CN109347357A - 一种四端口电力电子变压器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种四端口直流电力电子变压器，包括高压交流至低压直流变换单元、低压直流至高压直流变换单元、低压直流至低压交流变换单元以及低压直流对外输出接口四部分；以上四部分通过低压直流端口进行互联，同时能够实现功率的双向流动；本发明在应用端充分考虑电网架构，多种能源形势以及用户需求，在技术端充分考虑目前技术发展条件，实现微电网系统中能量的高效传输。

Description

一种四端口电力电子变压器
技术领域
本发明属于一种适用于微电网的集成高压交流，高压直流，750V DC以及低压交流的四端口电力电子变压器。
背景技术
随着能源需求的不断升级，传统的化石能源由于其污染性和稀缺性越来越难以满足能源需求。目前，对于以光伏、风电为代表的可再生能源需求日益强烈，相应的装机容量都呈现指数级的增长。未来更是有机会成为能源供应的主要形式。但是在可再生能源广泛应用的同时，其缺点也逐渐暴露出来，其在时间上和地域上的分散性使得其难以被有效利用。更重要的是，传统电力系统依据主网进行网架构建，在该模式下，对于可再生能源的实时、高效、稳定的利用带来了巨大的困难。因此，为了适应可再生能源的发展，未来电力系统的构架需要进一步优化。
为了促进可再生能源的有效利用，智能微电网受到了越来越多的关注。通过对地区电网进行源、网、荷、储等元素进行配置，能够保证可再生能源的就地消纳，实现区域电网的经济运行。同时对于区域电网的稳定性提升以及对于整体网架优化具有促进作用。
智能微电网是未来发展的趋势，但是其工程实施过程中，需要相应的一次、二次装备提供支撑。一次装置的设计中，需要充分考虑到不同能源形势的接口，目前已有电网架构，高效的能源传输，电能用户需求以及目前智能化装置的技术水平。传统的电网结构中，往往以变压器作为关键节点，进行电能的分配，相应的源、网、储、荷元素直接连接至变压器相应端口。但是这种构架在未来的应用中具有多项缺点。首先变压器常为两个端口，多于多种形式的电能传输需要更多的变压器进行各个层级的变换，总体来说变换环节过多，其次，变压器依据无源器件进行构建，在变换过程中无相应的主动响应的能力，且不能实现对于故障状态下的电网支撑，最后传统的变压器无法用于构建直流网络，直流网络由于其高效性收到了越来越多的关注，同时光伏、储能等能源形势也是直流网络，直流网络对于未来微电网的网架至关重要。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种四端口电力电子变压器，在应用端充分考虑电网架构，多种能源形势以及用户需求，在技术端充分考虑目前技术发展条件，实现微电网系统中能量的高效传输。
为了实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种四端口直流电力电子变压器，包括高压交流至低压直流变换单元、低压直流至高压直流变换单元、低压直流至低压交流变换单元以及低压直流对外输出接口四部分；以上四部分通过低压直流端口进行互联，同时能够实现功率的双向流动。
所述高压交流至低压直流变换单元包括高压交流侧、滤波电抗器、功率模块和低压直流侧，其中功率模块包含H桥逆变单元和隔离型DC-DC变换器，隔离型DC-DC变换器采用双有源桥拓扑；高压交流至低压直流变换单元的高压交流侧包含ABC三相，在每一相中，滤波电抗器一端连接至高压交流侧一相，另一端连接至功率模块，功率模块通过级联的方式实现与滤波电抗器的连接，功率模块另一端连接至低压直流侧，同时在低压直流侧ABC三相功率模块采用并联的方式连接。
所述低压直流至高压直流变换单元包括高压直流侧、滤波电抗器、功率模块和低压直流侧，其中功率模块包含H桥单元和隔离型DC-DC变换器，隔离型DC-DC变换器采用双有源桥拓扑；其中滤波电抗器一端连接至高压直流侧，另外一端连接至功率模块，功率模块通过级联的方式实现与滤波电抗器的连接，功率模块另一端连接至低压直流侧，同时在低压直流侧采用多个功率模块并联的方式连接。
