CN103746393B - 一种全范围自动平衡不对称负载的三相电力电子变压器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全范围自动平衡不对称负载的三相电力电子变压器，分为三级：输入级、隔离级和输出级。输入级功率变换器输出端与高频DC/AC环节功率变换器的输入端相连接；高频DC/AC环节功率变换器的输出端接高频变压器的原边，高频变压器的副边接高频AC/DC环节的功率变换器的输入端；高频AC/DC环节的功率变换器的输出端与输出级功率变换器的输入端相连接；输出级功率变换器的输出端连接LC滤波器的输入端，LC滤波器接三相供电网络。本发明可以实现传统电力变压器的变压、隔离、能量传递等等基本功能，面对不同等级的输入电压，只需要计算对应级联模块数，按照对应模块数级联便可承受对应电压。
Description
技术领域
本发明属于电力电子变压器技术领域，涉及一种全范围自动平衡不对称负载的三相电力电子变压器。
背景技术
在电力系统中，主要起变压和隔离作用的传统电力变压器被广泛应用。一方面，传统电力变压器具有效率高、成本低、可靠性高、结构简单等优点；另一方面，它也具有明显的缺点，笨重、体积大、空载损耗大，功能单一，使用变压器油对环境构成威胁，带非线性负载时畸变电流会污染电网，电网有波动时又会影响负载等等。随着电力系统的发展，尤其是分布式发电系统及新能源的发展，迫切需要一种新的电能转换装置除了实现电气隔离和变压功能之外还能实现负载侧调压、功率因素校正、输入输出两侧谐波抑制等等功能，同时体积小、重量轻、空载损耗小。显然，传统电力变压器无法满足这些应用要求。
随着电力电子技术的发展，电力电子变压器（PET—Powerelectronictransformer）或固态变压器（SST—Solid-statetransformer）的概念被提出用来解决这些传统电力变压器无法解决的问题。PET自上世纪70年代初被提出之后，经历了40年断断续续的发展，许多拓扑被提出。这些拓扑从级联级数角度，可分为单级结构、两级结构和三级结构；从模块化角度可分为基于全桥结构和基于二极管钳位或飞跨电容结构两类。从级联级数角度看，级联的级数越多，PET能够实现的功能就越多，因而现在主要基于三级结构；从模块化角度看，对于大功率高电压电压应用场合，基于全桥结构比基于二极管钳位或飞跨电容结构有更大的优势，因而也是现在研究的主流。
目前，由于现有电力电子器件成本相对来说比较高，电力电子变压器总体成本上相对于传统电力变压器要高很多。随着电力电子器件水平和高频变压器材料的发展，电力电子变压器将会逐步替代传统电力变压器在电力系统中的位置。
发明内容
本发明解决的问题在于提供一种全范围自动平衡不对称负载的三相电力电子变压器，实现传统变压器电压变换、电气隔离和能量双向传递的功能，而且能够实现三相电力电子变压器负荷允许范围内的全范围自动平衡调节。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种可平衡不对称负载的三相电力电子变压器，其拓扑结构包括输入级、隔离级、输出级，每级的功率变换器均包括两个输入端和两个输出端；
输入级的三相中，每相包括N个相同的串联的输入级功率变换器，N为自然数，每个输入级功率变换器的两个输出端之间并联有直流储能电容；每相串联的输入级功率变换器总的交流侧连接有电抗器，再与输入电网的一相相连接，相与相之间三角形连接或星形连接；
隔离级的三相中，每相包括3N个通过高频变压器相连接的高频DC/AC环节功率变换器和高频AC/DC环节的功率变换器；每相的3个高频DC/AC环节功率变换器的输入端并联后与输入级的对应相的一个输入级功率变换器对应连接；
