本发明涉及水轮发电机发电并网和大功率电力 电子技术， 特别是一种基于匪 c 模块化 多电平逆变器 （Modular Multi level Converter) 和 H桥的无变压器水力发电并网新拓扑结 构。 背景技术

我国水力资源位列世界第一，而至今为止所有 的水电站的水轮发电机都采用同一种方式 采电， 水轮机发出的电不能直接并入电网， 只有调节水轮机的转速， 使得水轮机发出的电在 50Hz 工频， 才能并入电网。 为了控制水轮机的转速， 就要排掉多余的水， 这种发电方式造 成巨大的浪费。 在丰水期时水量大， 本可以发更多的电， 但由于水轮机 50Hz工频的限制， 多余的水能不能有效的转化成电能， 白白的浪费掉。 枯水期时水量小， 会导致水轮机的转速 不能够到 50Hz， 此时发不了电， 又会浪费水资源。

另外， 通常水力发电需要输入侧均配置变压器， 使设备投资大、 占地多， 成本高， 生产 周期长。 发明内容

本发明的目的是提供一种无变压器水轮发电机 发电并网拓扑结构， 该结构输入端无变压 器， 通过高压整流， 直流母线， 再通过单元串联逆变模块将直流电压逆变， 输出高压并入电 网； 节省了设备投资， 大大提高了水力发电效率。 输入端无变压器， 使水力发电并网拓扑体 积减小， 占地减少， 重量减轻， 成本降低； 同时可以降低能耗， 使制造工艺简单化， 生产周 期减少。

为实现上述目的， 本发明通过以下技术方案实现：

一种无变压器水轮发电机发电并网拓扑结构， 该拓扑结构包括水轮发电机组、 由多个高 压整流模块构成的高压整流拓扑、 直流母线、 由多个逆变模块构成的逆变拓扑， 每个水轮发 电机产生的任意频率的高压交流电， 经高压整流拓扑整流后得到直流高压， 产生的直流高压 连接在一起汇集在直流母线上， 直流母线上的电压作为逆变拓扑的直流侧电压 ， 直流侧电压 经逆变拓扑逆变为交流电压后， 产生高压并入电网。

所述的高压整流模块通过不可控或可控电力电 子器件， 组成三相整流桥输出； 每个发电 机组整流后的直流电压相同， 连接至母线电压。

所述的高压整流拓扑、 逆变拓扑均为三相， 每相由偶数 n个子单元串联而成， 分为上下 两组， 每组的单元个数为 n/2个， 输出相电压电平阶梯数为 n/2+l， 线电压电平数为 n+1 ; 整 流拓扑每相的输入端为两组单元的中点处，且 输入端与每组单元之间以耦合或非耦合电感连 接； 逆变拓扑的输出端为两组单元的中点处， 且输出端与每组单元之间以耦合或非耦合电感 连接。

所述的子单元为半桥结构， 由开关器件 IGBT1和 IGBT2和直流侧电容 C组成， 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。

所述的子单元为 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。

所述的高压整流拓扑为多个二极管串联构成的 不可控结构； 逆变拓扑为三相， 逆变模块 每相由偶数 n个子单元串联而成， 分为上下两组， 每组的单元个数为 n/2个， 输出相电压电 平阶梯数为 n/2+l， 线电压电平数为 n+1 ; 逆变模块的输出端为两组单元的中点处， 且输出 端与每组单元之间以耦合或非耦合电感连接。

所述的逆变拓扑子单元为半桥结构，由开关器 件 IGBT1和 IGBT2和直流侧电容 C组成， 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。

所述的逆变拓扑子单元为 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。

可将多个水轮发电机组产生的直流高压连接在 直流母线上， 直接输出直流高压。

与现有技术相比， 本发明的有益效果是-

1 ) 能够将任意转速的水轮机发出的电变换成能够 直接并网的 50Hz高质量交流电，能提 高水利发电站效率 30%以上；

2) 输入端无变压器， 进而使水力发电并网拓扑体积减小， 占地减少， 重量减轻， 成本 降低； 同时可以降低变压器能耗， 使制造工艺简单化， 生产周期减少；

3 ) 水轮发电机直接连接到整流侧， 对水轮发电机无特殊要求， 减少电机成本；

4) 整流侧采用高压可控整流， 能够直接通过高压交流电产生高压直流电；

5 ) 调制方法采用载波移相的方法， 可以产生多阶梯正弦波， 以较小的开关频率获得较 好的输出电压波形；

6) 可以把整个水力发电站串联成交流高压， 直接从交流侧输出；

7) 可以把整个水力发电站串联成直流高压， 直接从直流侧输出；

8) 在大功率， 多水轮机组的场合应用前景广泛。 附图说明

图 1是无变压器水轮发电机发电并网拓扑结构示� �图;

