CN1402421A - 电力电子变压器 - Google Patents

Abstract

一种电力电子变压器，涉及电力系统的电压变换装置，旨在简化回路结构，节省开关器件，解决功率双向流动和低压级均流问题。它包括1－4相，各相独立且结构相同，各依次由高压级、隔离级和低压级三级结构组成，高压级由2～30级相同的功率变换模块串联而成；隔离级包括高频调制/还原部分、高频变压器和还原/高频调制部分；低压级由一个功率变换模块构成，它可以实现功率的双向流动，开关器件数相对于国外方案减少三分之一，成本大为降低，隔离级靠低压级侧只使用了单个功率变换模块，解决了多模块并联带来的均流问题，高压级功率变换模块交流侧并接的串联电容器，可有效起到均压作用。

Description

电力电子变压器

技术领域

本发明涉及电力系统的电压变换装置，特别是配电系统中10KV及以下的电压变换装置。

背景技术

电力变压器是电力系统最基本的组成设备，在输电系统中起着十分重要的作用。目前，电力系统中的电压变换装置通常是采用铁芯浸油式电力变压器。它具有结构简单，可靠性高，制造成本低等优点。但是，它也存在以下一些缺点：

1.变压器体积大、重量重，变压器中使用的矿物油会带来环境问题，同时也不易维护；

2.不能维持变压器副方电压恒定。随着负载的增大，其副方电压将下降；

3.由于铁磁元件的非线性特征，当变压器铁芯出现磁饱和时，会造成系统中电压电流的波形畸变，产生谐波污染；

4.由于变压器副方电压波形和原方电压波形的紧密耦合以及原方电流决定于负载电流，因此电网侧和负荷侧的电能质量问题会相互传播；

5.对电压的调节和控制功能有限。

国外在十多年前首先提出了电力电子变压器的概念。最初是美国海军的一个研究计划，提出了一种由交流变交流的降压变换器构成的电力电子变压器；在这之后，在1995年由美国电力科学研究院赞助的一个研究项目也研制出了一种固态变压器。它们的基本原理是采用大功率电力电子变流技术来实现电力系统中的电压变换。它具有以下优点：

1.变压器体积小，重量轻，无环境污染，易维护；

2.变压器运行时可保持副方输出电压幅值和频率恒定，不随负载变化；

3.不论变压器副方电流或原方电压波形如何，始终保证原方电流和副方电压为正弦波形，并且原方电流与原方电压波形同相位，实现功率因数始终接近于1.0；

4.变压器具有高度可控性，可在有载条件下实现对副方电压幅值及频率的平滑调节；

5.电力电子变压器的控制特性将使其具有保护功能，可以不需要常规的变压器继电保护装置。

但是，由于当时大功率电力电子器件的发展水平还比较低，同时设计方案本身存在着缺陷，包括在变压器原副方之间缺少必要的隔离以及变压器本身会产生较大的谐波，因而这些研究成果都未能进入实用化。最近几年，国外在电力电子变压器的研究领域中出现了一些新的进展，在可用于实际输电系统的电力电子变压器的研究方面，提出了一些新的技术方案，并且已有方案在实验室样机上得到了实现。已有文献提出了由多个功率模块构成的设计方案，见Ronan，E.R.，Jr.；Sudhoff，S.D.；Glover，S.F.；Galloway，D.L.Application of power electronics to the distributiontransformer.Applied Power Electronics Conference and Exposition，2000。这种方案功率因数可调，可保证低压侧较好的电能质量；但是存在以下一些缺点：功率不能双向流动；主回路拓扑结构复杂，开关器件数过多；低压级并联存在均流问题；因此，不适用于高压大功率应用场合。

