CN101707443B - 一种新型电力电子变压器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种新型电力电子变压器，该电力电子变压器由高压级、隔离级和低压级三部分组成，高压级包括2*N*n个半桥拓扑第一功率模块；隔离级由N1级第二功率模块组成，每个第二功率模块包括中高频斩波器部分、中高频变压器部分和中高频同步整流器部分；低压级由N2级第三功率模块组成。本发明巧妙的利用了现有的半桥拓扑结构技术，很好的解决了常规电力电子变压器运行效率低、输入侧开关器件的耐压、均压问题和输入滤波器体积大的问题，同时也可以实现高压级、低压级的无功控制，电能质量控制、故障电流限制，增大了装置的实用性，加快了电力电子变压器商业化进程。

Description

一种新型电力电子变压器

技术领域

本发明涉及电力电子器件领域，具体涉及一种新型电力电子变压器。

背景技术

在智能电网中，电力电子变压器能为微网、分布式能源或可再生能源提供柔性接入方案，能解决电力系统的电能质量问题，能充分满足电力用户对供电可靠性、安全性、灵活性、经济性和供电电能质量的需求，具有广阔的应用前景。电力电子变压器通过对输入侧电力系统各节点的相关电气参数进行检测，实时整定电力电子变压器输入侧的相关控制量，从而连续、平稳、快速的调节电力系统潮流，达到有效控制电力系统运行状态的目的；电力电子变压器通过对输出侧相关电气参数的检测，实时整定电力电子变压器输出侧的相关控制量，从而满足电力用户对电力供应和电能质量的需求；电力电子变压器通过自身相关电气参数的整定和相关控制算法的切换，实现潮流的双向流动，满足发电负载的特定需求，因此电力电子变压器具有非常优越的控制性能。

但是，由于大功率电力电子器件的发展水平问题、主电路拓扑设计问题和相关控制算法等问题，使得电力电子变压器研究成果一直未能进入实用化阶段，主要问题有：高压级开关的耐压问题和均压问题、装置的效率问题、多目标协调控制算法问题等。近几年来针对上述问题，国内外对电力电子变压器展开了进一步的研究，已经有相当多的文献提出了各种解决方案。2005年，美国电力科学研究研制了一台20kVA的电力电子变压器，该电力电子变压器采用多电平拓扑结构，既减少了开关器件的数量，又减小了输入电流谐波，同时也使系统结构更加紧凑。但是该电力电子变压器的开关器件是采用定制器件，耐压等级很高，现阶段还无法达到批量出货，因此电力电子变压器还无法达到实用化阶段。

发明内容

本发明的目的是：提供一种新型电力电子变压器，该种电力电子变压器巧妙的利用了现有的半桥结构拓扑技术，很好的解决了常规电力电子变压器运行效率低和输入侧开关器件的耐压和均压问题，对加速电力电子变压器的实用化和市场化进程具有重要意义。

本发明的技术方案是：一种新型电力电子变压器，所述电力电子变压器包含n(1≤n≤18)相输入，各相独立，且结构相同，都是由高压级、隔离级和低压级的三级结构组成，该变压器的高压级、低压级既可以作为输入级，也可以作为输出级，即：该电力电子变压器可以实现能量的双向流动；

所述电力电子变压器的高压级单相由2*N(N≥2)级相同的功率变换模块和2只电抗器串联组成，上下桥臂串联的第一功率模块数相同，即：上下桥臂各有N级第一功率模块，上桥臂的第N级模块与下桥臂的第一级模块之间串联2只串联的电抗器，所述2只串联电抗器的连接点同时连接输入信号；上下桥臂的每一第一功率模块交流侧直接串联，直流侧的两端线之间并接电容器；

所述电力电子变压器高压级的第一功率模块主电路采用半桥拓扑结构，该半桥拓扑由两只带有反并联续流二极管D的可关断开关器件T_X1、T_X2和电容C_X1组成，具体连接方式是：可关断开关器件串行连接，再与电容器并联；

所述电力电子变压器的隔离级由中高频斩波部分、中高频隔离变压器、中高频同步整流部分组成；中高频斩波部分将直流电压整形成中高频方波电压，中高频隔离变压器进行高频送能、电压等级变换和电气隔离，中高频同步整流部分将方波信号还原成直流，即隔离级实现电压等级的变换、高低压级电气隔离、高低压级能量的传递；

