一种基于MMC的含电容器桥臂的三相-三相变流系统技术方案

本实用新型专利技术提供了一种基于MMC的含电容器桥臂的三相—三相变流系统，涉及电力机车车辆电力电子与电力传动技术领域。由两组三相三桥臂变流器“背靠背”联接而成，主要用于电力牵引的三相电源到三相电机的有功功率传递；将电容器桥臂与MMC桥臂相组合，最大限度降低系统造价；其中电容器桥臂由两套相同的电容器组串联而成，电容器组皆由同规格的直流储能电容串并联构成；MMC桥臂由两套相同的MMC链串联而成，MMC链由一个电感L与p个结构相同的功率模块串联，功率模块为单相半桥结构，均由一个IGBT半桥和一个直流储能电容构成；该系统尚可补偿谐波和无功功率，也适于变压、变频、变相等场合；本实用新型专利技术技术先进、可靠，易于实施。

A three phase three phase converter system with capacitor bridge arm based on MMC

The utility model provides a three-phase to three-phase converter system with capacitor bridge arm based on MMC, which relates to the technical field of power electronics and power transmission for electric locomotives and rolling stock. It is composed of two groups of three-phase three-leg converters connected back-to-back, mainly used for power traction of three-phase power supply to three-phase motor active power transfer; the capacitor bridge arm and MMC bridge arm are combined to minimize the system cost; the capacitor bridge arm is composed of two sets of the same capacitor banks in series, capacitor banks are both. MMC bridge arm is composed of two sets of MMC chains in series, MMC chain is composed of one inductance L and P power modules with the same structure in series, power module is single-phase half-bridge structure, both consisting of an IGBT half-bridge and a DC energy storage capacitor; the system can compensate harmonic and reactive power. The utility model is advanced in technology, reliable and easy to implement.

