一種模塊化多電平交交變換器的制作方法

本實(shí)用新型涉及電力電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種模塊化多電平交交變換器。

背景技術(shù)：

海上風(fēng)力發(fā)電具有資源豐富、不占用土地資源、機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，受到了越來(lái)越多的關(guān)注。同時(shí)，海上風(fēng)電場(chǎng)離岸距離越遠(yuǎn)，風(fēng)速越大且穩(wěn)定，輸出功率更高。隨著海上風(fēng)機(jī)的容量的不斷提升，某些風(fēng)機(jī)制造商生產(chǎn)的8MW風(fēng)機(jī)其出口電壓已達(dá)6600V，且仍會(huì)隨著風(fēng)機(jī)容量的提升而進(jìn)一步升高。

傳統(tǒng)的應(yīng)用于大容量海上風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的多電平變換器，主要為嵌位式多電平變換器，該種嵌位式多電平變換器隨著電平數(shù)的增加，其嵌位器件急劇增加，且控制復(fù)雜，不便于使用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

因此，本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的多電平變換器控制復(fù)雜的缺陷，從而提供一種模塊化多電平交交變換器。

為此，本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下：

一種模塊化多電平交交變換器，包括三相，其中，每相包含上橋臂和下橋臂，所述上橋臂和所述下橋臂分別包括至少一個(gè)可控功率模塊以及一個(gè)電抗器，所述可控功率模塊和所述電抗器串聯(lián)連接；

所述上橋臂的一端和所述下橋臂的一端連接，其連接點(diǎn)作為三相交流輸入端之一；

第一相的所述上橋臂的另一端和第二相的所述下橋臂的另一端連接，其連接點(diǎn)作為三相交流輸出端之一；第二相的所述上橋臂的另一端和第三相的所述下橋臂的另一端連接，其連接點(diǎn)作為三相交流輸出端之一；第三相的所述上橋臂的另一端和第一相的所述下橋臂的另一端連接，其連接點(diǎn)作為三相交流輸出端之一。

優(yōu)選地，所述可控功率模塊包括：H橋變流單元與電容C，所述H橋變流單元與電容C并聯(lián)連接；所述H橋變流單元兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)作為所述可控功率模塊的兩個(gè)輸出端。

優(yōu)選地，所述H橋變流單元包括第一電力電子開(kāi)關(guān)器件、第二電力電子開(kāi)關(guān)器件、第三電力電子開(kāi)關(guān)器件、第四電力電子開(kāi)關(guān)器件、第一二極管、第二二極管、第三二極管以及第四二極管，其中，

所述第一電力電子開(kāi)關(guān)器件與所述第一二極管并聯(lián)連接；所述第二電力電子開(kāi)關(guān)器件與所述第二二極管并聯(lián)連接；所述第三電力電子開(kāi)關(guān)器件與所述第三二極管并聯(lián)連接；所述第四電力電子開(kāi)關(guān)器件與所述第四二極管并聯(lián)連接；

所述第一電力電子開(kāi)關(guān)器件和所述第三電力電子開(kāi)關(guān)器件串聯(lián)連接；所述第二電力電子開(kāi)關(guān)器件和所述第四電力電子開(kāi)關(guān)器件串聯(lián)連接；

串聯(lián)后的所述第一電力電子開(kāi)關(guān)器件和所述第三電力電子開(kāi)關(guān)器件與串聯(lián)后的所述第二電力電子開(kāi)關(guān)器件和所述第四電力電子開(kāi)關(guān)器件以及所述電容C并聯(lián)連接；

所述第一電力電子開(kāi)關(guān)器件和所述第三電力電子開(kāi)關(guān)器件連接的中點(diǎn)作為所述H橋變流單元的一個(gè)輸出端；所述第二電力電子開(kāi)關(guān)器件和所述第四電力電子開(kāi)關(guān)器件連接的中點(diǎn)作為所述H橋變流單元的另一個(gè)輸出端。

優(yōu)選地，所述的模塊化多電平交交變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還包括控制模塊，用于控制所述可控功率模塊的輸出，其中，所述可控功率模塊的輸出包括三種模式，其中，第一模式為所述可控功率模塊輸出正向電壓；第二模式為輸出負(fù)向電壓；第三模式為輸出零電壓。

