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CN112737352A - 一种基于六角星接模块化多电平的三相交交变换器 - Google Patents

一种基于六角星接模块化多电平的三相交交变换器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于六角星接模块化多电平的三相交交变换器，包括：主回路，包括九个相互连接的分支模块以及与分支模块对应连接的九个电感器，分支模块通过电感器进行串联；控制信号采集模块，包括与分支模块相互连接的电流传感器与电压传感器，用于采集电流信号与电压信号；数字信号处理器，与控制信号采集模块通信连接，用于根据电流信号与电压信号进行信号处理计算并生成控制信号；控制信号发出模块，与数字信号处理器通信连接，用于接收并发出控制信号来对分支模块进行控制，其中，六个分支模块相互连接在外部构成六边形结构，其余三个分支模块相互连接在内部构成星型结构，通过主回路连接两侧电网来进行交流电‑交流电的变换。

Description

一种基于六角星接模块化多电平的三相交交变换器
技术领域
本发明涉及一种三相交交变换器，具体涉及一种基于六角星接模块化多电平的三相交交变换器。
背景技术
在高压大功率并网或电机传动领域，传统两电平电压源型变换器拓扑已无法满足更高电压和功率等级的要求。在功率开关器件发展没有突破的情况下，多电平变换器成为解决高压大功率变换问题的选择。当前，交流变换系统分为间接交流变换系统和直接交流变换系统。间接交流变换系统可视为AC-DC-AC，中间有直流单元，包括整流器和逆变器。而直接交流变换系统没有中间直流单元，直接将电网电压工频变换为需要的电压频率。
模块化多电平变换器采用模块化设计结构，大规模生产时可降低成本；通过子模块的串联，变换器的电压等级和功率等级易于扩充；变换器多电平的输出形式降低了输出电压的谐波含量和总畸变率，从而可以减小甚至省去大容量的交流滤波器；桥臂子模块不需同时开通，降低了变换器桥臂电压、电流的变化率，使得功率开关器件承受的应力大大降低；同时，模块化多电平变换器保护电路简单，易于实现。这些特点使得模块化多电平变换器具有很强的扩展性和灵活性。
但模块化多电平变换器通过大量悬浮电容支撑输出电压，其低频运行时存在子模块电容电压波动剧烈的问题。因此，将模块化多电平变换器应用于轧机传动、矿井提升机、可变速抽水蓄能机组、双馈风力发电机等需要低频大转矩应用场景时，无法保证电力传动系统的低速大功率运行。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于六角星接模块化多电平的三相交交变换器。
本发明提供了一种基于六角星接模块化多电平的三相交交变换器，具有这样的特征，包括：主回路，包括九个相互连接的分支模块以及与分支模块对应连接的九个电感器，分支模块通过电感器进行串联；控制信号采集模块，包括与分支模块相互连接的电流传感器与电压传感器，用于采集电流信号与电压信号；数字信号处理器，与控制信号采集模块通信连接，用于根据电流信号与电压信号进行信号处理计算并生成控制信号；控制信号发出模块，与数字信号处理器通信连接，用于接收并发出控制信号来对分支模块进行控制，其中，六个分支模块相互连接在外部构成六边形结构，其余三个分支模块相互连接在内部构成星型结构，通过主回路连接两侧电网来进行交流电-交流电的变换。
在本发明提供的基于六角星接模块化多电平的三相交交变换器中，还可以具有这样的特征：其中，分支模块由n个相同的子模块连接构成，n＞1，每个子模块的输出端连接至下一个子模块的输入端。
在本发明提供的基于六角星接模块化多电平的三相交交变换器中，还可以具有这样的特征：其中，子模块中具有四个IGBT器件反并联四个二极管组成的全桥结构以及一个并联电容。
