CN110311381A - 一种可穿越直流故障的交直流混合电网电力电子变压器 - Google Patents

一种可穿越直流故障的交直流混合电网电力电子变压器 Download PDF

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李鹏
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Abstract

本发明公开了一种可穿越直流故障的交直流混合电网电力电子变压器，包括：高压输入级、中间隔离级和低压输出级。所述高压输入级为交流侧级联H桥+MMC结构的混合模块组合多电平变换器。所述中间隔离级由若干个结构相同的输入串联输出并联的双有源桥变换器组成。所述低压输出级包含一个DC/AC三相逆变模块，用于向低压交流负荷供电。本发明能够实现功率的双向流动、提高电能质量；并且提供多个端口，可灵活的接入风能、太阳能等分布式电源及各类负荷和储能设备。在直流侧发生故障时，能够快速实现故障的自清除，从而实现直流故障穿越。

Description

一种可穿越直流故障的交直流混合电网电力电子变压器
技术领域
本发明涉及一种可穿越直流故障的交直流混合电网电力电子变压器，属于电力电子设备技术领域。
背景技术
目前，电力变压器作为电力系统的重要组成部分，主要承担电压等级转换及电气隔离、能量传递的功能。但是，传统的变压器功能单一，体积庞大，并且电力系统在受到扰动以及发生故障的情况下，会通过变压器进行传递，无法实现隔离。
因此，传统的电力变压器已经无法满足电网发展的需求。近年来，随着可再生能源接入低压交流、直流电网的需要以及功率半导体技术的进步引出了电力电子变压器的概念。它是一种利用电力电子变换技术与电磁感应原理实现电能高效传输及变换的新型变压器，除具有传统变压器的基本功能以外，还可实现潮流控制、无功补偿以及电能质量控制等多种功能，在电力系统中的应用十分广泛。
近年来，随着智能电网、可再生能源以及特高压技术的发展逐步引出了能源互联网的概念。能源互联网要求不仅要实现不同电压等级、交直流电网以及交直流负荷的可靠连接，同时需要具有优良的控制性能。为实现能源互联网中多源、多负荷之间的传输及变换则需要使用多端的互联设备。电力电子变压器拥有较多的可接入端口，可以方便的实现电能在交直流、高低压之间的传输及变换，便于可再生能源与电动汽车等接入，可以实现潮流的双向流动以及单位功率因数控制，因此电力电子变压器作为交直流混合电网的核心设备，应用前景广阔。
目前，直流故障穿越是交直流混合电网中研究热点问题之一。因此有必要提出一种可穿越直流故障的交直流混合电网电力电子变压器。
发明内容
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种可穿越直流故障的交直流混合电网电力电子变压器，针对现有高压输入级的应用主要是采用MMC结构，MMC子模块主要有半桥子模块和全桥子模块两种。由半桥子模块构成的MMC结构简单，但不具备直流侧短路故障自清除能力；由全桥子模块构成的MMC具有直流侧短路故障自清除能力，但需双倍的器件，结构复杂，成本高昂。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种可穿越直流故障的交直流混合电网电力电子变压器，包括：高压输入级、中间隔离级和低压输出级，所述高压输入级采用交流侧级联H桥+MMC结构的混合模块组合多电平变换器，其交流侧桥臂连接至交流电网，上桥臂和下桥臂分别作为直流网络的正负极；所述中间隔离级由若干个结构相同的原边串联副边并联的双有源桥变换器组成，双有源桥变换器原边端口与直流网络的正负极相连，双有源桥变换器副边端口连接至低压直流网络；所述低压输出级包含一个DC/AC三相逆变模块，用于向低压交流负荷供电。
作为优选方案，所述交流电网的电压采用10kV。
