CN109980948A - 一种三相间耦合五端口电力电子变压器 - Google Patents

一种三相间耦合五端口电力电子变压器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三相间耦合五端口电力电子变压器，包括：三相模块化多电平变换单元，与电网连接，将电网的中压三相交流电整流为中压直流电，输出中压直流电；高频隔离DC/DC变换单元，原边与三相模块化多电平变换单元的子模块直流侧电容连接，将三相模块化多电平变换单元的子模块直流侧电容电压经高频隔离转换为低压直流电进行输出，高频隔离DC/DC变换单元的输出端连接至低压直流母线；DC/AC逆变单元，直流侧与低压直流母线连接，将低压直流电逆变为三相交流电和单相交流电进行输出；光储装置，与高频隔离DC/DC变换单元及DC/AC逆变单元连接。本发明可以更好的适用于当今交直流混合电力系统中，同时可以实现各个端口功率的双向流动和电气隔离。

Description

一种三相间耦合五端口电力电子变压器
技术领域
本发明属于交直流混合电力系统领域，具体涉及一种三相间耦合五端口电力电子变压器。
背景技术
传统的工频变压器已经成为电力系统中最基本、最重要的组成设备，被广泛的应用于输电及配电系统，实现电气隔离，电压等级变换和能量传递的功能。但是传统的工频变压器仍然存设备体积大，实现功能单一，无法实现功率因数校正和功率潮流控制等功能；仅支持交流到交流的电能变换，尤其不适用于当今有新能源接入和直流负载的交直流混合电力系统中，无法满足全球能源互联网建设的需求。
近些年来，随着大功率电力电子技术的不断发展，基于电力电子技术的电力电子变压器(PET-Power Electronic Transformer)在电力系统中得到了越来越广泛的应用。目前已广泛应用于中压配电场合的电力电子变压器拓扑结构主要包括基于级联H桥变换器拓扑的电力电子变压器和基于模块化多电平变换器拓扑的电力电子变压器。其中级联H桥型电力电子变压器不具有中压直流端口，因此不能更好地适用于交直流混合电力系统中。而模块化多电平电力电子变压器则具有中压直流端口，但是很难控制中压交流端口侧三相间功率的分配与流动。
发明内容
本发明实施例提供了一种三相间耦合五端口电力电子变压器，以解决现有技术存在的很难控制交直流混合电力系统三相间功率的分配与流动的问题。
为了实现上述目的，本发明实施例提供了一种电力电子变压器，包括：三相模块化多电平变换单元，与电网连接，将所述电网的中压三相交流电整流为中压直流电，输出所述中压直流电；高频隔离DC/DC变换单元，原边与三相模块化多电平变换单元的子模块直流侧电容连接，将所述三相模块化多电平变换单元的子模块直流侧电容电压经高频隔离转换为低压直流电进行输出，所述高频隔离DC/DC变换单元的输出端连接至低压直流母线；DC/AC逆变单元，直流侧与低压直流母线连接，将低压直流电逆变为三相交流电和单相交流电进行输出；光储装置，与高频隔离DC/DC变换单元及DC/AC逆变单元连接。
本发明实施例所具备的有益效果是，可提供中压三相交流端口，中压直流端口，低压直流端口，低压三相交流端口，低压单相交流端口，共五个端口，可以更好的适用于当今交直流混合电力系统中。
在本发明的一些实施例中，上述的三相模块化多电平变换单元为三相结构，每相结构包括：第一桥臂电路及第二桥臂电路；所述第一桥臂电路包括：串联连接的多个第一功率子模块及一第一桥臂电感；所述第二桥臂电路包括：串联连接的多个第二功率子模块及一第二桥臂电感。
