CN101621254A - 应用在配电网的电力电子变压器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用在配电网的电力电子变压器，分为三级：输入级、隔离级、输出级。输入级由采用桥式拓扑结构的功率变换器，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分别进行隔离、变压和能量传递的形式；输出级有两种拓扑结构：第一种由采用桥式拓扑结构的功率变换器并联构成，第二种是采用桥式拓扑结构的功率变换器级联构成，同时连接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，由基本的功率单元组合而成，可以灵活的应用在不同电压等级的配电网线路上。该装置可以对线路输出电压进行自动调节，稳定输出电压，抑制线路电压的跌落、上升、闪变、过电压和欠电压等电压质量问题。

Description

应用在配电网的电力电子变压器

技术领域

本发明涉及一种应用在配电网的电力电子变压器，属于电力电子在电力系统中的应用技术领域。

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，数量巨大。目前，传统的电力变压器通常采用铁芯油浸式，具有制作工艺简单、可靠性高等优点，但是缺点也十分明显，包括：体积、重量大，空载损耗较高，变压器油对环境存在威胁，其主要作用是变压和隔离，功能比较单一，铁芯饱和时，会产生谐波，在投入电网时还会造成较大的励磁涌流。传统电力变压器的缺点和单一的功能很难满足未来电网建设的需求和目标。

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电力电子变压器的拓扑结构，不仅实现电压变换、电气隔离、能量传递还能对配电网线路的电压进行自动调节，可以灵活的应用在不同输入电压等级的配电网线路上。相比传统的电力变压器，大大减小了变压器的体积，降低了损耗，提高了整体的变换效率，而且可以稳定输出电压，抑制线路电压的跌落、上升、闪变、过电压和欠电压等电压质量问题。

技术方案：本发明公开了一种应用在配电网的电力电子变压器，该装置采用三级构成，即输入级、隔离级、输出级；三相电路的结构相同，各单相输入级、输出级的功率变换器组的输入端按照星型连接，功率变换器采用桥式拓扑结构；隔离级包括各单相的高频变压器；单相结构基本功率单元的输入端并联一个电容，基本功率单元中，第一功率变换器的输出端接高频变压器的原边，高频变压器的副边连接第二功率变换器的输入端；基本功率单元的输出端连接滤波器的输入端，滤波器的输出端接三相供电网络。

基本功率单元基于AC-AC型电力电子变压器，各相输入级中第一功率变换器采用第一功率开关单元、第二功率开关单元、第三功率开关单元、第四功率开关单元组成桥式拓扑结构，第一功率开关单元、第二功率开关单元互补导通后接高频变压器原边正端，第三功率开关单元、第四功率开关单元互补导通后接高频变压器原边负端，所述每个功率开关单元由两个IGBT和一个反向连接的二极管并联组成；各相输出级中第二功率变换器采用第五功率开关单元、第六功率开关单元、第七功率开关单元、第八功率开关单元组成桥式拓扑结构，第五功率开关单元、第七功率开关单元的正端接高频变压器副边正端，第六功率开关单元、第八功率开关单元的负端接高频变压器副边负端，第五功率开关单元、第六功率开关单元互补导通后接滤波器的输入端，第七功率开关单元、第八功率开关单元互补导通后接滤波器的输入端，所述每个功率开关单元由两个IGBT和一个反向连接的二极管并联组成。

各单相输入级中第一功率变换器串联连接；输出级采用桥式功率变换器并联结构，滤波器由输出滤波电感一与输出滤波电容组成，输出滤波电感一负极接第五功率开关单元、第六功率开关单元输出端，输出滤波电容负端接第七功率开关单元、第八功率开关单元输出端，输出滤波电容正端接输出滤波电感一正极；或者输出级采用桥式功率变换器级联结构，滤波器由输出滤波电容并接在输出滤波电感一、输出滤波电感二的同名端组成，输出滤波电感一负极接第一个基本功率单元中第五功率开关单元、第六功率开关单元的输出端，输出滤波电感二负极接第n个基本功率单元中第七功率开关单元、第八功率开关单元的输出端。