【技术实现步骤摘要】
一种基于MMC的含电容器桥臂的三相-三相变流系统
本技术涉及电力机车车辆电力电子与电力传动

技术介绍
电力电子装置实现电压变换和功率传递的技术分为交交(AC-AC)变换和交直交(AC-DC-AC)变换两类拓扑，相比之下，交直交拓扑两边的交流端口可独立变压、定频或变频控制，具有更好的可控性和灵活性，因此，交直交变换是实现交流电压变换和功率传递的主要手段。交直交变换实现高压交流电压变换和功率传递，通常有两种方式。一是低压侧并联，高压侧级联(串联)的非隔离方式，此时，低压侧往往需要借助工频变压器实现电压匹配和隔离。二是采用交直变换+隔离直直变换+直交变换方式，称为电力电子变压器(PET，powerelectronictransformer)或固态变压器(SST,solid-statetransformer)，由隔离直直变换器中的中高频变压器实现电压匹配和隔离，其优点是输入侧和输出侧均可级联而适于较高电压，中高频变压器体积大大缩小，但结构和控制明显复杂，投资加大。为了取消变换过程中的工频或中高频变压器，德国慕尼黑联邦国防军大学的R.Marquardt和A.Lesnicar于2002年提出了模块化多电平变流器(MMC,modularmultilevelconverter)技术。MMC具有结构对称、模块化程度高、互换性好、方便实现背靠背联接、组合灵活、易于扩展、开关器件损耗小、谐波特性好等优点，并且不用变压器即可直挂于高压系统，使其应用领域愈发广泛。现行的交流电气化铁路机车车辆的电力传动系统为单相-三相牵引传动系统，即由单相工频交流接触网供电到三相感应电机电压和功率的变换与传递，并且实现三相变频、变压以达到牵引过程中变频调速驱动。现行的城市轨道交通机车车辆的电力传动系统为直流-三相牵引传动系统，即由直流接触网供电到三相感应电机电压和功率的变换与传递。在供电容量(能力)相同情况下，三相发电机、电动机、变压器、输电线都较单相同类元件的制造和建造更节省材料，而且构造简单，性能优良，并且三相电功率的瞬时值保持恒定不变。但是由于三条架空线需要三极受电弓、两条架空线需要双极受电弓，这种架空线和受电弓的接触结构过于复杂，其可靠性也成为难以逾越的障碍，加之过道岔的技术难题，该方式用于干线铁路的实用性受到严重挑战，因此逐渐被低压直流和单相交流供电方式所取代。非常遗憾，三相交流电的优势不能在铁路牵引供电上得到应有的、完美的发挥。因此，在不增加接触结构复杂性的情况下实现三相交流牵引供电，使三相交流电的优势在干线铁路和城市轨道中发挥到最佳水平仍然是追求的目标。三相交流牵引供电需要机车车辆具备三相-三相变流系统与之相匹配。本技术提出一种基于MMC的含电容器桥臂的三相-三相变流系统，利用直流储能电容器桥臂造价远比包含IGBT开关管的MMC桥臂造价低廉的特点，更经济地实现电力传动系统的电压和功率的变换与传递。
技术实现思路
本技术的目的就是提供一种基于MMC的含电容器桥臂的三相-三相变流系统，它能有效地解决电压和功率的变换与传递的技术问题，且具有无功补偿和变频、变压功能。本技术解决其技术问题，所采用的技术方案为：一种基于MMC的含电容器桥臂的三相-三相变流系统，包括两组三相三桥臂变流器“背靠背”联接，桥臂分为电容器桥臂和MMC桥臂两种，MMC桥臂由两套相同的MMC链串联而成；MMC链由一个电感L与p个结构相同的功率模块串联；功率模块为单相半桥结构，均由一个IGBT半桥和一个直流储能电容构成；电容器桥臂和MMC桥臂的直流总电压相等；在所述两组三相三桥臂变流器中至少有一个电容器桥臂，其余为MMC桥臂；电容器桥臂由两套相同的电容器组串联而成；电容器组均由同规格的直流储能电容串并联构成。分三种情形:(1)包含五个MMC桥臂和一个电容器桥臂的三相-三相变流系统，其中一组三相三桥臂变流器由两个MMC桥臂和一个电容器桥臂连接而成，MMC桥臂中点P1、P2与电容器桥臂中点P3形成三相交流端口P1P2、P2P3和P3P1；另一组三相三桥臂变流器由三个MMC桥臂连接而成，这三个MMC桥臂的中点S1、S2、S3形成三相交流端口S1S2、S2S3和S3S1。两组三相三桥臂变流器的交流端口既可作为输入端口，也可作为输出端口，即三相交流端口P1P2、P2P3和P3P1为输入端口，则三相交流端口S1S2、S2S3和S3S1为输端口；或三相交流端口S1S2、S2S3和S3S1为输入端口，三相交流端口P1P2、P2P3和P3P1为输出端口。(2)包含四个MMC桥臂和两个电容器桥臂的三相-三相变流系统，两组三相三桥臂变流器均由两个MMC桥臂与一个电容器桥臂连接而成，其中一组变流器的两个MMC桥臂中点P1、P2与电容器桥臂中点P3形成三相交流端口P1P2、P2P3和P3P1，另一组变流器的两个MMC桥臂中点S1、S2与电容器桥臂中点S3形成三相交流端口S1S2、S2S3和S3S1。(3)包含四个MMC桥臂和一组公共电容器桥臂的三相-三相变流系统，两组三相三桥臂变流器均由两个MMC桥臂与一个电容器桥臂连接而成，电容器桥臂作为两组三相变流器的公共桥臂，其中一组三相三桥臂变流器MMC桥臂中点P1、P2与公共电容器桥臂中点O3形成三相交流端口P1P2、P2O3和O3P1，另一组变流器MMC桥臂中点S1、S2与公共电容器桥臂中点O3形成三相交流端口S1S2、S2O3和O3S1。本技术的工作原理是：含电容器桥臂的交流端口的交流电压由电容器桥臂的一套电容器组(或两套相同的电容器组中的另一套或电容器组)的直流电压减去同端口的MMC桥臂中适当数量的由IGBT半桥控制的直流储能电容的电压而得到；通过控制三相交流端口电压与三相电源电压的幅值和相位差，可以控制三相交流端口输入/出的有功功率；三相交流端口还可补偿单相交流端口的无功功率和谐波；可实现牵引和再生制动工况下有功功率的双向流动；三相交流端口的无功功率和谐波也可以独立控制。与现有技术相比，本技术的有益效果是：一、本技术可实现三相-三相牵引供电系统。二、本技术可以实现无变压器的高电压场合的有功功率传递。三、本技术利用电容器桥臂，比起全部采用MMC桥臂更加经济，更容易推广。四、本技术除了用于有功功率传递场合外，还适用于无功功率与谐波补偿和变频、变压等场合。五、本技术技术先进、可靠，易于实施。附图说明图1是本技术实施例的结构一示意图。图2是本技术实施例的结构二示意图。图3是本技术实施例的结构三示意图。图4是本技术实施例MMC桥臂的一个半桥结构示意图。图5是本技术实施例MMC桥臂的功率模块PM电路结构示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步的描述。实施例图1示出，本技术的第一种具体实施方式为：由两组三相三桥臂变流器“背靠背”联接而成；其中一组三相三桥臂变流器由两个MMC桥臂和一个电容器桥臂组成，其中MMC桥臂由两套相同的MMC链MP11和MP12串联而成，电容器桥臂由两套相同的电容器组CP1和CP2串联而成，电容器组CP1和CP2皆由同规格的直流储能电容串并联构成，电容器桥臂和MMC桥臂的直流总电压相等，容量相等；另一组三相三桥臂变流器由3本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于MMC的含电容器桥臂的三相‑三相变流系统，包括两组三相三桥臂变流器“背靠背”联接，桥臂分为电容器桥臂和MMC桥臂两种，MMC桥臂的上下桥臂由两套相同的MMC链串联而成，MMC链由一个电感L与p个结构相同的功率模块串联，功率模块为单相半桥结构，均由两个IGBT构成的半桥和一个直流电容构成；电容器桥臂的中点为该桥臂的交流输出端口，电容器桥臂的直流正负端与其他MMC桥臂的直流正负端联结，因此电容器桥臂的直流总电压和MMC桥臂的直流总电压相等；其特征在于：在所述两组三相三桥臂变流器中至少有一个电容器桥臂，其余为MMC桥臂；电容器桥臂由两套相同的电容器组串联而成；电容器组均由同规格的直流电容串并联构成。

