CN105680488A - 应用于交直流混合配电网的mmc型多端口电力电子变压器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于交直流混合配电网的MMC型多端口电力电子变压器，包括输入级、中间级和输出级，具备高压交流、高压直流、低压交流和低压直流四类通用接口。输入级为模块化多电平变化器，中间级为带隔离的双向主动全桥DC/DC变换器，输出级为三相四线制全桥逆变器。除了实现常规变压器变压、隔离和能量传递等基本功能，本发明的多种工作模式可实现各种形式的电压接入并完成潮流控制和电能质量调节等功能，构造适用性更强的智能配电网接口。

Description

应用于交直流混合配电网的MMC型多端口电力电子变压器

技术领域

本发明涉及一种应用于交直流混合配电网的MMC(modularmultipleconverter，模块化多电平变化器)型多端口电力电子变压器，属于电力电子在电力系统中的应用技术。

背景技术

调整能源结构是我国电力工业发展的长期性战略性任务。国家十三五规划指出，基于我国国情和经济发展阶段，应大力推进智能电网发展，扩大清洁能源发电规模和消纳市场。可再生能源的大规模使用促使更有利于分布式电源接入的直流配电系统得到学术界的广泛关注。除此之外，直流配电网还有如下优点：(1)中间电压转换环节大为减少，降低了接入成本，功率转换效率和电能质量显著提高；(2)线路建设成本低、线路损耗小；(3)供电可靠性高、环境友好性强等。然而我国的直流配电网还处于试验探索阶段，综合考虑交流配电系统的固有地位，研究包含柔性直流输电线路的交直流混合配电系统具有现实的实践性意义和广阔的应用前景。

电力电子变压器(PET，powerelectronictransformer)相比于传统变压器除了可以完成电压转换、电气隔离和能量传输等基本功能，还可以实现无功补偿、谐波治理、电网互联、新能源并网等诸多功能，因此非常适用于配电网智能接口。近年来，具有更高灵活度的含有直流环节的三级型电力电子变压器逐渐得到学术界的关注。这种电力电子变压器按结构可分为两大类，一类是结构为输入级-H桥变换器、中间级-DC/DC隔离变换器、输出级-H桥变换器的单相三级式电力电子变压器，理论已较为成熟，并针对微网、电力机车等多种场合研制了样机或产品。中国专利CN200910184407.3公开了一种应用在配电网的电力电子变压器，其中输入级采用桥式拓扑的功率变压器，相比于基于MMC型的电力电子配电变压器不具备多端口优点且运用更多的电力电子器件。第二类是基于模块化多电平变换器的三相三级式电力电子变压器，这种电力电子变压器理论和实践都处于探索阶段。中国专利CN200920247154.5公开了一种模块化电力电子变压器，该变压器多两端口电力电子变压器，只有一个高压直流端口和一个交流端口，无法应用于中高压等级配电网。

MMC拓扑由于具有公共的高压直流母线，更适合高压直流的直接接入并且具有模块化程度高、扩展性好、冗余性好、良好的四象限工作性能等优势，若对其具体拓扑进行研究并采取合适的控制方法，在应用于交直流混合配电网时，可改善输出电压质量，减少电力电子变压器体积，降低配电网建设成本，具有广阔的应用前景。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种应用于交直流混合配电网的MMC型多端口电力电子变压器，具备高压直流、高压交流、低压直流、低压交流四个通用端口，拥有多种工作模式，适用于各种形式的电压接入并能够完成潮流控制和电能质量调节。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种应用于交直流混合配电网的MMC型多端口电力电子变压器，包括输入级、中间级和输出级，具备高压交流、高压直流、低压交流和低压直流四类通用接口。

上述应用于交直流混合配电网的MMC型多端口电力电子变压器的具体结构为：

输入级包括高压交流端口和高压直流端口，通过高压交流端口连接中高压配电网，通过高压直流端口连接高压直流母线；输入级拓扑为三相结构，每相均分为上下两个桥臂，每个桥臂上串联一个桥臂电感和若干MMC功率单元，属于同一相的上下两个桥臂的交流接点相连后作为高压交流端口对应相，三个上桥臂的直流接点相连后作为高压直流端口正极，三个下桥臂的直流接点相连后作为高压直流端口负极；所述MMC功率单元为模块化的单相半桥结构，由一个IGBT半桥和一个储能电容并联构成；所述MMC功率单元具有高度模块化的特点，可以相互替换，通过增减MMC功率单元的数量以适应不同的电压等级，灵活扩大应用范围。

