一种Y型模块化多电平大功率交交变流器制造技术

本发明专利技术公开了一种Y型模块化多电平大功率交交变流器，包括第一主桥臂、第二主桥臂、第三主桥臂、第一辅助桥臂、第二辅助桥臂、第三辅助桥臂、第四辅助桥臂、第五辅助桥臂、第六辅助桥臂及中性点。本发明专利技术的可靠性较高，结构简单、成本低，所提出的控制策略能够独立实现输入和输出系统的有功功率及无功功率控制，并且通过无功功率在主桥臂和辅助桥臂之间的合理分配，可实现对系统整体性能的优化，其应用范围较广。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于高电压、大功率电力变换装置拓扑结构及其控制策略领域，涉及一种Y型模块化多电平大功率交交变流器。
技术介绍
高电压大功率交交变流器的实际工程应用非常广泛，在异步联网、海上风电、远距离分频输电、海洋油气开采及未来海底输配电系统建设等方面都具有非常重要的作用。此外，在轨道交通、采矿、冶炼、轧钢等电力传动以及高电压大功率电源行业领域，大功率交交变流器同样不可或缺。模块化多电平矩阵式变流器(modularmultilevelmatrixconverter，M3C)由美国科罗拉多大学的R.W.Erickson和O.A.Al-Naseem于2001年提出。M3C保留了模块化多电平变流器(modularmultilevelconverter，MMC)的模块化多电平优点，同时具备高电压大容量的特性，可以直接实现交交功率变换，但M3C的拓扑结构复杂，实现交交功率变换需要9个桥臂，每个桥臂均需要n个子模块，从而体积较大，成本较高，可靠性较差；且M3C内部环流通道众多，其环流分析及抑制策略复杂。此外，由M3C连接的两侧三相交流系统之间电气耦合程度高，一侧系统的每一相都经由三个桥臂与另一侧系统的三相相连接，若一侧系统的任何一相发生故障，M3C均无法实现稳定的功率传输。德国汉诺威-莱布尼茨大学的LennartBaruschka和AxelMertens于2011年提出了一种可应用于高电压大功率场合的新型六边形模块化多电平交交变流器(Hexverter)。与MMC和M3C相比，Hexverter只使用6个桥臂就可以实现两个不同频率和幅值的三相交流系统的连接，降低了设备体积和生产成本，但Hexverter的拓扑结构决定了其内部环流通道只有一条，其正常运行时系统必须满足严格的无功约束条件，从而大大限制了此新型交交变流器在实际工程中的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种Y型模块化多电平大功率交交变流器，该变流器的可靠性较高，并且结构简单、成本低，能够独立实现输入和输出系统的有功功率及无功功率控制，并且能够通过无功功率在主桥臂和辅助桥臂之间的合理分配实现对系统整体性能的优化，应用范围较广。为达到上述目的，本专利技术所述的Y型模块化多电平大功率交交变流器包括第一主桥臂、第二主桥臂、第三主桥臂、第一辅助桥臂、第二辅助桥臂、第三辅助桥臂、第四辅助桥臂、第五辅助桥臂、第六辅助桥臂及中性点；第一辅助桥臂的一端、第二辅助桥臂的一端、第三辅助桥臂的一端分别与输入侧三相电网的u端、v端及w端相连接，第四辅助桥臂的一端、第五辅助桥臂的一端及第六辅助桥臂的一端分别与输出侧电网的a端、b端及c端相连接，第一辅助桥臂的另一端及第四辅助桥臂的另一端与第一主桥臂的一端相连接，第二辅助桥臂的另一端及第五辅助桥臂的另一端与第二主桥臂的一端相连接，第三辅助桥臂的另一端及第六辅助桥臂的另一端与第三主桥臂的一端相连接，第一主桥臂的另一端、第二主桥臂的另一端及第三主桥臂的另一端均与中性点相连接。