CN110365238B - 一种改进的高功率密度高效率的电力电子变压器拓扑结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于变电技术领域的一种改进的高功率密度高效率的电力电子变压器拓扑结构。该电力电子变压器拓扑结构包括高压变流级、高频隔离变压器、低压侧整流器以及低压侧输出结构；是利用PWM基波与谐波电压、电流进行能量传输，实现高压整流环节和高频隔离环节所有开关器件ZVS的电力电子变压器拓扑结构，该拓扑结构高压侧为电压源型换流器，可采用两电平、三电平或五电平的变换器结构，提供高压交、直流端口和低压交、直流端口。通过实现输入级和隔离级的零电压开关，以提高电力电子变压器运行效率；减少变换级数，提高功率密度，其ZVS特性能够减少功率器件的开关损耗，提高效率。

Description

一种改进的高功率密度高效率的电力电子变压器拓扑结构
技术领域
本发明属于变电技术领域，特别涉及一种改进的高功率密度高效率的电力电子变压器拓扑结构。
背景技术
随着智能电网的迅速发展，传统的工频电力变压器由于存在体积较大、无法实现智能控制以及缺少直流变换端口等弊端，已不足以应对现代电力系统的挑战。而电力电子变压器是一种具有电压变换、无功补偿、不平衡控制、电能质量治理等功能的新型电力电子装置，便于可再生能源的接入与消纳，也有助于提高电网的运行效率与可靠性。多端口电力电子变压器在能源互联网中具有电能路由器的功能。
目前已有很多学者提出了多种电力电子变压器拓扑结构，电力电子变压器结构种类繁多，常见的有AC/AC型和AC/DC/DC/AC型等。AC/AC型拓扑属于矩阵型结构，桥臂之间的耦合度较高，影响输出波形质量；AC/DC/DC/AC型具有电容器实现去耦合，输出波形质量较好，同时，这种拓扑能够提供高压、低压直流母线，方便电网互连，此外，低压直流侧具有逆变环节，整体可实现传统变压器的交-交变换功能。由于AC/DC/DC/AC型结构便于形成高压交流、高压直流和低压交直流母线，因此多端口电力电子变压器常采用这种结构。在中高压应用场合，以上结构高压交流侧通常采用级联H桥型或MMC型模块化结构。这种情况下，由于电力电子变压器变换级数较多，造成子模块数量众多，极大地增加了装置的体积、成本与控制复杂度；且由于高压交流侧模块化结构无法实现软开关技术，降低了装置运行效率，不利于电力电子变压器的推广应用。
因此，为了推进电力电子变压器的实用化，迫切需要一种结构紧凑、具有软开关能力的改进的电力电子变压器拓扑结构。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的高功率密度高效率的电力电子变压器拓扑结构，其特征在于，利用PWM基波与高频谐波进行混频能量传输以减少变换级数，通过实现输入级和隔离级的零电压开关ZVS(Zero Voltage Switching,)，以提高电力电子变压器运行效率；
所述高功率密度高效率的电力电子变压器拓扑结构包括高压变流级、高频隔离变压器、低压侧整流器以及低压侧输出结构；
所述高压变流级结构为高压侧变换器，分别为A、B、X3、……、XN相，共有N相，N为1以上的正整数；每相分别含有L0滤波电感、L1公用电感、L2谐振电感、L3谐振电感以及C1谐振电容、C2谐振电容；
所述高频隔离变压器与低压侧整流器之间接有L3C2谐振电路；对于A相，L0、L1和L2的一端共同接入到Ma端子，L0另一端接入到A相高压交流电源，L1另一端接到Na端子，L2另一端接到该相C1一端，C1另一端接到高频隔离变压器原边Pa端子，L3一端接到端子Ra,L3另一端接到该相C2一端，C2另一端接到高频隔离变压器副边Qa端子；对于B相，L0、L1和L2的一端共同接入到Mb端子，L0另一端接入到B相高压交流电源，L1另一端接到Nb端子，L2另一端接到该相C1一端，C1另一端接到高频隔离变压器原边Pb端子，L3一端接到端子Rb,L3另一端接到该相C2一端，C2另一端接到高频隔离变压器副边Qb端子；对于Xn相，n＝3,4,……,N；L0、L1和L2的一端共同接入到MXN端子，L0另一端接入到X相高压交流电源，L1另一端接到Nxn端子，L2另一端接到该相C1一端，C1另一端接到高频隔离变压器原边PXn端子，L3一端接到端子RX,L3另一端接到该相C2一端，C2另一端接到高频隔离变压器副边QXn端子；