【技术特征摘要】
1.一种基于MMC的含电容器桥臂的三相-三相变流系统，包括两组三相三桥臂变流器“背靠背”联接，桥臂分为电容器桥臂和MMC桥臂两种，MMC桥臂的上下桥臂由两套相同的MMC链串联而成，MMC链由一个电感L与p个结构相同的功率模块串联，功率模块为单相半桥结构，均由两个IGBT构成的半桥和一个直流电容构成；电容器桥臂的中点为该桥臂的交流输出端口，电容器桥臂的直流正负端与其他MMC桥臂的直流正负端联结，因此电容器桥臂的直流总电压和MMC桥臂的直流总电压相等；其特征在于：在所述两组三相三桥臂变流器中至少有一个电容器桥臂，其余为MMC桥臂；电容器桥臂由两套相同的电容器组串联而成；电容器组均由同规格的直流电容串并联构成。2.根据权利要求1所述的一种基于MMC的含电容器桥臂的三相-三相变流系统，其特征在于：其中一组三相三桥臂变流器由两个MMC桥臂和一个电容器桥臂连接而成，MMC桥臂中点P1、P2与电容器桥臂中点P3形成三相交流端口P1P2、P2P3和P3P1；另一组三相三桥臂变流器由三个MMC桥臂连接而成，这三个MMC桥臂的中点S1、S2、S3形成三相交流端口S1S2、S2S3和S3S1；两组三相三桥臂变流器的交流端口既可作为...

【专利技术属性】
技术研发人员：李群湛，黄小红，舒泽亮，郭育华，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：新型
国别省市：四川,51