输出级的三相中，每相的输出级功率变换器与高频AC/DC环节的功率变换器一一对应连接，每个输出级功率变换器的两个输入端之间并联有输出级直流储能电容，交流侧连接有LC滤波器；
输出级每相3N个功率变换器中均有1/3的输出级功率变换器的一个输出端通过LC滤波器分别交叉连接汇集于u、v相和w相，并且每相的1/3的输出级功率变换器均一一对应于相应的输入级功率变换器，所有输出级功率变换器的另一个输出端汇集于n点。
所述的输入级功率变换器、高频DC/AC环节功率变换器、高频AC/DC环节的功率变换器和输出级功率变换器均采用全控型单相全桥变换器。
所述的输入级功率变换器输出端与高频DC/AC环节功率变换器的输入端相连接；
高频DC/AC环节功率变换器的输出端接高频变压器的原边，高频变压器的副边接高频AC/DC环节的功率变换器的输入端；
高频AC/DC环节的功率变换器的输出端与输出级功率变换器的输入端相连接；输出级功率变换器的输出端连接LC滤波器的输入端，LC滤波器接三相供电网络。
所述从输入级、隔离级到输出级，交流、直流的变化依次为：
输入级中，输入电网交流输入经过输入级功率变换器转换成直流，并通过直流储能电容传递给隔离级；
隔离级中，直流输入通过隔离级高频DC/AC环节功率变换器转换成交流，并通过高频变压器传递给高频AC/DC环节的功率变换器，再通过高频AC/DC环节的功率变换器转换成直流，并通过直流储能电容传递给输出级；
输出级中，直流输入通过输出级功率变换器转换成交流，并通过LC滤波器传递给三相供电网络。
与现有技术相比，本发明提供的基于多级多模块级联结构可平衡不对称负载的三相电力电子变压器具有以下有益的技术效果：
1、可以实现传统电力变压器的变压、隔离、能量传递等等基本功能；
2、输入级采用三相结构的级联式模块化功率变换器，面对不同等级的输入电压，只需要计算对应级联模块数，按照对应模块数级联便可承受对应电压；
3、本发明可全部模块化，便于生产、调试和维护；
4、本发明可以实现负载与供电系统的隔离，对负载提供保护作用，可以根据需要为电网侧提供无功补偿或者有源滤波功能，提高电网电能质量和运行可靠性；
5、本发明可以自动调节输出级的供电电压、电流的幅值和相位，解决电网电压暂降、暂升、波动与闪变等电能质量问题；
6、本发明可以全范围应对不对称负载，将负载侧的不对称通过拓扑的连接自然转变成网侧对称。每相中每个输入级的功率变换器对应隔离级中3个并联的功率变换器（N个输入级的功率变换器对应并联隔离级中的3N个功率变换器），这3个功率变换器对应的输出级功率变换器分别连接到u、v、w三相，输出级三相供电网络中每相功率的变化都能够反映到输入级的每个功率模块上，因此不管输出三相供电网络中三相功率如何不平衡，输入级的每个功率模块得到的功率值都是相同的。
附图说明
图1为基于多级多模块级联结构的三相电力电子变压器的拓扑整体结构框图；
图2为全桥功率变换器单元的电路结构图；
图3为当三相负载电流波形；
图4为三相输入级电感电流波形；
图5为三相输入级网侧电流波形；
图6为输入级三相9个直流侧电压波形；
图7为输出级三相27个直流侧电压波形；
其中，1为电抗器、2为输入级功率变换器、3为输入级直流储能电容、4为高频DC/AC环节功率变换器、5为高频变压器、6为高频AC/DC环节功率变换器、7为输出级直流储能电容、8为输出级功率变换器、9为LC滤波器；
11为第一输入端、12为第二输入端、13为第一输出端、14为第二输出端。
具体实施方式
本发明提供的基于多级多模块级联结构可平衡不对称负载的三相电力电子变压器，采用高压侧级联、低压侧并联的技术方案，三相结构相同且独立。所有的拓扑整体结构分为三级：输入级、隔离级和输出级。下面结合具体的实施例和附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
