一种轻型单元级联式多电平功率变换器制造技术

一种轻型单元级联式多电平功率变换器，包括多输出变压器、中央控制系统和泵电源，中央控制系统通过光纤与各轻型单元的单元控制系统交换信号：故障监测信号、ＰＷＭ控制信号，其特征在于还包括ｎｘｍ个轻型单元及独立的泵电源；多输出变压器原边由Ａ、Ｂ、Ｃ端子接高压电源，ｎｘｍ组副边绕组通过１１ａｂｃ、１２ａｂｃ、……、ｎｍａｂｃ等端子连接至相应轻型单元输入端ａ、ｂ、ｃ；轻型单元由单元功率电路、单元电源和单元控制系统组成，单元功率电路通过端子ａ、ｂ、ｃ连接多输出变压器的一组副绕组，通过端子ｙ１、ｙ２输出，与同相的其它轻型单元相级连；单元功率电路有Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型、Ⅳ型及Ⅴ型五种结构；中央控制系统、各轻型单元的单元控制系统和功率器件驱动电源由泵电源提供电能，泵电源输出高频方波交流电，经过高压绝缘电缆穿过各轻型单元和控制系统，各轻型单元及控制系统分别通过多个相互之间绝缘的磁环耦合取得多路隔离电源，向控制电路和功率器件驱动电路提供稳定的低压直流电源。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种开关型功率变换装置，特别涉及轻型单元级联式多电平功率变换器。
技术介绍
功率变换器是进行电功率变换的装置，表征为电压或电流的幅值、频率、相位的变换。具备此功能的设备包括变压器、旋转变流机组、功率放大器和开关型功率变换器等。单元级联式多电平功率变换器属于开关型功率变换器的一种。单元级联式多电平功率变换器拓扑结构如图1所示，由多输出变压器、功率单元和中央控制系统组成。如图1所示，多输出变压器原边接至电网，副边绕组(3相为一组)数量等于功率单元数。如果输出m相，每相由n个功率单元级联而成，则功率单元数为nxm个。中央控制系统一般通过光纤与各功率单元控制系统交换信号(故障监测信号、PWM控制信号)。图2为功率单元拓扑结构，可称为常规功率单元，由三相二极管整流桥、直流大容量电容C和H桥逆变电路组成。同一输出相的各功率单元输出侧级联以形成多电平输出电压，各单元输入侧分别与多输出变压器的一组绕组连接。这种结构中直流侧采用大容量直流电容，一般为电解电容。各功率单元的单元控制系统与功率器件驱动电路的电源一般从功率单元的直流侧取得。常规功率单元由于使用大容量直流电容使其输入侧谐波很大，通过多输出变压器的副绕组移相设计来降低网侧谐波。由于每相由多个功率单元级联在输出侧获得较低的电压变化率，并采用PWM控制技术降低输出侧谐波。与器件串联结构和筘位式结构相比，单元级联式结构可靠性高。在国内外有众多厂商生产并在高压电机调速中获得大量应用。但是其不足之处有在各单元模块中的大容量直流电解电容是整个装置的薄弱环节，其寿命一般不超过8年；每个功率单元由于大容量电容的采用产生大量谐波，需要设计多路输出绕组的输入变压器，并且使各绕组保持一定的角度，以降低谐波，增加了输入变压器设计复杂性；各功率单元控制系统与功率器件驱动电源电路复杂，在主电路加电时各单元控制系统处于失电状态，会降低整个装置的可靠性。中国专利01115364.4中，每输出相由矩阵变换单元和H桥逆变单元级联而成，显著减小了直流电容容量，但是H桥逆变单元直流电源的获得仍然依赖大容量电解电容。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的不足，提出一种功率变换器，只使用小容量的金属化薄膜电容，如MKP电容，并可简化多输出变压器设计，以提高装置寿命和可靠性并降低成本费用，同时具有较小的输入电流谐波、较高的功率因数和很小的输出电压变化率和输出电流谐波。本专利技术轻型单元级联式多电平功率变换器采用了轻型功率单元结构，简称为轻型单元，与常规功率单元拓扑结构比较，显著减小无功元件容量，减小设备体积和成本。本专利技术轻型单元级联式功率变换器包括多输出变压器、轻型单元、中央控制系统和泵电源。多输出变压器原边接至电网，副边绕组(3相为一组)数量等于轻型单元数。如果输出m相，每相由n个轻型单元级联而成，则轻型单元数为nxm个。所有轻型单元的输入侧由于接至多输出变压器的不同副边绕组，所以相互绝缘。中央控制系统一般通过光纤与各轻型单元的单元控制系统交换信号故障监测信号、PWM控制信号。中央控制系统、各轻型单元的单元控制系统和功率器件驱动电源由一个独立的泵电源提供电能。本专利技术的泵电源模块以独立交流或直流电源为电源，输出高频方波交流电，经过高压绝缘电缆穿过各轻型单元和控制系统，各单元及单元控制系统分别通过多个相互之间绝缘的磁环耦合取得多路隔离电源，向控制电路和功率器件驱动电路提供稳定的低压直流电源。高压电缆也穿过中央控制系统电路上设置的磁环，并通过耦合方式取得电能。高压电缆和耦合取能磁环保证了处于不同电位的轻型单元主功率电路、轻型单元控制系统、中央控制系统和泵电源之间的绝缘。本专利技术设计了5种轻型单元结构，分别称为I型至V型单元功率电路。