CN110492765A - 一种电容隔离型三相电力电子变压器 - Google Patents

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Abstract

一种电容隔离型三相电力电子变压器，由三相滤波电感L、三相级联型变流器、三相无极性高隔离电容器C、无极性高隔离电容器Cn、三相高频电感Lr和一个三相四线制变流器构成。正常运行过程中，所述的三相级联型变流器输出电压由两部分组成：uCHB_j＝ufun_j+uHFS_j，j＝A，B或C，表示三相相序。其中，ufun_j为三相级联型变流器双闭环控制输出电压，三相ufun_j相位互差120°，uHFS_j为占空比为50％的方波电压，三相uHFS_j频率与相位均相同。所述的三相四线制变流器的交流端口也输出占空比为50％的方波电压，该方波电压频率与相位均与uHFS_j相同。本发明采用高频电容器实现电力电子变压器高、低压侧隔离，电能变换级数少。

Description

一种电容隔离型三相电力电子变压器
技术领域
本发明涉及一种适用于交直流混合配电网的电容隔离型三相电力电子变压器。
背景技术
随着化石能源紧缺和环境污染问题日益突出，分布式新能源发电系统与储能装置所占比例正在呈现逐年上升趋势，未来配电网也向着“源-网-荷-储”一体化和协调化方向发展。特别是能源互联网概念的提出和智能电网相关技术推广应用，电网需要具备高度可控性和稳定性，同时向用户提供优质的电能。传统交流配电网存在的可控性差、调节精度低等缺点难以满足配电网智能化的需求。另一方面，风能、光伏等可再生能源发电系统以及储能设备均以直流作为电能变换的中间环节，接入现有交流电网需要在前端设置逆变器，电能变换级数多，系统效率低。所以，未来配电网需要同时提供交、直流连接端口，以满足不同设备的接入需求，优化现有配电网结构。因此，交、直流混合配电网是未来智能电网发展的趋势之一。
为了满足可再生能源发电系统和储能装置的直流接入需求，同时提高配电网的可控性和稳定性，电力电子变压器应运而生。电力电子变压器一般是指采用电力电子变换装置和高频变压器实现的具备交直流电压变换以及故障隔离的新型电力电子设备，是未来智能配电网的核心设备之一。因此，能够减少半导体开关器件、储能元件数量以及电能变换级数的电力电子变压器拓扑，在降低其成本的基础上提高运行效率，是电力电子变压器未来的发展方向。
为解决以上问题，相关文献与专利分别提出了不同的解决方案。在《IEEE Journalof Emerging and Selected Topics in Power Electronics》2013年第1卷第3期186-198页刊登的《Review of solid-state transformer technologies and their applicationin power distribution systems》总结了现有电力电子变压器的拓扑形式，无论是基于矩阵变换器、级联H桥还是模块化多电平变流器的电力电子变压器，现有电力电子变压器均采用高频变压器隔离，存在半导体开关器件、储能元件以及高频变压器数量多、体积大以及电能变换级数多等缺点。中国专利CN201310016540、CN201711082371、CN201710079402和CN201811171060均提出了不同类型的电力电子变压器拓扑，但这些拓扑均采用高频变压器实现电力电子变压器高、低压侧隔离，而且存在高频变压器和储能元件数量多，导致现有的电力电子变压器体积庞大，功率密度低的缺点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术缺点，提出一种电容隔离型三相电力电子变压器。本发明不仅能够解决现有电力电子变压器普遍采用的高频变压器隔离方案高频变压器数量多、体积大的问题，还能够克服现有电力电子变压器拓扑结构复杂、电能变换级数多及半导体开关器件和储能元件数量多等缺点。
本发明电容隔离型三相电力电子变压器，由三相滤波电感L、三相级联型变流器、三相无极性高隔离电容器C、无极性高隔离电容器Cn、三相高频电感Lr和一个三相四线制变流器组成；所述的电容隔离型三相电力电子变压器的电网侧连接端子A、B和C连接至三相滤波电感L的一端，三相滤波电感L的另一端连接至三相级联型变流器的连接端子a1、b1和c1，三相级联型变流器的连接端子a1、b1和c1连接至三相无极性高隔离电容器C的一端，三相无极性高隔离电容器C的另一端连接至三相高频电感Lr的一端，三相高频电感Lr的另一端连接至三相四线制变流器的连接端子a2、b2和c2，三相级联型变流器星接点N连接至无极性高隔离电容器Cn的一端，无极性高隔离电容器Cn的另一端连接至三相四线制变流器连接端子n。
