CN107947598A - 一种高频隔离电网扰动装置 - Google Patents

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王文卓
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曹建博
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Xuji Group Co Ltd
China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
XJ Electric Co Ltd
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Xuji Group Co Ltd
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Abstract

本发明涉及一种高频隔离电网扰动装置，包括整流部分、中间变换部分和逆变部分，整流部分的直流侧连接第一电容支路，逆变部分的直流侧连接第二电容支路，第一电容支路和第二电容支路上均串设有M个电容，M≥2，中间变换部分包括M个DC/DC变换模块，第一电容支路上的各电容、第二电容支路上的各电容和各DC/DC变换模块一一对应，各DC/DC变换模块的两个直流侧分别连接第一电容支路上的对应的电容和第二电容支路上的对应的电容。输入侧并没有涉及多绕组变压器，所以，该电网扰动装置的体积较小，运行效率较高。而且，每个电容仅分担一部分电压，进而DC/DC变换模块中的功率器件的承受的电压较小，提升了功率器件的运行可靠性。

Description

一种高频隔离电网扰动装置
技术领域
本发明涉及一种高频隔离电网扰动装置。
背景技术
近年来，由于风力发电快速发展，风力发电的测试技术日益受到重视。电网扰动装置是风力发电测试装置中的重要一种，在风电测试领域占有重要地位。已有的电网扰动装置多采用多绕组隔离变压器进行隔离，其主要特点是采用多绕组变压器进行隔离、分相输出、输入侧采用LC滤波器和输出升压变压器，电网连接多绕组变压器的原边绕组，多绕组变压器具有多个副边绕组，用于分相输出，然后由输出升压变压器输出。由于输入侧多绕组变压器体积大、效率低，需要滤波器和升级变压器才能连接至电网，因此，总体来看，这种电网扰动装置存在着效率低、体积大的缺点。比如：授权公告号为CN204720981U的中国专利文件中公开了一种三相电网扰动发生装置，包括三相多绕组变压器、功率模块阵列和输出滤波器，功率模块阵列包括对应三相输出的三组功率模块，每个功率模块包括依次连接的三相PWM整流器、直流母线环节和单相H桥逆变器，三相PWM整流器输入连接三相多绕组变压器对应副边三相绕组。就如上述所说，由于输入侧多绕组变压器体积大、效率低，所以这种电网扰动装置存在着效率低和体积大的缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种高频隔离电网扰动装置，用以解决现有的电网扰动装置效率低和体积大的问题。
为实现上述目的，本发明包括以下技术方案。
装置方案一：本方案提供一种高频隔离电网扰动装置，包括整流部分、中间变换部分和逆变部分，所述整流部分的直流侧连接第一电容支路，所述第一电容支路上串设有M个电容，M≥2，所述逆变部分的直流侧连接第二电容支路，所述第二电容支路上串设有M个电容，所述中间变换部分包括M个DC/DC变换模块，第一电容支路上的各电容、第二电容支路上的各电容和各DC/DC变换模块一一对应，各DC/DC变换模块的两个直流侧分别连接第一电容支路上的对应的电容和第二电容支路上的对应的电容。
首先，高频隔离电网扰动装置中只包括整流部分、中间变换部分和逆变部分，输入侧并没有涉及多绕组变压器，所以，该电网扰动装置的体积较小，运行效率较高。而且，第一电容支路上的所有电容分担整流部分直流侧的电压，每个电容仅分担一部分电压，分担的电压较小，每个电容均连接有DC/DC变换模块，这样的话，DC/DC变换模块的直流侧的电压就是对应连接的电容两端的电压，同理，DC/DC变换模块的另一个直流侧与第二电容支路上的电容对应连接，逆变部分的直流侧两端的电压也由所有的电容电压构成，那么，DC/DC变换模块的直流侧电压较小，DC/DC变换模块中的功率器件的承受的电压较小，无需专门使用电压等级较高的功率器件，投入成本较低，而且提升了功率器件的运行可靠性。因此，通过这种结构能够使各DC/DC变换模块无需承受较大电压，有效保护了DC/DC变换模块，内部功率器件的电压等级较低，一般的功率器件即可满足要求，而且DC/DC变换模块的运行可靠性较高，相应地，整个高频隔离电网扰动装置的运行可靠性也较高。
装置方案二：在装置方案一的基础上，所述DC/DC变换模块包括依次连接的高压侧全桥变换单元、带有双向LLC谐振网络的隔离变压器和低压侧全桥变换单元。
装置方案三：在装置方案一或二的基础上，所述整流部分为三相六桥臂MMC整流电路，所述逆变部分为三相六桥臂MMC逆变电路。
装置方案四：在装置方案三的基础上，所述三相六桥臂MMC整流电路中的各MMC子模块以及三相六桥臂MMC逆变电路中的各MMC子模块均为半桥子模块。
附图说明
图1是高频隔离电网扰动装置拓扑结构图；