所述高压侧变换器交流端分别为Ma、Mb、Mxn端子，所述高压侧变换器直流端分别为Hdcp、Hdcn端子；
所述高频隔离变压器原边端子分别为Pa、Pb、Pxn端子，所述高频隔离变压器副边端子分别为Qa、Qb、Qxn端子。
所述低压侧整流器交流端分别为Ra、Rb、Rxn端子，所述低压侧整流器直流端分别为Sp和Sn端子；低压侧结构经Sp和Sn端子与低压侧整流器相连；
所述高压侧变换器包括两电平变换器、三电平变换器和五电平变换器三种结构，所述两电平变换器包括2N个功率开关器件，1个电容，所述三电平变换器包括4N个功率开关器件，2N个钳位二极管，2个电容；所述五电平变换器包括8N个功率开关器件，6N个钳位二极管，4个电容；所述高压侧换流器，其交流端口同时输出低频电压、电流与高频电压、电流，高压交流电源侧、L0、L1和高压侧变换器之间构成低频电流流通通路，高压侧变换器、L1、L2、C1和高频隔离变压器之间构成高频电流流通通路，分别进行能量传输。
所述L1公用电感置为0时，此时L0单独作为低频滤波电感，L2单独作为高频隔离变压器原边谐振电感。
所述高频隔离变压器为双绕组变压器，所述高频隔离变压器原副边接线方式包括星/角接线、星/星接线、角/星接线和角/角接线四种方式。所述高频隔离变压器漏感可部分替代L2谐振电感。
所述低压侧结构具有四种结构，包括只具有直流端口的低压侧结构、具有直流端口和交流端口且低压交流侧为K相K线制逆变器的低压侧结构、具有直流端口和交流端口且低压交流侧为K相K+1线分裂电容式逆变器的低压侧结构、具有直流端口和交流端口且低压交流侧为K相K+1桥臂逆变器的低压侧结构；K为1以上的正整数。
所述含交流端口的低压侧结构的滤波器具有三种形式，包括L型滤波器、LC型滤波器和LCL型滤波器。
本发明的有益效果是本发明利用PWM基波与谐波电压、电流进行能量传输，实现高压整流环节和高频隔离环节所有开关器件的ZVS的电力电子变压器结构拓扑改进，该拓扑高压侧为电压源型换流VSC，可采用两电平、三电平或五电平变换器结构，提供高压交、直流端口和低压交、直流端口；所提拓扑变换级数少，功率密度高，其ZVS特性能够减少功率器件的开关损耗，提高效率。
附图说明
图1为一种高功率密度高效率的电力电子变压器新拓扑图。
图2为两电平VSC变换器拓扑图。
图3为三电平NPC变换器拓扑图。
图4为五电平NPC变换器拓扑图。
图5为星/角接线结构高频隔离变压器结构图。
图6为角/星接线结构高频隔离变压器结构图。
图7为星/星接线结构高频隔离变压器结构图。
图8为角/角接线结构高频隔离变压器结构图。
图9为只具有直流端口的低压侧结构拓扑图。
图10为具有直流端口和交流端口且低压交流侧为K相K线制逆变器的低压侧拓扑图。
图11为具有直流端口和交流端口且低压交流侧为K相K+1线分裂电容式逆变器的低压侧拓扑图。
图12为具有直流端口和交流端口且低压交流侧为K相K+1桥臂逆变器的低压侧拓扑图。
图13为实施案例1对应的一种高功率密度高效率的电力电子变压器新拓扑图。
图14为实施案例2对应的一种高功率密度高效率的电力电子变压器新拓扑图。
具体实施方式
本发明提供一种改进的高功率密度高效率的电力电子变压器拓扑结构，该拓扑结构是利用PWM基波与高频谐波进行混频能量传输以减少变换级数，通过实现输入级和隔离级的零电压开关ZVS，以提高电力电子变压器运行效率；其中，高压交流电源经L0滤波电感和L1公用电感与高压侧变换器交流端子相连，高压交流电源、L0滤波电感、L1公用电感和高压侧变换器交流端子组成低频电压电流双向传输通路。高压侧变换器通过L1公用电感、L2谐振电感、C1谐振电容与高频隔离变压器原边相连，高压侧变换器、L1公用电感、L2谐振电感、C1谐振电容与高频隔离变压器原边构成高频电压电流双向传输通路。高频隔离变压器副边经L3谐振电感、C2谐振电容与低压侧整流器交流端子相连，构成高频电压电流与直流能量双向转换通路。低压侧整流器直流侧连接低压侧结构，形成能量在高压侧与低压侧之间传递的完整通路。下面结合附图和实施例对本发明予以进一步说明。