所述电力电子变压器的隔离级是由N1级第二功率模块单元组成，每一级第二功率模块单元由中高频斩波部分与中高频隔离变压器、中高频同步整流部分三部分组成，N1的大小是由高压级直流母线的电压等级决定，且中高频变压器是单相双绕组变压器或三相多绕组变压器，匝比由应用场合电压等级决定，而同步整流部分的输出连接方式则根据电力电子变压器的应用场合的电压等级要求进行串联、并联或串并联混合，隔离级的斩波和同步整流部分是由第三功率模块组成，该第三功率模块由两电平半桥拓扑或全桥拓扑、或者是多电平半桥拓扑或全桥拓扑组成；

所述电力电子变压器的低压级由若干第三功率模块和电抗器组成。第三功率模块的数量N2与隔离级输出直流电压的相数和负荷侧需求有关，低压级的输出连接方式由应用场合的实际需求决定，低压级第三功率模块可以由两电平半桥拓扑或全桥拓扑、多电平半桥拓扑或全桥拓扑组成。

所述电力电子变压器若处于稳态工作时，高压侧直流母线电压为U_dc，则半桥拓扑箝位电容上的电压为U_dc/N，即：上下桥臂半桥拓扑箝位电容电压之和都等于直流母线电压U_dc，同时，由于控制算法的误差，单个半桥拓扑箝位电容电压U_cx存在一定的波动，一般控制在-h≤U_cx≤h，其中h为滞环带。

本发明的有益效果是：能够很好的解决电力电子变压器输入侧开关管的耐压问题；采用该种拓扑的电力电子变压器具有更加宽广的适用范围，电压等级也可以更高；可为大规模分布式能源的接入电力系统提供更加灵活的柔性接入方案；由于该拓扑采用多电平、标准组件结构设计，且输入、输出无需大容量的无源滤波器，所以装置本体占地面积缩小，装置的总体成本大大减小。该种电力电子变压器可以应用到多种场合，如：电力系统、船舶供电系统和海上平台供电系统，特别适用于对电能质量有特殊要求、对供电方式、对供电可靠性有特殊要求的场合，如：海上炼油平台、优质电力园区、微网等。