基于多级多模块级联结构可平衡不对称负载的三相电力电子变压器，采用如图1所述的拓扑结构，包括输入级、隔离级、输出级，每级的功率变换器均包括两个输入端和两个输出端；
具体的每个功率变换器为四只全控型器件组成的单相全控桥，其结构如图2所示为Sub代表的全控型单相全桥变换器。每一相级联功率变换器交流侧总的串联一个电抗器以实现交流侧谐波抑制。单相全控桥功率变换器的直流侧的两个端线之间并联一定容量的电容器组。
输入级的三相中，每相包括N个相同的级串联的输入级功率变换器2，N为自然数，每个输入级功率变换器2的两个输出端之间并联有直流储能电容3；每相串联的输入级功率变换器总的交流侧连接有电抗器1，再与输入电网的一相相连接，相与相之间三角形连接或星形连接；
输入级的功率变换器的级联数目由输入电压等级和所选用的电力电子器件水平所决定（如：输入电压为11kV，选用开关器件1.7kV/400A的IGBT并设定直流侧为1.1kV时，每相需要18个变换器级联）。
隔离级的三相中，分为三个组成部分：作为高频DC/AC环节功率变换器4、高频变压器5和高频AC/DC环节的功率变换器6；高频DC/AC环节功率变换器4将输入的直流电压调制成1kHz以上的高频信号（具体要根据DC/AC环节和AC/DC环节功率变换器所采用的开关器件确定），并通过高频变压器5传递到高频AC/DC环节变换器6交流端，高频AC/DC环节变换器6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5主要起到电压变换和电气隔离的作用。
隔离级的三相中，每相包括3N个通过高频变压器5连接的高频DC/AC环节功率变换器4和高频AC/DC环节的功率变换器6；每相的每3个高频DC/AC环节功率变换器4的输入端并联后与输入级的对应相的一个输入级功率变换器2对应连接；
具体的，隔离级靠近输入级部分由与输入级级联数目3倍的相同的单相全桥变换器组成，每个变换器均为由四个全控型开关器件组成的单相全桥，其两端接线和输入级的相应端线连接；隔离级靠近输出级部分的变换器也为由四个全控型开关器件组成的单相全桥，其数目也为输入级级联的单相全桥功率变换器数目的3倍，该单相全桥变换器的直流侧输出连接输出级直流储能电容。
靠近输出级直流侧的隔离级AC/DC功率变换器直流侧输出连接输出级直流侧储能电容之后分别连接对应的输出级功率变换器；
输出级的三相中，每相的输出级功率变换器8与高频AC/DC环节的功率变换器6一一对应连接，3N个中的每个输出级功率变换器8的两个输入端之间并联有输出级直流储能电容7，交流侧连接有LC滤波器9（交流侧串联LC滤波器的滤波电感一端）；
输出级每相中3N个输出级功率变换器8中均有1/3的输出级功率变换器8的一个输出端通过LC滤波器9分别交叉连接汇集于a相、b相和c相，所有输出级功率变换器8的另一个输出端汇集于n点。
具体的，所述的输入级的三相分别为A相、B相、C相，在输出级中对应于A相、B相、C相的三相中每相1/3的输出级功率变换器8一个输出端通过LC滤波器交叉连接汇集于u；对应于A相、B相、C相的三相中每相1/3的输出级功率变换器8一个输出端通过LC滤波器交叉连接汇集于v相；对应于A相、B相、C相的三相中每相1/3的输出级功率变换器8一个输出端通过LC滤波器交叉连接汇集于w相；所有输出级功率变换器8的另一个输出端汇集于n点，并且上述每相的1/3的输出级功率变换器8均一一对应不同的输入级功率变换器2。
或者，每相输入级级联模块对应的输出级功率变换器连接各自LC滤波器的滤波电感一端之后，从三相中对称地选取等数目的与功率变换器相连的滤波电感的另一端并联到一起并连接一个总的滤波电容，从而形成总的一相输出。
