CN105932885B - 一种新型电力电子变压器拓扑结构 - Google Patents

一种新型电力电子变压器拓扑结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型电力电子变压器拓扑结构，它涉及大功率柔性VSC变换和直流变压技术。系统结构主要由L或LC滤波器的一端接入高压交流母线，L或LC滤波器的另一端与高压侧H‑VSC变换器的交流侧一端连接，高压侧H‑VSC变换器的交流侧另一端与三相方波变换器S‑VSC的交流侧连接，高压侧H‑VSC变换器的直流侧与直流变压器DCT的高压直流侧连接，三相方波变换器S‑VSC的直流侧与组合式直流变压器A‑DCT的高压直流侧连接，组合式直流变压器A‑DCT的低压侧与直流变压器DCT的低压侧并联接入低压直流母线。本发明减少了系统模块数目、减小了系统的体积、同时减少系统的投资成本，实用性强，易于推广使用。

Description

一种新型电力电子变压器拓扑结构
技术领域
本发明涉及大功率柔性VSC变换和直流变压技术，具体涉及一种新型电力电子变压器拓扑结构。
背景技术
未来配电网将是广泛互联、高度智能、开放互动的“能源互联网”的主要载体，可以实现在广域范围内能源生产、传输、配送、转换、消耗的优化，除了承担电能的配送任务之外，未来配电网还需要实现区域内能源的交换和分配，并满足分布式电源接入及消纳的需求。传统变压器已不能满足未来配电网发展的新需求，因此，作为具有替代传统变压器潜力的电力电子变压器应运而生，电力电子变压器又称为电力电子变压器，是一种将电力电子技术和基于电磁感应原理的高磁电能变换技术相结合，实现将一种电力性能的电能转化为另一种电力性能的电能的电力电子设备。
其工作过程可以大致描述为：首先通过电力电子变流技术，将输入侧工频交流电压转化为高频方波电压，然后通过高频变压器实现隔离和能量传递，耦合到副边，再利用逆变器还原成二次侧低压工频交流电，电力电子变压器通过引入其先进的数字控制技术和电力电子便利器，对电网侧和用户端的电压、电流相位和幅值等进行实时控制，从而实现对电网侧和用户端的电压、电流和功率的灵活调节。
由于电力电子变压器的使用场所往往是中高压配电网，这就要求电力电子变压器的高压侧能够承受中高压等级的交流，现有的电力电子变压器前端AC/DC级结构有利用模块化多电平变换器，及级联H桥变换器等，受电力电子开关器件耐压的限制，使得现有的前端AC/DC结构的级联模块数较多，因此造成控制系统复杂，系统体积大，成本高等问题。
为了解决上述问题，设计一种新型的电力电子变压器拓扑结构还是很有必要的。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种新型电力电子变压器拓扑结构，结构简单，设计合理，减少了系统模块数目、减小了系统的体积、同时减少系统的投资成本，实用性强，易于推广使用。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种新型电力电子变压器拓扑结构，包括L或LC滤波器、高压侧H-VSC变换器、基于H桥变换器及高频隔离的直流变压器DCT、三相方波变换器S-VSC和前端串联后端并联的组合式直流变压器A-DCT，L或LC滤波器的一端接入高压交流母线，L或LC滤波器的另一端与高压侧H-VSC变换器的交流侧一端连接，高压侧H-VSC变换器的交流侧另一端与三相方波变换器S-VSC的交流侧连接，高压侧H-VSC变换器的直流侧与直流变压器DCT的高压直流侧连接，三相方波变换器S-VSC的直流侧与组合式直流变压器A-DCT的高压直流侧连接，组合式直流变压器A-DCT的低压侧与直流变压器DCT的低压侧并联接入低压直流母线。
作为优选，所述的L滤波器由三相三个电感构成，三个电感的一端分别与高压交流母线三相连接，三个电感的另一端分别与高压侧H-VSC变换器中三相换流装置的上下桥臂中点连接，所述的LC滤波器(1)由三相三个电感和三个电容构成，每相由一个电感和一个电容；每相中的电感串联在主电路中，在电感网侧并联一个电容，三个电容星型连接，三个电感的另一端分别与高压侧H-VSC变换器(2)中三相换流装置的上下桥臂中点连接，所述高压侧H-VSC变换器由三相三个桥臂构成，每个桥臂包括n2个机构相同的子模块，所述一相子模块级联后，其中一端与所述L滤波器相连，另一端与三相方波变换器S-VSC的交流侧相连；所述子模块的引出端1和引出端2，依次与前后的模块级联，构成一相换流电路，三相换流装置整体并联，所述高压侧H-VSC变换器的每个子模块分别与直流变压器DCT相连，所述子模块包括半桥型和全桥型；所述半桥型子模块由1个桥臂和1个电容并联构成；所述全桥型子模块由2个桥臂和1个电容并联构成；所述桥臂包括2个串联IGBT模块，每个IGBT模块包括1个IGBT和1个反向并联的二极管。
作为优选，所述的直流变压器DCT包括全桥逆变器、高频变压器和无控整流桥，全桥逆变器、无控整流桥分别接在高频变压器的高压端、低压端。