图2是DC/DC变换模块的电路结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
高频隔离电网扰动装置包括三大部分，分别是整流部分、中间变换部分和逆变部分，其中，整流部分用于将交流电整流为直流电，因此，该整流部分整体上为整流电路，可以是常规的整流电路，比如三相全桥整流电路，也可以是其他的整流拓扑结构，本实施例中，给出整流部分的一种具体实施方式，如图1所示，整流部分为三相六桥臂MMC整流电路，每个桥臂由多个MMC子模块级联构成，进一步地，该整流电路中的每个MMC子模块均为半桥子模块。同样地，逆变部分用于将直流电逆变为交流电，因此，该逆变部分整体上为逆变电路，可以是常规的逆变电路，比如三相全桥逆变电路，也可以是其他的逆变拓扑结构，本实施例中，给出逆变部分的一种具体实施方式，如图1所示，逆变部分为三相六桥臂MMC逆变电路，每个桥臂由多个MMC子模块级联构成，进一步地，该逆变电路中的每个MMC子模块也均为半桥子模块。由于MMC拓扑结构以及半桥子模块均属于现有技术，这里就不再对这两者进行详细说明。
如图1所示，三相六桥臂MMC整流电路的直流侧连接第一电容支路，第一电容支路上串设有M个电容，M≥2，M的数值根据实际需要进行设定。三相六桥臂MMC逆变电路的直流侧连接第二电容支路，第二电容支路上也串设有M个电容，并且，第一电容支路上的电容和第二电容支路上的电容一一对应，设定：第一电容支路上的第i个电容与第二电容支路上的第i个电容相对应，i＝1，2，……，M。
中间变换部分，也称为中间级高频隔离部分，包括M个DC/DC变换模块，因此，第一电容支路上的电容个数、第二电容支路上的电容个数以及DC/DC变换模块的个数均相同，因此，第一电容支路上的各电容、第二电容支路上的各电容以及各DC/DC变换模块一一对应，并且，第一电容支路上的第i个电容、第二电容支路上的第i个电容以及第i个DC/DC变换模块相对应。DC/DC变换模块可以是常规的DC/DC变换电路，也可以是以下提供的电路结构，如图2所示，DC/DC变换模块包括依次连接的高压侧全桥变换单元、带有双向LLC谐振网络的隔离变压器和低压侧全桥变换单元。其中，隔离变压器为高频隔离变压器，变比为1:1。“高压侧”全桥变换单元和“低压侧”全桥变换单元这两个名称仅仅是为了区分，这两个全桥变换单元的电压等级可以不同，可以相同，即可以按照实际要求进行设定，不管如何，这两个全桥变换单元均为常规的全桥变换电路。
作为一个具体实施方式，高压侧全桥变换单元的直流侧连接第一电容支路上的对应的电容，低压侧全桥变换单元的直流侧连接第二电容支路上的对应的电容。
对于DC/DC变换模块，能量从高压侧向低压侧流动时，Q1、Q4与Q2、Q3加占空比为50％的互补驱动信号，实现逆变功能，Q5～Q8不加驱动信号，采用IGBT模块的反并联二极管进行整流，其中Q1和Q4的驱动信号完全相同，Q2和Q3的驱动信号完全相同；能量从低压侧向高压侧流动时，Q5、Q8与Q6、Q7加占空比为50％的互补驱动信号，实现逆变功能，Q1～Q4采用反并联二极管整流，其中Q5和Q8的驱动信号完全相同，Q6和Q7的驱动信号完全相同。由于隔离变压器为高频隔离，其工作频率为10-20K Hz，根据物理定律，变压器的体积和频率成反比，因此中间隔离级的各变压器的体积和重量大大降低，同时每个隔离变压器容量较小，可以做成自冷形式，消除了变压器冷却装置，使得系统体积进一步降低。
设定三相六桥臂MMC整流电路的交流侧连接电网，三相六桥臂MMC逆变电路的交流侧连接待扰动一侧，那么，能量从电网侧向绕动侧流动时，三相六桥臂MMC整流电路工作在整流模式，中间变换部分工作在电压隔离模式，三相六桥臂MMC逆变电路工作在逆变模式。并且，三相六桥臂MMC整流电路和三相六桥臂MMC逆变电路采用通用的载波移相原理，这两个电路中，当一个工作在整流模式时，另外一个工作在逆变模式，由于整流电路还可以当做逆变电路使用，逆变电路还可以当做整流电路使用，因此，高频隔离电网扰动装置可以实现能量双向流动。
以上给出了本发明涉及的具体实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种高频隔离电网扰动装置，其特征在于，包括整流部分、中间变换部分和逆变部分，所述整流部分的直流侧连接第一电容支路，所述第一电容支路上串设有M个电容，M≥2，所述逆变部分的直流侧连接第二电容支路，所述第二电容支路上串设有M个电容，所述中间变换部分包括M个DC/DC变换模块，第一电容支路上的各电容、第二电容支路上的各电容和各DC/DC变换模块一一对应，各DC/DC变换模块的两个直流侧分别连接第一电容支路上的对应的电容和第二电容支路上的对应的电容。
2.根据权利要求1所述的高频隔离电网扰动装置，其特征在于，所述DC/DC变换模块包括依次连接的高压侧全桥变换单元、带有双向LLC谐振网络的隔离变压器和低压侧全桥变换单元。
3.根据权利要求1或2所述的高频隔离电网扰动装置，其特征在于，所述整流部分为三相六桥臂MMC整流电路，所述逆变部分为三相六桥臂MMC逆变电路。
4.根据权利要求3所述的高频隔离电网扰动装置，其特征在于，所述三相六桥臂MMC整流电路中的各MMC子模块以及三相六桥臂MMC逆变电路中的各MMC子模块均为半桥子模块。
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