实施例1所述的拓扑结构高度模块化，便于设计、生产、安装、调试和维护，可以根据不同的功率等级及控制目地而灵活应用。
为了验证本发明，图3-图7给出了本发明的仿真效果。仿真模型为一个三相380V-380V，50kW的系统，输入级每相中有3个H桥，隔离级每相有18个H桥，输出级每相中有9个H桥，其中输入级直流侧电压设定为200V，输出级直流侧电压设定为400V。仿真中所接三相负载的wn相电流在0.3秒时开始逐步衰减到零。
图3为三相负载电流波形。图4为输入级三相电感1的电流波形。图5为输入级三相网侧电流波形。图6和图7为输入级直流侧3和输出级直流侧7的电压波形。如图3，4和5所示，当三相负载从提供额定功率转变为一相负载断路而另外两相仍然提供额定功率时，输入级功率是仍然是平衡的。上述仿真结果表明本发明能够良好地实现将负载的不对称自动转化为输入级的平衡。
Claims (1)
1.一种全范围自动平衡不对称负载的三相电力电子变压器，其特征在于，其拓扑结构包括输入级、隔离级、输出级，每级的功率变换器均包括两个输入端和两个输出端；
输入级的三相中，每相包括N个相同的串联的输入级功率变换器(2)，N为自然数，每个输入级功率变换器(2)的两个输出端之间并联有直流储能电容(3)；每相串联的输入级功率变换器总的交流侧连接有电抗器(1)，再与输入电网的一相相连接，相与相之间三角形连接或星形连接；
隔离级的三相中，每相包括3N个通过高频变压器(5)相连接的高频DC/AC环节功率变换器(4)和高频AC/DC环节的功率变换器(6)；每相的3个高频DC/AC环节功率变换器(4)的输入端并联后与输入级的对应相的一个输入级功率变换器(2)对应连接；
输出级的三相中，每相的输出级功率变换器(8)与高频AC/DC环节的功率变换器(6)一一对应连接，每个输出级功率变换器(8)的两个输入端之间并联有输出级直流储能电容(7)，交流侧连接有LC滤波器(9)；
输出级每相3N个功率变换器中均有1/3的输出级功率变换器(8)的一个输出端通过LC滤波器(9)分别交叉连接汇集于u、v相和w相，并且每相的1/3的输出级功率变换器(8)均一一对应于相应的输入级功率变换器(2)，所有输出级功率变换器(8)的另一个输出端汇集于n点；
所述的输入级功率变换器(2)、高频DC/AC环节功率变换器(4)、高频AC/DC环节的功率变换器(6)和输出级功率变换器(8)均采用全控型单相全桥变换器；
所述的输入级功率变换器(2)输出端与并联后的高频DC/AC环节功率变换器(4)的输入端相连接；
高频DC/AC环节功率变换器(4)的输出端接高频变压器(5)的原边，高频变压器(5)的副边接高频AC/DC环节的功率变换器(6)的输入端；
高频AC/DC环节的功率变换器(6)的输出端与输出级功率变换器(8)的输入端相连接；输出级功率变换器(8)的输出端连接LC滤波器(9)的输入端，LC滤波器(9)接三相供电网络；
从输入级、隔离级到输出级，交流、直流的变化依次为：
输入级中，输入电网交流输入经过输入级功率变换器(2)转换成直流，并通过直流储能电容(3)传递给隔离级；
隔离级中，直流输入通过隔离级高频DC/AC环节功率变换器(4)转换成交流，并通过高频变压器(5)传递给高频AC/DC环节的功率变换器(6)，再通过高频AC/DC环节的功率变换器(6)转换成直流，并通过直流储能电容(7)传递给输出级；
输出级中，直流输入通过输出级功率变换器(8)转换成交流，并通过LC滤波器传递给三相供电网络。
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