優(yōu)選地，當(dāng)所述控制模塊控制所述第一電力電子開(kāi)關(guān)器件和所述第四電力電子開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通、所述第二電力電子開(kāi)關(guān)器件和所述第三電力電子開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷時(shí)，所述可控功率模塊輸出正向電壓。

優(yōu)選地，當(dāng)所述控制模塊控制所述第二電力電子開(kāi)關(guān)器件和所述第三電力電子開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通、所述第一電力電子開(kāi)關(guān)器件和所述第四電力電子開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷時(shí)，所述可控功率模塊輸出負(fù)向電壓。

優(yōu)選地，當(dāng)所述控制模塊控制所述第一電力電子開(kāi)關(guān)器件和所述第二電力電子開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通、所述第三電力電子開(kāi)關(guān)器件和所述第四電力電子開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷時(shí)，所述可控功率模塊輸出零電壓。

優(yōu)選地，當(dāng)所述控制模塊控制所述第三電力電子開(kāi)關(guān)器件和所述第四電力電子開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通、所述第一電力電子開(kāi)關(guān)器件和所述第二電力電子開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷時(shí)，所述可控功率模塊輸出零電壓。

本實(shí)用新型技術(shù)方案，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

本實(shí)用新型提供的模塊化多電平交交變換器，包括三相，其中，每相包含上橋臂和下橋臂，上橋臂和下橋臂分別包括至少一個(gè)可控功率模塊以及一個(gè)電抗器，可控功率模塊和電抗器串聯(lián)連接；上橋臂的一端和下橋臂的一端連接，其連接點(diǎn)作為三相交流輸入端之一；第一相的上橋臂的另一端和第二相的下橋臂的另一端連接，其連接點(diǎn)作為三相交流輸出端之一；第二相的上橋臂的另一端和第三相的下橋臂的另一端連接，其連接點(diǎn)作為三相交流輸出端之一；第三相的上橋臂的另一端和第一相的下橋臂的另一端連接，其連接點(diǎn)作為三相交流輸出端之一。該模塊化多電平交交變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用的橋臂數(shù)較少，采用直接型交交變換，無(wú)中間公共直流環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，控制簡(jiǎn)單，具有較高的功率密度。同時(shí)，以輸入側(cè)為基準(zhǔn)，橋臂以三角形接法連接，輸入側(cè)每相間均串聯(lián)兩個(gè)橋臂，兩橋臂中點(diǎn)為輸出電壓。通過(guò)控制各可控功率模塊投切，使橋臂級(jí)聯(lián)模塊輸出期望的電壓，從而控制輸入、輸出側(cè)電壓、電流。由于對(duì)稱性，以輸出側(cè)為基準(zhǔn)時(shí)橋臂仍為三角形連接；采用三星形連接的方式連接橋臂，節(jié)省了電力電子器件和無(wú)源器件，節(jié)約了成本。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本實(shí)用新型具體實(shí)施方式或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)具體實(shí)施方式或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖是本實(shí)用新型的一些實(shí)施方式，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例1中模塊化多電平交交變換器的一個(gè)具體示例的原理框圖；

圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例1中模塊化多電平交交變換器中可控功率模塊的一個(gè)具體示例的原理框圖；

圖3a-3c為本實(shí)用新型實(shí)施例1中模塊化多電平交交變換器中可控功率模塊的不同工作模式的示意圖；

附圖標(biāo)記：1-第一相的上橋臂；2-第二相的上橋臂；3-第三相的上橋臂；4-第一相的下橋臂；5-第二相的下橋臂；6-第三相的下橋臂；7-可控功率模塊。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒緦?shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。

在本實(shí)用新型的描述中，需要說(shuō)明的是，術(shù)語(yǔ)“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本實(shí)用新型和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本實(shí)用新型的限制。此外，術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”、“第三”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性。

在本實(shí)用新型的描述中，需要說(shuō)明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語(yǔ)“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過(guò)中間媒介間接相連，還可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通，可以是無(wú)線連接，也可以是有線連接。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語(yǔ)在本實(shí)用新型中的具體含義。

此外，下面所描述的本實(shí)用新型不同實(shí)施方式中所涉及的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互結(jié)合。