中间级用于隔离变压，包括三个低压直流端口，通过低压直流端口连接分布式电源和直流负载；中间级拓扑为多个带隔离的双向主动全桥(dualactivebridge，DAB)DC/DC变换器，双向主动全桥DC/DC变换器与MMC功率单元一一对应，对应的MMC功率单元和双向主动全桥DC/DC变换器共同构成一个二级模块化结构；所述双向主动全桥DC/DC变换器包括两个H桥变换器和一个中频变压器，中频变压器的原边和副边分别连接两个H桥变换器的交流侧，其中一个H桥变换器的直流侧为高压端，高压端与MMC功率单元并联，另一个H桥变换器的直流侧为低压端；连接在同一相上的所有双向主动全桥DC/DC变换器的低压端并联后作为一个低压直流端口；MMC功率单元和双向主动全桥DC/DC变换器构成的二级模块化结构，可分级独立控制也可两级综合控制。

每个低压直流端口连接一个输出级，输出级包括低压交流端口，通过低压交流端口连接低压工频用户负载；输出级拓扑为三相四线制工频逆变电路，三相四线制工频逆变电路的直流端与低压直流端口相连，三相四线制工频逆变电路的交流端作为低压交流端口。

有益效果：本发明提供的应用于交直流混合配电网的MMC型多端口电力电子变压器，相对于现有技术，具有如下优势：1、具有高低压交直流四类通用端口，可实现双向能量传输、潮流控制和电能质量改善，有利于分布式电源和直流负载等直接接入；2、MMC功率单元结合DAB模块构成子单元，具有高度模块化、互换性高等优势，工程实现性强；3、采用三相MMC功率单元结构，开关器件的耐压等级和用量显著降低，提高了配电网用PET的功率密度，降低了工程造价；4、符合交直流混合配电网的发展趋势，有望在未来配电网中得到广泛应用，比如可再生能源发电、智能电网、电力机车牵引等；5、整个电力电子变压器具有体积小、重量轻、无污染、高度模块化、控制灵活度高、适用性强、可靠性高等优点

附图说明

图1为应用于交直流混合配电网的MMC型多端口电力电子变压器拓扑；

图2为应用于交直流混合配电网的MMC型多端口电力电子变压器应用示例。

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所示为一种典型的应用于交直流混合配电网的MMC型多端口电力电子变压器，包括输入级、中间级和输出级，具备高压交流、高压直流、低压交流和低压直流四类通用接口。该电路的具体结构为：

输入级包括高压交流端口和高压直流端口，通过高压交流端口连接中高压配电网，通过高压直流端口连接高压直流母线；输入级拓扑为三相结构，每相均分为上下两个桥臂，每个桥臂上串联一个桥臂电感和若干MMC功率单元，属于同一相的上下两个桥臂的交流接点相连后作为高压交流端口对应相，三个上桥臂的直流接点相连后作为高压直流端口正极，三个下桥臂的直流接点相连后作为高压直流端口负极；所述MMC功率单元为模块化的单相半桥结构，由一个IGBT半桥和一个储能电容并联构成；由于输入级的三相桥臂共用直流母线，三相瞬时功率的二倍频分量相互抵消，所以高压直流母线中不存在低频波动，因此可以输出质量较高的高压直流电。

中间级用于隔离变压，包括三个低压直流端口，通过低压直流端口连接分布式电源和直流负载；中间级拓扑为多个带隔离的双向主动全桥DC/DC变换器，双向主动全桥DC/DC变换器与MMC功率单元一一对应，对应的MMC功率单元和双向主动全桥DC/DC变换器共同构成一个二级模块化结构；所述双向主动全桥DC/DC变换器包括两个H桥变换器和一个中频变压器，中频变压器的原边和副边分别连接两个H桥变换器的交流侧，其中一个H桥变换器的直流侧为高压端，高压端与MMC功率单元并联，另一个H桥变换器的直流侧为低压端；连接在同一相上的所有双向主动全桥DC/DC变换器的低压端并联后作为一个低压直流端口。