作为优选，所述的三相方波变换器S-VSC由三相六个桥臂构成，每个桥臂由n2个相同的子模块级联而成，所述的一相变换电路子模块级联后与另一相桥臂子模块级联后再与所述高压侧H-VSC变换器相连，这一相的另两端与组合式直流变压器A-DCT的高压直流侧相连；所述前端串联后端并联的组合式直流变压器A-DCT的前端由n4(n4＝2n2)个结构相同的子模块串联而成，串联侧两端直接与三相方波变换器S-VSC的两电平三相换流装置整体并联，并联侧两端与低压直流母线相连。
本发明具有以下有益效果：解决了前端AC/DC级采用简单子模块累加的传统拓扑结构的模块数多、体积大、成本高等问题，将方波变换器引入前端AC/DC级变换器，在保证电力电子变压器原有功能的同时，减少了系统模块数目、减小了系统的体积、同时减少系统的投资成本。
附图说明
图1为本发明的系统结构图；
图2为本发明高压侧H-VSC变换器的电路图；
图3为本发明高压侧H-VSC变换器的三相输出波形图；
图4为本发明直流变压器DCT的电路图；
图5为本发明三相方波变换器S-VSC采用两电平变换器的实施电路图；
图6为本发明三相方波变换器S-VSC采用三电平变换器的实施电路图；
图7为本发明三相方波变换器S-VSC采用模块化多电平变换器的实施电路图；
图8为本发明三相方波变换器S-VSC的三相输出波形图；
图9为本发明组合式直流变压器A-DCT的电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合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例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-9所示，本发明实施例提供了一种新型电力电子变压器拓扑结构，包括L滤波器1、高压侧H-VSC变换器2、基于H桥变换器及高频隔离的直流变压器DCT 3、三相方波变换器S-VSC 4和组合式直流变压器A-DCT 5，L滤波器1的一端接入高压交流母线，L滤波器1的另一端与高压侧H-VSC变换器2的交流侧一端连接，高压侧H-VSC变换器2的交流侧另一端与三相方波变换器S-VSC 4的交流侧连接，高压侧H-VSC变换器2的直流侧与直流变压器DCT3的高压直流侧连接，三相方波变换器S-VSC 4的直流侧与组合式直流变压器A-DCT 5的高压直流侧连接，组合式直流变压器A-DCT 5的低压侧与直流变压器DCT 3的低压侧并联接入低压直流母线。
所述的L滤波器1由三相三个电感构成，三个电感的一端分别与高压交流母线三相连接，三个电感的另一端分别与高压侧H-VSC变换器2中三相换流装置的上下桥臂中点连接，所述的LC滤波器(1)由三相三个电感和三个电容构成，每相由一个电感和一个电容；每相中的电感串联在主电路中，在电感网侧并联一个电容，三个电容星型连接，三个电感的另一端分别与高压侧H-VSC变换器(2)中三相换流装置的上下桥臂中点连接，L或LC滤波器1在本拓扑结构中起到滤波的作用。
所述的直流变压器DCT 3包括全桥逆变器6、高频变压器7和无控整流桥8，全桥逆变器6、无控整流桥8分别接在高频变压器7的高压端、低压端。
所述前端串联后端并联的组合式直流变压器A-DCT 5的前端由n4个结构相同的子模块串联而成，串联侧两端直接与三相方波变换器S-VSC 4的两电平三相换流装置整体并联，并联侧两端与低压直流母线相连。
本具体实施方式所述高压侧H-VSC变换器2由三相三个桥臂构成，每个桥臂包括n2个机构相同的子模块，所述一相子模块级联后，其中一端与所述L滤波器1相连，另一端与三相方波变换器S-VSC 4的交流侧相连；具体的，所述子模块的引出端1和引出端2，依次与前后的模块级联，构成一相换流电路，三相换流装置整体并联，所述高压侧H-VSC变换器2的每个子模块分别与直流变压器DCT3相连，在本拓扑结构中，为了能够降低系统模块数，高压侧H-VSC变换器2不作主要的电压支撑，即不承担主要的功率，在结构中，高压侧H-VSC变换器2的作用类似于“滤波器”，其功能是将三相方波变换器S-VSC 4的方波经过H-VSC的改造变为完美的正弦波(图3)。
本具体实施方式三相方波变换器S-VSC 4可采用两电平变换器，由三相六个桥臂构成，每个桥臂由n2个相同的子模块级联而成，子模块由一个IGBT构成，所述的一相变换电路子模块级联后与另一相桥臂子模块级联后再与所述高压侧H-VSC变换器2相连，这一相的另两端与组合式直流变压器A-DCT 5的高压直流侧相连，所述的三相换流装置整体并联，子模块由一个IGBT构成；本电力电子变压器拓扑结构中，两电平变换器的开关工作在50Hz的开关频率，如此低的开关频率使得其可以承担大电压和大功率，本结构正是利用这一点，使三相方波变换器S-VSC 4承担主要的功率传输，从而达到降低模块数的目的，其交流侧输出波形如图8所示。