所述低压直流至低压交流变换单元包括低压交流侧、滤波电抗器、滤波电容以及三相全桥电路和低压直流侧，其中滤波电容并联在低压交流侧输出端，滤波电抗器一端连接至低压交流侧，另一端连接至三相全桥电路，三相全桥电路的输出端为低压直流侧。
所述低压直流对外输出接口包括电容器，IGBT和二极管，其中电容器两端连接至低压直流母线，电容器正极连接至IGBT集电级，IGBT发射极连接至对外输出接口的正极，同时对外线路的正极连接二极管的阳极，对外线路的负极连接二极管阴极。
本发明的有益效果是:
本发明针对微电网提出四端口电力电子变压器的拓扑结构，该构架下的电力电子变压器具备以下优势：1)不同电压等级实现高效互联，有助于微电网系统中源、网、荷、储的统一调配，高压交流是传统交流电网的等级，通过该端口的连接能够实现电网取能以及余电上网；高压直流相对于高压交流，由于更低的线路阻抗，能够保证能量的高效传输；低压直流低压直流电网主要针对可再生负荷以及可再生能源发电，其直流特性方便光伏、充电桩、储能等的接入；低压交流电网是传统负荷的连接端口，可以实现传统户用电。2) 利用基于电力电子的变换方式，可以实现多个更加智能的电能变换。传统电力变压器采用无源器件进行变换，只能被动分配电网，而采用电力电子变压器，其不仅可以完成传统的负荷分配，同时能够实现主动的能源调配，通过电力电子电路可以实现丰富的控制模式，实现电压控制、功率控制以及下垂控制等，完成智能的能量调配；3)快速的故障响应以及故障隔离，通过高速的信号采集，可以在故障发生的时候进行快速的电力电子器件闭锁，同时由于高压侧连接均采用隔离的功率模块，电路拓扑中可以实现高低压侧的故障隔离；4)高压侧采用模块化多电平级联方式，可以保证交流输出良好的波形质量，且可以采用常见耐压等级的电力电子功率器件实现高压直接接入；5) 采用IGBT+二极管的电路配置结构实现低压直流母线对外接口，可以保证稳态运行过程中较小的通态损耗，同时在故障时可以保证快速切断，保证其他端口的稳定运行；6)在交流侧采用三相全桥的电路结构，能够实现户用侧系统的低电压穿越，保证系统在故障情况下可以持续运行。
附图说明
图1是四端口电力电子变压器拓扑结构图。
图2是高压交流至低压直流变换单元拓扑结构图，其中：图2a为高压交流至低压直流变换单元整体拓扑结构图，图2b为功率模块拓扑图。
图3是低压直流至高压直流变换单元拓扑结构图，其中：图3a为低压直流至高压直流变换单元整体拓扑结构图，图3b为功率模块拓扑图。
图4是低压直流至低压交流变换单元拓扑结构图。
图5是低压直流对外输出接口图。
图6是低压直流对外输出接口工作原理图，其中：图6a为正常运行工作原理图，图6b为故障状态工作原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
四端口电力电子变压器的整体拓扑结构如图1所示：
考虑到四个端口的应用场景，拓扑结构中按照高压交流-低压直流，低压直流-高压直流，低压直流-低压交流进行装置上的配置，低压直流对外输出接口配置相应IGBT和二极管。四个端口可以保证不同电压等级的能源接入，低压交流为用户常用级电压等级，低压直流可实现分布式发电、储能等接口，高压侧可连接交流配电网，同时高压直流可以实现高效的电能传输。
针对高压交流-低压直流电路拓扑结构如图2所示：
高压交流至低压直流变换单元包括高压交流侧、滤波电抗器、功率模块和低压直流侧，其中功率模块包含H桥逆变单元和隔离型DC-DC变换器，隔离型DC-DC变换器采用双有源桥拓扑；高压交流至低压直流变换单元的高压交流侧包含ABC三相，在每一相中，滤波电抗器一端连接至高压交流侧一相，另一端连接至功率模块，功率模块通过级联的方式实现与滤波电抗器的连接，功率模块另一端连接至低压直流侧，同时在低压直流侧ABC三相功率模块采用并联的方式连接。
采用级联多电平的连接方式，可以实现装置的模块化设计，利用常见低压的电力电子器件实现高压侧电网的接入，同时该拓扑基于双有源桥+H桥电路，能够保证电路的高效稳定运行，在故障状态下，可以实现故障隔离。
针对低压直流-高压直流电路拓扑结构如图3所示：
