CN103036451B - 电子电力变压器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电子电力变压器，包括模块化多电平整流器、隔离级和逆变器，模块化多电平整流器包括多个子模块，逆变器包括多个相互并联连接的功率变换模块，由于模块化多电平变流器包括多个相同的子模块，逆变器包括多个相同的功率变换模块，因而本发明电子电力变压器具有良好的可扩展性，可以根据应用的需要，方便地扩展到很高的电压等级和功率水平，本发明可以实现灵活控制有功功率和无功功率的双向流动，并能保证两侧系统具有良好的电能质量，所以本发明电子电力变压器是一种结构简单、扩展性强且能够实现有功功率和无功功率双向流动控制的电力变压器。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统技术领域，特别是涉及电子电力变压器。
背景技术
电力变压器是电力系统最基本的组成设备，在输电系统中起着十分重要的作用。目前，电力系统的电力变压器常用是采用铁心浸油式电力变压器。它具有结构简单，可靠性高，制造成本低等优点。但是它也存在下述缺点，第一：变压器体积大，重量重；第二：不能维持变压器副方电压恒定；第三：由于铁磁元件的非线性特征，当变压器铁心出现磁饱和时，会造成系统中电压电流的波形畸变，产生谐波污染；第四：由于变压器副方电压波形和原方电压波形的紧密耦合以及原方电流决定于负载电流，因此电网侧和负荷侧的电能质量问题会相互传播；第五：对电压的调节和控制能力有限。
近年来，国内外越来越多技术人员投入到对电子电力变压器的研究，电子电力变压器是一种采用了电力电子变换技术的电能变换和传输设备，它的基本原理是采用大功率电力电子变流技术来实现电力系统中的电压变换。它具有下述优点：1、相对于铁心浸油式电力变压器来说电子电力变压器体积小，重量轻，无环境污染，易维护；2、变压器运行时可保持副方输出电压幅值和频率恒定，不随负载变化；3、变压器具有高度可控性，可在有载条件下实现对幅值及频率的平滑调节。
到目前为止，国内外研究者已提出了多种具体的实现方案，这些实现方案具有各自的优点，但在应用于高电压大功率场合时，对电力电子器件有较高的要求，为了实现有功功率和无功功率的双向流动控制，一般的电子电力变压器结构变得复杂，设计难度加大，可扩展性差。
发明内容
基于此，有必要针对现有电子电力变压器结构复杂的问题，提供一种结构简单、可扩展性强且能够实现对有功功率和无功功率的双向流动控制的电子电力变压器。
一种电子电力变压器，包括模块化多电平整流器、隔离级和逆变器，所述模块化多电平整流器的交流端与电网连接，所述模块化多电平整流器的直流端与所述隔离级的高压侧端口连接，所述逆变器的直流端与所述隔离级的低压侧端口连接，所述逆变器的交流端与输电线路或负荷连接；
所述模块化多电平整流器为三相三桥臂电路结构，所述三桥臂结构中每相桥臂均包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和所述下桥臂包括多个子模块，所述多个子模块串联，所述子模块包括半桥电路和电容，所述半桥电路与所述电容并联；
所述逆变器包括三个单相电路，所述三个单相电路按三相四线制连接，所述三个单相电路包括多个功率变换模块，所述多个功率变换模块交流侧相互并联连接，所述功率变换模块为全控整流桥。
在其中一个实施例中，模块化多电平整流器的所述上桥臂和所述下桥臂还分别包括缓冲电感，所述缓冲电感与所述多个子模块串联。
在其中一个实施例中，所述隔离级包括高频调制部分、高频变压器组部分和高频还原部分，所述高频调制部分为所述隔离级的高压侧，所述高频还原部分为所述隔离级的低压侧，所述高频变压器组部分位于所述高频调制部分和所述高频还原部分的之间，且与所述高频调制部分、所述高频还原部分连接。
在其中一个实施例中，所述高频调制部分包括3P个所述功率变换模块，其中P为正整数，P个所述功率变换模块依次串联，串联后P个所述功率变换模块的直流端口形成隔离级高压侧端口，所述隔离级高压侧端口与所述模块化多电平整流器相连，P个所述功率变换模块的交流端口与所述高频变压器组部分的高压侧绕组相连。
在其中一个实施例中，所述高频变压器组部分包括3个高频变压器，每个所述高频变压器的高压侧均为单个绕组，低压侧均为Q个所述绕组，其中Q为正整数，所述高频还原部分包括3Q个所述功率变换模块，3Q个所述功率变换模块交流端分别与3个所述高变频器的低压侧的Q个绕组相连，3Q个所述功率变换模块的直流端形成隔离级低压侧端口，所述隔离级低压侧端口与所述逆变器相连；
所述逆变器中三个所述单相电路分别包括Q个功率变换模块，Q个所述功率变换模块交流端相互并联连接，3Q个所述功率变换模块直流端与所述隔离级低压侧端口相连。
