本发明涉及一种高压变频电源拓扑结构，特别 是一种基于 MMC的无变压器的四象限高压 变频电源拓扑。 背景技术

高压变频电源是将高压交流电经过 AC→DC→ AC变换， 输出为纯净的正弦波， 输出频 率和电压一定范围内可调。 高压变频电源可以根据实际需求模拟电网的各 种状况、 提供纯净 可靠的、 低谐波失真、 高稳定的频率和稳压率的正弦波电力输出， 用于产品检测、 寿命、 过 高压模拟等。

现有技术中的高压变频电源主要采用低压单元 串联，通过隔离移相变压器给各个单元供 电的技术。 该种高压变频电源存在能耗高， 效率低， 体积大， 笨重； 功率因数低， 谐波污染 大； 启动冲击大； 隔离效果差等缺点。

随着高压变频电源的应用领域越来越广，对其 性能的要求也越来越高，特别是在风力发 电及光伏发电的并网测试上。高压变频电源不 仅要输出稳定的电压，模拟电网的工况及故障 ， 还需要高压变频电源具有能量回馈的性能。

目前， 采用 MMC (Modular Multilevel Converter)模块化多电平逆变器结构的无变压器 的四象限高压变频电源拓扑还未见报道。 发明内容

本发明的目的是提供一种基于 MMC 无变压器的四象限高压变频电源拓扑结构， MMC 是 Modular Multilevel Converter模块化多电平逆变器的简称；该拓扑采 用模块化多电平结构， 是一种高-高型直接变频电源， 其优点在于去掉了电源输入端的高压变压器， 降低了成本， 减小了高压变频电源的体积及重量； 降低了元器件损耗，提高工作效率， 同时单元结构简单， 接线方便， 易于拆卸和安装。

为实现上述目的， 本发明通过以下技术方案实现：

基于 MMC无变压器的四象限高压变频电源拓扑结构， 整流模块与逆变模块均采用模块 化多电平结构， 由多个子单元串联而成， 该拓扑整流模块输入侧通过充电电路直接与网 侧高 压相连； 整流模块将高压交流电压转换为直流输入逆变 模块， 逆变模块将直流转换为交流； 实现对电网各种状态的模拟， 该拓扑结构为四象限型， 可实现能量回馈。

所述的整流模块、 逆变模块为三相， 每相由偶数 n个子单元串联而成， 单元个数 n根据 输入电压输出电压等级而设定， 分为上下两组， 每组的子单元个数为 n/2个； 逆变模块的输 出端为两组子单元的中点处， 且输出端与每组子单元之间以耦合或非耦合缓 冲电感连接； 整 流模块的输入端为两组子单元的中点处，且输 入端与每组子单元之间以耦合或非耦合缓冲电 感连接。

所述每个子单元的结构为半桥结构， 两个开关器件 IGBT相串联， 再并联直流电容〔。 所述的整流模块、 逆变模块为三相， 每相由 n个子单元串联而成， 三相串联子单元的整 流模块的输入端与充电电路相连接， 三相串联子单元的逆变模块的输出端通过电感 输出。

所述的每个子单元结构为 H桥结构， 由四个 IGBT开关器件组成， 每个 IGBT开关器件 反并联一个二极管， 每两个 IGBT开关器件相串联后， 再与直流电容 C并联。

所述的整流模块、 逆变模块的子单元结构相同， 可互换使用。

所述的充电电路由充电电阻与开关串联后， 与高压断路器并联而成。

所述的基于 MMC的无变压器风力发电并网拓扑结构可应用于 风机 LVRT测试、 光伏并 网测试、 以及变压器、 不断电系统、 机场地面设施、 船舶、 航天、 军事研究所、 实验室、 研 发等的测试电源领域。

与现有技术相比， 本发明的有益效果是：

该无变压器的四象限高压变频电源的拓扑， 去掉了电源输入端的高压变压器， 高压变频 器的体积及重量减小了 1/2、 材料成本降低了 1/2、 制造周期减小 1/2、 运输成本减小 1/2、 占 地面积减小 1/2， 同时降低了元器件损耗， 提高工作效率； 有利于改善和增加新的控制功能， 改善动态特性， 可明显地降低工作噪声； 在结构上实现了集成化和模块化， 有效提高设备的 可用性。 附图说明

图 1 是基于 MMC无变压器的四象限高压变频电源拓扑结构框 图；

图 2是基于 MMC无变压器的四象限高压变频电源半桥型拓扑 结构图；

图 3是半桥型单元拓扑结构图；

图 4是基于 MMC无变压器的四象限高压变频电源 H桥型拓扑结构图；

图 5是 H桥型单元拓扑结构图；

图 6是半桥型单元内部电流流向图；

图 7是 H桥型单元内部电流流向图。 具体实施方式

见图 1， 基于 MMC无变压器的四象限高压变频电源拓扑结构， 包括整流模块、 逆变模 块， 整流模块与逆变模块均采用模块化多电平结构 ， 该结构可以实现高压电源直接输入， 无 需变压器， 整流模块直接将高压交流电压转换为直流， 逆变模块将直流转换为交流； 实现对 电网各种状态的模拟， 同时整流模块为四象限型可以实现能量的回馈 。 下面通过具体实施例 叙述模块化多电平结构的子单元为半桥结构、 H桥结构的两种情况。 实施例 1

见图 2、 图 3， 基于 MMC无变压器的四象限高压变频电源拓扑结构， 整流模块与逆变模 块采用相同的子单元结构， 由多个子单元串联而成， 该拓扑输入侧无变压器， 通过充电电路 直接与网侧高压相连。 充电电路连接整流模块， 整流模块将高压交流电压转换为直流， 逆变 模块将直流转换为交流， 实现对电网各种状态的模拟。

