三相线电压级联VIENNA变换器制造技术

本实用新型专利技术公开一种新型三相线电压级联VIENNA变换器，属于AC/DC变换器。该变换器包括星形连接的三相交流电源、九个输入电感和三个级联的VIENNA变换器。本实用新型专利技术利用三相输入线电压级联叠加的连接方式以降低开关管电压应力，提升电压等级，使其可应用在高压大功率等级场合；并且直流侧可输出相同或者不同的电压，同时为多路负载供电；可实现有源功率因数校正，可以降低总谐波畸变THD；与三相全控型级联H桥整流器相比，本实用新型专利技术所提出的变换器在均为三个模块级联时可以少用27个全控型电力半导体器件。与全部应用全控型电力半导体器件采用同样三相桥线电压级联的整流器相比，则少用一半的全控型电力半导体器件，且开关管的耐压要求降低一半，降低了变换器的成本和体积。

Three phase line voltage cascaded VIENNA converter

The utility model discloses a novel three phase line voltage cascaded VIENNA converter, belonging to the AC/DC converter. The converter comprises a three-phase AC power source connected by a star, nine input inductors and three cascaded VIENNA converters. The utility model uses the connection mode of the three-phase input line voltage cascade superposition to reduce the voltage stress of the switches, enhance the voltage level, so that it can be used in high voltage and high power levels and different occasions; the DC side voltage or the same output, at the same time for the multi load power supply can be realized; active power factor correction, can reduce the total harmonic the distortion of THD; compared with three-phase full controlled cascaded H bridge rectifier, converter of the utility model can be as little as 27 full controlled power semiconductor devices in all three modules cascade. Compared with the full application of full controlled power semiconductor devices using the same three-phase bridge rectifier line voltage cascade, is fully controlled power semiconductor devices with less than half, and the switch of the pressure required to reduce half, reduce the cost and volume of converter.