在其中一个实施例中，所述高频变压器组部分包括3P个所述高频变压器，其中P为正整数，每个所述高频变压器高压侧和低压侧均为单个绕组，所述高频还原部分包括3P个功率变换模块，3P个所述功率变换模块交流侧分别与3P个双绕组高频变压器的低压侧绕组相连，3P个所述功率变换模块的直流端形成隔离级低压侧端口，所述隔离级低压侧端口与所述逆变器相连；
所述逆变器中三个所述单相电路分别包括P个所述功率变换模块，P个所述功率变换模块的交流端相互并联连接，3P个所述功率变换模块的直流端口与隔离级低压侧端口相连。
输入本发明电子电力变压器的交流电通过三相三桥臂结构的模块化多电平整流器变换为直流，再通过逆变电路被调制成为高频方波后加载至高频变压器，耦合到变压器二次侧后，高频方波被整流成直流电压，再逆变为所需的交流电输出，由于模块化多电平变流器的每相桥臂包括多个相同子模块，逆变器中包括多个相同的功率变换模块组成，因而具有良好的可扩展性，可以根据应用的需要，方便地扩展到很高的电压等级和功率水平，另外，本发明可以实现灵活地控制有功功率和无功功率的双向流动，并能保证两侧系统具有良好的电能质量。所以本发明电子电力变压器是一种结构简单、扩展性强且能够实现对有功功率和无功功率的双向流动控制的电力变压器。
附图说明
图1为本发明电子电力变压器其中一个实施例的结构示意图；
图2为本发明电子电力变压器中隔离级的第一种结构示意图；
图3为本发明电子电力变压器中隔离级的第二种结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。
如图1所示，一种电子电力变压器，包括模块化多电平整流器100、隔离级200和逆变器300，所述模块化多电平整流器100的交流端与电网连接，所述模块化多电平整流器100的直流端与所述隔离级200的高压侧端口连接，所述逆变器300的直流端与所述隔离级200的低压侧端口连接，所述逆变器300的交流端与输电线路或负荷连接；
所述模块化多电平整流器100为三相三桥臂电路结构，所述三桥臂结构中每相桥臂均包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和所述下桥臂均包括多个相同的子模块，所述多个子模块串联，所述子模块包括半桥电路和电容，所述半桥电路与所述电容并联；
所述逆变器300包括三个单相电路，所述三个单相电路按三相四线制连接，所述三个单相电路包括多个相同功率变换模块，所述多个功率变换模块交流侧相互并联连接，所述功率变换模块为全控整流桥。
在这里所述的多个指的是2个或2个以上的个数。
输入本发明电子电力变压器的交流电通过三相三桥臂结构的模块化多电平整流器变换为直流，再通过逆变电路被调制成为高频方波后加载至高频变压器，耦合到变压器二次侧后，高频方波被整流成直流电压，再逆变为所需的交流输出，由于模块化多电平变流器的每相桥臂由多个子模块组成，逆变器中有包括多个功率模块，因而具有良好的可扩展性，可以根据应用的需要，方便地扩展到很高的电压等级和功率水平，可以实现灵活地控制有功功率和无功功率的双向流动，并能保证电子电力变压器一、二次侧良好的电能质量。所以本发明电子电力变压器是一种结构简单、扩展性强且能够实现对有功功率和无功功率的双向流动控制的电子电力变压器。
另外由于模块化多电平整流器的模块化设计，能获得较高的电平数，从而减少了交直流谐波分量，相应的滤波装置容量和体积也会减小，从而更进一步简化了本发明电子电力变压器的结构。
在其中一个实施例中，所述上桥臂和所述下桥臂还分别包括缓冲电感，所述缓冲电感与所述多个子模块串联。
在这里将缓冲电感与多个子模块串联是一个滤波的作用，一般来说这里只需要将一个缓冲电感与多个子模块串联就可以达到良好的滤波效果。
在其中一个实施例中，所述隔离级包括高频调制部分、高频变压器组部分和高频还原部分，所述高频调制部分为所述隔离级的高压侧，所述高频还原部分为所述隔离级的低压侧，所述高频变压器组部分位于所述高频调制部分和所述高频还原部分的之间，且与所述高频调制部分、所述高频还原部分连接。
进入隔离级的电流依次经过高频调制部分、高频变压器组部分和高频还原部分的处理传输到逆变器中。
隔离级分为三个不同功能的部分，可以将本发明电子电力变压器内部结构模块化、功能化，这样可以简化本发明电子电力变压器结构。
在其中一个实施例中，所述高频调制部分包括3P个所述功率变换模块，其中P为正整数，P个所述功率变换模块依次串联，串联后P个所述功率变换模块的直流端口形成隔离级高压侧端口，所述隔离级高压侧端口与所述模块化多电平整流器相连，P个所述功率变换模块的交流端口与所述高频变压器组部分的高压侧绕组相连。
在这里3P个功率变换模块指的是3个P组次功率变换模块，高频调制部分包括3P个功率变换模块具有良好的扩展性，可以根据实际使用的需要决定P的大小。