发明内容

本发明提出一种电力电子变压器，旨在简化回路结构，节省开关器件，解决功率双向流动和低压级均流问题。

本发明的一种电力电子变压器，包含1-4相，各相独立且结构相同，即各依次由高压级，隔离级和低压级三级结构组成，高压级由2～30级相同的功率变换模块串联而成，每一功率变换模块交流侧的两个端线之间并接两个相同的串联电容器、直流侧的两个端线之间亦并接两个相同的串联电容器，该两组串联电容器的中点相接；隔离级包括高频调制/还原部分，高频变压器和还原/高频调制部分；低压级由一个功率变换模块构成，其直流侧的两个端线与隔离级输出端线对应相接，其交流侧的两个端线之间并接两个相同的串联电容器，其特征在于：

隔离级靠高压级侧为高频调制/还原部分，由与高压级相同数量的功率变换模块组成，每个功率变换模块靠高压级侧的两个端线与对应高压级的功率变换模块的端线相接；隔离级靠低压级侧为还原/高频调制部分，由一个功率变换模块构成，其直流侧的两个端线间并接两个相同串联电容器；隔离级中间部分为高频变压器，其靠近高压级方由多个分离绕组构成，绕组数与高频调制/还原部分功率变换模块数量相同并与其相接，各绕组的中点有一抽头与对应高压级各功率变换模块的两组串联电容器的中点相接，高频变压器靠近低压级方为一个绕组，绕组与隔离级靠低压级侧的功率变换模块相接，绕组中点抽头与该侧功率变换模块直流侧两端线间并接的串联电容器中点相接并与低压级交流侧两端线间并接的串联电容器中点相接。

所述的电力电子变压器，高压级、隔离级和低压级的各功率变换模块均可以由四只带续流二极管的开关器件组成单相全控桥构成，高压级中每一级单相全控桥的交流侧两个端线上各串联一个相同的电抗器；低压级的单相全控桥交流侧两个端线中也各串联一个相同的电抗器。

所述的电力电子变压器，当其作为降压变压器使用时，高压级各功率变换模块可以是由四只整流二极管组成单相整流桥，其直流侧的上端线上串联一个电抗器，再在直流侧两个端线间并接一个开关器件，随后在直流侧的上端线上再串联一个二极管构成；隔离级和低压级各功率变换模块由四只带续流二极管的开关器件组成单相全控桥构成，低压级的单相全控桥交流侧两个端线中各串联一个相同的电抗器。

所述的电力电子变压器，当其作为升压变压器使用时，高压级和隔离级各功率变换模块均由四只带续流二极管的开关器件组成单相全控桥构成，高压级中每一级单相全控桥的交流侧两个端线上各串联一个相同的电抗器；低压级的功率变换模块是由四支整流二极管组成单相整流桥，在其直流侧的上端线上串联一个电抗器，再在直流侧的两个端线间并接一个开关器件，随后在直流侧的上端线上再串联一个二极管构成。