如图1所示的一种高功率密度高效率的电力电子变压器改进的拓扑结构，由高压变流级、高频隔离变压器、低压侧整流器以及低压侧结构组成，
所述高频隔离变压器与低压侧整流器之间接有L3C2谐振电路；对于A相，L0、L1和L2的一端共同接入到Ma端子，L0另一端接入到A相高压交流电源，L1另一端接到Na端子，L2另一端接到该相C1一端，C1另一端接到高频隔离变压器原边Pa端子，L3一端接到端子Ra,L3另一端接到该相C2一端，C2另一端接到高频隔离变压器副边Qa端子；对于B相，L0、L1和L2的一端共同接入到Mb端子，L0另一端接入到B相高压交流电源，L1另一端接到Nb端子，L2另一端接到该相C1一端，C1另一端接到高频隔离变压器原边Pb端子，L3一端接到端子Rb,L3另一端接到该相C2一端，C2另一端接到高频隔离变压器副边Qb端子；对于Xn(n＝3,4,……,N)相，L0、L1和L2的一端共同接入到MXN端子，L0另一端接入到X相高压交流电源，L1另一端接到Nxn端子，L2另一端接到该相C1一端，C1另一端接到高频隔离变压器原边PXn端子，L3一端接到端子RX,L3另一端接到该相C2一端，C2另一端接到高频隔离变压器副边QXn端子；
所述高压侧变换器交流端分别为Ma、Mb、Mxn端子，所述高压侧变换器直流端分别为Hdcp、Hdcn端子；
所述高频隔离变压器原边端子分别为Pa、Pb、Pxn端子，所述高频隔离变压器副边端子分别为Qa、Qb、Qxn端子。
所述低压侧整流器交流端分别为Ra、Rb、Rxn端子，所述低压侧整流器直流端分别为Sp和Sn端子；低压侧结构经Sp和Sn端子与低压侧整流器相连；
所述高压侧变换器包括两电平变换器(如图2所示)、三电平变换器(如图3所示)和五电平变换器(如图4所示)三种结构，所述两电平变换器包括2N个功率开关器件，1个电容，所述三电平变换器包括4N个功率开关器件，2N个钳位二极管，2个电容；所述五电平变换器包括8N个功率开关器件，6N个钳位二极管，4个电容；所述高压侧换流器，其交流端口同时输出低频电压、电流与高频电压、电流，高压交流电源侧、L0、L1和高压侧变换器之间构成低频电流流通通路，高压侧变换器、L1、L2、C1和高频隔离变压器之间构成高频电流流通通路，分别进行能量传输。
所述L1公用电感置为0时，此时L0单独作为低频滤波电感，L2单独作为高频隔离变压器原边谐振电感。
所述高频隔离变压器为双绕组变压器，所述高频隔离变压器原副边接线方式包括星/角接线(如图5所示)、星/星接线(如图6所示)、角/星接线(如图7所示)和角/角接线(如图8所示)四种方式。所述高频隔离变压器漏感可部分替代L2谐振电感。
所述低压侧结构具有四种结构，包括只具有直流端口的低压侧结构、具有直流端口和交流端口且低压交流侧为K相K线制逆变器的低压侧结构(如图10所示)、具有直流端口和交流端口且低压交流侧为K相K+1线分裂电容式逆变器的低压侧结构(如图11所示)、具有直流端口和交流端口且低压交流侧为K相K+1桥臂逆变器的低压侧结构(如图12所示)；K为1以上的正整数。
所述含交流端口的低压侧结构的滤波器具有三种形式，包括L型滤波器、LC型滤波器和LCL型滤波器。
实施例1：
以如图1所示的一种高功率密度高效率的电力电子变压器新拓扑结构为基础，具有A、B、C三相，在其高压侧变换器部分采用如图3所示的三电平NPC结构，其L1公用电感不为0，L0滤波电感与L1公用电感共同组成滤波电感，提高电网电流波形质量，并阻断高频谐波注入电网的路径。L1公用电感、L2谐振电感与C1谐振电容形成高频谐振电路，为高频谐波在高压侧变换器与高频变压器原边之间的传递提供路径，并阻断低频电压电流与高频变压器原边之间的传输路径。在其高频隔离变压器部分采用如图4所示的星/角接线方式，在其低压侧结构采用如图12所示的具有直流端口和交流端口且低压交流侧为三相四桥臂逆变器的拓扑结构，低压交流测滤波器采用L型滤波器结构，形成的拓扑具体如图13所示。该拓扑具有高压交直流端口与低压交直流端口，能够实现能量在四个端口间双向流动。星/角型高频隔离变压器可降低原边电压应力与副边电流应力，能够降低功率开关器件选型标准。低压侧采用三相四桥臂逆变器结构，能够提高其带不平衡负载能力。
