CN101572495B

CN101572495B - 多功能电力电子变压器

Info

Publication number: CN101572495B
Application number: CN2009100258243A
Authority: CN
Inventors: 赵剑锋; 倪喜军; 黄华; 闫安心
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2009-03-10
Filing date: 2009-03-10
Publication date: 2010-12-29
Anticipated expiration: 2029-03-10
Also published as: CN101572495A

Abstract

多功能电力电子变压器分为三级：输入级、隔离级、输出级。输入级采用H桥级联型的拓扑结构，以适应输入为不同电压等级的需要；隔离级采用多个高频变压器并联形式，隔离环节的DC/AC高频调制、AC/DC高频解调均采用单相全控半桥结构以节省开关器件；输出级由并联的一个或多个三相电压源变换器组成，可以根据负载的需要实现多路输出，输出级变换器还连接LC滤波器，以提高电压电流波形质量。整个装置全部采用成熟的功率器件，输入级级联的每一层和相应隔离级可以组合成一个变换器，便于变换器化设计、生产。该装置除了能完成传统变压器电压变换、隔离及能量传递的简单功能，还能实现其它一些适应电力系统需要的新型功能。

Description

多功能电力电子变压器

技术领域

本发明涉及一种可以实现多种功能的输配电装置，属于电力电子在电力系统中应用的技术领域。

背景技术

电力变压器自19世纪被发明以来，已经成为输配电系统的基本组成设备。传统的电力变压器虽然具有制作工艺简单、可靠性高等优点，但其仅能实现电压等级变换和绝缘隔离，功能比较单一，且由于变压器原副边存在电磁耦合，无法实现变压器两侧故障电流、电压的隔离，限制故障范围；无法实现变压器两侧畸变电流、干扰电压的隔离，一方面导致敏感负荷受到影响，另一方面造成电网污染；此外当变压器还存在励磁涌流、并列运行负荷分配不均和环流、绝缘油污染环境等问题。

为此上世纪70年代电力电子变压器(PET-Power electronic transformer)的概念被提出，PET是利用电力电子换流技术实现电压变换和能量传递的。其突出特点是通过电压型变换器(VSC)对其原副边交流侧电压、电流的幅值和相位进行连续可控调节。因此，PET不仅可以克服传统变压器的缺陷，还可以解决电力系统面临的电磁环网、电能质量、无功动态补偿以及提高系统稳定极限等问题。

因此，随着电力电子器件水平和高频变压器材料的发展，电力电子变压器必将会代替传统变压器而在电力系统中得到广泛的应用。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提出一种多功能电力电子变压器的拓扑，不仅实现传统变压器的电压变换、电压隔离、能量传递的简单功能，还能实现其它一些适应电力系统需要的新型功能。

技术方案：本发明提出的多功能电力电子变压器三相结构相同且独立，每相采用三级构成方案，即输入级、隔离级、输出级。输入级由多组相同的功率变换器级联而成，每个功率变换器的交流侧连接一电抗器，直流侧连接有中间抽头的直流储能电容；隔离级包括高频DC/AC环节、高频变压器、高频AC/DC环节；输出级由多组逆变功率变换器构成，各逆变功率变换器的直流侧共用输出级直流储能电容，各逆变功率变换器的交流侧还串联一LC滤波器。

该多功能电力电子变压器的连接方式如下：

该装置中的三相结构相同且独立，每相采用三级构成，即输入级、隔离级、输出级；输入级由多个相同的功率变换器级联而成，每个功率变换器的交流侧连接一电抗器，直流侧连接相应的直流储能电容；隔离级包括高频DC/AC环节、高频变压器、高频AC/DC环节；输出级由多个逆变功率变换器构成，其直流侧共用输出级直流储能电容，每个逆变功率变换器交流侧还对应连接一LC滤波器；其中，输入级级联的功率变换器数与隔离级的高频变压器数相等；输入级每个功率变换器的直流侧和对应隔离级的高频DC/AC环节的直流侧分别连接到对应的直流储能电容(3)两端，而直流储能电容中点和对应的高频变压器的高压侧非同名端连接；隔离级的高频AC/DC环节的直流侧输出连接到输出级直流储能电容，隔离级各高频变压器低压侧的非同名端分别连接到输出级直流储能电容的中点；经过上述连线后，输入级的相应功率变换器、对应隔离级的高频DC/AC环节、高频变压器及高频AC/DC环节组成一个高压/隔离变换器，而一个多功能电力电子变压器的每相就有多个这样的高压/隔离变换器组成；最后，输出级由多个相同的逆变功率变换器并联组成，各逆变功率变换器输出端连接一个相应LC滤波器作为输出。