附图说明

图1是该类新型电力电子变压器的主电路整体结构图。

图2是新型电力电子变压器所用半桥拓扑单元结构示意图。

图3是新型电力电子变压器高压级的等效控制方法。

图4是新型电力电子变压器隔离级的等效电路图。

图5是新型电力电子变压器低压级的等效电路图。

图6是新型电力电子变压器主电路结构框图之一。

图7是新型电力电子变压器主电路结构框图之二。

图8是新型电力电子变压器主电路结构框图之三。

具体实施方式

1)本发明的新型电力电子变压器的拓扑结构

新型电力电子变压器采用半桥拓扑结构，为了便于对该类型电力变压器的结构进行分析，现给出一种新型电力电子变压器结构示意如图4所示，图示为一种三入三出的电力电子变压器，其由三级组成，分别为：高压级、隔离级和低压级，高压级由开关管T_A1、T_A2、T_A3、T_A4、T_A5、T_A6、T_A7、T_A8、T_A9、T_A10、T_A11、T_A12、T_B1、T_B2、T_B3、T_B4、T_B5、T_B6、T_B7、T_B8、T_B9、T_B10、T_B11、T_B12、T_C1、T_C2、T_C3、T_C4、T_C5、T_C6、T_C7、T_C8、T_C9、T_C10、T_C11、T_C12，功率二极管D_A1、D_A2、D_A3、D_A4、D_A5、D_A6、D_A7、D_A8、D_A9、D_A10、D_A11、D_A12、D_B1、D_B2、D_B3、D_B4、D_B5、D_B6、D_B7、D_B8、D_B9、D_B10、D_B11、D_B12、D_C1、D_C2、D_C3、D_C4、D_C5、D_C6、D_C7、D_C8、D_C9、D_C10、D_C11、D_C12，电抗器L_A1、L_A2，电容器C_A1、C_A2、C_A3、C_A4、C_A5、C_A6、C_A7、C_A8、C_A9、C_A10、C_A11、C_A12、C_B1、C_B2、C_B3、C_B4、C_B5、C_B6、C_B7、C_B8、C_B9、C_B10、C_B11、C_B12、C_C1、C_C2、C_C3、C_C4、C_C5、C_C6、C_C7、C_C8、C_C9、C_C10、C_C11、C_C12组成；隔离级包括斩波电路和中、高频变压器T_HF1、T_HF2、T_HF3，其中斩波电路包括开关管T₁₃、T₁₄、T₁₅、T₁₆、T₁₇、T₁₈、T₁₉、T₂₀、T₂₁、T₂₂、T₂₃、T₂₄、T_S1、T_S2、T_S3、T_S4、T_S5、T_S6、T_S7、T_S8、T_S9、T_S10、T_S11、T_S12，二极管D₁₃、D₁₄、D₁₅、D₁₆、D₁₇、D₁₈、D₁₉、D₂₀、D₂₁、D₂₂、D₂₃、D₂₄、D_S1、D_S2、D_S3、D_S4、D_S5、D_S6、D_S7、D_S8、D_S9、D_S10、D_S11、D_S12，电容器C₁₃、C₁₄、C₁₅、C₁₆、C₁₇、C₁₈、C₁₉、C₂₀、C₂₁、C₂₂、C₂₃、C₂₄、C_S1、C_S2、C_S3、C_S4、C_S5、C_S6、C_S7、C_S8、C_S9、C_S10、C_S11、C_S12；低压级包括开关管T_S13、T_S14、T_S15、T_S16、T_S17、T_S18、T_S19、T_S20、T_S21、T_S22、T_S23、T_S24，二极管D_S13、D_S14、D_S15、D_S16、D_S17、D_S18、D_S19、D_S20、D_S21、D_S22、D_S23、D_S24，电容器C_S13、C_S14、C_S15、C_S16、C_S17、C_S18、C_S19、C_S20、C_S21、C_S22、C_S23、C_S24。高压级的连接方式如下：其中开关管与功率二极管反并联后，两开关管再串联，并与电容器并联，构成半桥拓扑结构，半桥拓扑的具体接线如图2所示，各半桥进行串联，最后与电抗器串联接入高压级，三相输入采用同样的接线方式，具体接线如图4所示；隔离级的连接方式为：隔离级由3级功率模块组成，每一功率模块的高压侧和低压侧均由四只带续流二极管的开关器件组成单相全控桥构成，且每一级单相全控桥的直流侧两个端线上各串联两个串联结构的电容器，隔离级中的高压侧与低压侧通过中高频变压器连接；低压级的连接方式为：输出级由单个功率模块组成，该功率模块均由四只带续流二极管的开关器件组成单相全控桥构成，且功率模块直流母线上并联了两个串联结构的电容器。该三入三出的新型电力电子变压器的具体接线如图4所示。

2)新型电力电子变压器的工作原理

为了清楚的分析新型电力电子变压器的工作原理，现对电力电子变压器的单相输入进行分析，新型电力电子变压器输入侧直流母线电压为V_dc，上桥臂输出电压为V_a1，下桥臂输出电压为B_a2，输入电压为V_ac，参考点为O点，则有下列电压关系式成立

V_a1+V_a2＝V_dc    (1.1)

N*U_CX＝V_dc      (1.2)

根据KVL定律可知，还存在下列电压关系式

$V_{a1}=\frac{V_{\mathrm{dc}}}{2}-V_{\mathrm{ac}}---\left(1.3\right)$

$V_{a2}=\frac{V_{\mathrm{dc}}}{2}+V_{\mathrm{ac}}---\left(1.4\right)$

由于V_dc，V_ac是已知量，所以V_a1，V_a2就可以通过(1.3)、(1.4)式计算得出，从而可以得出各个半桥拓扑的参考电压值，新型电力电子变压器输入侧的等效控制方法如图3所示。

隔离级单元电路等效电路图如图4所示，隔离级原边电压为U_x1，副边电压为U_x2，中、高频变压器的变比为n∶1，原边斩波电路由开关管T₁，T₂，T₃，T₄，二极管D₁，D₂，D₃，D₄，电容器C₁，C₂，C₃，C₄组成，副边斩波电路由电开关管T_S1，T_S2，T_S3，T_S4，二极管D_S1，D_S2，D_S3，D_S4，电容器C_S1，C_S2，C_S3，C_S4组成，工作原理分析如下：当能量从原边流入副边时，开关管T₁，T₄和T₂，T₃分别进行协调工作，开关管T_S1，T_S2，T_S3，T_S4脉冲封锁，输出中、高频交流方波，同时副边二极管D_S1，D_S2，D_S3，D_S4工作在同步不控整流状态，将中、高频方波还原成直流；当能量从副边流入原边时，开关管T_S1，T_S4和T_S2，T_S3分别进行协调工作，开关管T₁，T₂，T₃，T₄脉冲封锁，同样输出中、高频交流方波到变压器，二极管D₁，D₂，D₃，D₄进行同步整流。由于负载工作模式的改变，隔离级的这两种工作模式会相互切换，实现能量的双向流动。