本发明的技术方案，除具有通常电力电子变压器的优点之外，相对于国外目前所提出的设计方案，还具有以下优点：

1.本电力电子变压器可以实现功率的双向流动，功率既可以从高压级流向低压级，即作为降压变压器使用，也可以从低压级流向高压级，即作为升压变压器使用。

2.在同样规桥下，本方案的开关器件数相对于国外方案减少1/3，成本大为降低。

3.本方案在高压级和低压级均可采用全控变换桥，可使得输入输出电流谐波大为减少。

4.本方案在隔离级靠低压级侧只使用了单个功率变换模块，解决了多模块并联所带来的均流问题。

5.本方案在高压级每一级单相全控桥的交流侧的两个端线之间并接了两个相同的串联电容器，可有效起到均压作用。

附图说明

图1表示本发明电力电子变压器一相的整体结构图。

图2表示本发明作为降压变压器使用时，高压级功率变换模块的一种备选方案。

图3表示本发明作为升压变压器使用时，低压级功率变换模块的备选方案。

具体实施方式

本电力电子变压器的各相独立且结构相同，其一相的整体结构图如图1所示，这是一种三级结构方案，包含高压级、隔离级和低压级。电力电子变压器的高压级可由2～30级相同的功率变换模块串联而成，串联模块的级数由高压侧的电压等级和器件耐压等级决定。每个功率变换模块的构成可由四只带续流二极管的开关器件组成单相全控桥，每一级单相全控桥的交流侧的两个端线之间并接两个相同的串联电容器以实现高压级电压在各级之间的均匀分配，同时在两个端线上各串联一个相同的电抗器，在单相全控桥直流侧的两个端线之间也并接两个相同的串联电容器，各个单相全控桥两端对应的两个电容器的中点相接。当电力电子变压器作为降压变压器使用时，每个功率模块的构成还可如图2所示，由四只整流二极管组成单相整流桥，每一级整流桥的交流侧的两个端线之间并接两个相同的串联电容器以实现高压级电压在各级之间的均匀分配，在单相整流桥的直流侧的上端线上串联一个电抗器，接着在两个端线间并接一个开关器件，随后在直流侧的上端线上再串联一个二极管，这样，就构成了一个升压变换器，起到功率因数校正和谐波抑制的作用，最后两个直流侧的端线之间并接两个相同的串联电容器，各个单相整流桥两端对应的两个电容器的中点相接。

电力电子变压器的隔离级可分为三个部分，分别为高频调制/还原部分，高频变压器，还原/高频调制部分，高频调制部分将输入的直流电压转换为5～10k赫兹高频方波信号，还原部分则将高频方波信号被还原为直流电压信号。高频变压器按高频方波信号的频率进行设计，它有两个作用：高低压电位隔离作用以及变压作用。由于变压器铁芯体积与其工作频率成反比，因此，高频变压器的体积和重量都很小。电力电子变压器隔离级靠高压级侧部分由与高压级数量相同数量的模块组成，每个模块均为由四只带续流二极管的开关器件组成的单相全控桥，各个模块靠高压级侧的两个端线与对应高压级模块的端线相接；隔离级靠低压级侧部分由一个功率模块构成，也是由四只带续流二极管的开关器件组成的单相全控桥，该单相全控桥直流侧的两个端线间并接两个相同的串联电容器；隔离级中间部分是一个高频变压器，该高频变压器靠近高压级方由多个分离绕组构成，绕组数与高压级模块数量相同，各绕组的中点有一抽头与对应高压级各模块的两个电容器的中点相接。高频变压器靠近低压级方为一个绕组，绕组的中点有一抽头与隔离级靠低压级的两个电容器的中点相接。

电力电子变压器的低压级由一个功率变换模块构成，由四只带续流二极管的开关器件组成单相全控桥，单相全控桥直流侧的两条端线与隔离级靠低压级侧端线对应相接，单相全控桥交流侧的两个端线中各串联一个电抗器，并且在两个端线之间并接两个相同的串联电容器，这两个电容器的中点与隔离级模块的两个电容器的中点相接。当电力电子变压器作为升压变压器使用时，功率模块的构成还可如图3所示，由四只整流二极管组成单相整流桥，在单相整流桥的直流侧的上端线上串联一个电抗器，接着在两个端线间并接一个开关器件，随后在直流侧的上端线上再串联一个二极管，即构成了一个升压变换器，起到功率因数校正和谐波抑制的作用，单相整流桥交流侧的两个端线之间并接两个相同的串联电容器，这两个电容器的中点与隔离级模块的两个电容器的中点相接。

下面，对本发明的具体实施方式举两个例子进行说明。

例一：100kVA，6300V/380V，降压变压器，

变压器每相高压级由12级功率变换模块组成，每个模块由两个1200V/105A的两单元IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)模块构成；隔离级靠高压级侧部分为高频调制部分，也由相应级数的功率变换模块组成，每个模块同样由两个1200V/105A的两单元IGBT模块构成，通过这一级，直流电压被调制成为6k赫兹的高频方波；每相高频变压器按40kVA，开关频率6k赫兹设计，隔离级靠低压级侧部分为还原部分，由四个1200V/400A的一单元IGBT模块构成，通过这一级，高频方波被还原为直流电压；低压级模块也由四个1200V/400A的一单元IGBT模块构成。