三相方波变换器S-VSC 4也可采用三电平变换器实现方式，由两个输入稳压电容Cs1、Cs2，12个开关管组合Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4、Sc1、Sc2、Sc3、Sc4(绝缘栅双极晶体管IGBT或金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET等串联)和6个续流二极管或开关管(绝缘栅双极晶体管IGBT或金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET等)Da1、Da2、Db1、Db2、Dc1、Dc2构成；以一相为例，上桥臂开关管组合Sa1、Sa2串联然后与输入稳压电容Cs1并联；下桥臂开关管组合Sa3、Sa4串联然后与输入稳压电容Cs2并联；两个桥臂的中点与直流侧稳压电容Cs1、Cs2引出中点电位连接；桥臂的输出端直接与高压侧H-VSC变换器2连接；三相桥臂整体并联。
三相方波变换器S-VSC 4还可采用模块化多电平变换器，其中模块化多电平变换器由三相六个桥臂构成，每个桥臂由n4个子模块串联而成；所述的一相变换电路子模块级联后与另一相桥臂子模块级联后再与所述高压侧H-VSC变换器2相连，这一相的另两端与组合式直流变压器A-DCT 5高压直流侧相连；所述的三相换流装置整体并联；每一个子模块由两个IGBT串联构成的半桥模块组成；这种实现方式适用于高电压和高功率等级的场合。
本具体实施方式利用方波变换器承担主要的功率传输，利用高压侧H-VSC变换器承担小部分的功率传输，并工作在类似滤波器的功能，保证电力电子变压器交流侧出口的电能质量；本拓扑结构能够有效减少级联模块数，克服传统电力电子变压器级联模块数多，体积大成本高的缺点，稳定性好，可靠性高，具有广阔的市场应用前景。
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，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种新型电力电子变压器拓扑结构，其特征在于，包括L或LC滤波器(1)、高压侧H-VSC变换器(2)、基于H桥变换器及高频隔离的直流变压器DCT(3)、三相方波变换器S-VSC(4)和组合式直流变压器A-DCT(5)，L或LC滤波器(1)的一端接入高压交流母线，L或LC滤波器(1)的另一端与高压侧H-VSC变换器(2)的交流侧一端连接，高压侧H-VSC变换器(2)的交流侧另一端与三相方波变换器S-VSC(4)的交流侧连接，高压侧H-VSC变换器(2)的直流侧与直流变压器DCT(3)的高压直流侧连接，三相方波变换器S-VSC(4)的直流侧与组合式直流变压器A-DCT(5)的高压直流侧连接，组合式直流变压器A-DCT(5)的低压侧与直流变压器DCT(3)的低压侧并联接入低压直流母线；
所述的高压侧H-VSC变换器(2)由三相三个桥臂构成，每个桥臂包括n2个机构相同的子模块，高压侧H-VSC变换器的每个子模块分别与直流变压器DCT构成，所述子模块包括半桥型和全桥型；所述半桥型子模块由一个桥臂和一个电容并联构成；所述全桥型子模块由2个桥臂和一个电容并联而成；所述桥臂包括两个串联的IGBT模块，每个IGBT模块包括一个IGBT和一个反向并联的二极管；一相子模块级联后，其中一端与所述L或LC滤波器相连，另一端与三相方波变换器S-VSC(4)的交流侧相连；所述子模块的引出端1和引出端2，依次与前后的模块级联，构成一相换流电路，三相换流装置整体并联，所述高压侧H-VSC变换器(2)的每个子模块分别与直流变压器DCT(3)相连；
所述的L或LC滤波器由三相三个电感构成，三个电感的一端分别与高压交流母线三相连接，三个电感的另一端分别与高压侧H-VSC变换器(2)中三相换流装置的上下桥臂中点连接；所述的L或LC滤波器由三相三个电感和三个电容构成，每相由一个电感和一个电容；每相中的电感串联在主电路中，在电感网侧并联一个电容，三个电容星型连接，三个电感的另一端分别与高压侧H-VSC变换器(2)中三相换流装置的上下桥臂中点连接；所述的直流变压器DCT(3)包括全桥逆变器(6)、高频变压器(7)和无控整流桥(8)，全桥逆变器(6)、无控整流桥(8)分别接在高频变压器(7)的高压端、低压端；
所述的三相方波变换器S-VSC(4)由三相六个桥臂构成，每个桥臂由n2个相同的子模块级联而成，子模块由一个IGBT构成，一相变换电路子模块级联后与另一相桥臂子模块级联后再与所述高压侧H-VSC变换器(2)相连，这一相的另两端与组合式直流变压器A-DCT(5)的高压直流侧相连；
所述前端串联后端并联的组合式直流变压器A-DCT(5)的前端由n4个结构相同的子模块串联而成，串联侧两端直接与三相方波变换器S-VSC(4)的两电平三相换流装置整体并联，并联侧两端与低压直流母线相连；每一个子模块由一个全桥模块组成，每个全桥模块包括两个桥臂，每个桥臂由两个IGBT串联构成。
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