输出级单元等效电路如图5所示，直流母线电压为U_x，输出变换电路由开关管T_x1，T_x2，T_x3，T_x4，二极管D_x1，D_x2，D_x3，D_x4，电容器C_x1，C_x2，C_x3，C_x4组成，具体工作原理分析如下：开关管T_x1，T_x2，T_x3，T_x4进行协调PWM控制，使L_x点与N_x之间输出电力用户需求的电压波形，该波形经过低通滤波器处理，滤除高频纹波后即可接入电力用户；二极管D_x1，D_x2，D_x3，D_x4的作用主要是为负载电流提供续流回路，电容器C_x1，C_x2，C_x3，C_x4的作用主要是为直流母线提供电压支撑。同时，输出级的输出模式可以根据电力用户的不同需求，进行灵活配置，满足用电负荷和发电负荷的不同特征需求。

本发明的其它的实施方式还包括：如图6、7、8所示新型电力电子变压器主电路结构图，图6、8所示的是三入三出的电力电子变压器；图7所示的是一种单入三出的电力电子变压器。

此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。

Claims (3)

1.一种新型电力电子变压器，该变压器包含高压级、隔离级和低压级三级结构，所述高压级为n相输入，其中1≤n≤18，所述各相输入的结构相同，所述变压器的高压级、低压级既可以作为输入级，也可以作为输出级，即：该电力电子变压器可以实现能量的双向流动；

所述高压级单相由2*N级相同的第一功率模块和2只电抗器串联组成，其中N≥2，上下桥臂串联的第一功率模块数相同，即：上下桥臂各有N级第一功率模块，上桥臂的第N级模块与下桥臂的第一级模块之间串联2只串联的电抗器，所述2只串联电抗器的连接点同时连接输入信号；上下桥臂的每一第一功率模块交流侧直接串联，直流侧的两端线之间并接电容器；

所述电力电子变压器的隔离级是由N1级第二功率模块单元串联组成，每一级第二功率模块单元由中高频斩波部分与中高频隔离变压器、中高频同步整流部分三部分组成，N1的大小是由高压级直流母线的电压等级决定，且中高频隔离变压器是单相双绕组变压器或三相多绕组变压器，匝比由应用场合电压等级决定，而中高频同步整流部分的输出连接方式则根据电力电子变压器的应用场合的电压等级要求进行串联、并联或串并联混合；隔离级每一级第二功率模块单元的中高频斩波和中高频同步整流部分是由第三功率模块组成，该第三功率模块由两电平半桥拓扑或全桥拓扑、或者是多电平半桥拓扑或全桥拓扑组成；

所述隔离级每一级第二功率模块单元的中高频斩波部分将直流母线传过来的高压级直流电压整形成中高频方波电压，所述隔离级每一级第二功率模块单元的中高频隔离变压器进行高频送能、电压等级变换和电气隔离，所述隔离级每一级第二功率模块单元的中高频同步整流部分将方波信号还原成直流，即所述隔离级实现电压等级的变换、高低压级电气隔离、高低压级能量的传递；

所述低压级由若干第三功率模块和电抗器组成。

2.如权利要求1所述的电力电子变压器，其特征在于：

所述电力电子变压器高压级的第一功率模块主电路采用半桥拓扑结构，该半桥拓扑由两只带有反并联续流二极管D的可关断开关器件T _X1、T _X2和电容C _X1组成，具体连接方式是：可关断开关器件串行连接，再与电容器并联；

所述低压级的该第三功率模块的数量N2与隔离级输出直流电压的相数和负荷需求有关，低压级的输出连接方式由应用场合的实际需求决定，低压级第三功率模块可以由两电平半桥拓扑或全桥拓扑、或者多电平半桥拓扑或全桥拓扑组成。

3.如权利要求2所述的电力电子变压器，其特征在于：

所述电力电子变压器若处于稳态工作时，高压侧直流母线电压为U_dc，则第一功率模块的半桥拓扑结构中的电容上的电压为U_dc/N，即：上下桥臂半桥拓扑结构中的电容电压之和都等于直流母线电压U_dc，同时，由于离散控制算法的误差以及开关器件和磁性器的非线性特性，造成第一功率模块的单个半桥拓扑结构中的电容电压U _cx 存在一定的波动，一般控制在-h≤U_cx≤h，其中h为滞环带。

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