如图2所示，在其中一个实施例中，所述高频变压器组部分包括3个高频变压器，每个所述高频变压器的高压侧均为单个绕组，低压侧均为Q个所述绕组，其中Q为正整数，所述高频还原部分包括3Q个所述功率变换模块，3Q个所述功率变换模块交流端分别与3个所述高变频器的低压侧的Q个绕组相连，30个所述功率变换模块的直流端形成隔离级低压侧端口，所述隔离级低压侧端口与所述逆变器相连；
所述逆变器中三个所述单相电路分别包括Q个功率变换模块，Q个所述功率变换模块交流端相互并联连接，3Q个所述功率变换模块直流端与所述隔离级低压侧端口相连。
在本实施例中，所述电子电力变压器隔离级中，高频变压器低压侧包括了Q个绕组，这种隔离级结构的电子电力变压器应用于高压大功率场合时，可以采用较少的高频变压器。
如图3所示，在其中一个实施例中，所述高频变压器组部分包括3P个所述高频变压器，其中P为正整数，每个所述高频变压器高压侧和低压侧均为单个绕组，所述高频还原部分包括3P个功率变换模块，3P个所述功率变换模块交流侧分别与3P个双绕组高频变压器的低压侧绕组相连，3P个所述功率变换模块的直流端形成隔离级低压侧端口，所述隔离级低压侧端口与所述逆变器相连；
所述逆变器中三个所述单相电路分别包括P个所述功率变换模块，P个所述功率变换模块的交流端相互并联连接，3P个所述功率变换模块的直流端口与隔离级低压侧端口相连。
本实施例为本发明电子电力变压器中隔离级的另一种结构，在电子电力变压器隔离级中，高频变压器低压侧只包括一个绕组，这种隔离级结构的电子电力变压器应用于高压大功率场合时，易于对功率变换模块进行扩展。
下面，将以实例来解释本发明的技术方案。
例：10kV／400V，降压变压器
模块化多电平整流器每相由6级多电平功率变换模块组成；隔离级靠高压级侧的高频调制部分也由相应级数的功率变换模块组成，每个模块由两个额定电压为3300V的IGBT模块构成，通过这一级，直流电压被调制成高频方波；隔离级靠低压侧的高频还原部分每相由1个额定电压为3300V的IGBT模块构成，通过这一级，高频方波被还原成直流电压。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (2)
1.一种电子电力变压器，其特征在于，包括模块化多电平整流器、隔离级和逆变器，所述模块化多电平整流器的交流端与电网连接，所述模块化多电平整流器的直流端与所述隔离级的高压侧端口连接，所述逆变器的直流端与所述隔离级的低压侧端口连接，所述逆变器的交流端与输电线路或负荷连接；
所述模块化多电平整流器为三相三桥臂电路结构，所述三桥臂结构中每相桥臂均包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和所述下桥臂均包括多个子模块，所述多个子模块串联，所述子模块包括半桥电路和电容，所述半桥电路与所述电容并联；
所述逆变器包括三个单相电路，所述三个单相电路按三相四线制连接，所述三个单相电路包括多个功率变换模块，所述多个功率变换模块相互并联连接，所述功率变换模块为全控整流桥；
其中，所述隔离级包括高频调制部分、高频变压器组部分和高频还原部分，所述高频调制部分为所述隔离级的高压侧，所述高频还原部分为所述隔离级的低压侧，所述高频变压器组部分位于所述高频调制部分和所述高频还原部分的之间，且与所述高频调制部分、所述高频还原部分连接；
所述高频调制部分包括3P个所述功率变换模块，其中P为正整数，P个所述功率变换模块依次串联，串联后P个所述功率变换模块的直流端形成隔离级高压侧端口，所述隔离级高压侧端口与所述模块化多电平整流器相连，P个所述功率变换模块的交流端与所述高频变压器组部分的高压侧绕组相连；
所述高频变压器组部分包括3个高频变压器，每个所述高频变压器的高压侧均为单个绕组，低压侧均为Q个所述绕组，其中Q为正整数，所述高频还原部分包括3Q个所述功率变换模块，3Q个所述功率变换模块交流端分别与3个所述高频变压器的低压侧的Q个绕组相连，3Q个所述功率变换模块的直流端形成隔离级低压侧端口，所述隔离级低压侧端口与所述逆变器相连，所述逆变器中三个所述单相电路分别包括Q个功率变换模块，Q个所述功率变换模块交流端相互并联连接，3Q个所述功率变换模块直流端与所述隔离级低压侧端口相连，
或
所述高频变压器组部分包括3P个所述高频变压器，其中P为正整数，每个所述高频变压器高压侧和低压侧均为单个绕组，所述高频还原部分包括3P个功率变换模块，3P个所述功率变换模块交流侧分别与3P个双绕组高频变压器的低压侧绕组相连，3P个所述功率变换模块的直流端形成隔离级低压侧端口，所述隔离级低压侧端口与所述逆变器相连，所述逆变器中三个所述单相电路分别包括P个所述功率变换模块，P个所述功率变换模块的交流端相互并联连接，3P个所述功率变换模块的直流端与隔离级低压侧端口相连。
2.根据权利要求1所述的电子电力变压器，其特征在于，所述上桥臂和所述下桥臂还分别包括缓冲电感，所述缓冲电感与所述多个子模块串联。
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