CN102075096A - 一种基于容错设计的大功率电力电子变压器 - Google Patents

一种基于容错设计的大功率电力电子变压器 Download PDF

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本发明公开了一种基于容错设计的大功率电力电子变压器，所述电力电子变压器的输入端采用三相星型结构接入，电力电子变压器的输入端的每一个单相上都接入高压输入模块的输入端，所述高压输入模块的输出端和与之相应的隔离模块的原边电路相连接，所述隔离模块的副边电路和该单相上的低压输出模块的输入端相连接，各单相低压输出模块的输出端采用三相四线制输出后再并联接出，作为电力电子变压器的输出端。本发明提供的一种基于容错设计的大功率电力电子变压器，不仅可以替代传统的电力电子变压器，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，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。

Description

一种基于容错设计的大功率电力电子变压器
技术领域
本发明涉及电力系统，尤其涉及一种基于容错设计的大功率电力电子变压器。
背景技术
变压器是电力系统配电网中重要的基础性元件，其造价低廉，可以长期可靠运行，而且传输电能的效率比较高；但其也存在诸多不足之处，譬如其体积较大，相对笨重，而且对于电网中的谐波污染和负荷侧的波动均比较敏感，缺乏灵活的自动调节能力；此外，变压器中的绝缘油还可能导致环境污染问题。
为此上世纪70年代提出了电力电子变压器(Power electronic transformer，简称PET)的概念，PET是利用电力电子换流技术来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(简称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，在电力系统中具有极好的发展前景。
但是目前的PET还没有采用模块化的设计，容错性及可靠性也并不十分理想。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于容错设计的大功率电力电子变压器，在实现传统变压器的电压变换、电压隔离、能量传递功能的基础上，实现电力电子变压器的模块化设计，提高电力电子变压器的可靠性和转换效率。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于容错设计的大功率电力电子变压器，所述电力电子变压器的三相结构相同且各自独立，其输入端采用三相星型结构接入，电力电子变压器的输入端的每一个单相上都接入高压输入模块的输入端，所述高压输入模块的输出端和与之相应的隔离模块的原边电路相连接，所述隔离模块的副边电路和该单相上的低压输出模块的输入端相连接，各单相低压输出模块的输出端采用三相四线制输出后再并联接出，作为电力电子变压器的输出端；并联方式接出，有利于电力电子变压器的大功率，同时并联冗余也可以提高电力电子变压器的可靠性，并且三相四线制更加适用于配电网的低压侧输出。
所述高压输入模块和与之相应的隔离模块组成输入模块，在电力电子变压器的每一个单相上都接入一个以上输入模块和一个低压输出模块，所述输入模块的原边为高压输入模块和与之相应的隔离模块的原边电路构成的电路，输入模块的副边为所述隔离模块的副边电路，每一个单相上的所有输入模块原边串联，该单相上的所有输入模块副边并联后和该单相上的低压输出模块的输入端相连接；这样，每一个单相上的所有高压输入模块构成该单相上的高压输入级，每一个单相上的所有隔离模块构成该单相上的隔离级，每一个单相上的低压输出模块构成该单相上的低压输出级。
所述每一个单相上的所有输入模块的功率相等。
所述高压输入模块包括一个电感L1、由四个带反并联二极管的IGBT构成的可控全桥整流电路、两个直流侧电容和一个可控晶闸管S1，所述可控全桥整流电路的交流侧与电感L1相连后作为高压输入模块的输入端，可控全桥整流电路的直流侧在并联两个直流侧电容和一个可控晶闸管S1后作为高压输入模块的输出端；可控晶闸管S1主要用于输入模块的冗余容错，当输入模块的某个单元发生故障时，可以通过可控晶闸管S1将其旁路，以提高整个电力电子变压器的可靠性。
所述隔离模块包括由四个带反并联二极管的IGBT构成的高频全桥逆变电路、谐振电容C3、高频变压器和由四个二极管构成的不全控全桥整流电路，所述高频全桥逆变电路的输入与高压输入模块的输出端相连接，高频全桥逆变电路的输出端串联谐振电容C3后，与高频变压器的原边相连接，高频变压器的副边与不全控全桥整流电路的输入端相连接，不全控全桥整流电路的输出端和低压输出模块的输入端相连；在隔离模块中，高频变压器的原边以及与其相连的电路构成隔离模块的原边电路，高频变压器的副边以及与其相连的电路构成隔离模块的副边电路。
所述低压输出模块包括四桥臂逆变电路和LC滤波电路，所述四桥臂逆变电路有储能电容C4和八个带反并联二极管的IGBT构成，所述四桥臂逆变电路的输入端作为低压输出模块的输入端，四桥臂逆变电路的输出端与LC滤波电路相连后作为低压输出模块的输出端。
所述电力电子变压器，每一个单相上的高压输入级均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，能够满足高压高功率场合的需要；整个电力电子变压器的每一个单相都由基本的功率单元组合而成，可以灵活地应用在不同电压等级的配电线路上；该电力电子变压器，不仅可以替代传统的电力电子变压器，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，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：本发明提供的一种基于容错设计的大功率电力电子变压器，相比较现有技术，具有如下有优点：