该电力电子变压器中的三相结构相同，每相结构由基本功率单元组合而成，图1为该电力电子变压器的基本功率单元结构模型图。其工作原理为：原方将工频信号通过电力电子变换器转化为高频信号，即升频，然后通过中间高频隔离变压器耦合到副方，再利用电力电子变换器还原成工频信号，即降频。通过采用适当的控制方案来控制电力电子装置的工作，从而将一种频率、电压、波形的电能变换为另一种频率、电压、波形的电能。图2为该装置的基本功率单元拓扑结构图。基本功率单元采用三级构成，即子输入级、子隔离级、子输出级；子输入级由功率变换器构成，功率变换器采用桥式拓扑结构，包括功率开关单元S1、S1、S2和S2，每个功率开关单元由两个IGBT及其反并联二极管连接组成，可以实现电流双向流动；子隔离级为高频变压器，可以减小装置体积，提高整体效率，实现电压变换及能量传递的功能；子输出级由功率变换器构成，和输入级一样，功率变换器也采用桥式拓扑结构，包括第五功率开关单元、第六功率开关单元、第七功率开关单元、第八功率开关单元，每个功率开关单元由两个IGBT及其反并联二极管连接组成，可以实现电流双向流动，输出级还连接滤波器，以提高电压电流波形质量。图3为该装置的输出级采用功率变换器并联的单相结构图，单相的输入级由基本功率单元的子输入级功率变换器串联而成，并在每个基本功率单元的输入端并联相同的电容器，以实现将输入电压平均分配到每个基本功率单元的作用；隔离级由各个基本功率单元的子隔离级高频变压器构成；输出级由基本功率单元的子输出级功率变换器并联而成。图4为该装置的第二种单相拓扑结构，单相的输入级由基本功率单元的子输入级功率变换器串联而成，并在每个基本功率单元的输入端并联相同的电容器，以实现均压作用；隔离级由各个基本功率单元的子隔离级高频变压器构成；输出级由基本功率单元的子输出级功率变换器级联而成，输出级还连接滤波器，以提高电压电流波形质量。图5和图6分别是采用功率变换器并联的单相结构和采用功率变换器级联的单相结构的该装置的三相结构拓扑图，由三个单相结构组合而成，输入级由各单相的输入级功率变换器组按照星型连接组成，隔离级由各单相的隔离级高频变压器组组成，输出级由各单相的输出级功率变换器组按照星型连接，以适应三相四线制线路的应用。

电力电子变压器单相输入级采用由基本功率单元的子输入级功率变换器串联连接，无需利用变压器耦合就可直接输入高压，输出级有两种拓扑结构：第一种是采用桥式功率变换器并联结构，第二种是采用桥式功率变换器级联结构，以满足高压高功率场合的需要。整个装置的每相结构由基本的功率单元组合而成，可以灵活的应用在不同电压等级的配电线路上。应用在配电网的电力电子变压器，不仅可以替代传统电力变压器，实现电压变换、能量传递、电气隔离的作用，还可以通过相应的控制策略稳定输出电压，实现电压调节器的作用，抑制线路的电压跌落、上升、闪变、过电压和欠电压等电压质量问题。

有益效果：本发明的电力电子变压器，除了具备传统电力变压器器的优点外，还具有以下优点：

1.由于采用高频变压器进行变压，所以大大减小了整体装置的体积，提高了整个装置的效率。

2.采用基本功率单元组合的方式构成，便于灵活应用于各个电压等级的配电网线路上。单相输入级采用由基本功率单元的输入级功率变换器串联连接，无需利用变压器耦合就可直接输入高压，输出级采用桥式功率变换器并联结构或者级联结构以满足高压高功率场合的需要。

3.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。采用相应的控制策略，可以实现自动电压调节的功能，抑制线路电压的跌落、上升、闪变、过电压和欠电压。

4.本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。

5.本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：为本发明的基本功率单元结构模型框图。

图2：为本发明的基本功率单元拓扑结构框图。

图3：为输出级采用功率变换器并联的单相结构图。

图4：为输出级采用功率变换器级联的单相结构图。

图5：为输出级采用功率变换器并联的三相结构图。

图6：为输出级采用功率变换器级联的三相结构图。

其中有：功率变换器1、功率变换器2、高频变压器3、滤波器4。

第一功率开关单元S1、第二功率开关单元S1、第三功率开关单元S2、第四功率开关单元S2、第五功率开关单元S3、第六功率开关单元S3、第七功率开关单元S4、第八功率开关单元S4。

