制约系统容量提升的一个很好的方法，在高压大容量领域中具有极大发展潜力。因此，研究高压大容量功率变换器拓扑、设计与控制技术，对于进一步提高电气传动系统容量与性能，降低单产能耗和成本，提高生产效率和效益，增强市场竞争力有着战略性的意义。

[0003] 多相多电平变流器同时具有多相和多电平的优点，如：(1)、输出电压更加接近正弦，电压谐波含量小。(2)、输出电压dv/dt小，对负载(比如电机)的绝缘影响小，同时大大降低电磁干扰的水平。(3)、以低耐压水平的单管构成高压系统，解决高压系统的单管耐压问题。(4)变流器能量双向流动，电机多余能量能回馈到电网侧，提高了整机的工况效率；(5)系统具有较强的容错运行能力，可靠性高。在逆变器或多相电机发生单相甚至多相故障时，只要采取正确的控制措施，系统仍然能够在降额的条件下继续运行。

[0004] 目前采用多相多电平技术的中高压变频装置主要拓扑有交-直-交电压型多电平结构的变频装置，这种变频装置的应用已经取得了一定效果，但也存在一些问题。

[0005] 传统交直交电压型多相多电平变频器的主电路一般结构为图1所示，移相变压器与三相电网连接，移相变压器多个副边绕组为各H桥功率单元提供三相交流输入，每个H桥功率单元为三相不控整流和多相多电平逆变器结构。在这种拓扑中，移相变压器的作用除了实现电网与逆变器之间的电气隔离外，主要是采用多重化技术减小由整流负载产生的网侧电流谐波；三相不控整流电路为后面的逆变电路提供稳定的直流母线电压；多相多电平逆变器则实现变频变压功能，为多相电机提供幅值、频率可变的电能。这种拓扑结构的优点是网侧电流谐波小，输出电压波形比较接近正弦，可实现高性能的大容量调速系统。但这种结构的缺点也很明显：功率单元采用不控整流电路，电能只能从电网流向负载，无法实现电机系统的四象限运行；同时，在功率很大，电机相数很多的情况下，需要容量极大的移相隔离变压器。该变压器工作在工频范围(50Hz)，体积庞大，连线复杂，且价格昂贵，一般移相隔离变压器的成本占到了系统成本的三分之一多。这使得该种拓扑在应用上受到制约。

[0006] 为了实现系统的四象限运行，对上述拓扑进行改进，采用三相PWM整流电路取代原有的不控整流电路，其它部分不变。改进的变流器虽然在控制上稍微复杂，但在系统的控制性能上有了提高，因此在实际中得到应用。但是，改进电路仍然需要移相变压器，体积、重量大，成本高等缺点并没有改变。发明内容：

[0007] 本发明的目的是设计一种无变压器的多相多电平功率变换器。本发明解决了传统多相多电平变流器由于移相变压器带来的体积、重量、成本问题，在保持传统多相多电平变流器网侧谐波小、输出电压波形好、易于实现大容量、能量双向流动等优点的基础上，大大降低了体积、重量和成本，具有明显的经济效益。该变频装置适用于中高压多相调速领域。

[0008] 本发明的特征在于：是一个单相电源供电的无变压器的大容量级联型多相多电平功率变换器，由多个基本功率变换单元的输入侧经过级联后再与电网一相相连接而成；

[0009] 所述各基本功率变换单元由H型PWM整流桥、直流母线电容、逆变器各自的输出端依次并联而成，其中所述H型PWM整流桥的一个输入端与所述电网的一相相连，而所述逆变器的输出端与电机的输入端相连，

[0010] 所述的电网电源的相数q、电机相数m1、功率变换单元相数m2、相互级联的基本功率变换单元数k存在以下关系：

[0011] m1＝qm2k。

[0012] 所述的无变压器的大容量级联型多相多电平功率变换器其特征在于，三个同样的所述的单相电源供电的无变压器的大容量级联型多相多电平功率变换器以三角形连接方式连接到三相交流电网。

[0013] 所述的无变压器的大容量级联型多相多电平功率变换器其特征在于，三个同样的所述的单相电源供电的无变压器的大容量级联型多相多电平功率变换器以星形连接方式连接到三相交流电网。

[0014] 本发明具有的优点和创新之处：

[0015] 这种拓扑电路的最大特点在于采用PWM整流电路与电网直接连接，取消了传统电路中的移相变压器。该拓扑电路具有如下特点：

[0016] 1省去传统拓扑中的变压器，整机重量、体积大大减小，成本显著降低。在大容量交流传动系统中，变压器的重量体积占整个系统的三分之一强。因此，无变压器的大容量多相变流器对提高整机功率体积比、降低成本起到根本性的作用，经济效益显著。