【技术实现步骤摘要】
三相线电压级联VIENNA变换器
本专利技术涉及一种AC/DC变换器的新型电路拓扑结构及其应用，特别是涉及一种能够应用在高压大功率等级场合，并能同时为多路负载供电的三相线电压级联VIENNA变换器。
技术介绍
近年来，“多电平功率变换器”(MultilevelConverter)在高电压大功率变频调速、有源电力滤波、高压直流(HVDC)输电以及电力系统无功补偿等领域已得到成功的应用。多电平变换器的基本电路拓扑结构大致可分为箝位型和单元级联型两大类，例如，目前在工业中得到广泛应用的由西门子公司或ABB公司生产的二极管钳位型三电平中高压变频器，以及由罗宾康公司或利德华福公司生产的级联H桥中高压变频器就是这两类产品的典型代表。在这两类中高压变频器中无论哪一类，为了应用低耐压的电力半导体器件完成高电压的整流，均在整流输入侧使用了体积庞大、接线复杂、价格昂贵的工频移相变压器，这使其在许多工业场合的应用受到限制。无工频变压器级联式多电平变换器，近年来在电力电子
受到广泛关注。欧盟及美国均投入大量精力，将此类变换器作为构建适应于新能源发电系统接入，满足分布式发电需求的智能电网接口进行了深入研究。而日本则将无工频变压器级联式多电平变换器作为下一代中高压变压变频器进行了分析。此类变换器采用高频隔离双向DC/DC变换器双向传输能量，取消了传统级联式变换器中的移相变压器，两侧或者高压侧采用级联全控H桥(或级联MMC)多电平功率变换器结构。大大减小了系统体积、降低了系统重量。然而，此类变换器也有着明显的缺点，主要表现在：级联整流(或逆变)级各模块以及双向DC/DC变换模块采用了较多的全控型器件，这些全控型器件造价昂贵，使系统成本上升；运行过程中开关损耗大，影响了系统整体效率；控制电路与控制算法设计复杂。实际上，在相当多的实际工业应用场合，能量并不需要在两个方向传输。该类变换器在不需要能量回馈的风机、泵类电动机节能调速领域的应用并无明显优势。这也是制约该类变换器实用化的关键因素之一。本专利技术专利提出了一种如图1所示的能量单方向传输的，不需要体积庞大、接线复杂、价格昂贵的工频移相变压器，能在高电压下完成整流的级联式多电平变换器拓扑。该新型变换器拓扑可以作为新一代中高压变压变频器的整流级，在高电压下完成单位功率因数整流。与三相全控型级联H桥整流器相比，本专利技术所提出的级联整流器在级联模块数相同(例如均为三个模块级联)可以少用27个全控型电力半导体器件。与全部应用全控型电力半导体器件采用同样三相桥线电压级联的整流器相比，则少用一半的全控型电力半导体器件，且每个全控型电力半导体器件的耐压要求降低一半。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述不足，本专利技术的目的在于提供一种能够应用在高压大功率等级场合并能实现有源功率因数校正的三相线电压级联VIENNA变换器。电路本身的结构特点使该变换器在级联级数相同的情况下，可以减少有源开关管数，降低开关损耗，节约成本。本专利技术的专利技术目的是通过下述技术方案予以实现的：三相线电压级联VIENNA变换器，其特征在于，其二级级联拓扑包含：星形连接且不带中性线的三相输入电源ua、ub、uc；九个与每相桥臂串联的输入升压电感La1、Lb1、Lc1，La2、Lb2、Lc2，La3、Lb3、Lc3，其电感值相同，其中三个与三相电源连接的升压电感的输出端，分别记为A、B、C；三个结构完全相同的三相三线VIENNA变换器，三个三相VIENNA变换器对应相上下两桥臂的左侧连接点分别记为A1、B1、C1，A2、B2、C2和A3、B3、C3；每个三相三线VIENNA变换器是由3个双向功率开关KA、KB、KC，六个快速整流二极管Daf+、Daf-、Dbf+、Dbf-、Dcf+、Dcf-，两组串联联接的输出电容Cf1、Cf2和一个电阻负载R组成的；每个双向功率开关由四个二极管和一个开关管组成，有四个结点，上下两个结点分别接D(a、b、c)f+的阳极和D(a、b、c)f-的阴极，左结点为上下两桥臂的左侧连接点Ai、Bi、Ci，右节点接直流输出电容Cf1、Cf2的中点，将D(a、b、c)f+的阴极、D(a、b、c)f-的阳极与串联的输出电容Cf1、Cf2和电阻负载R并联连接；三个三相VIENNA变换器的六个输出电容分别记为Caf1、Caf2、Cbf1、Cbf2、Ccf1、Ccf2；三个负载电阻分别记为R1、R2、R3；三组直流输出电压分别记为UO1、UO2、UO3；六个输出电容的电压值分别记为udc1、udc2、udc3、udc4、udc5、udc6；三个三相VIENNA变换器是通过输入侧的线电压级联在一起的，具体连接方式为：A相输入电感La1的输出端A与A1相连，B1通过升压电感Lb1、La2与A2相连，B2与B相输入电感Lb2的输出端B相连，C2通过升压电感Lc2、Lb3与B3相连，C3与C相输入电感Lc3的输出端C相连，A3通过升压电感La3、Lc1与C1相连。如图1所示。根据图1所示结构，可画出二级级联三相VIENNA变换器的简化连接结构，如图2所示。根据图2所示结构，级联三相VIENNA变换器的交流侧线电压可以表示为：该变换器的子单元是结构完全相同的三相三线VIENNA变换器；采用的开关管为全控型电力半导体器件，可以实现单位功率因数。由上述二级级联的三相VIENNA变换器拓扑的构造思路，可以得到由6个三相VIENNA变换器子单元构成的三级级联的三相三线VIENNA变换器，具体连接方式为：A相输入电感La1的输出端A与A1相连，B1通过电感与A2相连，B2通过电感与A3相连，B3与B相输入电感Lb3的输出端B相连，C3通过电感与B4相连，C4通过电感与B5相连，C5与C相输入电感Lc5的输出端C相连，A6通过电感与C1相连，A5通过电感与C6相连，A4、C2通过电感与B6相连，如图3所示。根据图3所示结构，可画出三级级联三相VIENNA变换器的简化连接结构，如图4所示。根据图4所示结构，级联三相VIENNA变换器的交流侧线电压可以表示为：由二级级联得到三级级联拓扑的扩展方法可推广到n级级联。对于n级级联的三相VIENNA变换器，其交流侧线电压的表达式应为由式(3)可知：对于n级级联的三相VIENNA变换器，由(3n-3)个三相VIENNA变换器模块构成，共需要(9n-9)个有源开关和(6n-6)个直流输出电容；不同模块桥臂间的连接关系可通过该式得到，其中式中未涉及到的桥臂通过电感按一定的方式进行连接。按上述扩展方法得到的4级至7级级联的三相VIENNA变换器的拓扑简化连接图分别见图5—图7。本专利技术具有如下有益效果：①由于本专利技术的三相级联型VIENNA变换器是通过三相输入电源的线电压间级联而构成，不仅可以继承VIENNA变换器的以下优点：能够实现单位功率因数控制；功率器件上的电压应力为直流母线电压一半，可以使用低压的有源开关管和快恢复二极管；电感电流连续；功率密度高，输入电流纹波降低，从而电感体积减小；整流器呈现电阻特性，电压不平衡及缺相条件下仍然可以工作；而且还可以利用三相输入线电压级联叠加的连接方式以进一步降低开关管的电压应力，提升电压等级，使该变换器适合应用在高压大功率等级场合；且直流侧可以输出相同或者不同的电压，能够本文档来自技高网...