整流模块、 逆变模块均为三相， 每相由偶数 n个子单元串联而成， 分为上下两组， 每组 的子单元个数为 n/2个； 逆变模块的输出端为两组子单元的中点处， 且输出端与每组子单元 之间以耦合或非耦合缓冲电感 L连接； 整流模块的输入端为两组子单元的中点处， 且输入端 与每组子单元之间以耦合或非耦合缓冲电感 L连接。充电电路由充电电阻 R与开关 K2串联 后， 与高压断路器 K1并联而成。 整流模块、 逆变模块的子单元均由半桥型单元构成四象限 三电平结构； 整流模块、 逆变模块的子单元结构相同， 可互换使用。 单元个数 n (偶数） 根 据输入输出电压等级而设定。

见图 3， 整流模块、 逆变模块每个子单元的结构为半桥结构， 开关器件 IGBT1和 IGBT2 相串联，再并联直流电容 C，并且开关器件 IGBT1和 IGBT2分别反并联二极管 Dl、D2; IGBT1 与 IGBT2的公共端， 电容 C与 IGBT2的公共端作为每个单元的输出端， 与其他单元相连。 当 IGBT1导通时， 输出电平为高； 当 IGBT2导通时， 输出电平为 0。

本拓扑结构可实现能量回馈， 当输出侧有能量反向注入到四象限高压变频电 源时， 可通 过整流模块、 逆变模块将能量注入回电网输入侧。

本发明半桥型单元拓扑， 通过控制 IGBT的栅极电压使其导通或者关断， 可以使单元具 有不同的电路状态。

见图 6-1， 电流经 IGBT2从 A流向 B， 采用半桥式逆变电路的功率单元输出电平 "0"。 见图 6-2， 电流经续流二极管 D2从 B流向 A，采用半桥式逆变电路的功率单元输出电平 "0"。

见图 6-3， 电流经续流二极管 Dl， 再通过直流侧电容 C， 从 A流向 B， 采用半桥式逆变 电路的功率单元输出电平 " 1 "。

见图 6-4， 电流经 IGBT1 , 再通过直流侧电容 C， 从 B流向 A， 采用半桥式逆变电路的 功率单元输出电平 " 1 "。

实施例 2

见图 4、 图 5， 基于 MMC无变压器的四象限高压变频电源拓扑结构， 整流模块与逆变模 块均采用模块化多电平结构， 由多个子单元串联而成， 该拓扑输入侧无变压器， 通过充电电 路直接与网侧高压相连。 该结构可以实现高压电源直接输入， 无需变压器， 整流模块直接将 高压交流电压转换为直流， 逆变模块将直流转换为交流； 实现对电网各种状态的模拟， 该拓 扑结构为四象限型， 可实现能量回馈。 见图 4， 整流模块、 逆变模块均为三相， 每相由 n个子单元串联而成， 三相串联子单元 的整流模块的输入端与充电电路相连接，三相 串联子单元的逆变模块的输出端通过电感 L输 出。 充电电路由充电电阻 R与开关 K2串联后， 与高压断路器 K1并联而成。

见图 5， 每个子单元结构为 H桥结构， 由四个开关器件 IGBT1、 IGBT2、 IGBT3、 IGBT4 和直流侧电容 C组成， 开关器件 IGBT1和 IGBT2相串联， 开关器件 IGBT3和 IGBT4相串 联， 再和直流电容 C并联。 并且四个开关器件 IGBT1、 IGBT2、 IGBT3、 IGBT4分别并联一 个反接二极管 Dll、 D22、 D33、 D44。 IGBT1与 IGBT2的公共端、 IGBT3与 IGBT4的公共 端为该功率单元与其它功率单元相连接的输入 、 输出端。

该拓扑结构中整流模块， 逆变模块均由 H桥型单元构成四象限三电平结构； 单元个数 n 根据输入输出电压等级而设定。

本发明 H桥型单元拓扑， 通过控制 IGBT的栅极电压使其导通或者关断， 可以使单元具 有不同的电路状态。

见图 7-1， 电流经 IGBT2、 直流侧电容 C、 IGBT3, 从 B流向 A， 或电流经续流二极管 D3、 直流侧电容 C、 续流二极管 D2， 从 A流向 B， 此时采用 H桥式逆变电路的功率单元输 出电平 " 1 "。

见图 7-2，电流经续流二极管 Dl、 IGBT3,从 B流向 A，或电流经续流二极管 D3、 IGBT1 , 从 A流向 B， 此时采用 H桥式逆变电路的功率单元输出电平 "0"。

见图 7-3， 电流经 IGBT2、 续流二极管 D4， 从 B流向 A， 或电流经 IGBT4、 续流二极管 D2， 从 A流向 B， 此时采用 H桥式逆变电路的功率单元输出电平 "0"。

见图 7-4， 电流经续流二极管 Dl、 直流侧电容 C、 续流二极管 D4， 从 B流向 A， 或电 流经 IGBT4、 直流侧电容 C、 IGBT1 , 从 A流向 B， 此时采用 H桥式逆变电路的功率单元输 出电平 "-1 "。 本发明无变压器的四象限高压变频电源可应用 于风机 LVRT测试、 光伏并网测试、 以及 变压器、 不断电系统、 机场地面设施、 船舶、 航天、 军事研究所、 实验室、 研发等的测试电 源领域。