在本发明提供的基于六角星接模块化多电平的三相交交变换器中，还可以具有这样的特征：其中，子模块具有多种工作状态，包括正投入状态、负投入状态、旁路状态以及闭锁状态，通过控制信号控制IGBT器件的通断来切换工作状态，并在端口处对应产生+Vc，0，-Vc三种电平。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的一种基于六角星接模块化多电平的三相交交变换器，因为通过主回路连接两侧电网，并通过控制IGBT器件的通断切换子模块的工作状态来改变输出电压，能够实现能量的双向流动，实现四象限运行；因为分支模块还通过电感器进行串联，能够抑制各相桥臂直流电压瞬时值不完全相等而引起的相间环流，并且当发生短路故障时，电感器能够有效的抑制交流冲击电流，为IGBT器件有效封锁提供了充足的时间，提高了系统的可靠性。并且本发明的一种基于六角星接模块化多电平的三相交交变换器还具有模块化程度高、低频低速下稳定性好、输出波形质量好、开关损耗低、扩展性好的特点，提高了直接进行交流-交流变换的可靠性和效率。
附图说明
图1是本发明的实施例中一种基于六角星接模块化多电平的三相交交变换器的组成框图；
图2是本发明的实施例中主回路的示意图；
图3是本发明的实施例中的分支模块的结构示意图；
图4是本发明的实施例中的子模块的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。
<实施例>
图1是本发明的实施例中一种基于六角星接模块化多电平的三相交交变换器的组成框图。
如图1所示，本实施例的一种基于六角星接模块化多电平的三相交交变换器100，包括：主回路10、控制信号采集模块20、数字信号处理器30以及控制信号发出模块40。
图2是本发明的实施例中主回路的示意图。
如图2所示，主回路10包括九个相互连接的分支模块M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9以及与分支模块对应连接的九个电感器L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8、L9，分支模块通过电感器进行串联。
本实施例中，如图2所示，主回路10内各组件之间的连接以及各组件与外部电网的具体连接方式如下:
分支模块M1负端口通过电感器L1连接外部电网U端口以及分支模块M6的正端口，分支模块M1的正端口连接分支模块M7的正端口和外部电网端口R以及通过电感器L2连接分支模块M2的负端口；
分支模块M2负端口通过电感器L2连接分支模块M7和分支模块M1的正端口以及外部电网R端口，正端口直接连接至外部电网V端口以及分支模块M3的正端口；
分支模块M3负端口通过电感器L3连接分支模块M4、M8的正端口以及外部电网T端口，正端口直接连接外部电网V端口以及分支模块M2的正端口；
分支模块M4负端口通过电感器L4连接外部电网W端口以及分支模块M5的正端口，分支模块M4正端口直接连接分支模块M8的正端口和外部电网T端口以及通过电感器L3连接至分支模块M3的负端口；
分支模块M5负端口通过电感器L5连接外部电网S端口和通过电感器L5、L6连接至分支模块M6的负端口以及通过电感器L5、L9连接至分支模块L9的负端口，分支模块M5正端口直接连接外部电网W端口和通过电感器L4连接至分支模块M4的负端口；
分支模块M6的负端口通过电感器L6连接外部电网S端口以及通过电感器L6、L5连接至分支模块L5的负端口和通过电感器L6、L9连接至M9的负端口，分支模块M6的正端口直接连接至外部电网U端口以及通过电感器L1连接至分支模块M1的负端口；
分支模块M7负端口通过电感器L7连接至M9的正端口以及通过电感器L7、L8连接至分支模块M8的负端口，分支模块M7正端口直接连接至外部电网R端口和分支模块M1的正端口以及通过电感器L2连接至分支模块M2的负端口；
分支模块M8负端口通过电感器M8连接至分支模块M9的正端口以及通过电感器L8、L7连接至分支模块M7的负端口，分支模块M8正端口直接连接至M4的正端口以及直接连接至外部电网T端口和通过电感器L3连接至分支模块M3的负端口；
分支模块M9的负端口通过电感器L9连接至外部电网S端口和通过电感器L9、L6连接至分支模块M6的负端口和通过电感器L9、L5连接至分支模块M5的负端口，分支电感M9的正端口通过电感器L7连接至分支模块M7的负端口以及通过电感器L8连接至分支模块M8的负端口，