在本发明的一些实施例中，上述的高频隔离DC/DC变换单元包括：依次连接的DC/AC逆变桥电路、多绕组高频隔离变压器，高频谐振电感和AC/DC整流桥电路。所述多绕组高频隔离变压器包括3个原边绕组及1个副边绕组；所述3个原边绕组分别与3个所述DC/AC逆变桥电路相连，所述第N个DC/AC逆变桥电路的直流侧分别与所述第一桥臂电路的第N个第一功率子模块相连，或与第二桥臂电路的第N个第二功率子模块相连；所述1个副边绕组与1个AC/DC整流桥电路相连；所述位于三相模块化多电平变换单元的第一桥臂电路或第二桥臂电路的第(1～N-1)个AC/DC整流桥电路直流侧相互并联，形成一个低压直流端口，接入低压直流母线；所述位于三相模块化多电平变换单元的第一桥臂电路或第二桥臂电路的第N个AC/DC整流桥直流侧与所述储能装置相连。
本发明实施例所具备的有益效果是，通过采用多绕组高频隔离变压器，实现中压交流端口侧的三相间耦合，能够更好的控制三相间功率的分配与流动；储能装置则可以在系统正常运行协助控制三相间的功率平衡，当某一相内出现单元故障时，储能装置仍可以用于控制三相间的功率平衡。
在本发明的一些实施例中，上述的DC/AC逆变单元包括：三相DC/AC逆变器电路及单相DC/AC逆变器电路，所述三相DC/AC逆变器电路及单相DC/AC逆变器电路直流侧分别与所述低压直流母线连接。
在本发明的一些实施例中，上述的光储装置包括：光伏装置、储能装置、DC/AC逆变器、第一DC/DC变换器及第二DC/DC变换器；所述光伏装置通过所述第一DC/DC变换器与所述低压直流母线相连；所述储能装置通过所述第二DC/DC变换器与所述低压直流母线连接，通过所述DC/AC逆变器分别和所述三相DC/AC逆变器电路形成的低压三相交流电路相连。
本发明实施例所具备的有益效果是，该光储装置可实现对系统中交流和直流负载的不间断供电，同时可以实现虚拟同步发电机的功能，为系统提供惯性。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1示出了本发明提供的一种新型五端口电力电子变压器的主要结构示意图；
图2示出了本发明提供的MMC变换器的结构示意图；
图3示出了本发明提供的多绕组高频隔离DC/DC变换器的结构示意图；
图4示出了本发明提供的三相DC/AC逆变器的结构示意图；
图5示出了本发明提供的单相DC/AC逆变器的结构示意图；
图6示出了本发明提供的光储装置的结构示意图；
图7示出了本发明提供的电力电子变压器控制方法中对MMC变换器的控制原理图；
图8示出了本发明提供的电力电子变压器控制方法中对多绕组高频隔离DC/DC变换器的控制原理图；
图9示出了本发明提供的电力电子变压器控制方法中对三相DC/AC逆变器和单相DC/AC逆变器的控制原理图；
图10示出了本发明提供的电力电子变压器控制方法中对光储级系统的控制原理图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种三相间耦合五端口电力电子变压器，如图1所示，该变压器包括：三相模块化多电平变换单元，与电网连接，将电网的中压三相交流电整流为中压直流电，输出中压直流电，用于形成三相中压交流端口和一个中压直流端口。
高频隔离DC/DC变换单元，原边与三相模块化多电平变换单元的子模块直流侧电容连接，将三相模块化多电平变换单元的子模块直流侧电容电压转换为低压直流电进行输出，高频隔离DC/DC变换单元的输出端连接至低压直流母线，用于形成低压直流端口。
DC/AC逆变单元，直流侧与低压直流母线连接，将低压直流电逆变为三相交流电和单相交流电进行输出，用于分别形成低压三相交流端口和低压单相交流端口。
光储装置，与高频隔离DC/DC变换单元及DC/AC逆变单元连接。
本发明实施例的三相间耦合五端口电力电子变压器，提供中压三相交流端口，中压直流端口，低压直流端口，低压三相交流端口，低压单相交流端口，共五个端口，可以作为五种不同电压等级的交直流混合配电网的接口系统。
