CN114553046A - 基于单相变压器级联的三相交流变直流变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于单相变压器级联的三相交流变N相交流直接式交交变换器，包括三个单相变压器，六个级联直接式AC/AC斩波器及两个LC滤波器。级联直接式AC/AC斩波器包括一个或多个直接式AC/AC斩波器。本发明能够将三相交流输入电压变换为直流输出电压，并且输出直流电压的幅值和极性独立可控。本发明不含整流环节，拥有更好的输入电流质量，并且输入电流的相位是可调的，因此输入功率因数能够被控制。此外，本发明可实现能量的双向流动，能够将三相系统和直流系统构成互联。
Description
技术领域
本发明属于电能变换技术领域，具体涉及基于单相变压器级联的三相交流变直流变换器。
背景技术
随着能源短缺及环境污染程度不断加剧，新能源发电、电动汽车和家用储能等低碳技术应运而生，构建以新能源为主体地位的新型电力系统成为当今以及未来社会发展的主流方向。由于分布式能源不断渗透，电能形式逐渐趋于多样化，传统交流配电结构将面临巨大变革。能源互联网(energy internet，EI)作为能源体系的新模式，实现了能源与信息的深度融合，被视为未来电力系统的理想模型，因而得到了广泛的关注。
模块化多电平变换器(modular multilevel converter，MMC)最早由R.Marquardt教授于2001年提出。它由多个结构相同的子模块(Sub-module,SM)级联构成。子模块的结构可以分为半H桥型、全H桥型和双箝位型子模块型三种。MMC已经展现出极其重要的工程应用前景。基于MMC的柔性直流输电技术已广泛应用于张北±500kv四端直流电网，昆柳龙±800kv三端直流输电等多个直流工程，并取得了良好的运行效果。
随着工程应用的深入，以及大规模新能源尤其是远海风电经柔直并网需求的提出，MMC换流平台设备成本高，体积重量大的弊端逐渐凸显。此外MMC换流平台还需要高昂的维护成本，控制上的复杂也会导致稳定性和可靠性的下降。因此寻找一种能够将交流系统和直流系统进行互联的变换装置尤为重要。
发明内容
本发明的目的是提供基于单相变压器级联的三相交流变直流变换器，该变换器能够将三相交流输入电压变换为两个直流输出电压，并且输出电压的幅值和极性均独立可控。
本发明所采用的技术方案是，基于单相变压器级联的三相交流变直流变换器，包括三个单相多绕组变压器、六个级联直接式AC/AC斩波器、两个LC滤波器，三个单相变压器输入端分别连接交流输入电压U相、V相、W相中的其中一相，每个单相多绕组变压器多个次级绕组输出端均等连接两个级联直接式AC/AC斩波器输入端，U相对应的每个级联直接式AC/AC斩波器输出正极端口分别连接一个LC滤波器的电感端，U相对应的每个级联直接式AC/AC斩波器输出负极端口分别连接一个V相对应的两个级联直接式AC/AC斩波器输出正极端口，V相对应的每个级联直接式AC/AC斩波器输出负极端口分别连接一个W相对应的两个级联直接式AC/AC斩波器输出正极端口，W相对应的两个级联直接式AC/AC斩波器输出负极端口分别连接一个LC滤波器的电容端，且两个LC滤波器的电容端相互连接，两个LC滤波器的电容与电感连接的节点处分别连接一个直流输出电压端口。
本发明的特点还在于：
每个单相变压器包括一个口字型的铁芯柱，每个铁芯柱上缠绕连接一个初级绕组和多个次级绕组，每个初级绕组正极连接交流输入电压U相、V相、W相中的其中一相，三个初级绕组星接或角接，多个次级绕组的输出端平均连接在两个对应的级联直接式AC/AC斩波器的输入端。