所述的输入级使用功率变换器级联而成；隔离级的高频DC/AC环节和高频AC/DC环节均采用单相半桥电路；输出级采用逆变功率变换器并联组成多路输出。

所述的输入级采用级联拓扑，无需利用变压器耦合就可直接输入高压，输出级采用三相电压源型的逆变功率变换器并联结构以满足低电压大电流的需要。

所述的输出级采用三相三桥臂结构时适用于三相三线制系统，而采用三相四桥臂结构时则适用于三相四线制系统；能够实现三相电压源型逆变功率变换器并联多路输出，满足不同负载要求，特别是敏感负载的需要。

有益效果：本发明的电力电子变压器的技术方案，除了具备传统电力电子变压器的优点外，相对于目前国内外所提出的设计方案，还具有如下的功能：

1.本多功能电力电子变压器可以实现多路输出的功能，当作为降压变压器使用时，可通过改变输出级并联功率逆变变换器数来改变输出的路数，从而满足各种不同负荷特性的需求。

本多功能电力电子变压器三相变换器结构相同且独立，可以实现三相的自平衡；同时通过高功率因数整流、逆变可以实现原副边的电压电流的准同相位，提高功率因数。

2.本多功能电力电子变压器接在配电系统中，一方面通过调节其交流侧电压、电流的幅值和相位，解决电压暂降/暂升、谐波、波动与闪变等电能质量问题；另一方面，通过其交-直-交环节，及高频变压器隔离，可实现负荷和供电系统之间的干扰隔离，抑制谐波，改善电网电气环境。

3.本多功能电力电子变压器以串联或并联等形式接入系统联络线时，起到SSSC和STATCOM的作用，因此能够提高系统的稳定极限，增加联络线的传送功率。

4.本多功能电力电子变压器的原副边交流侧电压、电流的幅值和相位可进行连续可控调节，因此可以调整所在线路的等效电气阻抗，提高电网建设初期的电磁环网断面的暂态稳定极限。

5.本多功能电力电子变压器不仅原副边交流侧电压、电流的幅值和相位进行连续可控调节，并且交直流兼有，故有利于太阳能、风力及小水电等电压或频率波动较大且交直流兼有的分布式电源接入电网。

6.本多功能电力电子变压器所使用的大功率电力电子器件可瞬时(us级)关断，因此电力电子变压器采用控制方法，可实现故障电流限制作用。

7.本多功能电力电子变压器利用全数字化技术实现在线监控，便于数字化变电站实施，同时可以通过自身的保护和监控，省去老式的继电保护装置。

附图说明

图1表示多功能电力电子变压器单相整体原理框图，

图2表示多功能电力电子变压器三相整体原理框图。

以上的图中有：功率变换器1、电抗器2、直流储能电容3、高频DC/AC环节4、高频变压器5、高频AC/DC环节6、逆变功率变换器7、输出级直流储能电容8、LC滤波器9。

具体实施方式

本多功能电力电子变压器采用高压侧级联、低压侧并联的技术方案，三相结构独立且相同，其某一相的电路拓扑如图1所示，整体结构分为三级：输入级、隔离级、输出级。输入级由多组功率变换器级联而成，级联数目由电压等级和所选用的电力电子器件水平所决定(如：高压侧电压10kV，开关器件1200V/600A时，需要13个变换器级联)。每个级联的功率变换器为由四只全控型器件组成的单相全控桥，每个单相全控桥的交流侧串联一个电抗器以实现交流侧谐波抑制。单相全控桥变换器的直流侧的两个端线之间并联一定容量电容器组，电容器组的中点和隔离环节中高频变压器的非同名端连接。