(1)针对不对称负荷出现频繁的配电系统，从结构上实现了自平衡，解决了变压器一侧系统发生不平衡故障时对另一侧的影响；
(2)输入侧和输出侧采用模块化设计，一方面简化了整个电力电子变压器的安装，另一方面也便于调整模块的数目以适应输入侧的电压；
(3)输入侧的串联冗余设计和输出侧的并联容错设计，增加了整个电力电子变压器的可靠性；
(4)本发明提供的电力电子变压器接在配电系统中，能够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；也能够通过其交-直-交环节和高频变压器隔离，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。
附图说明
图1为本发明的三相连接的结构示意图；
图2为本发明的单向原理结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为一种基于容错设计的大功率电力电子变压器的结构示意图，其三相结构相同且独立，采用三相星型结构接入，并采用三相四线制输出后再并联接出；每一个单相上采用三级结构，即高压输入级、隔离级和低压输出级。
所述高压输入模块和与之相应的隔离模块组成输入模块，在电力电子变压器的每一个单相上都接入一个以上输入模块和一个低压输出模块，所述输入模块的原边为高压输入模块和与之相应的隔离模块的原边电路构成的电路，输入模块的副边为所述隔离模块的副边电路，每一个单相上的所有输入模块原边串联，该单相上的所有输入模块副边并联后和该单相上的低压输出模块的输入端相连接；所述电力电子变压器的输入端采用三相星型结构接入，电力电子变压器的输入端的每一个单相上都接入高压输入模块的输入端，各单相低压输出模块的输出端采用三相四线制输出后再并联输出，作为电力电子变压器的输出端。每一个单相上的所有高压输入模块构成该单相上的高压输入级，每一个单相上的所有隔离模块构成该单相上的隔离级，每一个单相上的低压输出模块构成该单相上的低压输出级；每一个单相上的所有输入模块的功率相等。
如图2所示为一种基于容错设计的大功率电力电子变压器的单相原理结构示意图，以A相进行说明，所述A相上具有n个输入模块，N线表示中线。
所述高压输入模块包括一个电感L1、由四个带反并联二极管的IGBT(图中的Q1、Q2、Q3、Q4)构成的可控全桥整流电路、两个直流侧电容(图中的C1、C2)和一个可控晶闸管S1，所述可控全桥整流电路的交流侧与电感L1相连后作为高压输入模块的输入端，可控全桥整流电路的直流侧在并联两个直流侧电容和一个可控晶闸管S1后作为高压输入模块的输出端。
所述隔离模块包括由四个带反并联二极管的IGBT(图中的Q5、Q6、Q7、Q8)构成的高频全桥逆变电路、谐振电容C3、高频变压器和由四个二极管(图中的D1、D2、D3、D4)构成的不全控全桥整流电路，所述高频全桥逆变电路的输入与高压输入模块的输出端相连接，高频全桥逆变电路的输出端串联谐振电容C3后，与高频变压器的原边相连接，高频变压器的副边与不全控全桥整流电路的输入端相连接，不全控全桥整流电路的输出端和低压输出模块的输入端相连。
所述低压输出模块包括四桥臂逆变电路和LC滤波电路，所述四桥臂逆变电路有储能电容C4和八个带反并联二极管的IGBT(图中的Q1’、Q2’、Q3’、Q4’、Q5’、Q6’、Q7’、Q8’)构成，所述四桥臂逆变电路的输入端作为低压输出模块的输入端，四桥臂逆变电路的输出端与LC滤波电路相连后作为低压输出模块的输出端。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于容错设计的大功率电力电子变压器，其特征在于：所述电力电子变压器的输入端采用三相星型结构接入，电力电子变压器的输入端的每一个单相上都接入高压输入模块的输入端，所述高压输入模块的输出端和与之相应的隔离模块的原边电路相连接，所述隔离模块的副边电路和该单相上的低压输出模块的输入端相连接，各单相低压输出模块的输出端采用三相四线制输出后再并联接出，作为电力电子变压器的输出端。
2.根据权利要求1所述的基于容错设计的大功率电力电子变压器，其特征在于：所述高压输入模块和与之相应的隔离模块组成输入模块，在电力电子变压器的每一个单相上都接入一个以上输入模块和一个低压输出模块，所述输入模块的原边为高压输入模块和与之相应的隔离模块的原边电路构成的电路，输入模块的副边为所述隔离模块的副边电路，每一个单相上的所有输入模块原边串联，该单相上的所有输入模块副边并联后和该单相上的低压输出模块的输入端相连接。
3.根据权利要求1或2所述的基于容错设计的大功率电力电子变压器，其特征在于：所述高压输入模块包括一个电感L1、由四个带反并联二极管的IGBT构成的可控全桥整流电路、两个直流侧电容和一个可控晶闸管S1，所述可控全桥整流电路的交流侧与电感L1相连后作为高压输入模块的输入端，可控全桥整流电路的直流侧在并联两个直流侧电容和一个可控晶闸管S1后作为高压输入模块的输出端。
4.根据权利要求1或2所述的基于容错设计的大功率电力电子变压器，其特征在于：所述隔离模块包括由四个带反并联二极管的IGBT构成的高频全桥逆变电路、谐振电容C3、高频变压器和由四个二极管构成的不全控全桥整流电路，所述高频全桥逆变电路的输入与高压输入模块的输出端相连接，高频全桥逆变电路的输出端串联谐振电容C3后，与高频变压器的原边相连接，高频变压器的副边与不全控全桥整流电路的输入端相连接，不全控全桥整流电路的输出端和低压输出模块的输入端相连。
5.根据权利要求1或2所述的基于容错设计的大功率电力电子变压器，其特征在于：所述低压输出模块包括四桥臂逆变电路和LC滤波电路，所述四桥臂逆变电路有储能电容C4和八个带反并联二极管的IGBT构成，所述四桥臂逆变电路的输入端作为低压输出模块的输入端，四桥臂逆变电路的输出端与LC滤波电路相连后作为低压输出模块的输出端。
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