每个级联直接式AC/AC斩波器包括多个直接式AC/AC斩波器，每个直接式AC/AC斩波器输入端连接一个次级绕组输出端，多个直接式AC/AC斩波器通过输出负极连接相邻直接式AC/AC斩波器输出正极的方式连接，首端直接式AC/AC斩波器输出正极作为级联直接式AC/AC斩波器正极端口，尾端直接式AC/AC斩波器输出负极作为级联直接式AC/AC斩波器负极端口。
级联直接式AC/AC斩波器为直接式AC/AC斩波器，每个直接式AC/AC斩波器输入端连接一个次级绕组输出端，直接式AC/AC斩波器输出正极作为级联直接式AC/AC斩波器正极端口，直接式AC/AC斩波器输出负极作为级联直接式AC/AC斩波器负极端口。
本发明益效果是：
(1)本发明可实现将三相交流输入变换为直流输出，并且输出电压的幅值和极性均独立可控。
(2)本发明可实现功率的双向流动，将三相系统和直流系统构成互联。
(3)本发明三相交流变直流变换器中不含整流环节，拥有更好的输入电流质量，并且输入电流的相位是可调的，因此输入功率因数能够被控制。
(4)本发明三相交流变直流变换器中不含直流电容，拥有更低的成本和体积，也不存在电容均压或电容启动问题，降低了控制系统的复杂程度。
附图说明
图1是本发明基于单相变压器级联的三相交流变直流变换器的结构示意图；
图2是本发明中级联直接式AC/AC斩波器的内部结构；
图3是本发明中单相变压器包括两个次级绕组时基于单相变压器级联的三相交流变直流变换器的拓扑结构；
图4是采用图3中结构输出的正负极性直流电压波形图。
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。
本发明基于单相变压器级联的三相交流变直流变换器，如图1所示，包括三个单相多绕组变压器、六个级联直接式AC/AC斩波器、两个LC滤波器，三个单相变压器输入端分别连接交流输入电压U相、V相、W相中的其中一相，每个单相多绕组变压器多个次级绕组输出端均等连接两个级联直接式AC/AC斩波器输入端，U相对应的每个级联直接式AC/AC斩波器输出正极端口分别连接一个LC滤波器的电感端，U相对应的每个级联直接式AC/AC斩波器输出负极端口分别连接一个V相对应的两个级联直接式AC/AC斩波器输出正极端口，V相对应的每个级联直接式AC/AC斩波器输出负极端口分别连接一个W相对应的两个级联直接式AC/AC斩波器输出正极端口，W相对应的两个级联直接式AC/AC斩波器输出负极端口分别连接一个LC滤波器的电容端，且两个LC滤波器的电容端相互连接，两个LC滤波器的电容与电感连接的节点处分别连接一个直流输出电压端口。
每个单相变压器包括一个口字型的铁芯柱，每个铁芯柱上缠绕连接一个初级绕组和多个次级绕组，初级绕组与次级绕组的匝数比相同，每个铁芯柱上次级绕组个数为偶数，每个初级绕组正极连接交流输入电压U相、V相、W相中的其中一相，三个初级绕组星接或角接，多个次级绕组的输出端平均连接在两个对应的级联直接式AC/AC斩波器的输入端。
每个级联直接式AC/AC斩波器的第一种方案如图2所示，包括多个直接式AC/AC斩波器，每个直接式AC/AC斩波器输入端连接一个次级绕组输出端，一个绕组给一个直接式AC/AC斩波器供电，多个直接式AC/AC斩波器通过输出负极连接相邻直接式AC/AC斩波器输出正极的方式连接，首端直接式AC/AC斩波器输出正极作为级联直接式AC/AC斩波器正极端口，尾端直接式AC/AC斩波器输出负极作为级联直接式AC/AC斩波器负极端口，图2中各个带有黑色实心圆点的线即为各个绕组的正极性线。绕组的正极性线和负极性线分别连接直接式AC/AC斩波器的输入正极和负极端口。各个直接式AC/AC斩波器的输出端进行串联连接，并构成该级联直接式AC/AC斩波器正极和负极输出二端口。