作为优选方案，所述交流侧级联H桥+MMC结构的混合模块组合多电平变换器，包括：上桥臂、下桥臂、交流侧桥臂，所述上桥臂包括a相上桥臂、b相上桥臂、c相上桥臂，所述a相上桥臂、b相上桥臂、c相上桥臂的输入端相连接作为直流网络的正极；所述a相上桥臂包括：n个半桥子模块和电感L，n个半桥子模块、电感L依次串联，第一半桥子模块输入端作为a相上桥臂输入端，电感另一端作为a相上桥臂输出端；所述b相上桥臂、c相上桥臂的结构与a相上桥臂相同；所述下桥臂包括a相下桥臂、b相下桥臂、c相下桥臂，所述a相下桥臂、b相下桥臂、c相下桥臂的输出端相连接作为直流网络的负极；所述a相下桥臂包括：n个半桥子模块和电感L，电感L与n个半桥子模块依次串联，电感L的输入端作为a相下桥臂输入端，最后一个半桥子模块的输出端作为a相下桥臂输出端；所述b相下桥臂、c相下桥臂的结构与a相下桥臂相同；所述a相上桥臂的输出端与a相下桥臂的输入端相连接，b相上桥臂的输出端与b相下桥臂的输入端相连接，c相上桥臂的输出端与c相下桥臂的输入端相连接；交流侧桥臂包括：a相交流侧桥臂、b相交流侧桥臂、c相交流侧桥臂，所述a相交流侧桥臂由m个全桥子模块依次串联，第一个全桥子模块输入端作为a相交流侧桥臂输入端，最后一个全桥子模块输出端作为a相交流侧桥臂输出端，所述a相交流侧桥臂输出端与a相上桥臂和a相下桥臂的连接处相连接；所述b相交流侧桥臂、c相交流侧桥臂的结构与a相交流侧桥臂相同，b相交流侧桥臂输出端与b相上桥臂和b相下桥臂的连接处相连接,c相交流侧桥臂输出端与c相上桥臂和c相下桥臂的连接处相连接；所述b相交流侧桥臂、c相交流侧桥臂的结构与a相交流侧桥臂相同。
作为优选方案，第一个双有源桥变换器原边输入端与上桥臂相连接，最后一个双有源桥变换器原边输出端与下桥臂相连接。
作为优选方案，所述DC/AC三相逆变模块包含六组IGBT和与之反并联的二极管，构成三相全桥结构，用于将低压直流转换成380V交流，为低压交流负荷供电。
作为优选方案，所述全桥子模块，由第一开关管T11、第二开关管T12、第三开关管T13、第四开关管T14和第一电容C1构成；第一开关管T11的集电极与第一电容C1的正极、第二开关管T12的集电极连接，第一开关管T11的发射极与第三开关管T13的集电极连接，第二开关管T12的发射极与第四开关管T14的集电极连接，第三开关管T13的发射极与第一电容C1的负极、第四开关管T14的发射极连接；第三开关管T13的集电极、第四开关管T14的集电极作为全桥子模块的输入、输出两端。
作为优选方案，所述半桥子模块，由第五开关管T15、第六开关管T16和第二电容C2构成；第五开关管T15集电极和第二电容C2的正极连接，第二电容C2的负极与第六开关管T16的发射极连接，第五开关管T15的发射极与第六开关管T16的集电极连接；第六开关管T16的集电极和发射极作为半桥子模块的输入、输出两端。
作为优选方案，所述双有源桥变换器包含：双H桥模块和高频变压器；所述H桥模块包含四组IGBT和与之反并联的续流二极管；所述高频变压器将原边的高压交流电耦合到副边，得到低压交流电，从而实现高低压之间的电气隔离。
有益效果：本发明提供的一种可穿越直流故障的交直流混合电网电力电子变压器，可以实现传统电力变压器的电压变换、电气隔离等功能。高压输入级采用交流侧级联H桥+MMC的结构，通过利用交流侧桥臂全桥子模块的故障阻断能力，实现直流侧短路故障自清除。通过增加MMC半桥子模块数目，可以提高电压等级，并且便于扩展和维护。另外可以提供灵活交、直流接口，便于分布式电源的接入和对直流负荷的供电，实现交直流混合电网多端口互联。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中高压输入级交流侧桥臂全桥子模块结构示意图；
图3为本发明中高压输入级半桥子模块结构示意图；
图4为一种可穿越直流故障的交直流混合电网电力电子变压器中中间隔离级变换器的结构示意图；
图5为本发明中高压输入级交流侧级联H桥+MMC结构的混合模块组合多电平变换器直流侧发生短路故障时的等效电路。
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，一种可穿越直流故障的交直流混合电网电力电子变压器结构，包含：高压输入级、中间隔离级和低压输出级。所述高压输入级采用交流侧级联H桥+MMC结构的混合模块组合多电平变换器，其交流侧桥臂连接至10kV交流电网，上桥臂和下桥臂分别作为10kV直流网络的正负极；所述中间隔离级由若干个结构相同的原边串联副边并联的双有源桥变换器组成，双有源桥变换器原边输入端口与10kV直流网络的正负极相连，双有源桥变换器副边输出端口连接至低压直流网络；所述低压输出级包含一个DC/AC三相逆变模块，用于向低压交流负荷供电。