本多功能电力电子变压器的隔离级分为三个组成部分：高频DC/AC环节、高频变压器，高频DC/AC环节。高频DC/AC环节将输入的直流电压调制成1-10kHz的高频信号，高频AC/DC环节则将高频变压器输出的高频交流信号还原为直流。高频变压器主要完成电压变换和隔离的作用，其体积和频率成反比，而损耗和频率成正比，设计时应按照高频信号的频率和允许的损耗综合设计。隔离级靠近高压侧部分由与输入级级联数目相同的单相半桥型交换器组成，每个变换器均为由两只全控型开关器件组成的单相半桥，其两端接线和输入级的相应端线相连；隔离级靠近低压侧部分的变换器也为由两只全控型开关器件组成的单相半桥，其数目也和高压侧级联的单相全桥型功率变换器数目相同，该单相半桥变换器的直流侧输出连接输出级直流储能电容器，而电容器的中点和高频变压器的副边非同名端相连；与高频DC/AC环节的直流侧独立不同的是，所有高频AC/DC环节共用一个直流侧；隔离级中间的高频变压器为独立的单相变压器，其数量也和高压侧级联的单相全桥型功率变换器数目相同。这种结构设计的好处是输入级的一个功率变换器和对应隔离级可以组成一个高压/隔离变换器，便于设计、生产、维护。

本多功能电力电子变压器的输出级由多组逆变功率变换器组成，该逆变功率变换器可以为由六只全控型器件组成的三相三桥臂变换器，也可以为由八只全控型器件组成的三相四桥臂变换器，逆变功率变换器的直流侧的两端线与隔离变压器靠近低压侧的直流侧端线对应连接，交流侧还串联LC滤波电路。

所述的多功能电力电子变压器，输入级使用单相全桥型的功率变换器级联而成；隔离级的高频DC/AC环节和高频AC/DC环节均采用单相半桥电路；输出级采用三相电压源型的逆变功率变换器并联组成多路输出，各路输出的开关器件可以选用不同的电力电子器件，实现不同需要的输出。

所述的多功能电力电子变压器，输入级每个变换器交流侧均串联了一个电抗器。

所述的多功能电力电子变压器，输入级采用级联拓扑以满足高电压小电流的需要，输出级采用三相电压源型逆变功率变换器并联结构以满足低电压大电流或多种不同特性负载的需要。

所述的多功能电力电子变压器，输出级采用三相三桥臂结构时适用于三相三线制系统，也采用三相四桥臂结构时适用于三相四线制系统。

Claims

1.一种多功能电力电子变压器，其特征在于：该多功能电力电子变压器中的三相结构相同且独立，每相采用三级构成，即输入级、隔离级、输出级；输入级由多个相同的功率变换器(1)级联而成，每个功率变换器的交流侧连接一电抗器(2)，直流侧连接相应的直流储能电容(3)，所述相应的直流储能电容为两串联的直流储能电容；隔离级包括高频DC/AC环节(4)、高频变压器(5)、高频AC/DC环节(6)；输出级由多个逆变功率变换器(7)构成，其直流侧共用输出级直流储能电容(8)，每个逆变功率变换器交流侧还对应连接一LC滤波器(9)；其中，输入级级联的功率变换器(1)数与隔离级的高频变压器(5)数相等；输入级每个功率变换器的直流侧和对应隔离级的高频DC/AC环节(4)的直流侧均连接到两串联连接的直流储能电容的非共有端，而相串联的两直流储能电容(3)中点和对应的高频变压器的高压侧非同名端连接；隔离级的高频AC/DC环节(6)的直流侧输出连接到输出级直流储能电容(8)，所述输出级直流储能电容为两串联连接的直流储能电容，隔离级各高频变压器低压侧的非同名端分别连接到输出级两串联的直流储能电容(8)的中点；经过上述连线后，输入级的相应功率变换器、对应隔离级的高频DC/AC环节、高频变压器及高频AC/DC环节组成一个高压/隔离变换器，而一个多功能电力电子变压器的每相就由多个这样的高压/隔离变换器组成；最后，输出级由多个相同的逆变功率变换器并联组成，各逆变功率变换器输出端连接一个相应LC滤波器作为输出。

2.如权利要求1所述的多功能电力电子变压器，其特征在于所述的输入级使用功率变换器级联而成；隔离级的高频DC/AC环节和高频AC/DC环节均采用单相半桥电路；输出级采用逆变功率变换器并联组成多路输出。

3.如权利要求1所述的多功能电力电子变压器，其特征在于所述的输入级采用级联拓扑，无需利用变压器耦合就可直接输入高压，输出级采用三相电压源型的逆变功率变换器并联结构以满足低电压大电流的需要。

4.如权利要求1所述的多功能电力电子变压器，其特征在于所述的输出级采用三相三桥臂结构时适用于三相三线制系统，而采用三相四桥臂结构时则适用于三相四线制系统；能够实现三相电压源型逆变功率变换器并联多路输出，满足不同负载要求。