级联直接式AC/AC斩波器另一种技术方案为直接式AC/AC斩波器，每个直接式AC/AC斩波器输入端连接一个次级绕组输出端，直接式AC/AC斩波器输出正极作为级联直接式AC/AC斩波器正极端口，直接式AC/AC斩波器输出负极作为级联直接式AC/AC斩波器负极端口。
以三相交流变两个极性相反的直流为例进行具体说明，级联直接式AC/AC斩波器采用单个直接式AC/AC斩波器。此时本发明的整体结构如图3所示，包括三个单相变压器，六个直接式AC/AC斩波器和两个LC滤波器。每个单相变压器上连接一组绕组，每组绕组均包括一个初级绕组和两个次级绕组，每个初级绕组的正极性线分别连接交流输入电压U相、V相、W相中的其中一相。所有初级绕组的负极性线连接于一点G(初级绕组采用星接还是角接，星接时中性点悬空还是接地不做限制，根据使用场景而定，这里以星接且中性点悬空为例进行描述)。各个次级绕组均有两根线引出，带有黑色实心圆点的为正极性线，另一根为负极性线。各个直接式AC/AC斩波器的正极输入端口连接于其对应绕组的正极性线，负极输入端口连接于其对应绕组的负极性线。U相对应的直接式AC/AC斩波器为UZ、UV，V相对应的直接式AC/AC斩波器为VZ、VV，W相对应的直接式AC/AC斩波器为WZ、WV，U相对应的直接式AC/AC斩波器为UZ输出端口的负极和直接式AC/AC斩波器VZ输出端口的正极连接，直接式AC/AC斩波器VZ输出端口的负极和直接式AC/AC斩波器WZ输出端口的正极连接，直接式AC/AC斩波器UZ输出端口的正极和直接式AC/AC斩波器WZ输出端口的负极连接于输出一个LC滤波器的输入二端口，该LC滤波器的输出二端口构成正极性直流输出电压。直接式AC/AC斩波器UF端口的负极和直接式AC/AC斩波器VF出端口的正极连接，直接式AC/AC斩波器VF出端口的负极和直接式AC/AC斩波器WF出端口的正极连接，直接式AC/AC斩波器UF输出端口的正极和直接式AC/AC斩波器WF输出端口的负极连接于输出另一个LC滤波器的输入二端口，该LC滤波器的输出二端口构成负极性直流输出电压。两个LC滤波器输出二端口的负极连接于一点M，两个LC滤波器输出二端口的正极构成正负极性直流输出电压VOZ、和VOF。
两个LC滤波器均包括一端连接直接式AC/AC斩波器正极的电感，电感另一端连接电容一端，电容的另一端连接点M。
以图3所示结构为例进行数学推导。图4所示为级联直接式AC/AC斩波器采用单个直接式AC/AC斩波器。这里以正极性直流输出电压VOZ的合成原理为例进行说明，负极性直流输出电压与之对称相似。
设三相输入电压为式(1)，表达式为：
其中ω1为输入电压的角频率，Vin为输入电压的幅值。直接式AC/AC斩波器UZ采用调制波DU，直接式AC/AC斩波器VZ采用调制波DV，直接式AC/AC斩波器WZ采用调制波DW。调制波DU、DV、DW的为式(2)：
其中ω1为输入电压的角频率，VD为三个调制波的幅值，取值为0到1。ψ为调制波DU相对于输入U相电压的初相差。由于直接式AC/AC斩波器UZ、VZ、WZ的输出电压为串联关系，且每相各个绕组匝数比均相同，则输出电压VOA可表示为式(3)：
VZZ＝UU·DU+UV·DV+UW·DW (3)
将式(1)-(2)代入式(3)可得
由式(4)可见，通过本发明可以输出幅值和极性可控的直流电压，通过调节VD或角
即可实现对直流电压的幅值和极性控制。当角
大于90°小于270°时，输出负电压，当角
大于-90°小于90°时，输出正电压。
UOF的获得方法同UOZ，表达式为：
以变压器U相铁芯柱为例，分析谐波电流。直接式AC/AC斩波器UZ和UF的输入侧通过U相铁芯柱磁路进行耦合，耦合电流可由式(6)表示。