实施案例2：
以如图1所示的一种高功率密度高效率的电力电子变压器新拓扑结构为基础，具有A、B、C三相，在其高压侧变换器部分采用如图4所示的五电平NPC结构，其L1公用电感为0，此时L0单独作为低频滤波电感，L2单独作为高频隔离变压器原边谐振电感。在其高频隔离变压器部分采用如图4所示的星/角接线方式，在其低压侧结构采用如图9所示的只具有直流端口的低压侧拓扑结构，形成的拓扑具体如图14所示。该拓扑在功率器件同等耐压水平下，能够提高其高压侧电压接入等级。
本发明所述的高压侧变换器拓扑包括两电平变换器、三电平变换器和五电平变换器三种结构，所述L1公用电感可以为某一特定值，也可以为0，所述高频隔离变压器原副边接线方式包括星/角接线、星/星接线、角/星接线和角/角接线四种方式，所述低压侧结构具有四种形式，包括只具有直流端口的低压侧结构、具有直流端口和交流端口且低压交流侧为三相三线制逆变器的低压侧结构、具有直流端口和交流端口且低压交流侧为三相四线分裂电容式逆变器的低压侧结构、具有直流端口和交流端口且低压交流侧为三相四桥臂逆变器的低压侧结构，所述的低压交流测滤波器具有L型、LC型、LCL型三种结构；以上各部分结构的\可以任意组合。

Claims (2)

1.一种改进的高功率密度高效率的电力电子变压器拓扑结构，所述高功率密度高效率的电力电子变压器拓扑结构包括高压变流级、高频隔离变压器、低压侧整流器以及低压侧输出结构；
所述高压变流级结构为高压侧变换器，分别为A、B、X3、……、XN相，共有N相，N为1以上的正整数；每相分别含有L0滤波电感、L1公用电感、L2谐振电感、L3谐振电感以及C1谐振电容、C2谐振电容；
所述高频隔离变压器与低压侧整流器之间接有L3C2谐振电路；对于A相，L0、L1和L2的一端共同接入到Ma端子，L0另一端接入到A相高压交流电源，L1另一端接到Na端子，L2另一端接到该相C1一端，C1另一端接到高频隔离变压器原边Pa端子，L3一端接到端子Ra,L3另一端接到该相C2一端，C2另一端接到高频隔离变压器副边Qa端子；对于B相，L0、L1和L2的一端共同接入到Mb端子，L0另一端接入到B相高压交流电源，L1另一端接到Nb端子，L2另一端接到该相C1一端，C1另一端接到高频隔离变压器原边Pb端子，L3一端接到端子Rb,L3另一端接到该相C2一端，C2另一端接到高频隔离变压器副边Qb端子；对于Xn相，n＝3,4,……,N；L0、L1和L2的一端共同接入到MXN端子，L0另一端接入到X相高压交流电源，L1另一端接到Nxn端子，L2另一端接到该相C1一端，C1另一端接到高频隔离变压器原边PXn端子，L3一端接到端子RX,L3另一端接到该相C2一端，C2另一端接到高频隔离变压器副边QXn端子；所述高频隔离变压器原边端子分别为Pa、Pb、Pxn端子，所述高频隔离变压器副边端子分别为Qa、Qb、Qxn端子；其特征在于，所述高压侧变换器交流端分别为Ma、Mb、Mxn端子，所述高压侧变换器直流端分别为Hdcp、Hdcn端子；所述高压侧换流器，其交流端口同时输出低频电压、电流与高频电压、电流，高压交流电源侧、L0、L1和高压侧变换器之间构成低频电流流通通路，高压侧变换器、L1、L2、C1和高频隔离变压器之间构成高频电流流通通路，分别进行能量传输；并且利用PWM基波与高频谐波进行混频能量传输以减少变换级数，通过实现输入级和隔离级的零电压开关ZVS，以提高电力电子变压器运行效率。
2.根据权利要求1所述改进的高功率密度高效率的电力电子变压器拓扑结构，其特征在于，所述低压侧结构具有四种结构，包括只具有直流端口的低压侧结构、具有直流端口和交流端口且低压交流侧为K相K线制逆变器的低压侧结构、具有直流端口和交流端口且低压交流侧为K相K+1线分裂电容式逆变器的低压侧结构、具有直流端口和交流端口且低压交流侧为K相K+1桥臂逆变器的低压侧结构；K为1以上的正整数。
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