Vin：单相装置输入电压，

Vo：单相线路输出电压，

La1：输出滤波电感一，

La2：输出滤波电感二，

C1、C2、Cn：均压电容，

Ca1：输出滤波电容。

UA、UB、UC：三相电力电子变压器输入电压端，

Ua、Ub、Uc、N：三相电力电子变压器输出电压端。

具体实施方式

下面是本发明的具体实施例来进一步描述：

本发明是一种应用在配电网的电力电子变压器，该装置采用三级构成，即输入级、隔离级、输出级；三相结构相同，各单相输入级、输出级的功率变换器组的输入端按照星型连接，所述功率变换器采用桥式拓扑结构；隔离级包括各单相的高频变压器组；单相结构包括基本功率单元的输入端并联一个电容，其中，第一功率变换器1的输出端接高频变压器3的原边，高频变压器3的副边连接第二功率变换器2的输入端；基本功率单元的输出端连接滤波器4的输入端，滤波器4的输出端接三相供电网络。

在应用在配电网的电力电子变压器中，基本功率单元基于AC-AC型电力电子变压器，各相输入级中第一功率变换器1采用桥式拓扑结构由第一功率开关单元S1、第二功率开关单元S1、第三功率开关单元S2、第四功率开关单元S2组成，第一功率开关单元S1、第二功率开关单元S1互补导通后接高频变压器3原边正端，第三功率开关单元S2、第四功率开关单元S2互补导通后接高频变压器3原边负端，所述每个功率开关单元由两个IGBT和一个反并联二极管并联组成；各相输出级中第二功率变换器2采用桥式拓扑结构由第五功率开关单元S3、第六功率开关单元S3、第七功率开关单元S4、第八功率开关单元S4组成，第五功率开关单元S3、第七功率开关单元S4的正端接高频变压器3副边正端，第六功率开关单元S3、第八功率开关单元S4的负端接高频变压器3副边负端，第五功率开关单元S3、第六功率开关单元S3互补导通后接滤波器4的输入端，第七功率开关单元S4、第八功率开关单元S4互补导通后接滤波器4的输入端，所述每个功率开关单元由两个IGBT和一个反并联二极管并联组成。

各单相输入级中第一功率变换器1串联连接；输出级采用桥式功率变换器并联结构，滤波器4由输出滤波电感一La1与输出滤波电容Ca1组成，输出滤波电感一La1负极接第五功率开关单元S3、第六功率开关单元S3输出端，输出滤波电容Ca1负端接第七功率开关单元S4、第八功率开关单元S4输出端，输出滤波电容Ca1正端接输出滤波电感一La1正极。

输出级也可以采用桥式功率变换器级联结构，滤波器4由输出滤波电容Ca1并接在输出滤波电感一La1、输出滤波电感二La2的同名端组成，输出滤波电感一La1负极接第一个基本功率单元中第五功率开关单元S3、第六功率开关单元S3的输出端，输出滤波电感二La2负极接第n个基本功率单元中第七功率开关单元S4、第八功率开关单元S4的输出端。

输入级由采用桥式拓扑结构的功率变换器串联而成，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分别进行隔离、变压和能量传递的形式；输出级有两种拓扑结构：第一种由采用桥式拓扑结构的功率变换器并联构成，如图5所示输出级采用桥式功率变换器并联结构，满足低电压大电流的需要。第二种是采用桥式拓扑结构的功率变换器级联构成，同时连接LC滤波器，如图6所示输出级采用桥式功率变换器级联结构，满足高压高功率的需要，以提高电压电流波形质量。整个装置由基本的功率单元组合而成，可以灵活的应用在不同电压等级的配电网线路上

该装置中的三相结构相同，由单相结构组合而成，每个单相结构又由基本功率单元组成，基本功率单元的工作原理是：原方将工频电压信号通过功率变换器1转化为高频信号(600Hz到1.2kHz)，即升频，然后通过中间高频隔离变压器3耦合到副方，再利用功率变换器2还原成工频电压信号，即降频。通过相应控制，可以改变输出电压基波的幅值。基本功率单元采用三级构成，即子输入级、子隔离级、子输出级；子输入级由功率变换器1构成，功率变换器采用桥式拓扑结构，包括第一功率开关单元S1、第二功率开关单元S1、第三功率开关单元S2、第四功率开关单元S2，每个功率开关单元由两个IGBT及其反并联二极管连接组成，可以实现电流双向流动；子隔离级为高频变压器3，可以减小装置体积，提高整体效率，实现电压变换及能量传递的功能；子输出级由功率变换器2构成，和输入级一样，功率变换器采用桥式拓扑结构，包括功率第五功率开关单元S3、第六功率开关单元S3、第七功率开关单元S4、第八功率开关单元S4，每个功率开关单元由两个IGBT及其反并联二极管连接组成，可以实现电流双向流动，输出级还连接滤波器4，以提高电压电流波形质量。

