一種基于mmc的含電容器橋臂的單相—三相變流系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種基于MMC的含電容器橋臂的單相一三相變流系統，特別涉及交流電氣化鐵路、城市軌道交通機車車輛電力電子與電力傳動領域。
【背景技術】
[0002]電力電子裝置實現電壓變換和功率傳遞的技術分為交交(AC-AC)變換和交直交(AC-DC-AC)變換兩類，相比之下，交直交變換有更好的可控性和靈活性，因此，交直交變換是實現交流電壓變換和功率傳遞的主要手段。
[0003]交直交變換實現高壓交流電壓變換和功率傳遞，通常有兩種方式。一是低壓側并聯，高壓側級聯(串聯)。此時，低壓側電壓受到電力電子器件的限制而較低，為了防止環流，往往需要借助工頻變壓器實現電壓匹配和隔離。二是采用交直交變換+中高頻變壓器+交直交變換方式，稱為電力電子變壓器(PET,power electronic transformer)或固態變壓器(SST, solid-state transformer),由中高頻變壓器實現電壓匹配和隔離,其優點是輸入側和輸出側均可級聯而適于較高電壓，中高頻變壓器體積大大縮小，但結構明顯復雜，投資加大。
[0004]為了取消變換過程中的工頻或中高頻變壓器，德國慕尼黑聯邦國防軍大學的R.Marquardt和A.Lesnicar于2002年提出了模塊化多電平變流器(MMC, modularmultilevel converter)技術。MMC具有結構對稱、模塊化程度高、互換性好、方便實現背靠背聯接、組合靈活、易于擴展、開關器件損耗小、諧波特性好等優點，并且不用變壓器即可直掛于高壓系統，使其應用領域愈發廣泛。
[0005]交流電氣化鐵路、城市軌道交通機車車輛的電力傳動系統的功能就是實現由接觸網單相交流電壓和功率到三相交流電壓和功率的變換與傳遞，并且實現三相變頻、變壓以達到三相感應電機牽引過程中光滑調速之需求，其傳統典型電路由單相牽引變壓器和交直交變流器構成，其中交直交變流器是由單相兩橋臂變流器和三相三橋臂變流器“背靠背”聯接而成，引入MMC技術，用一個電感L與P個結構相同的功率模塊串聯成半個橋臂，功率模塊為單相半橋結構，皆由一個IGBT半橋和一個直流儲能電容構成，這就形成了基于MMC的單相一三相變流器，在此基礎上，實用新型人提出申請了 “一種基于MMC的單相直掛交直交變流系統(實用新型申請號:201410181392.6) ”，可以省卻其中的單相牽引變壓器而實現機車車輛的電力傳動系統在25kV接觸網上直接受電。考慮到直流儲能電容器橋臂造價遠比包含IGBT的MMC橋臂造價低廉，本申請進一步提出一種基于MMC的含電容器橋臂的單相一三相變流系統，通過配套的、特殊的控制手段，更經濟地實現電力傳動系統的電壓和功率的變換與傳遞。
【實用新型內容】
[0006]本實用新型的目的就是提供一種基于MMC的含電容器橋臂的單相一三相變流系統，實現電壓和功率的變換與傳遞，具有無功補償和變頻、變壓、變相等功能。
[0007]本實用新型解決其技術問題，所采用的技術方案為:一種基于MMC的含電容器橋臂的單相一三相變流系統，由單相兩橋臂變流器和三相三橋臂變流器“背靠背”聯接而成；橋臂分為電容器橋臂和MMC橋臂兩種；MMC橋臂由兩套相同的MMC鏈串聯而成；MMC鏈由一個電感L與P個結構相同的功率模塊串聯；功率模塊為單相半橋結構，均由一個IGBT半橋和一個直流儲能電容構成；電容器橋臂和MMC橋臂的直流總電壓相等；其特征在于:在所述單相兩橋臂變流器和三相三橋臂變流器中至少有一個電容器橋臂，其余為MMC橋臂；電容器橋臂由兩套相同的電容器組串聯而成；電容器組均由同規格的直流儲能電容串并聯構成。分三種情形:
[0008](I)單相兩橋臂變流器由一個電容器橋臂和一個MMC橋臂連接而成，MMC橋臂中點P1與電容器橋臂中點P2形成單相交流端口 P iP2，三相三橋臂變流器由三個MMC橋臂連接而成，三個MMC橋臂中點Sp S2、S3形成三相交流端口 S #2、S2S3和S 3S10
[0009](2)單相兩橋臂變流器由兩個MMC橋臂連接而成，一個MMC橋臂中點？1與另一個MMC橋臂中點P2形成單相交流端口 P1P2，三相三橋臂變流器由兩個MMC橋臂與一個電容器橋臂連接而成，兩個MMC橋臂中點Sp S2與電容器橋臂中點S 3形成三相交流端口 S #2、S2S3和 S3S115
[0010](3)單相兩橋臂變流器由一個電容器橋臂和一個MMC橋臂連接而成，MMC橋臂中點P1與電容器橋臂中點P2形成單相交流端口 P iP2，三相三橋臂變流器由兩個MMC橋臂與一個電容器橋臂連接而成，兩個MMC橋臂中點Sp S2與電容器橋臂中點S3形成三相交流端口S1S2'S2S3和 S3S1O
[0011]本實用新型的工作原理是:含電容器橋臂的交流端口的交流電壓由電容器橋臂的一套電容器組(或兩套相同的電容器組中的另一套或電容器組)的直流電壓減去同端口的MMC橋臂中適當數量的由IGBT半橋控制的直流儲能電容的電壓而得到；通過控制單相交流端口電壓與單相電源電壓的幅值和相位差，可以控制單相交流端口輸入/出的有功功率；單相交流端口還可補償單相交流端口的無功功率和諧波；不考慮變換器的損耗，三相交流端口總的平均有功功率等于單相交流端口的平均有功功率；牽引工況下有功功率由單相交流端口流向三相交流端口，再生制動工況下有功功率由三相交流端口流向單相交流端口 ；三相交流端口的無功功率和諧波也可以獨立控制。
[0012]與現有技術相比，本實用新型的有益效果是:
[0013]一、本實用新型可以實現無變壓器的高電壓場合的有功功率傳遞。
[0014]二、本實用新型最大限度地采用電容器橋臂，雖然控制方法特殊，但比起全部采用MMC橋臂更加經濟，更容易推廣。
[0015]三、本實用新型除了用于有功功率傳遞場合外，還適用于無功功率與諧波補償和變頻、變壓、變相等場合。
[0016]四、本實用新型技術先進、可靠，易于實施。
[0017]下面結合附圖和【具體實施方式】對本實用新型作進一步的描述。
【附圖說明】
[0018]圖1是本實用新型實施例的結構一示意圖。
[0019]圖2是本實用新型實施例的結構二示意圖。
[0020]圖3是本實用新型實施例的結構三示意圖。
[0021]圖4是本實用新型實施例MMC橋臂的一個半橋結構示意圖。
[0022]圖5是本實用新型實施例MMC橋臂的功率模塊PM電路結構示意圖。
【具體實施方式】
[0023]實施例
[0024]圖1示出，本實用新型的第一種【具體實施方式】為:由單相兩橋臂變流器和三相三橋臂變流器“背靠背”聯接而成；單相兩橋臂變流器由一個MMC橋臂和一個電容器橋臂組成，其中MMC橋臂由兩套相同的MMC鏈MpiJP M P12串聯而成，電容器橋臂由兩套相同的電容器組CPjP C P2串聯而成，電容器組CPjPCP2皆由同規格的直流儲能電容串并聯構成，電容器橋臂和MMC橋臂的直流總電壓相等，容量相等；三相三橋臂變流器由3個M