[发明专利]一种基于MMC的含电容器桥臂的单相-三相变流系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于MMC的含电容器桥臂的单相-三相变流系统，特别涉及交流电气化铁路、城市轨道交通机车车辆电力电子与电力传动领域。

背景技术

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，相比之下，交直交变换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)。此时，低压侧电压受到电力电子器件的限制而较低，为了防止环流，往往需要借助工频变压器实现电压匹配和隔离。二是采用交直交变换+中高频变压器+交直交变换方式，称为电力电子变压器(PET，power electronic transformer)或固态变压器(SST,solid-state transformer)，由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,modular multilevel converter)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。

交流电气化铁路、城市轨道交通机车车辆的电力传动系统的功能就是实现由接触网单相交流电压和功率到三相交流电压和功率的变换与传递，并且实现三相变频、变压以达到三相感应电机牵引过程中光滑调速之需求，其传统典型电路由单相牵引变压器和交直交变流器构成，其中交直交变流器是由单相两桥臂变流器和三相三桥臂变流器“背靠背”联接而成，引入MMC技术，用一个电感L与p个结构相同的功率模块串联成半个桥臂，功率模块为单相半桥结构，皆由一个IGBT半桥和一个直流储能电容构成，这就形成了基于MMC的单相— 三相变流器，在此基础上，发明人提出申请了“一种基于MMC的单相直挂交直交变流系统(发明申请号：201410181392.6)”，可以省却其中的单相牵引变压器而实现机车车辆的电力传动系统在25kV接触网上直接受电。考虑到直流储能电容器桥臂造价远比包含IGBT的MMC桥臂造价低廉，本申请进一步提出一种基于MMC的含电容器桥臂的单相-三相变流系统，通过配套的、特殊的控制手段，更经济地实现电力传动系统的电压和功率的变换与传递。

发明内容

本发明的目的就是提供一种基于MMC的含电容器桥臂的单相-三相变流系统，实现电压和功率的变换与传递，具有无功补偿和变频、变压、变相等功能。

本发明解决其技术问题，所采用的技术方案为：一种基于MMC的含电容器桥臂的单相-三相变流系统，由单相两桥臂变流器和三相三桥臂变流器“背靠背”联接而成；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；其特征在于：在所述单相两桥臂变流器和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)单相两桥臂变流器由一个电容器桥臂和一个MMC桥臂连接而成，MMC桥臂中点P₁与电容器桥臂中点P₂形成单相交流端口P₁P₂，三相三桥臂变流器由三个MMC桥臂连接而成，三个MMC桥臂中点S₁、S₂、S₃形成三相交流端口S₁S₂、S₂S₃和S₃S₁。