實(shí)施例1

如圖1所示，本實(shí)施例提供一種模塊化多電平交交變換器，包括三相，其中，每相包含上橋臂和下橋臂，上橋臂和下橋臂分別包括至少一個(gè)可控功率模塊7以及一個(gè)電抗器L，可控功率模塊7和電抗器L串聯(lián)連接，其中可控功率模塊7的輸出電壓可以被控制；上橋臂的一端和下橋臂的一端連接，其連接點(diǎn)作為三相交流輸入端之一(即：第一相的上橋臂的一端和第一相的下橋臂的一端連接，其連接點(diǎn)作為三相交流輸出端之一；第二相的上橋臂的一端和第二相的下橋臂的一端連接，其連接點(diǎn)作為三相交流輸出端之一；第三相的上橋臂的一端和第三相的下橋臂的一端連接，其連接點(diǎn)作為三相交流輸出端之一；由此構(gòu)成了三相交流的三個(gè)輸入端)；第一相的上橋臂1的另一端和第二相的下橋臂5的另一端連接，其連接點(diǎn)作為三相交流輸出端之一；第二相的上橋臂2的另一端和第三相的下橋臂6的另一端連接，其連接點(diǎn)作為三相交流輸出端之一；第三相的上橋臂3的另一端和第一相的下橋臂4的另一端連接，其連接點(diǎn)作為三相交流輸出端之一；由此構(gòu)成了三相交流的三個(gè)輸出端。

本實(shí)施例提供了一種新型的模塊化多電平交交變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用的橋臂數(shù)更少，采用直接型交交變換，無(wú)中間公共直流環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，控制簡(jiǎn)單，具有較高的功率密度。

下面結(jié)合圖1，進(jìn)一步描述本實(shí)施例提供的模塊化多電平交交變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該拓?fù)潆娐饭灿蠥U(第一相的上橋臂1)、AW(第一相的下橋臂4)、BV(第二相的上橋臂2)、BU(第二相的下橋臂5)、CW(第三相的上橋臂3)、CV六個(gè)橋臂(第三相的下橋臂6)，AU橋臂包含N個(gè)功率模塊以及一個(gè)電感，采用串聯(lián)形式連接輸入側(cè)A相與輸出側(cè)U相；AW包含N個(gè)功率模塊以及一個(gè)電感，采用串聯(lián)形式連接輸入側(cè)A相與輸出側(cè)W相；BV包含N個(gè)功率模塊以及一個(gè)電感，采用串聯(lián)形式連接輸入側(cè)B相與輸出側(cè)V相；BU橋臂包含N個(gè)功率模塊以及一個(gè)電感，采用串聯(lián)形式連接輸入側(cè)B相與輸出側(cè)U相；CW包含N個(gè)功率模塊以及一個(gè)電感，采用串聯(lián)形式連接輸入側(cè)C相與輸出側(cè)W相；CV包含N個(gè)功率模塊以及一個(gè)電感，采用串聯(lián)形式連接輸入側(cè)C相與輸出側(cè)V相。

下面結(jié)合圖1，進(jìn)一步描述本實(shí)施例提供的模塊化多電平交交變換器的工作原理，u_x，i_x(x＝a,b,c)為輸入側(cè)相電壓、電流；u_y，i_y(y＝u,v,w)為輸出側(cè)相電壓、電流；i_xy為連接輸入側(cè)x相，輸出側(cè)連接y相的橋臂電流。其中，每個(gè)橋臂由N個(gè)可控功率模塊7(N為大于等于1的自然數(shù))與一個(gè)電抗器L串聯(lián)而成。以輸入側(cè)為基準(zhǔn)，橋臂以三角形接法連接，輸入側(cè)每相間均串聯(lián)兩個(gè)橋臂，兩橋臂中點(diǎn)為輸出電壓。通過(guò)控制各可控功率模塊7投切，使橋臂級(jí)聯(lián)模塊輸出期望的電壓，從而控制輸入、輸出側(cè)電壓、電流。由于對(duì)稱性，以輸出側(cè)為基準(zhǔn)時(shí)橋臂仍為三角形連接。采用三星形連接的方式連接橋臂，節(jié)省了電力電子器件和無(wú)源器件，節(jié)約了成本。變換器工作原理如下：u_xy為連接輸入側(cè)x相，輸出側(cè)連接y相的橋臂電壓。為保證輸入、輸出側(cè)電流獨(dú)立不相互耦合，橋臂電壓應(yīng)有如下關(guān)系：