所述的三相级联型变流器由三个级联型变流器构成，每个级联型变流器由m个功率模块SM1、SM2、…、SMm级联构成，m为正整数；所述三相级联型变流器第k个功率模块SMk的连接端子T1与第k-1个功率模块SMk-1的连接端子T2连接，第k个功率模块SMk的连接端子T2与第k+1个功率模块SMk+1的连接端子T1连接，2≤k≤m-1，k为正整数。
所述级联型变流器的功率模块包含第一半导体开关Q1、第二半导体开关Q2、第三半导体开关Q3、第四半导体开关Q4、直流电容Csm以及T1和T2两个连接端子；连接端子T1分别连接至第一半导体开关Q1的一端和第二半导体开关Q2的一端，第一半导体开关Q1的另一端连接至直流电容Csm的正极，第二半导体开关Q2的另一端连接至直流电容Csm的负极；连接端子T2分别连接至第三半导体开关Q3的一端和第四半导体开关Q4的一端，第三半导体开关Q3的另一端连接至直流电容Csm的正极，第四半导体开关Q4的另一端连接至直流电容Csm的负极。
所述的三相四线制变流器包含第一半导体开关S1、第二半导体开关S2、第三半导体开关S3、第四半导体开关S4、第五半导体开关S5、第六半导体开关S6、第七半导体开关S7、第八半导体开关S8以及直流电容Cdc；连接端子a2分别连接至第一半导体开关S1的一端和第二半导体开关S2的一端，第一半导体开关S1的另一端连接至直流电容Cdc的正极，第二半导体开关S2的另一端连接至直流电容Cdc的负极；连接端子b2分别连接至第三半导体开关S3的一端和第四半导体开关S4的一端，第三半导体开关S3的另一端连接至直流电容Cdc的正极，第四半导体开关S4的另一端连接至直流电容Cdc的负极；连接端子c2分别连接至第五半导体开关S5的一端和第六半导体开关S6的一端，第五半导体开关S5的另一端连接至直流电容Cdc的正极，第六半导体开关S6的另一端连接至直流电容Cdc的负极；连接端子n分别连接至第七半导体开关S7的一端和第八半导体开关S8的一端，第七半导体开关S7的另一端连接至直流电容Cdc的正极，第八半导体开关S8的另一端连接至直流电容Cdc的负极。
对本发明的电容隔离型三相电力电子变压器控制方法如下：
正常运行过程中，所述的三相级联型变流器的输出电压由两部分组成：uCHB_j＝ufun_j+uHFS_j，j＝A、B、C，表示三相相序；其中，ufun_j为三相级联型变流器双闭环控制输出电压，三相电压ufun_A、ufun_B和ufun_C相位互差120°，uHFS_j为占空比为50％的高频方波电压，三相电压uHFS_A、uHFS_B和uHFS_C频率与相位均相同。
所述的电容隔离型三相电力电子变压器采用双闭环控制方法，外环为所有功率模块电容电压之和控制环，内环为三相电网交流电流控制环，内环有功电流参考值幅值为外环电压环的输出，内环无功电流参考值是根据电网所需无功功率直接给定。
当高频方波电压uHFS_j为正时，所述的三相四线制变流器的第一半导体开关S1、第三半导体开关S3、第五半导体开关S5和第八半导体开关S8导通，第二半导体开关S2、第四半导体开关S4、第六半导体开关S6和第七半导体开关S7关断；当高频方波电压uHFS_j为负时，所述的三相四线制变流器第二半导体开关S2、第四半导体开关S4、第六半导体开关S6和第七半导体开关S7导通，第一半导体开关S1、第三半导体开关S3、第五半导体开关S5和第八半导体开关S8关断。
附图说明
图1为本发明电容隔离型三相电力电子变压器；
图2a为本发明电容隔离型三相电力电子变压器交流电压波形；图2b为本发明电容隔离型三相电力电子变压器直流电压波形；图2c为本发明电容隔离型三相电力电子变压器高频方波电压与高频电流波形。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
图1为本发明电容隔离型三相电力电子变压器。如图1所示，本发明电容隔离型三相电力电子变压器由三相滤波电感L、三相级联型变流器、三相无极性高隔离电容器C、无极性高隔离电容器Cn、三相高频电感Lr和一个三相四线制变流器组成；所述的电容隔离型三相电力电子变压器的电网侧连接端子A、B和C连接至三相滤波电感L的一端，三相滤波电感L的另一端连接至三相级联型变流器的连接端子a1、b1和c1，三相级联型变流器的连接端子a1、b1和c1连接至三相无极性高隔离电容器C的一端，三相无极性高隔离电容器C的另一端连接至三相高频电感Lr的一端，三相高频电感Lr的另一端连接至三相四线制变流器的连接端子a2、b2和c2，三相级联型变流器星接点N连接至无极性高隔离电容器Cn的一端，无极性高隔离电容器Cn的另一端连接至三相四线制变流器连接端子n。