例二：100kVA，380V/10000V，升压变压器

变压器每相低压级模块由四个1200V/400A的一单元IGBT模块构成。隔离级靠低压级侧部分为高频调制部分，由四个1200V/400A的一单元IGBT模块构成，通过这一级，直流电压被调制成为5k赫兹的高频方波；每相高频变压器按40kVA，开关频率5k赫兹设计，隔离级靠高压级侧部分为还原部分，也由相应级数的功率变换模块组成，每个模块同样由两个1200V/105A的两单元IGBT模块构成，通过这一级，高频方波被还原为直流电压；变压器每相高压级由18级功率变换模块组成，每个模块由两个1200V/10SA的两单元1GBT模块构成。

Claims (4)

1.一种电力电子变压器，包含1-4相，各相独立且结构相同，即各依次由高压级，隔离级和低压级三级结构组成，高压级由2～30级相同的功率变换模块串联而成，每一功率变换模块交流侧的两个端线之间并接两个相同的串联电容器、直流侧的两个端线之间亦并接两个相同的串联电容器，该两组串联电容器的中点相接；隔离级包括高频调制/还原部分，高频变压器和还原/高频调制部分；低压级由一个功率变换模块构成，其直流侧的两个端线与隔离级输出端线对应相接，其交流侧的两个端线之间并接两个相同的串联电容器，其特征在于：隔离级靠高压级侧为高频调制/还原部分，由与高压级相同数量的功率变换模块组成，每个功率变换模块靠高压级侧的两个端线与对应高压级的功率变换模块的端线相接；隔离级靠低压级侧为还原/高频调制部分，由一个功率变换模块构成，其直流侧的两个端线间并接两个相同串联电容器；隔离级中间部分为高频变压器，其靠近高压级方由多个分离绕组构成，绕组数与高频调制/还原部分功率变换模块数量相同并与其相接，各绕组的中点有一抽头与对应高压级各功率变换模块的两组串联电容器的中点相接，高频变压器靠近低压级方为一个绕组，绕组与隔离级靠低压级侧的功率变换模块相接，绕组中点抽头与该侧功率变换模块直流侧两端线间并接的串联电容器中点相接并与低压级交流侧两端线间并接的串联电容器中点相接。

2.如权利要求1所述的电力电子变压器，其特征在于高压级、隔离级和低压级的各功率变换模块均由四只带续流二极管的开关器件组成单相全控桥构成，高压级中每一级单相全控桥的交流侧两个端线上各串联一个相同的电抗器；低压级的单相全控桥交流侧两个端线中也各串联一个相同的电抗器。

3.如权利要求1所述的电力电子变压器，其特征在于当其作为降压变压器使用时，高压级各功率变换模块是由四只整流二极管组成单相整流桥，其直流侧的上端线上串联一个电抗器，再在直流侧两个端线间并接一个开关器件，随后在直流侧的上端线上再串联一个二极管构成；隔离级和低压级各功率变换模块由四只带续流二极管的开关器件组成单相全控桥构成，低压级的单相全控桥交流侧两个端线中各串联一个相同的电抗器。

4.如权利要求1所述的电力电子变压器，其特征在于当其作为升压变压器使用时，高压级和隔离级各功率变换模块均由四只带续流二极管的开关器件组成的单相全控桥构成，高压级中每一级单相全控桥的交流侧两个端线上各串联一个相同的电抗器；低压级的功率变换模块是由四支整流二极管组成单相整流桥，在其直流侧的上端线上串联一个电抗器，再在直流侧的两个端线间并接一个开关器件，随后在直流侧的上端线上再串联一个二极管构成。

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