IU为U相输入电流表达式，IOZ为输出直流电流。可以看出耦合后的电流频率为ω1，与输入电压电流同频，因此本发明产生的电流与输入电压同频，避免对输入节点造成电流谐波污染。此外，可以看出IU的相位是可调的，因此本发明还可以调节输入功率因数。
图4展示了本发明输出的正负极性直流电压波形图。第一个栅格展示了输入三相电压UU，UV，UW的波形图。输入三相电压有效值为220V频率为50Hz。第二个栅格展示了输出正极性直流电压VOZ和负极性直流电压VOF的波形图，输出直流电压幅值为100V。
由图4可知本发明能够将三相交流输入电压变换为两个直流输出电压，并且输出电压的幅值和极性均独立可控。
通过上述方式，本发明基于单相变压器级联的三相交流变直流变换器，其特征在于包括三个单相变压器，六个级联直接式AC/AC斩波器及两个LC滤波器。级联直接式AC/AC斩波器包括一个或多个直接式AC/AC斩波器。本发明能够将三相交流输入电压变换为直流输出电压，并且输出直流电压的幅值和极性独立可控。本发明不含整流环节，拥有更好的输入电流质量，并且输入电流的相位是可调的，因此输入功率因数能够被控制。此外，本发明可实现能量的双向流动，能够将三相系统和直流系统构成互联。
Claims (4)
1.基于单相变压器级联的三相交流变直流变换器，其特征在于，包括三个单相多绕组变压器、六个级联直接式AC/AC斩波器、两个LC滤波器，三个所述单相变压器输入端分别连接交流输入电压U相、V相、W相中的其中一相，每个所述单相变压器输出端连接两个级联直接式AC/AC斩波器，U相对应的每个级联直接式AC/AC斩波器输出正极端口分别连接一个LC滤波器的电感端，U相对应的每个级联直接式AC/AC斩波器输出负极端口分别连接一个V相对应的两个级联直接式AC/AC斩波器输出正极端口，V相对应的每个级联直接式AC/AC斩波器输出负极端口分别连接一个W相对应的两个级联直接式AC/AC斩波器输出正极端口，W相对应的两个级联直接式AC/AC斩波器输出负极端口分别连接一个LC滤波器的电容端，且两个所述LC滤波器的电容端相互连接，两个所述LC滤波器的电容与电感连接的节点处分别连接一个直流输出电压端口。
2.根据权利要求1所述基于单相变压器级联的三相交流变直流变换器，其特征在于，每个所述单相变压器包括一个口字型的铁芯柱，每个铁芯柱上缠绕连接一个初级绕组和多个次级绕组，每个所述初级绕组正极连接交流输入电压U相、V相、W相中的其中一相，三个所述初级绕组负极星接或角接，多个次级绕组的输出端平均连接在两个对应的级联直接式AC/AC斩波器的输入端。
3.根据权利要求2所述基于单相变压器级联的三相交流变直流变换器，其特征在于，每个所述级联直接式AC/AC斩波器包括多个直接式AC/AC斩波器，每个所述直接式AC/AC斩波器输入端连接一个次级绕组，多个直接式AC/AC斩波器通过输出负极连接相邻直接式AC/AC斩波器输出正极的方式连接，首端直接式AC/AC斩波器输出正极作为级联直接式AC/AC斩波器正极端口，尾端直接式AC/AC斩波器输出负极作为级联直接式AC/AC斩波器负极端口。
4.根据权利要求2所述基于单相变压器级联的三相交流变直流变换器，其特征在于，所述级联直接式AC/AC斩波器为直接式AC/AC斩波器，每个所述直接式AC/AC斩波器输入端连接一个次级绕组，直接式AC/AC斩波器输出正极作为级联直接式AC/AC斩波器正极端口，直接式AC/AC斩波器输出负极作为级联直接式AC/AC斩波器负极端口。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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