每个低压直流端口连接一个输出级，输出级包括低压交流端口，通过低压交流端口连接低压工频用户负载；输出级拓扑为三相四线制工频逆变电路，三相四线制工频逆变电路的直流端与低压直流端口相连，三相四线制工频逆变电路的交流端作为低压交流端口。

应用于交直流混合配电网的MMC型电力电子变压器具有广阔的应用前景，下面结合附图进行详细说明：图2为应用于交直流混合配电网的应用于交直流混合配电网的MMC型多端口电力电子变压器应用示例，MMC型配电网电力电子变压器具有四个通用接口，每个端口均可实现能量的双向流动，有四种基本工作模式：

(1)多馈线能量上网模式，能量传输方向如箭头a所示，分布式电源、新能源发电、直流负载和储能系统等经过DC/AC或DC/DC变换后经低压直流端口将能量传输入配电网，低压交流源经低压交流母线将能量送入配电网，高压直流输电网经DC/DC变换后经高压直流母线向配电网传输能量。

(2)配电网多馈线能量配送模式，能量传输方向如箭头b所示，配电网经低压直流母线直接给交流负载供电，经低压直流母线直接给直流负载供电，同时给储能系统充电。当系统中有富余能量(如风能太阳能大规模发电场)也可经高压直流母线进入高压直流输电网进行远距离电能传输。

(3)潮流控制模式，应用于交直流混合配电网的MMC型电力电子变压器作为交直流混合配电网的智能接口，根据端口电源端和负载端的需要，控制潮流的方向，有功无功的增减，确保用电、发电、外送和损耗的能量平衡。

(4)电能质量协调控制模式，在多馈入交直流混合电力系统中，可以协调控制多个直流系统无功补偿以提高交流系统的电压稳定性，改善配电网的电能质量。

在系统正常运行时，这三种工作模式相互协调，共同配合，可根据需要实现多馈线能量上网和输配送选择性同步工作，应用于交直流混合配电网的MMC型电力电子变压器在这一系统中兼具能量传输、潮流控制和电能质量监控的功能，构造适用性更强的智能配电网接口，符合未来交直流混合配电网的发展趋势，可望在能源互联网中得到广泛应用。

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 (2)

1.一种应用于交直流混合配电网的MMC型多端口电力电子变压器，其特征在于：包括输入级、中间级和输出级，具备高压交流、高压直流、低压交流和低压直流四类通用接口。

2.根据权利要求1所述的应用于交直流混合配电网的MMC型多端口电力电子变压器，其特征在于：具体结构为：

输入级包括高压交流端口和高压直流端口，通过高压交流端口连接中高压配电网，通过高压直流端口连接高压直流母线；输入级拓扑为三相结构，每相均分为上下两个桥臂，每个桥臂上串联一个桥臂电感和若干MMC功率单元，属于同一相的上下两个桥臂的交流接点相连后作为高压交流端口对应相，三个上桥臂的直流接点相连后作为高压直流端口正极，三个下桥臂的直流接点相连后作为高压直流端口负极；所述MMC功率单元为模块化的单相半桥结构，由一个IGBT半桥和一个储能电容并联构成；

中间级用于隔离变压，包括三个低压直流端口，通过低压直流端口连接分布式电源和直流负载；中间级拓扑为多个带隔离的双向主动全桥DC/DC变换器，双向主动全桥DC/DC变换器与MMC功率单元一一对应，对应的MMC功率单元和双向主动全桥DC/DC变换器共同构成一个二级模块化结构；所述双向主动全桥DC/DC变换器包括两个H桥变换器和一个中频变压器，中频变压器的原边和副边分别连接两个H桥变换器的交流侧，其中一个H桥变换器的直流侧为高压端，高压端与MMC功率单元并联，另一个H桥变换器的直流侧为低压端；连接在同一相上的所有双向主动全桥DC/DC变换器的低压端并联后作为一个低压直流端口；

每个低压直流端口连接一个输出级，输出级包括低压交流端口，通过低压交流端口连接低压工频用户负载；输出级拓扑为三相四线制工频逆变电路，三相四线制工频逆变电路的直流端与低压直流端口相连，三相四线制工频逆变电路的交流端作为低压交流端口。