所述交流侧级联H桥+MMC结构的混合模块组合多电平变换器，包括：上桥臂、下桥臂、交流侧桥臂，所述上桥臂包括a相上桥臂、b相上桥臂、c相上桥臂，所述a相上桥臂、b相上桥臂、c相上桥臂的输入端相连接作为直流网络的正极；所述a相上桥臂包括：n个半桥子模块(HBSM1、HBSM2、……、HBSMn)和电感(L)，n个半桥子模块(HBSM1、HBSM2、……、HBSMn)、电感(L)依次串联，第一半桥子模块输入端作为a相上桥臂输入端，电感另一端作为a相上桥臂输出端；所述b相上桥臂、c相上桥臂的结构与a相上桥臂相同；所述下桥臂包括a相下桥臂、b相下桥臂、c相下桥臂，所述a相下桥臂、b相下桥臂、c相下桥臂的输出端相连接作为直流网络的负极；所述a相下桥臂包括：n个半桥子模块(HBSM1、HBSM2、……、HBSMn)和电感(L)，电感(L)与n个半桥子模块(HBSM1、HBSM2、……、HBSMn)依次串联，电感(L)的输入端作为a相下桥臂输入端，最后一个半桥子模块的输出端作为a相下桥臂输出端；所述b相下桥臂、c相下桥臂的结构与a相下桥臂相同；所述a相上桥臂的输出端与a相下桥臂的输入端相连接，b相上桥臂的输出端与b相下桥臂的输入端相连接，c相上桥臂的输出端与c相下桥臂的输入端相连接；交流侧桥臂包括：a相交流侧桥臂、b相交流侧桥臂、c相交流侧桥臂，所述a相交流侧桥臂由m个全桥子模块(FBSM1、FBSM2、……、FBSMm)依次串联，第一个全桥子模块输入端作为a相交流侧桥臂输入端，最后一个全桥子模块输出端作为a相交流侧桥臂输出端，所述a相交流侧桥臂输出端与a相上桥臂和a相下桥臂的连接处相连接；所述b相交流侧桥臂、c相交流侧桥臂的结构与a相交流侧桥臂相同，b相交流侧桥臂输出端与b相上桥臂和b相下桥臂的连接处相连接,c相交流侧桥臂输出端与c相上桥臂和c相下桥臂的连接处相连接；所述b相交流侧桥臂、c相交流侧桥臂的结构与a相交流侧桥臂相同。
第一个双有源桥变换器原边输入端与上桥臂相连接，最后一个双有源桥变换器原边输出端与下桥臂相连接。
所述DC/AC三相逆变模块包含六组IGBT和与之反并联的二极管，构成三相全桥结构，用于将低压直流转换成380V交流，为低压交流负荷供电。
如图2所示，所述全桥子模块，由第一开关管T11、第二开关管T12、第三开关管T13、第四开关管T14和第一电容C1构成；第一开关管T11的集电极与第一电容C1的正极、第二开关管T12的集电极连接，第一开关管T11的发射极与第三开关管T13的集电极连接，第二开关管T12的发射极与第四开关管T14的集电极连接，第三开关管T13的发射极与第一电容C1的负极、第四开关管T14的发射极连接；第三开关管T13的集电极、第四开关管T14的集电极作为全桥子模块的输入、输出两端；上述开关管均采用IGBT。
如图3所示，所述半桥子模块，由第五开关管T15、第六开关管T16和第二电容C2构成；第五开关管T15集电极和第二电容C2的正极连接，第二电容C2的负极与第六开关管T16的发射极连接，第五开关管T15的发射极与第六开关管T16的集电极连接；第六开关管T16的集电极和发射极作为半桥子模块的输入、输出两端。
如图4所示，所述双有源桥变换器包含：双H桥模块和高频变压器；所述H桥模块包含四组IGBT和与之反并联的续流二极管；所述高频变压器将原边的高压交流电耦合到副边，得到低压交流电，从而实现高低压之间的电气隔离。
以高压输入级交流侧级联H桥+MMC结构的混合模块组合多电平换流器为例，当直流侧发生短路故障时，闭锁所有开关管即在直流侧发生故障时控制所有开关都关断，其等效电路如图5所示，运行等效为直流侧并联电容的三相不控整流器，可以使短路电流迅速减少，从而实现直流侧短路故障穿越。本发明能够实现功率的双向流动、提高电能质量；并且提供多个端口，可灵活的接入风能、太阳能等分布式电源及各类负荷和储能设备。在直流侧发生故障时，能够快速实现故障的自清除，从而实现直流故障穿越。
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 (8)