[0017] 2系统输入功率因数可接近1，电流谐波少，对交流电网电能品质的不利影响小；

[0018] 3系统可四象限运行，实现能量的双向流动。对于大型拖动系统而言，可以节约电能，并省去制动电路，减少硬件设备。

[0019] 3该系统单元电路、机械结构完全相同，具有模块化的特点。各个基本单元在控制算法上类似，易于实现，移植性、拓展性好。

[0020] 4该拓扑配置灵活，适用性广。可用于不同电压容量等级的各种高压大容量多相逆变系统。附图说明：

[0021] 图1传统十二相三电平交-直-交多相多电平变频器结构；

[0022] 图2基本功率变换单元；2a两电平单相功率变换单元；2b两电平三相功率变换单元；2c两电平五相功率变换单元；2d三电平单相功率变换单元；2e三电平三相功率变换单元；2f三电平五相功率变换单元；

[0023] 图3单相电源供电的九相功率变换器；

[0024] 图4三相电源供电的两级六相逆变器；

[0025] 图5三相电源供电的三角形连接九相电机调速系统；

[0026] 图6三相电源供电的星形连接十五相电机调速系统；

[0027] 图7三相电源供电的三角形连接十五相电机调速系统；

[0028] 图8PWM整流控制原理框图；

[0029] 图9多相电机运行控制原理框图；具体实施方式：

[0030] 新型多相变流器电路结构如下：H型PWM整流桥与逆变器通过直流母线电容背靠背连接，构成一个基本功率变换单元(图2)。多个基本功率变换单元的输入侧通过级联的形式与电网一相连接(见图3)。三个同样的电路即可连接三相交流电网的三相，连接方式可以是三角形或星形(图4～7)。

[0031] 基本功率变换单元的输出电平可以为两电平或三电平，这取决于系统整体设计的需要。功率变换单元的桥臂数量可以是2，3，5，或其它，构成单相、三相、五相或其它相数的逆变器。因此，基于该拓扑结构的大容量拖动系统，电源相数q、电机相数m1、功率变换单元相数m2、级联单元数k存在如下关系：

[0032] m1＝qm2k

[0033] 对系统的控制可以采用以数字信号处理芯片(如德仪公司的TSM320F240系列电机控制的专用芯片)为核心，可编程逻辑控制芯片CPLD或FPGA进行IO口扩展的全数字控制器。这种控制器的配置已经在生产实践中得到了应用。

[0034] 基于本发明基本思想的大容量多相多电平功率变换器，根据系统相数、功率单元电路中逆变器的电平数、相数、以及多电平拓扑类型的组合，可以拓展为数量可观的不同拓扑。这些拓扑可根据如下规则进行命名：

[0035] A相电源供电，B级C型，D电平，E相变流器，

[0036] 由若干个功率单元组成，可以得到数量众多的多相多电平功率变换器拓扑，见图2所示。

[0037] 类型A、B、C、D，E代表的含义以及常用的参数如下：

[0038] A电源相数：单相，三相；(通常使用三相电源，因此可以省略)

[0039] B单相功率单元的级联数；

[0040] C多电平逆变器种类：二极管钳位、电容钳位、级联式，以及在他们基础上的一些变化、拓展得到的其他拓扑；

[0041] D逆变器电平数：两电平、三电平；

[0042] E逆变器相数(定义为电机的相数)：3，6，9，12，15，18等等；

[0043] 这些不同的拓扑应用于不同的场合，拓扑的选择主要依赖于电机相数、电网电压等级、采用的功率器件标称值等等。图4～7是由基本功率变换单元构成的多相电机调速系统举例。

[0044] 所述全数字控制器的电路逻辑原理框图见附图8，9。以高性能数字信号微处理器(Digital Signal Processor)如TI公司的TMS320LF2812为核心，以三路PWM输出口和1条I/O口作为辅助控制线，通过现场可编程门列阵器件(Field Programmable GateArray/Complex Programmable Logic Device)如EPM7128S扩展为24路PWM输出，然后经驱动电路生成24路驱动PWM脉冲信号，去触发24个功率半导体开关，其中1条I/O口作为故障时控制封锁PWM脉冲输出。模拟输入接口电路完成信号调理和隔离的功能。在PWM整流控制板中，将检测到的交流电网电压、电流信号、整流器输出电流进行变换后输入到DSP的模数转换口。软件实现d-q坐标变换、电流反馈信号的PI调节，实时计算出用于控制功率开关器件的实时PWM控制脉冲，以此动态调节输出电压的波形与幅值。在多相电机控制板中，将检测到的逆变器输出电流、电压信号进行变换后输入到DSP模数转换口。用软件进行d-q坐标变换、磁场观测、调节、转速观测与调节等一系列运算，得到用于实时控制的PWM脉冲，经驱动电路送往逆变器主电路的开关器件，实现高性能的多相电机运行控制和整个变频调速装置的稳定运行，同时由软件生成的PWM信号也控制变频装置的交流电压输出。人机接口和通信单元通过串行通信接口完成键盘显示以及和PC机通信和监控的功能；开关量输入输出单元完成系统运行状态的监控、功率器件过流、过热等故障保护功能，其他外围控制功能，视具体实现要求而定。