M1、M2、M3、M4、M5、M6相互连接在外部构成六边形结构，M7、M8、M9相互连接在内部构成星型结构，分支模块M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9通过电感器L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8、L9进行串联，主回路10连接两侧电网进行交流电-交流电的变换。
本实施例中，如图2所示，主回路10分别连接两侧电网，一侧为U相、V相、W相，另一侧为R相、S相、T相，N为中性点，设中性点电压为0，各支路电压由两侧的电网的电压决定:VM1＝VR-VU、VM2＝VV-VR、VM3＝VV-VT、VM4＝VT-VW、VM5＝VW-VS、VM6＝VU-VS、VM7＝VR-VN、VM8＝VT-VN、VM9＝VN-VS。
电流分别流经M2、M3、M7、M8和M1、M6、M7、M9以及M4、M5、M8、M9形成三个环路，为输入和输出提供了能量通路，能够实现能量的双向流动，便于电机的四象限运行。
图3是本发明的实施例中的分支模块的结构示意图。
如图3所示，分支模块由n个相同的子模块11连接构成，n＞1，每个子模块11的输出端连接至下一个子模块11的输入端。
图4是本发明的实施例中的子模块的结构示意图。
如图4所示，子模块11中具有四个IGBT器件反并联四个二极管组成的全桥结构以及一个并联电容，VT1、VT2、VT3、VT4为IGBT器件，VD1、VD2、VD3、VD4为反并联的二极管，C为直流电压电容，VT1、VT2、VT3、VT4组成全桥结构。
优选地，IGBT器件采用英飞凌公司生产的FF45OR17ME3器件。
本实施例中，各相的子模块的输出电压需要各自的电容电压提供，电容会反复进行充放电过程。各个电容并非完全一致，因此造成三相电压不相等并产生相间环流，此时的电感器将相间环流限制到一个较小的数值，而且在发生故障时，电感器还能起到一定的限流能力。
子模块11具有多种工作状态，包括正投入状态、负投入状态、旁路状态以及闭锁状态，通过控制信号控制IGBT器件的通断来切换工作状态，并在端口处对应产生+Vc，0，-Vc三种电平。
本实施例中，每相由2n个子模块构成的MMC输出相电压为4n-1个电平，可以实现四象限运行。当模块的拓扑结构为半桥单元并联直流电容结构时，每个子模块输出+Vc和0，每相由2n个子模块构成的MMC输出相电压为2n-1个电平。
本实施例中，通过控制IGBT器件的通断控制子模块11的工作状态来改变输出电压，具体如下：
如图4中所示，当VT1和VT4打开时，子模块进入正投入状态，电流为正，输出电压为+Vc，电流经过VD1、C、VD4，电容充电。
当VT1和VT4打开时，子模块进入正投入状态，电流为负，输出电压为+Vc，电流经过VT4、C、VT1，电容放电。
当VT2和VT3打开时，子模块进入负投入状态，电流为正，输出电压为-Vc，电流经过VT2、C、VT3，电容放电。
当VT2和VT3打开时，子模块进入负投入状态，电流为负，输出电压为-Vc，电流经过VD3、C、VD2，电容充电。
当VD1和VT3打开时，子模块进入旁路状态，电流为正，输出电压为0，电流经过VD1和VT3。
当VD2和VT4打开时，子模块进入旁路状态，电流为负，输出电压为0，电流经过VT4和VD2。
当VT1、VT2、VT3、VT4全部关断时，子模块进入闭锁状态，电流为正，电流经过VD1、C、VD4，电容充电。
当VT1、VT2、VT3、VT4全部关断时，子模块进入闭锁状态，电流为负，电流经过VD3、C、VD2，电容放电。
控制信号采集模块20包括与分支模块相互连接的电流传感器与电压传感器，用于采集电流信号与电压信号。
优选地，电压传感器采用LEM公司生产的AV100-2000电压传感器，电流传感器采用LEM公司生产的LT508-S6型电流传感器。
数字信号处理器30与控制信号采集模块20通信连接，用于根据电流信号与电压信号进行信号处理计算并生成控制信号。
本实施例中，控制信号采集单元20输出的采样信号通过A/D转换输入到数字信号处理器30中进行运算，数字信号处理器30完成顶层算法、系统的保护等功能，数字信号处理器30在接收到子模块电容电压和桥臂参考电压以及桥臂电流后，计算出控制信号，然后将控制信号发送到控制信号发出单元40。
优选地，数字信号处理器30采用德州仪器公司生产的TMS320F28335型芯片。