1.一种可穿越直流故障的交直流混合电网电力电子变压器，包括：高压输入级、中间隔离级和低压输出级，其特征在于：所述高压输入级采用交流侧级联H桥+MMC结构的混合模块组合多电平变换器，其交流侧桥臂连接至交流电网，上桥臂和下桥臂分别作为直流网络的正负极；所述中间隔离级由若干个结构相同的原边串联副边并联的双有源桥变换器组成，双有源桥变换器原边端口与直流网络的正负极相连，双有源桥变换器副边端口连接至低压直流网络；所述低压输出级包含一个DC/AC三相逆变模块，用于向低压交流负荷供电。
2.根据权利要求1所述的一种可穿越直流故障的交直流混合电网电力电子变压器，其特征在于：所述交流电网的电压采用10kV。
3.根据权利要求1所述的一种可穿越直流故障的交直流混合电网电力电子变压器，其特征在于：所述交流侧级联H桥+MMC结构的混合模块组合多电平变换器，包括：上桥臂、下桥臂、交流侧桥臂，所述上桥臂包括a相上桥臂、b相上桥臂、c相上桥臂，所述a相上桥臂、b相上桥臂、c相上桥臂的输入端相连接作为直流网络的正极；所述a相上桥臂包括：n个半桥子模块和电感L，n个半桥子模块、电感L依次串联，第一半桥子模块输入端作为a相上桥臂输入端，电感另一端作为a相上桥臂输出端；所述b相上桥臂、c相上桥臂的结构与a相上桥臂相同；所述下桥臂包括a相下桥臂、b相下桥臂、c相下桥臂，所述a相下桥臂、b相下桥臂、c相下桥臂的输出端相连接作为直流网络的负极；所述a相下桥臂包括：n个半桥子模块和电感L，电感L与n个半桥子模块依次串联，电感L的输入端作为a相下桥臂输入端，最后一个半桥子模块的输出端作为a相下桥臂输出端；所述b相下桥臂、c相下桥臂的结构与a相下桥臂相同；所述a相上桥臂的输出端与a相下桥臂的输入端相连接，b相上桥臂的输出端与b相下桥臂的输入端相连接，c相上桥臂的输出端与c相下桥臂的输入端相连接；交流侧桥臂包括：a相交流侧桥臂、b相交流侧桥臂、c相交流侧桥臂，所述a相交流侧桥臂由m个全桥子模块依次串联，第一个全桥子模块输入端作为a相交流侧桥臂输入端，最后一个全桥子模块输出端作为a相交流侧桥臂输出端，所述a相交流侧桥臂输出端与a相上桥臂和a相下桥臂的连接处相连接；所述b相交流侧桥臂、c相交流侧桥臂的结构与a相交流侧桥臂相同，b相交流侧桥臂输出端与b相上桥臂和b相下桥臂的连接处相连接,c相交流侧桥臂输出端与c相上桥臂和c相下桥臂的连接处相连接；所述b相交流侧桥臂、c相交流侧桥臂的结构与a相交流侧桥臂相同。
4.根据权利要求3所述的一种可穿越直流故障的交直流混合电网电力电子变压器，其特征在于：第一个双有源桥变换器原边输入端与上桥臂相连接，最后一个双有源桥变换器原边输出端与下桥臂相连接。
5.根据权利要求1所述的一种可穿越直流故障的交直流混合电网电力电子变压器，其特征在于：所述DC/AC三相逆变模块包含六组IGBT和与之反并联的二极管，构成三相全桥结构，用于将低压直流转换成380V交流，为低压交流负荷供电。
6.根据权利要求3所述的一种可穿越直流故障的交直流混合电网电力电子变压器，其特征在于：所述全桥子模块，由第一开关管T11、第二开关管T12、第三开关管T13、第四开关管T14和第一电容C1构成；第一开关管T11的集电极与第一电容C1的正极、第二开关管T12的集电极连接，第一开关管T11的发射极与第三开关管T13的集电极连接，第二开关管T12的发射极与第四开关管T14的集电极连接，第三开关管T13的发射极与第一电容C1的负极、第四开关管T14的发射极连接；第三开关管T13的集电极、第四开关管T14的集电极作为全桥子模块的输入、输出两端。
7.根据权利要求3所述的一种可穿越直流故障的交直流混合电网电力电子变压器，其特征在于：所述半桥子模块，由第五开关管T15、第六开关管T16和第二电容C2构成；第五开关管T15集电极和第二电容C2的正极连接，第二电容C2的负极与第六开关管T16的发射极连接，第五开关管T15的发射极与第六开关管T16的集电极连接；第六开关管T16的集电极和发射极作为半桥子模块的输入、输出两端。
8.根据权利要求1所述的一种可穿越直流故障的交直流混合电网电力电子变压器，其特征在于：所述双有源桥变换器包含：双H桥模块和高频变压器；所述H桥模块包含四组IGBT和与之反并联的续流二极管；所述高频变压器将原边的高压交流电耦合到副边，得到低压交流电，从而实现高低压之间的电气隔离。
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