[发明专利]一种无变压器隔离的星接中高压变频调速系统及控制方法

说明书

本发明一种无变压器隔离的星接中高压变频调速系统及控制方法，属于中高压变频调速技术及其控制技术，该技术取消了传统中高压变频器使用的工频变压器和基于无工频变压器级联式多电平变换器的新一代中高压变频器中的高频隔离DC/DC变换环节，方案中每一相级联多电平整流器构成一对公共的中高压直流母线，可以与二极管箝位型或电容箝位型逆变电路直接相连，并且在整流级增加较少的硬件，可以使得逆变级和交流电机的三相定子绕组在不隔离的情况下直接采用星型连接，极大减小了变频器的体积、重量，大大降低了中高压变频器的系统结构与控制复杂度，以及运行过程的损耗，同时也极大提高了系统可靠性和整体效率，特别适用于中高压大功率变频调速领域。

技术领域

本发明属于中高压变频调速技术领域,特别涉及一种无隔离变压器的星接大功率级联式多电平变换器与交流电机有机融合构成的一种中高压变频调速系统及控制方法。

背景技术

近年来，“多电平功率变换器”(Multilevel Converter)在中高电压大功率变频调速、有源电力滤波、高压直流(HVDC)输电和电力系统无功补偿等领域已得到越来越多的成功应用。多电平变换器的基本电路拓扑结构大致可分为箝位型和单元级联型两大类，例如，目前在工业中得到广泛应用的由西门子公司或ABB公司生产的二极管箝位型三电平中高压变频器，以及由罗宾康公司或利德华福公司生产的级联H桥中高压变频器就是这两类产品的典型代表。在这两类中高压变频器中，无论哪一类，为了应用低耐压的电力电子器件完成高电压的大功率变换，均需在整流输入侧使用体积庞大、接线复杂、价格昂贵的工频移相变压器实现电气隔离,这使其在许多工业场合的应用受到限制。

无工频变压器级联式多电平变换器，近年来在电力电子技术领域受到广泛关注，被认为是新一代中高压变频器的实现方案。此类变换器用高频变压器取代传统级联式变换器中的工频移相变压器实现电气隔离，当用于双向功率传输时，中间级采用高频隔离双向DC/DC变换器双向传输能量。两侧或者高压侧采用级联全控H桥多电平功率变换器结构。当用于单向功率传输时，中间级采用高频隔离单向DC/DC变换器传输能量，整流侧采用单向级联式多电平功率变换器结构(包括：级联二极管+Boost整流电路，级联无桥整流电路，级联VIENNA整流电路等)，逆变侧采用级联多电平功率变换器结构(箝位型或单元级联型)。与传统中高压变频器相比较，此类新一代中高压变频器的实现方案可有效减小系统体积、重量和制造成本。然而，此类变换器也有着明显的缺点，主要表现在：采用高频隔离变压器构成的DC/DC变换级使整个系统结构复杂，运行过程损耗增大，这个环节的存在是阻碍整个系统进一步降低成本，提高效率，减小体积重量，提高可靠性的关键因素。显然，在此类新一代中高压变频器中取消高频隔离DC/DC变换环节将会给此类变换器在实际工业中的应用带来极大的益处。然而此类新一代中高压变频器之所以必须采用高频隔离DC/DC变换环节，是因为：1)每一相N个级联模块会产生N组直流输出端，且这N组直流输出端无法直接串联联接构成一对公共直流输出母线，但是箝位型逆变电路无论是二极管箝位型还是电容箝位型均需要由一个公共的直流母线供电，因此这N组直流输出端无法与箝位型逆变电路直接相连，而由N个H桥电路构成的级联逆变电路则需要N个隔离独立的直流电源供电，而这N组直流输出端并不是隔离独立的N组直流电源，因此也不能与级联H桥逆变电路直接相连，否则会造成电路多处短路；2)三相级联整流器也不存在公共直流输出母线，如果没有高频隔离DC/DC变换环节，级联的三相逆变器与星接或角接的交流电机定子绕组直接相连，同样会造成系统多处短路，使整个系统无法正常工作。

另外在由一个独立直流电源供电的箝位型逆变电路中，相比于电容箝位型电路，二极管箝位型多电平逆变电路由于不需要使用很多的电容器，结构简单，可靠性高，控制方便而在工业的各个领域得到广泛的应用。但是二极管箝位型多电平逆变电路由于输入侧电容电压的均衡控制靠自身很难实现，理论证明，不采用特殊的控制策略，二极管箝位型多电平逆变电路由于输入侧电容电压失衡，最终会退化为三电平逆变电路，这也是为什么目前只有二极管箝位三电平逆变电路在工业中得到成功应用。

发明内容