所述的三相级联型变流器由三个级联型变流器构成，每个级联型变流器由m个功率模块SM1、SM2、…、SMm级联构成，m为正整数；所述三相级联型变流器第k个功率模块SMk的连接端子T1与第k-1个功率模块SMk-1的连接端子T2连接，第k个功率模块SMk的连接端子T2与第k+1个功率模块SMk+1的连接端子T1连接，2≤k≤m-1，k为正整数。
所述级联型变流器的功率模块包含第一半导体开关Q1、第二半导体开关Q2、第三半导体开关Q3、第四半导体开关Q4、直流电容Csm以及T1和T2两个连接端子；连接端子T1分别连接至第一半导体开关Q1的一段和第二半导体开关Q2的一端，第一半导体开关Q1的另一端连接至直流电容Csm的正极，第二半导体开关Q2的另一端连接至直流电容Csm的负极；连接端子T2分别连接至第三半导体开关Q3的一端和第四半导体开关Q4的一端，第三半导体开关Q3的另一端连接至直流电容Csm的正极，第四半导体开关Q4的另一端连接至直流电容Csm的负极。
所述的三相四线制变流器包含第一半导体开关S1、第二半导体开关S2、第三半导体开关S3、第四半导体开关S4、第五半导体开关S5、第六半导体开关S6、第七半导体开关S7、第八半导体开关S8以及直流电容Cdc；连接端子a2分别连接至第一半导体开关S1的一端和第二半导体开关S2的一端，第一半导体开关S1的另一端连接至直流电容Cdc的正极，第二半导体开关S2的另一端连接至直流电容Cdc的负极；连接端子b2分别连接至第三半导体开关S3的一端和第四半导体开关S4的一端，第三半导体开关S3的另一端连接至直流电容Cdc的正极，第四半导体开关S4的另一端连接至直流电容Cdc的负极；连接端子c2分别连接至第五半导体开关S5的一端和第六半导体开关S6的一端，第五半导体开关S5的另一端连接至直流电容Cdc的正极，第六半导体开关S6的另一端连接至直流电容Cdc的负极；连接端子n分别连接至第七半导体开关S7的一端和第八半导体开关S8的一端，第七半导体开关S7的另一端连接至直流电容Cdc的正极，第八半导体开关S8的另一端连接至直流电容Cdc的负极。
本发明一个实施例的电容隔离型三相电力电子变压器参数如下：
对本发明电容隔离型三相电力电子变压器控制方法如下：
正常运行过程中，所述的三相级联型变流器的输出电压由两部分组成：uCHB_j＝ufun_j+uHFS_j，j＝A、B、C，表示三相相序；其中，ufun_j为三相级联型变流器双闭环控制输出电压，三相电压ufun_A、ufun_B和ufun_C相位互差120°，uHFS_j为占空比为50％的高频方波电压，三相电压uHFS_A、uHFS_B和uHFS_C频率与相位均相同。
所述的电容隔离型三相电力电子变压器采用双闭环控制方法，外环为所有功率模块电容电压之和控制环，内环为三相电网交流电流控制环，内环有功电流参考值幅值为外环电压环的输出，内环无功电流参考值是根据电网所需无功功率直接给定。
当高频方波电压uHFS_j为正时，所述的三相四线制变流器的第一半导体开关S1、第三半导体开关S3、第五半导体开关S5和第八半导体开关S8导通，第二半导体开关S2、第四半导体开关S4、第六半导体开关S6和第七半导体开关S7关断；当高频方波电压uHFS_j为负时，所述的三相四线制变流器第二半导体开关S2、第四半导体开关S4、第六半导体开关S6和第七半导体开关S7导通，第一半导体开关S1、第三半导体开关S3、第五半导体开关S5和第八半导体开关S8关断。
图2a为本发明电容隔离型三相电力电子变压器交流电压波形；图2b为本发明电容隔离型三相电力电子变压器直流电压波形；图2c为本发明电容隔离型三相电力电子变压器高频方波电压与高频电流波形。如图2a和图2b所示，电容隔离型三相电力电子变压器直流电压恒定，电网侧三相电流对称，如图2c所示，高频方波电压与高频电流相位基本相同，即三相四线制变流器所有半导体开关器件均处于软开关状态。因此，本发明电容隔离型三相电力电子变压器在实现电压变换以及具备隔离功能的基础上，能够减少电能变换级数，减少半导体开关器件和储能元件数量，降低电力电子变压器成本的同时提高了功率密度。

Claims (7)