控制信号发出模块40与数字信号处理器30通信连接，用于接收并发出控制信号来对分支模块进行控制。
本实施例中，现场可编程门阵列芯片从数字信号处理器30获得调制信号，然后和三角波比较产生驱动信号再经驱动分支模块M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9中的IGBT器件。现场可编程门阵列芯片主要完成脉冲的分配、与数字信号处理器30数据交换以及系统的保护等功能。
优选地，控制信号发出模块40为现场可编程门阵列芯片。
优选地，现场可编程门阵列芯片采用采用赛灵思公司生产的XC3S400-4PQG208C型芯片。
本实施例中，两侧电网通过主回路10来进行交流电-交流电的变换的具体过程如下：
如图2，以U相为例，U相通过分支模块M1和M6分别与R相和S相相连，当R相和S相输入电压U时，通过控制IGBT器件的通断来使得M1和M6的输出电压发生变化，其输出电压有U，0，-U，从而使得输出端U相的输出电压发生变化，实现了交流-交流的变换。
以R相为例，R相通过分支模块M1和M2分别与U相和V相相连，当U相和R相输入电压U时，通过控制IGBT器件的通断来使得M1和M2的输出电压发生变化，其输出电压有U，0，-U，从而使得输出端R相的输出电压发生变化，实现了交流-交流的变化。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的一种基于六角星接模块化多电平的三相交交变换器，因为通过主回路连接两侧电网，并通过控制IGBT器件的通断切换子模块的工作状态来改变输出电压，能够实现能量的双向流动，实现四象限运行；因为分支模块还通过电感器进行串联，能够抑制各相桥臂直流电压瞬时值不完全相等而引起的相间环流，并且当发生短路故障时，电感器能够有效的抑制交流冲击电流，为IGBT器件有效封锁提供了充足的时间，提高了系统的可靠性。并且本实施例的一种基于六角星接模块化多电平的三相交交变换器还具有模块化程度高、低频低速下稳定性好、输出波形质量好、开关损耗低、扩展性好的特点，提高了直接进行交流-交流变换的可靠性和效率。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于六角星接模块化多电平的三相交交变换器，其特征在于，包括：
主回路，包括九个相互连接的分支模块以及与所述分支模块对应连接的九个电感器，所述分支模块通过所述电感器进行串联；
控制信号采集模块，包括与所述分支模块相互连接的电流传感器与电压传感器，用于采集电流信号与电压信号；
数字信号处理器，与所述控制信号采集模块通信连接，用于根据所述电流信号与所述电压信号进行信号处理计算并生成控制信号；
控制信号发出模块，与所述数字信号处理器通信连接，用于接收并发出所述控制信号来对所述分支模块进行控制，
其中，六个所述分支模块相互连接在外部构成六边形结构，其余三个所述分支模块相互连接在内部构成星型结构，通过所述主回路连接两侧电网来进行交流电-交流电的变换。
2.根据权利要求1所述的基于六角星接模块化多电平的三相交交变换器，其特征在于：
其中，所述分支模块由n个相同的子模块连接构成，n＞1。
每个所述子模块的输出端连接至下一个所述子模块的输入端。
3.根据权利要求2所述的基于六角星接模块化多电平的三相交交变换器，其特征在于：
其中，所述子模块中具有四个IGBT器件反并联四个二极管组成的全桥结构以及一个并联电容。
4.根据权利要求3所述的基于六角星接模块化多电平的三相交交变换器，其特征在于：
其中，所述子模块具有多种工作状态，包括正投入状态、负投入状态、旁路状态以及闭锁状态，通过所述控制信号控制所述IGBT器件的通断来切换所述工作状态，并在端口处对应产生+Vc，0，-Vc三种电平。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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Inventor after: Zhou Mingli

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