整个装置单相结构的输入级由基本功率单元的输入级功率变换器串联而成，无需利用变压器耦合就可直接输入高压，并在每个基本功率单元的输入端并联相同的电容器，以实现将输入电压平均分配到每个基本功率单元的作用；隔离级由各个基本功率单元的隔离级高频变压器构成；输出级有两种拓扑结构：第一种由基本功率单元的输出级功率变换器并联而成，第二种由基本功率单元的输出级功率变换器级联而成。

电力电子变压器的输入级由各单相的输入级功率变换器组按照星型连接组成；隔离级由各单相的隔离级高频变压器组组成，进行隔离、变压、能量传递的形式；输出级采用由各单相的输出级功率变换器组按照星型连接，以适应三相四线制线路。采用相应的控制策略，可以实现自动电压调节的功能，抑制线路电压的跌落、上升、闪变、过电压和欠电压等电压质量问题。

Claims (3)

1.一种应用在配电网的电力电子变压器，其特征在于该装置采用三级构成，即输入级、隔离级、输出级；三相电路的结构相同，各单相输入级、输出级的功率变换器组的输入端按照星型连接，功率变换器采用桥式拓扑结构；隔离级包括各单相的高频变压器；单相结构基本功率单元的输入端并联一个电容，基本功率单元中，第一功率变换器(1)的输出端接高频变压器(3)的原边，高频变压器(3)的副边连接第二功率变换器(2)的输入端；基本功率单元的输出端连接滤波器(4)的输入端，滤波器(4)的输出端接三相供电网络。

2.如权利要求1所述的应用在配电网的电力电子变压器，其特征在于基本功率单元基于AC-AC型电力电子变压器，各相输入级中第一功率变换器(1)采用第一功率开关单元(S1)、第二功率开关单元(S1)、第三功率开关单元(S2)、第四功率开关单元(S2)组成桥式拓扑结构，第一功率开关单元(S1)、第二功率开关单元(S1)互补导通后接高频变压器(3)原边正端，第三功率开关单元(S2)、第四功率开关单元(S2)互补导通后接高频变压器(3)原边负端，所述每个功率开关单元由两个IGBT和一个反向连接的二极管并联组成；各相输出级中第二功率变换器(2)采用第五功率开关单元(S3)、第六功率开关单元(S3)、第七功率开关单元(S4)、第八功率开关单元(S4)组成桥式拓扑结构，第五功率开关单元(S3)、第七功率开关单元(S4)的正端接高频变压器(3)副边正端，第六功率开关单元(S3)、第八功率开关单元(S4)的负端接高频变压器(3)副边负端，第五功率开关单元(S3)、第六功率开关单元(S3)互补导通后接滤波器(4)的输入端，第七功率开关单元(S4)、第八功率开关单元(S4)互补导通后接滤波器(4)的输入端，所述每个功率开关单元由两个IGBT和一个反向连接的二极管并联组成。

3.如权利要求1所述的应用在配电网的电力电子变压器，其特征在于各单相输入级中第一功率变换器(1)串联连接；输出级采用桥式功率变换器并联结构，滤波器(4)由输出滤波电感一(La1)与输出滤波电容(Ca1)组成，输出滤波电感一(La1)负极接第五功率开关单元(S3)、第六功率开关单元(S3)输出端，输出滤波电容(Ca1)负端接第七功率开关单元(S4)、第八功率开关单元(S4)输出端，输出滤波电容(Ca1)正端接输出滤波电感一(La1)正极；或者输出级采用桥式功率变换器级联结构，滤波器(4)由输出滤波电容(Ca1)并接在输出滤波电感一(La1)、输出滤波电感二(La2)的同名端组成，输出滤波电感一(La1)负极接第一个基本功率单元中第五功率开关单元(S3)、第六功率开关单元(S3)的输出端，输出滤波电感二(La2)负极接第n个基本功率单元中第七功率开关单元(S4)、第八功率开关单元(S4)的输出端。

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