I型单元功率电路由六个双向开关构成矩阵式结构，每个双向开关又由两个单向开关反串联构成。这种结构属于交交直接变换，没有明显的直流环节，也不存在直流电容。II型单元功率电路至V型单元功率电路都包括整流模块、直流侧和逆变模块三部分。这四种单元功率电路的逆变模块结构相同，都由一个H桥构成。II型单元功率电路和IV型单元功率电路的直流侧使用一只小容量的薄膜电容，而III型单元功率电路和V型单元功率电路的直流侧不使用电容。这四种单元功率电路的整流模块都采用三相桥式结构，只是每个桥臂的器件构成有差别。II型单元功率电路采用二极管整流，III型单元功率电路的整流模块采用逆导型器件，如逆导晶闸管、IGBT，IV型单元功率电路的整流模块采用全控器件，如IGBT，V型单元功率电路的整流模块采用双向开关。I型单元功率电路、III型单元功率电路和V型单元功率电路在输入侧需设置LC滤波器，由电抗和电容组成。IV型单元功率电路的输入侧设置电抗器L作为滤波器，II型单元功率电路在输入侧可以不设滤波器而直接与交流电源相连。采用II型和III型轻型单元功率电路时，虽然与采用常规功率单元相比谐波含量显著降低，但是仍然具有较高的低次谐波，设计多输出变压器时必须根据输出绕组数量使输出绕组依次错开一定角度，以降低变压器输入侧的谐波。当采用I型、IV型和V型单元功率电路时，可以保证每个轻型单元输入侧的电流波形接近正弦，设计多输出变压器时可以不用考虑副边绕组之间的相位关系，也减小了变压器的谐波损耗和绝缘冲击，从而简化了变压器设计。本专利技术的5种轻型单元功率电路中，由于构成的功率器件数量、类型不同，甚至器件的连接方式的变化，导致每个单元所需独立电源数量和控制信号数量也不尽相同。以I型单元功率电路为例，当功率器件采用C型连接时需要6路独立控制信号，而采用A型和B型连接时需要12路独立控制信号，当功率器件采用A型和C型连接时需要6路隔离的驱动电源，而采用B型连接时则需要5路隔离的驱动电源，另外还需要一路隔离的单元控制系统电源。本专利技术的轻型单元级联式多电平功率变换器，由于设计了独立的泵电源电路，简化了控制系统及功率器件驱动电源结构，并提高可靠性。由于采用了轻型单元，减小输入侧谐波、提高功率因数，而输出侧具有正弦电流波形和较低的电压变化率。本专利技术设计了五种轻型单元功率电路，通过改变器件可以形成多种结构，实际应用时根据器件供应情况进行选择，具有广阔的市场前景。附图说明图1为单元级联式多电平功率变换器拓扑结构示意图；图2为常规功率单元拓扑结构示意图；图3为轻型单元级联式多电平功率变换器拓扑结构示意图；图4为多输出移相变压器示意图；图5为泵电源结构示意图；图6为一路磁环耦合取能电源电路示意图； 图7为中央控制系统结构框图；图8为轻型单元总体结构示意图；图9为轻型单元控制系统结构框图；图10为I型单元功率电路拓扑结构示意图；图11为II型单元功率电路拓扑结构示意图；图12为III型单元功率电路拓扑结构示意图；图13为IV型单元功率电路拓扑结构示意图；图14为V型单元功率电路拓扑结构示意图。具体实施例方式下面结合附图及具体实施方式，进一步说明本专利技术。图3为本专利技术的轻型单元级联式功率变换器。由多输出变压器、轻型单元、中央控制系统和泵电源组成。如图3所示，假定该功率变换器输出m相，每相由n个轻型单元级联而成，即共有nxm个轻型单元。多输出变压器原边由A、B、C端子接高压电源，副边绕组每三相为一组，标记为a、b、c。由于轻型单元数为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种轻型单元级联式多电平功率变换器，包括多输出变压器、中央控制系统和泵电源，中央控制系统通过光纤与各轻型单元的单元控制系统交换信号：故障监测信号、ＰＷＭ控制信号，其特征在于还包括ｎｘｍ个轻型单元及独立的泵电源；多输出变压器原边由Ａ、Ｂ、Ｃ端子接高压电源，ｎｘｍ组副边绕组通过１１ａｂｃ、１２ａｂｃ、……、ｎｍａｂｃ等端子连接至相应轻型单元输入端ａ、ｂ、ｃ；轻型单元由单元功率电路、单元电源和单元控制系统组成，单元功率电路通过端子ａ、ｂ、ｃ连接多输出变压器的一组副绕组，通过端子ｙ１、ｙ２输出，与同相的其它轻型单元相级连；单元功率电路有Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型、Ⅳ型及Ⅴ型五种结构；中央控制系统、各轻型单元的单元控制系统和功率器件驱动电源由泵电源提供电能，泵电源输出高频方波交流电，经过高压绝缘电缆穿过各轻型单元和控制系统，各轻型单元及控制系统分别通过多个相互之间绝缘的磁环耦合取得多路隔离电源，向控制电路和功率器件驱动电路提供稳定的低压直流电源。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杜海江，李耀华，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：11