第一主桥臂、第二主桥臂及第三主桥臂均由n个第一H桥子模块级联而成，其中，第一主桥臂中的第一个第一H桥子模块与第一辅助桥臂及第四辅助桥臂相连接，第二主桥臂中的第一个第一H桥子模块与第二辅助桥臂及第五辅助桥臂相连接，第三主桥臂中的第一个第一H桥子模块与第三辅助桥臂及第六辅助桥臂相连接，第一主桥臂中的最后一个第一H桥子模块、第二主桥臂中的最后一个第一H桥子模块及第三主桥臂中的最后一个第一H桥子模块均与中性点相连接。第一辅助桥臂、第二辅助桥臂、第三辅助桥臂、第四辅助桥臂、第五辅助桥臂及第六辅助桥臂均由电感、等效电阻及n/2个第二H桥子模块依次级联而成，其中，第一辅助桥臂中的电感、第二辅助桥臂中的电感及第三辅助桥臂中的电感分别与输入侧三相电网的u端、v端及w端相连接，第四辅助桥臂中的电感、第五辅助桥臂中的电感及第六辅助桥臂中的电感分别与输出侧电网的a端、b端及c端相连接，第一辅助桥臂中的最后一个第二H桥子模块及第四辅助桥臂中的最后一个第二H桥子模块与第一主桥臂相连接，第二辅助桥臂中的最后一个第二H桥子模块及第五辅助桥臂中的最后一个第二H桥子模块与第二主桥臂相连接，第三辅助桥臂中的最后一个第二H桥子模块及第六辅助桥臂中的最后一个第二H桥子模块与第三主桥臂相连接。通过输入侧电网及输出侧电网的有功电流与无功电流的前馈解耦控制调节流过第一主桥臂、第二主桥臂及第三主桥臂上的电流。第一主桥臂、第二主桥臂及第三主桥臂采用定有功功率及交流电压控制输入侧电网。第一主桥臂、第二主桥臂及第三主桥臂采用定直流电压及交流电压控制输出侧电网。第一辅助桥臂、第二辅助桥臂、第三辅助桥臂、第四辅助桥臂、第五辅助桥臂及第六辅助桥臂对其交流电压采用电流定向的定直流电压进行控制。引入无功功率分配系数k1和k2，通过无功功率分配系数k1和k2实现无功功率在主桥臂和辅助桥臂之间的分配。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术所述的Y型模块化多电平大功率交交变流器通过九个桥臂组成3个Y型结构，再通过中性点将三个Y型结构相连接，既可以直接连接两个不同频率及幅值的三相交流系统，实现高压风力发电、异步联网及低频输电的功能，同时还可以直接连接无源负荷作为高压变频电源和高压电力传动变频使用，使用范围较为广泛，同时采用模块化设计，将一个主桥臂与两个辅助桥臂组成Y型结构，可靠性及对称性较好，并且设计较为简单，制作成本较低，同时等效桥臂数较少，所提出的控制策略能够实现输入电网系统及输出电网系统的无功功率与有功功率的独立控制。附图说明图1为本专利技术的等效电路图；图2为本专利技术中一相的等效电路图3为本专利技术中输入侧一相的等效电路图4为本专利技术中输出侧一相等效电路图5为本专利技术的一控制策略框图；图6为本专利技术的又一控制策略框图；图7为本专利技术稳态运行时桥臂调制波分配示意图；图8为仿真实验中k1＝1，k2＝1时输入侧三相电压电流波形图；图9为仿真实验中k1＝1，k2＝1时输出侧三相电压电流波形图；图10为仿真实验中k1＝1，k2＝1时传输的有功功率和无功功率波形图；图11为仿真实验中k1＝1，k2＝1时主桥臂和辅助桥臂直流电容电压波形图；图12为仿真实验中k1＝1，k2＝1时输入侧电流频谱分析图；图13为仿真实验中k1＝1，k2＝1时输出侧电流频谱分析本