作為一種可選實(shí)施方式，如圖2所示，可控功率模塊7可以包括：H橋變流單元與電容C(優(yōu)選地，電容C可以為直流儲(chǔ)能電容)，H橋變流單元與電容C并聯(lián)連接；H橋變流單元兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)作為可控功率模塊7的兩個(gè)輸出端。其中，H橋變流單元可以包括第一電力電子開(kāi)關(guān)器件T1、第二電力電子開(kāi)關(guān)器件T2、第三電力電子開(kāi)關(guān)器件T3、第四電力電子開(kāi)關(guān)器件T4、第一二極管D1、第二二極管D2、第三二極管D3以及第四二極管D4，其中，第一電力電子開(kāi)關(guān)器件T1與第一二極管D1并聯(lián)連接；第二電力電子開(kāi)關(guān)器件T2與第二二極管D2并聯(lián)連接；第三電力電子開(kāi)關(guān)器件T3與第三二極管D3并聯(lián)連接；第四電力電子開(kāi)關(guān)器件T4與第四二極管D4并聯(lián)連接；第一電力電子開(kāi)關(guān)器件T1和第三電力電子開(kāi)關(guān)器件T3串聯(lián)連接；第二電力電子開(kāi)關(guān)器件T2和第四電力電子開(kāi)關(guān)器件T4串聯(lián)連接；串聯(lián)后的第一電力電子開(kāi)關(guān)器件T1和第三電力電子開(kāi)關(guān)器件T3與串聯(lián)后的第二電力電子開(kāi)關(guān)器件T2和第四電力電子開(kāi)關(guān)器件T4以及電容C并聯(lián)連接；第一電力電子開(kāi)關(guān)器件T1和第三電力電子開(kāi)關(guān)器件T3連接的中點(diǎn)作為H橋變流單元的一個(gè)輸出端；第二電力電子開(kāi)關(guān)器件T2和第四電力電子開(kāi)關(guān)器件T4連接的中點(diǎn)作為H橋變流單元的另一個(gè)輸出端。

在上述方案的基礎(chǔ)上，本實(shí)施例提供的模塊化多電平交交變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，還包括控制模塊，用于控制可控功率模塊7的輸出，其中，可控功率模塊7的輸出包括三種模式，其中，第一模式為所述可控功率模塊輸出正向電壓；第二模式為輸出負(fù)向電壓；第三模式為輸出零電壓。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該可以理解，具體選擇可控功率模塊7處于哪種工作模式，可以根據(jù)輸入、輸出側(cè)指令電壓確定。運(yùn)用于海上風(fēng)力發(fā)電的場(chǎng)合時(shí)，可以根據(jù)當(dāng)前風(fēng)機(jī)輸出工況及電網(wǎng)運(yùn)行狀況確定變換器指令電壓，從而控制可控功率模塊7的工作模式。具體地，可控功率模塊7的三種工作模式如下：

如圖3a所示，當(dāng)控制模塊控制第一電力電子開(kāi)關(guān)器件T1和第四電力電子開(kāi)關(guān)器件T4導(dǎo)通、第二電力電子開(kāi)關(guān)器件T2和第三電力電子開(kāi)關(guān)器件T3關(guān)斷時(shí)，所可控功率模塊7輸出正向電壓。

如圖3b所示，當(dāng)控制模塊控制第二電力電子開(kāi)關(guān)器件T2和第三電力電子開(kāi)關(guān)器件T3導(dǎo)通、第一電力電子開(kāi)關(guān)器件T1和第四電力電子開(kāi)關(guān)器件T4關(guān)斷時(shí)，可控功率模塊7輸出負(fù)向電壓。

如圖3c所示，當(dāng)控制模塊控制第一電力電子開(kāi)關(guān)器件T1和第二電力電子開(kāi)關(guān)器件T2導(dǎo)通、第三電力電子開(kāi)關(guān)器件T3和第四電力電子開(kāi)關(guān)器件(T4)關(guān)斷時(shí)，可控功率模塊7輸出零電壓。同樣的，當(dāng)控制模塊控制第三電力電子開(kāi)關(guān)器件T3和第四電力電子開(kāi)關(guān)器件T4導(dǎo)通、第一電力電子開(kāi)關(guān)器件T1和第二電力電子開(kāi)關(guān)器件T2關(guān)斷時(shí)，可控功率模塊7輸出零電壓。

顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明所作的舉例，而并非對(duì)實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無(wú)需也無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見(jiàn)的變化或變動(dòng)仍處于本實(shí)用新型創(chuàng)造的保護(hù)范圍之中。