具体地，上述的三相模块化多电平变换单元、高频隔离DC/DC变换单元、DC/AC逆变单元及光储装置分别构成了该三相间耦合五端口电力电子变压器的输入级、隔离级，输出级和光储级四个部分。其中，输入级由三相模块化多电平变化器(MMC)构成，用于形成一个三相中压交流端口和一个中压直流端口；隔离级由高频隔离DC/DC变换器构成，用于形成一个低压直流端口，DC/AC逆变桥直流侧与三相模块化多电平变换器的功率子模块直流侧的电容相连；输出级由三相DC/AC逆变器和单相DC/AC逆变器构成，形成一个低压三相交流端口和一个低压单相交流端口，三相DC/AC逆变器和单相DC/AC逆变器的直流侧直接与隔离级形成的低压直流母线相连；光储级由光伏装置和储能装置构成，其中光伏装置通过一个DC/DC变换器与隔离级形成的低压直流母线相连，储能装置通过一个DC/DC变换器和一个DC/AC逆变器分别与隔离级形成低压直流母线和输出级形成的低压交流端口相连。
可选地，在本发明的一些实施例中，如图2所示，上述的三相模块化多电平变换单元为三相结构，每相均由上下对称的两个桥臂构成，三相上桥臂并联至公共直流母线电压的正极，三相下桥臂并联至公共直流母线电压的负极，每个桥臂均N个结构相同的功率子模块(SM)和一个桥臂电感串联而成，桥臂电感起到抑制相间环流和保护故障子模块等作用，子模块电路采用半桥或全桥拓扑。
如图2所示，该功率子模块包括：交流输入端口、绝缘栅双极型晶体管、直流输出端口。
可选地，在本发明的一些实施例中，如图3所示，上述的多绕组高频隔离DC/DC变换单元，以A相为例，B相和C相具有与A相相同的结构。多绕组高频隔离DC/DC变换器中高频变压器具有4个绕组，其中原边3个绕组，副边1个绕组。原边的3个绕组分别与3个DC/AC逆变桥相连，第N个DC/AC逆变桥直流侧分别与三相模块化多电平变换器三相上/下桥臂的第N个单元相连；1个副边绕组与1个所述AC/DC整流桥电路相连。通过调节DC/AC逆变桥和AC/DC整流桥的占空比之间的相位关系可以实现功率流动方向的控制和三相间功率的分配，DC/AC逆变桥电路和AC/DC整流桥电路均为全桥拓扑。
可选地，在本发明的一些实施例中，上述的DC/AC逆变单元包括：三相DC/AC逆变器电路及单相DC/AC逆变器电路，所述三相DC/AC逆变器电路及单相DC/AC逆变器电路直流侧分别与所述低压直流母线连接。
如图4所示，上述的三相DC/AC逆变器电路为两电平拓扑结构，交流侧与低压三相交流电网相连，直流侧与隔离级形成的低压直流母线相连。
如图5所示，上述的单相DC/AC逆变器电路为两电平拓扑结构，交流侧与低压单相交流电网相连，直流侧与隔离级形成的低压直流母线相连。
可选地，在本发明的一些实施例中，如图6所示，上述的光储装置包括：光伏装置、储能装置、DC/AC逆变器、第一DC/DC变换器及第二DC/DC变换器；其中，光伏装置通过一个DC/DC变换器与隔离级形成的低压直流母线相连；储能装置通过一个DC/DC变换器和一个DC/AC逆变器分别与隔离级形成低压直流母线和输出级形成的低压交流端口相连，DC/DC变换器为双向全桥DAB变换器，DC/AC逆变器电路为两电平拓扑结构。
可选地，在本发明的一些实施例中，如图7所示，上述的输入级的三相模块化多电平变换器的控制策略，主要包括六个环节：电流环解耦控制，三相间直流侧电容电压平衡控制，同一相上下桥臂间直流侧电容电压平衡控制，同一桥臂内各单元间直流侧电容电压平衡控制，环流抑制控制，以及载波移相调制策略。其中三相间直流侧电容电压平衡控制环节和同一相上下桥臂间直流侧电容电压平衡控制环节的输出作为环流抑制控制环节的输入；然后流抑制控制环节的输出与电流环解耦控制环节的输出做和，作为同一桥臂内各单元间直流侧电容电压平衡控制环节的输入；由同一桥臂内各单元间直流侧电容电压平衡控制环节得到的包含直流侧电压控制的三相参考电压将送给载波移相调制策略环节，最终得到的开关信号送给系统中的每一个开关管。