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Y型模块化多电平大功率交交变流器，其特征在于，包括第一主桥臂(1N)、第二主桥臂(2N)、第三主桥臂(3N)、第一辅助桥臂(u1)、第二辅助桥臂(v1)、第三辅助桥臂(w1)、第四辅助桥臂(a1)、第五辅助桥臂(b2)、第六辅助桥臂(c3)及中性点(N)；第一辅助桥臂(u1)的一端、第二辅助桥臂(v1)的一端、第三辅助桥臂(w1)的一端分别与输入侧三相电网的u端、v端及w端相连接，第四辅助桥臂(a1)的一端、第五辅助桥臂(b2)的一端及第六辅助桥臂(c3)的一端分别与输出侧电网的a端、b端及c端相连接，第一辅助桥臂(u1)的另一端及第四辅助桥臂(a1)的另一端与第一主桥臂(1N)的一端相连接，第二辅助桥臂(v1)的另一端及第五辅助桥臂(b2)的另一端与第二主桥臂(2N)的一端相连接，第三辅助桥臂(w1)的另一端及第六辅助桥臂(c3)的另一端与第三主桥臂(3N)的一端相连接，第一主桥臂(1N)的另一端、第二主桥臂(2N)的另一端及第三主桥臂(3N)的另一端均与中性点(N)相连接。

【技术特征摘要】
1.一种Y型模块化多电平大功率交交变流器，其特征在于，包括第
一主桥臂(1N)、第二主桥臂(2N)、第三主桥臂(3N)、第一辅助桥臂(u1)、
第二辅助桥臂(v1)、第三辅助桥臂(w1)、第四辅助桥臂(a1)、第五辅
助桥臂(b2)、第六辅助桥臂(c3)及中性点(N)；
第一辅助桥臂(u1)的一端、第二辅助桥臂(v1)的一端、第三辅助
桥臂(w1)的一端分别与输入侧三相电网的u端、v端及w端相连接，
第四辅助桥臂(a1)的一端、第五辅助桥臂(b2)的一端及第六辅助桥臂
(c3)的一端分别与输出侧电网的a端、b端及c端相连接，第一辅助桥
臂(u1)的另一端及第四辅助桥臂(a1)的另一端与第一主桥臂(1N)
的一端相连接，第二辅助桥臂(v1)的另一端及第五辅助桥臂(b2)的另
一端与第二主桥臂(2N)的一端相连接，第三辅助桥臂(w1)的另一端
及第六辅助桥臂(c3)的另一端与第三主桥臂(3N)的一端相连接，第一
主桥臂(1N)的另一端、第二主桥臂(2N)的另一端及第三主桥臂(3N)
的另一端均与中性点(N)相连接。
2.根据权利要求1所述的Y型模块化多电平大功率交交变流器，其
特征在于，第一主桥臂(1N)、第二主桥臂(2N)及第三主桥臂(3N)均
由n个第一H桥子模块级联而成，其中，第一主桥臂(1N)中的第一个
第一H桥子模块与第一辅助桥臂(u1)及第四辅助桥臂(a1)相连接，
第二主桥臂(2N)中的第一个第一H桥子模块与第二辅助桥臂(v1)及
第五辅助桥臂(b2)相连接，第三主桥臂(3N)中的第一个第一H桥子
模块与第三辅助桥臂(w1)及第六辅助桥臂(c3)相连接，第一主桥臂
(1N)中的最后一个第一H桥子模块、第二主桥臂(2N)中的最后一个
第一H桥子模块及第三主桥臂(3N)中的最后一个第一H桥子模块均与

\t中性点(N)相连接。
3.根据权利要求1所述的Y型模块化多电平大功率交交变流器，其
特征在于，第一辅助桥臂(u1)、第二辅助桥臂(v1)、第三辅助桥臂(w1)、
第四辅助桥臂(a1)、第五辅助桥臂(b2)及第六辅...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟永庆，刘勃，白森戈，马浩，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61