图 2是半桥结构的高压整流拓扑结构图； 图 3是半桥结构的逆变拓扑结构图；

图 4是 H桥结构的高压整流拓扑结构图；

图 5是 H桥结构的逆变拓扑结构图；

图 6是二极管组成的不可控结构的高压整流拓扑� �构图；

图 7-1〜图 7-4是半桥式功率单元内电流流向图；

图 8-1〜图 8-4是 H桥式功率单元内电流流向图。 具体实施方式

见图 1， 一种无变压器水轮发电机发电并网拓扑结构， 该拓扑结构包括水轮发电机组、 由多个高压整流模块构成的高压整流拓扑、 直流母线、 由多个逆变模块构成的逆变拓扑， 每 个水轮发电机产生的任意频率的高压交流电， 经高压整流拓扑整流后得到直流高压， 产生的 直流高压连接在一起汇集在直流母线上， 直流母线上的电压作为逆变拓扑的直流侧电压 ， 直 流侧电压经逆变拓扑逆变为交流电压后， 产生高压并入电网。

高压整流模块通过可控或不可控电力电子器件 ， 组成三相整流桥输出； 每个发电机组整 流后的直流电压相同， 连接至母线电压。

高压整流拓扑、 逆变拓扑均为三相， 每相由偶数 n个子单元串联而成， 分为上下两组， 每组的单元个数为 n/2个， 输出相电压电平阶梯数为 n/2+l， 线电压电平数为 n+1 ; 见图 2、 图 4、 图 6， 整流拓扑 U0、 V0、 WO每相的输入端为两组单元的中点处， 且输入端与每组单 元之间以耦合或非耦合电感 L1 (不可控整流可不采用电感， 如图 6所示） 连接； 逆变拓扑 的输出端为两组单元的中点处， 且 U、 V、 W每相输出端与每组单元之间以耦合或非耦合� � 感 L2连接 （如图 3、 图 5所示）。 实施例 1

见图 2、 图 3、 图 7， 整流拓扑、 逆变拓扑的子单元为半桥结构。 见图 7， 其结构由开关 器件 IGBT1和 IGBT2和直流侧电容 C组成， 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。

整流侧由多个水轮发电机产生任意频率的高压 交流电，每个水轮发电机 M经高压整流拓 扑整流后得到直流高压， 多个水轮发电机 M产生的直流高压连接在一起汇集在直流母线� �， 直流母线上的电压作为逆变拓扑的直流侧电压 ， 直流侧电压经逆变拓扑逆变为交流电压后， 产生高压并入电网。 .

见图 7-1， 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 7-2， 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 7-3， 电流经续流二极管 D1 , 再通过直流侧电容 C, 从 A流向 B， 采用半桥式逆变

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修改页 （条约第 19条） 电路的功率单元输出电平 " 1 "。

见图 7-4， 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、 图 8， 整流拓扑、 逆变拓扑的子单元为 H桥结构。 见图 8， 其结构由四个 开关器件 IGBT1、 IGBT2、 IGBT3、 IGBT4及直流侧电容 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 Dl、 D2、 D3、 D4。 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� ��接的输入、 输出端。

整流侧由多个水轮发电机产生任意频率的高压 交流电，每个水轮发电机 M经高压整流拓 扑整流后得到直流高压， 多个水轮发电机 M产生的直流高压连接在一起汇集在直流母线� �， 直流母线上的电压作为逆变拓扑的直流侧电压 ， 直流侧电压经逆变拓扑逆变为交流电压后， 产生高压并入电网。

见图 8-1， 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 8-2，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 8-3， 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 8-4， 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 "。 实施例 3

见图 6， 高压整流拓扑为多个二极管串联构成的不可控 结构。 逆变拓扑为三相， 逆变模 块每相由偶数 n个子单元串联而成， 分为上下两组， 每组的单元个数为 n/2个， 输出相电压 电平阶梯数为 n/2+l， 线电压电平数为 n+1 ; 逆变模块的输出端为两组单元的中点处， 且输 出端与每组单元之间以耦合或非耦合电感连接 。

整流侧由多个水轮发电机产生任意频率的高压 交流电，每个水轮发电机 M经高压整流拓 扑整流后得到直流高压， 多个水轮发电机 M产生的直流高压连接在一起汇集在直流母线� �， 直流母线上的电压作为逆变拓扑的直流侧电压 ， 直流侧电压经逆变拓扑逆变为交流电压后， 产生高压并入电网。

见图 3、 图 7， 逆变拓扑子单元为半桥结构， 由开关器件 IGBT1和 IGBT2和直流侧电容 C组成， 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。

见图 5， 逆变拓扑子单元也可为 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。

本发明可将多个水轮发电机组产生的直流高压 连接在直流母线上， 直接输出直流高压。 不论水轮机发出的电频率有多少， 电能质量如何， 都经过高压整流桥整流-多子模块串联 逆变环节， 最终输出 50Hz正弦波， 使得水力发电不会浪费任何水资源。 另外， 由于采用多 单元串联 MMC或 H桥输出高压， 可以通过调制算法输出多电平波形， 减少输出谐波含量， 使水力发电的电能质量非常高， 能够直接并网。

无变压器的水力发电并网新拓扑， 该方法通过高压整流， 直流母线， 再通过单元串联的 方法， 输出高压。 不论水轮机发出的电频率有多少， 电能质量如何， 都经过高压整流桥整流

-多子模块串联逆变环节，最终输出 50Hz正弦波，使得水力发电不会浪费任何水资� �。另外， 由于采用多单元串联 MMC或 H桥输出高压，可以通过调制算法输出多电平� �形，减少输出 谐波含量， 使水力发电的电能质量非常高， 能够直接并网。