低压直流至高压直流变换单元包括高压直流侧、滤波电抗器、功率模块和低压直流侧，其中功率模块包含H桥单元和隔离型DC-DC变换器，隔离型 DC-DC变换器采用双有源桥拓扑；其中滤波电抗器一端连接至高压直流侧，另外一端连接至功率模块，功率模块通过级联的方式实现与滤波电抗器的连接，功率模块另一端连接至低压直流侧，同时在低压直流侧采用多个功率模块并联的方式连接。
采用级联多电平的连接方式，可以实现装置的模块化设计，利用常见低压的电力电子器件实现高压的接入，同时该拓扑基于双有源桥+H桥电路，针对高压直流侧的应用，利用H桥可以有效调节直流输出电压，同时在故障状态下可是实现直流故障自清除。
针对低压直流-低压交流电路拓扑结构如图4所示：
低压直流至低压交流变换单元包括低压交流侧、滤波电抗器、滤波电容以及三相全桥电路和低压直流侧，其中滤波电容并联在低压交流侧输出端，滤波电抗器一端连接至低压交流侧，另一端连接至三相全桥电路，三相全桥电路的输出端为低压直流侧。
采用三相全桥电路可以实现直流到交流的电能变换，采用电力电子装置，千赫兹级的开关频率能够保证低压交流电路的电能质量，同时在交流故障情况下可实现故障穿越的配置。
针对低压直流对外端口电路拓扑结构如图5所示：
低压直流对外输出接口包括电容器，IGBT和二极管，其中电容器两端连接至低压直流母线，电容器正极连接至IGBT集电级，IGBT发射极连接至对外输出接口的正极，同时对外线路的正极连接二极管的阳极，对外线路的负极连接二极管阴极。
低压直流对外输出接口作用主要是为了实现低压直流端口外部故障隔离。如果没有相应装置实现故障隔离，那么低压直流外部端口发生短路故障之后，故障电流会快速传递至电力电子变压器装置内部，由于低压直流为中间母线，各个端口上的装置均出现故障，导致各个端口闭锁。为了实现故障隔离采用如图5所示的拓扑结构，在正常工作情况下，IGBT导通电流可实现双向传递。电流方向如图6所示。在故障状态发生后，IGBT快速闭锁，故障电流流经二极管。该故障电流不会流入四端口电力电子变压器装置，其他端口均可稳定运行。

Claims (5)

1.一种四端口直流电力电子变压器，其特征在于：包括高压交流至低压直流变换单元、低压直流至高压直流变换单元、低压直流至低压交流变换单元以及低压直流对外输出接口四部分；以上四部分通过低压直流端口进行互联，同时能够实现功率的双向流动。
2.根据权利要求1所述的四端口电力电子变压器，其特征在于：所述高压交流至低压直流变换单元包括高压交流侧、滤波电抗器、功率模块和低压直流侧，其中功率模块包含H桥逆变单元和隔离型DC-DC变换器，隔离型DC-DC变换器采用双有源桥拓扑；高压交流至低压直流变换单元的高压交流侧包含ABC三相，在每一相中，滤波电抗器一端连接至高压交流侧一相，另一端连接至功率模块，功率模块通过级联的方式实现与滤波电抗器的连接，功率模块另一端连接至低压直流侧，同时在低压直流侧ABC三相功率模块采用并联的方式连接。
3.根据权利要求1所述的四端口电力电子变压器，其特征在于：所述低压直流至高压直流变换单元包括高压直流侧、滤波电抗器、功率模块和低压直流侧，其中功率模块包含H桥单元和隔离型DC-DC变换器，隔离型DC-DC变换器采用双有源桥拓扑；其中滤波电抗器一端连接至高压直流侧，另外一端连接至功率模块，功率模块通过级联的方式实现与滤波电抗器的连接，功率模块另一端连接至低压直流侧，同时在低压直流侧采用多个功率模块并联的方式连接。
4.根据权利要求1所述的四端口电力电子变压器，其特征在于：所述低压直流至低压交流变换单元包括低压交流侧、滤波电抗器、滤波电容以及三相全桥电路和低压直流侧，其中滤波电容并联在低压交流侧输出端，滤波电抗器一端连接至低压交流侧，另一端连接至三相全桥电路，三相全桥电路的输出端为低压直流侧。
5.根据权利要求1的所述四端口电力电子变压器，其特征在于：所述低压直流对外输出接口包括电容器，IGBT和二极管，其中电容器两端连接至低压直流母线，电容器正极连接至IGBT集电级，IGBT发射极连接至对外输出接口的正极，同时对外线路的正极连接二极管的阳极，对外线路的负极连接二极管阴极。
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