可选地，在本发明的一些实施例中，如图8所示，上述的隔离级的多绕组高频隔离DC/DC变换器的控制策略，主要包括：通过调整高频隔离变压器原副边四个全桥单元之间的移相角，实现控制三相间单元功率的分配与流动，同时配合定占空比调制策略，最终得到的开关信号。
可选地，在本发明的一些实施例中，如图9所示，上述的输出级的三相DC/AC逆变器和单相DC/AC逆变器的控制策略，主要包括：均采用电压电流双闭环解耦的控制策略生成参考电压，同时配合PWM调制策略，最终得到的开关信号分别送给三相DC/AC逆变器和单相DC/AC逆变器的开关管。
可选地，在本发明的一些实施例中，如图10所示，上述的光储级的光伏装置和储能装置的控制策略，主要包括：采用虚拟同步发电机控制策略，通过建立机械和励磁方程，实现有功调频和无功调压的控制过程，为系统提供惯性。采用电压电流双环控制得到系统的参考电压，同时配合PWM调制策略，最终得到的开关信号。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (5)

1.一种电力电子变压器，其特征在于，包括：
三相模块化多电平变换单元，与电网连接，将所述电网的中压三相交流电整流为中压直流电，输出所述中压直流电；
高频隔离DC/DC变换单元，原边与所述三相模块化多电平变换单元的子模块直流侧电容连接，将所述三相模块化多电平变换单元的子模块直流侧电容电压经高频隔离转换为低压直流电进行输出，所述高频隔离DC/DC变换单元的输出端连接至低压直流母线；
DC/AC逆变单元，直流侧与所述低压直流母线连接，将低压直流电逆变为三相交流电和单相交流电进行输出；
光储装置，与所述高频隔离DC/DC变换单元及DC/AC逆变单元连接。
2.根据权利要求1所述的电力电子变压器，其特征在于，所述三相模块化多电平变换单元为三相结构，每相结构包括：第一桥臂电路及第二桥臂电路；
所述第一桥臂电路包括：串联连接的N个第一功率子模块及一第一桥臂电感；
所述第二桥臂电路包括：串联连接的N个第二功率子模块及一第二桥臂电感。
3.根据权利要求2所述的电力电子变压器，其特征在于，所述高频隔离DC/DC变换单元包括：依次连接的DC/AC逆变桥电路、多绕组高频隔离变压器，高频谐振电感和AC/DC整流桥电路；
所述多绕组高频隔离变压器包括3个原边绕组及1个副边绕组；
所述3个原边绕组分别与3个所述DC/AC逆变桥电路相连；所述第N个DC/AC逆变桥电路的直流侧分别与所述第一桥臂电路的第N个第一功率子模块相连，或与第二桥臂电路的第N个第二功率子模块相连；
所述1个副边绕组与1个所述AC/DC整流桥电路相连；所述位于三相模块化多电平变换单元的第一桥臂电路或第二桥臂电路的第(1～N-1)个AC/DC整流桥电路直流侧相互并联，形成一个低压直流端口，接入低压直流母线；
所述位于三相模块化多电平变换单元的第一桥臂电路或第二桥臂电路的第N个AC/DC整流桥直流侧与所述储能装置相连。
4.根据权利要求1所述的电力电子变压器，其特征在于，所述DC/AC逆变单元包括：三相DC/AC逆变器电路及单相DC/AC逆变器电路，所述三相DC/AC逆变器电路及单相DC/AC逆变器电路直流侧分别与所述低压直流母线连接。
5.根据权利要求4所述的电力电子变压器，其特征在于，所述光储装置包括：光伏装置、储能装置、DC/AC逆变器、第一DC/DC变换器及第二DC/DC变换器；
所述光伏装置通过所述第一DC/DC变换器与所述低压直流母线相连；所述储能装置通过所述第二DC/DC变换器与所述低压直流母线连接，通过所述DC/AC逆变器和所述三相DC/AC逆变器电路形成的三相低压交流电路相连。
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