【技术保护点】
三相线电压级联VIENNA变换器，其特征在于，其二级级联拓扑包含：星形连接且不带中性线的三相输入电源u

【技术特征摘要】
1.三相线电压级联VIENNA变换器，其特征在于，其二级级联拓扑包含：星形连接且不带中性线的三相输入电源ua、ub、uc；九个与每相桥臂串联的输入升压电感La1、Lb1、Lc1，La2、Lb2、Lc2，La3、Lb3、Lc3，其电感值相同，其中三个与三相电源连接的升压电感的输出端，分别记为A、B、C；三个结构完全相同的三相三线VIENNA变换器，三个三相VIENNA变换器对应相上下两桥臂的左侧连接点分别记为A1、B1、C1，A2、B2、C2和A3、B3、C3；每个三相三线VIENNA变换器是由3个双向功率开关KA、KB、KC，六个快速整流二极管Daf+、Daf-、Dbf+、Dbf-、Dcf+、Dcf-，两组串联联接的输出电容Cf1、Cf2和一个电阻负载R组成的；每个双向功率开关由四个二极管和一个开关管组成，有四个结点，上下两个结点分别接D(a、b、c)f+的阳极和D(a、b、c)f-的阴极，左结点为上下两桥臂的左侧连接点Ai、Bi、Ci，右节点接直流输出电容Cf1、Cf2的中点，将D(a、b、c)f+的阴极、D(a、b、c)f-的阳极与串联的输出电容Cf1、Cf2和电阻负载R并联连接；三个三相VIENNA变换器的六个输出电容分别记为Caf1、Caf2、Cbf1、Cbf2、Ccf1、Ccf2；三个负载电阻分别记为R1、R2、R3；三组直流输出电压分别记为UO1、UO2、UO3；六个输出电容的电压值分别记为udc1、udc2、udc3、udc4、udc5、udc6；三个三相VIENNA变换器是通过输入侧的线电压级联在一起的，具体连接方式为：A相输入电感L...

【专利技术属性】
技术研发人员：程红，王聪，侯丽楠，巩英才，张衡，庄园，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：新型
国别省市：北京,11