1.一种电容隔离型三相电力电子变压器，其特征在于，所述的电容隔离型三相电力电子变压器由三相滤波电感L、三相级联型变流器、三相无极性高隔离电容器C、无极性高隔离电容器Cn、三相高频电感Lr和一个三相四线制变流器组成；所述的电容隔离型三相电力电子变压器的电网侧连接端子A、B和C连接至三相滤波电感L的一端，三相滤波电感L的另一端连接至三相级联型变流器的连接端子a1、b1和c1，三相级联型变流器的连接端子a1、b1和c1连接至三相无极性高隔离电容器C的一端，三相无极性高隔离电容器C的另一端连接至三相高频电感Lr的一端，三相高频电感Lr的另一端连接至三相四线制变流器的连接端子a2、b2和c2，三相级联型变流器星接点N连接至无极性高隔离电容器Cn的一端，无极性高隔离电容器Cn的另一端连接至三相四线制变流器连接端子n。
2.如权利要求1所述的电容隔离型三相电力电子变压器，其特征在于，所述的三相级联型变流器由三个级联型变流器构成，每个级联型变流器由m个功率模块SM1、SM2、…、SMm级联构成，m为正整数；所述三相级联型变流器第k个功率模块SMk的连接端子T1与第k-1个功率模块SMk-1的连接端子T2连接，第k个功率模块SMk的连接端子T2与第k+1个功率模块SMk+1的连接端子T1连接，2≤k≤m-1，k为正整数。
3.如权利要求2所述的电容隔离型三相电力电子变压器，其特征在于，所述的功率模块包含第一半导体开关Q1、第二半导体开关Q2、第三半导体开关Q3、第四半导体开关Q4、直流电容Csm及T1和T2两个连接端子；连接端子T1分别连接至第一半导体开关Q1的一端和第二半导体开关Q2的一端，第一半导体开关Q1的另一端连接至直流电容Csm的正极，第二半导体开关Q2的另一端连接至直流电容Csm的负极；连接端子T2分别连接至第三半导体开关Q3的一端和第四半导体开关Q4的一端，第三半导体开关Q3的另一端连接至直流电容Csm的正极，第四半导体开关Q4的另一端连接至直流电容Csm的负极。
4.如权利要求1所述的电容隔离型三相电力电子变压器，其特征在于，所述的三相四线制变流器包含第一半导体开关S1、第二半导体开关S2、第三半导体开关S3、第四半导体开关S4、第五半导体开关S5、第六半导体开关S6、第七半导体开关S7、第八半导体开关S8，以及直流电容Cdc；连接端子a2分别连接至第一半导体开关S1的一端和第二半导体开关S2的一端，第一半导体开关S1的另一端连接至直流电容Cdc的正极，第二半导体开关S2的另一端连接至直流电容Cdc的负极；连接端子b2分别连接至第三半导体开关S3的一端和第四半导体开关S4的一端，第三半导体开关S3的另一端连接至直流电容Cdc的正极，第四半导体开关S4的另一端连接至直流电容Cdc的负极；连接端子c2分别连接至第五半导体开关S5的一端和第六半导体开关S6的一端，第五半导体开关S5的另一端连接至直流电容Cdc的正极，第六半导体开关S6的另一端连接至直流电容Cdc的负极；连接端子n分别连接至第七半导体开关S7的一端和第八半导体开关S8的一端，第七半导体开关S7的另一端连接至直流电容Cdc的正极，第八半导体开关S8的另一端连接至直流电容Cdc的负极。
5.如权利要求2述的电容隔离型三相电力电子变压器，其特征在于，正常运行过程中，所述的三相级联型变流器的输出电压由两部分组成：uCHB_j＝ufun_j+uHFS_j，j＝A、B、C，表示三相相序；其中，ufun_j为三相级联型变流器双闭环控制输出电压，三相电压ufun_A、ufun_B和ufun_C相位互差120°，uHFS_j为占空比为50％的高频方波电压，三相电压uHFS_A、uHFS_B和uHFS_C频率与相位均相同。
6.如权利要求1或2或4所述的电容隔离型三相电力电子变压器，其特征在于，所述的电容隔离型三相电力电子变压器采用双闭环控制方法，外环为所有功率模块电容电压之和控制环，内环为三相电网交流电流控制环，内环有功电流参考值幅值为外环电压环的输出，内环无功电流参考值是根据电网所需无功功率直接给定。
7.如权利要求4或6所述的电容隔离型三相电力电子变压器，其特征在于，当高频方波电压uHFS_j为正时，所述的三相四线制变流器的第一半导体开关S1、第三半导体开关S3、第五半导体开关S5和第八半导体开关S8导通，第二半导体开关S2、第四半导体开关S4、第六半导体开关S6和第七半导体开关S7关断；当高频方波电压uHFS_j为负时，所述的三相四线制变流器第二半导体开关S2、第四半导体开关S4、第六半导体开关S6和第七半导体开关S7导通，第一半导体开关S1、第三半导体开关S3、第五半导体开关S5和第八半导体开关S8关断。
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