CN1411129A - 一种中高压电力变换方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种中高压电力变换方法为①将输入的中高压交流电变成N路交流；②将N路交流电转换成相同路数的高频交流电；③通过高频变压器对各路高频交流电进行升压或降压处理，再经过整流—逆变电路变换后叠加，输出所需频率和幅值的交流电。其装置包括结构对称并相同的输入变换级、输出变换级(均由N级相同的功率变换模块串联而成)和由N个高频变压器构成的中间隔离变压级，各功率变换模块的输出都经由高频变压器耦合到输出变换级。本发明利用电位叠加原理实现采用低压电力电子器件在中高压系统中的应用。通过中间交—直—交变换技术和中间高频变压器耦合，设计一种静态的电能变换装置，将输入的交流电变换为幅值、频率连续可调的电压输出。实现器件间的强制电压均衡和减小输出波形中的谐波成分。

Description

一种中高压电力变换方法和装置
技术领域
本发明涉及一种电力系统的电能变换技术，更确切地说是涉及一种中高压电力变换方法和装置。
背景技术
电能变换技术在电力系统的输、配电网络中具有十分重要的作用。随着电力电子技术的迅速发展，采用电力电子器件和变流技术实现电力系统中的能量变换变得越来越普遍。然而，受器件本身的耐压水平和容量的限制，电力电子变换技术在中高压电力系统中的应用非常有限。尽管近几年来，高压大功率电力电子器件的研究取得了很大进展，但其耐压水平和容量相对于中高压电力系统来说依然非常有限，不能满足系统电压等级的要求。另一方面，高压大功率电力电子器件成本很高，其开关频率较低，使得它在中高压系统中的应用还难以推广开来。
目前比较普遍采用的电力电子变流技术的拓扑结构主要有两种：一种是一体式变换方式，即将输入整体地进行改变，在一体式变换方式下，电力电子功率器件要承受高电压的作用，因为单只功率器件耐压水平的限制，为了满足电压和容量要求，需要多只进行串并联方能应用到高压电力系统中，由此将带来串并联器件间的电压和电流均衡问题，串并联的器件越多，这种均衡问题也越大。另一种是拓扑结构类似于专利号为95119585.9的专利中提出的如图1所示的利用电位叠加原理构成的变换方式。这种拓扑结构下，采用低压开关器件进行能量变换，再通过电位叠加满足中高电压等级的要求。为了切分电位，在输入侧配备一个具有一个初级绕组、多个次级绕组的电力变压器是必不可少的。因此，这种结构下的体积和环保问题比较突出。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能克服上述缺陷的中高压电力变换方法和装置，本发明可改善电能变换装置的性能，省掉体积庞大的输入变压器，同时使变换器部件模块化，降低装置的制造成本和减小对环境的污染。
为实现上述发明目的，一种中高压电力变换方法，采用如下步骤实现：
(1)将输入的中高压交流电变成N(N为自然数)路交流；
(2)将N路交流电转换成相同路数的高频交流电；
(3)通过高频变压器对各路高频交流电进行升压或者降压处理，再经过整流—逆变电路变换后进行叠加，输出所需频率和幅值的交流电。
实现上述方法的装置，包括输入单元、中间变换单元和输出单元三个部分，其特征在于：所述输入单元为输入变换级，输出单元为输出变换级，两者结构对称并相同，均由N级结构相同的功率变换模块串联而成，功率变换模块为由八只带反并联续流二极管的开关器件组成的单相交—直—交功率变换单元，功率变换单元的两只串联的电容中点与输入或输出级对应的串联电容器的中点相接，并与对应的高频变压器的初级绕组或次级绕组的中点相连；在输入变换级，每个功率变换模块的输入端的两个端线之间并接有串联连接的电容器，并各串联有电抗器，在输出变换级，每个功率变换模块的输出端的两个端线之间并接有串联连接的电容器，也各串接有电抗器；所述中间变换单元为中间隔离变压级，它由N个高频变压器构成，每个功率变换模块的输出都经由高频变压器耦合到输出变换级。
本发明利用电位叠加原理以实现采用低压电力电子器件在中高压系统中的应用。通过中间交—直—交变换技术和中间高频变压器耦合，设计一种静态的电能变换装置，将输入的交流电变换为幅值、频率连续可调的电压输出。并且可以实现器件间的强制电压均衡和减小输出波形中的谐波成分。具体而言，本发明具有以下特点：
(1)将输入交流电转换成幅值、频率连续可调的交流电输出。
(2)利用电位叠加原理，实现了采用低压功率器件在中高压电力系统中完成电能变换。
(3)采用低压器件，可以大大提高了装置的开关频率，从而使变换过程中和最终的波形输出中具有很小的谐波成分。
(4)不需要使用体积庞大的电力变压器，减小了整个装置的体积和造价，以及装置对环境的污染。
(5)可以实现功率双向流动，使装置的应用范围更为广泛。
(6)在这种拓扑结构下，可以通过优化控制策略尽量减小输出谐波。
具体实施方式
本发明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能变换。中高压电力变换方法，采用如下步骤实现：
(1)利用串联分压原理，将输入的中高压交流电加载在串联连接的N个变换模块上，从而使各变换模块都只均匀地承担较低电压，并实现简单的电压切分，即将输入的中高压交流电变成N路交流；
(2)将N路交流电转换成相同路数的高频交流电；
(3)通过高频变压器对各路高频交流电进行适当的升压或者降压处理，再经过整流—逆变电路变换后进行叠加，输出所需的频率和幅值的交流电。通过对逆变部分的调节控制，实现输出频率和电压的调节。
图2所示的是本发明的中高压电力变换装置的一种原理结构图，基本可分割为输入变换级1、中间隔离变压级2和输出变换级3三个部分：
(1)输入变换级由N级结构相同的功率变换模块4串联而成，所需的串联模块的级数由实际应用系统中的电压等级和模块器件的耐压等级共同决定。
(2)每个功率变换模块的输出都经由一个高频变压器7耦合到输出变换级。
(3)输出变换级的结构与输入变换级的对称，由N级与输入变换级结构相同的功率变换模块4’在输出端串联而成。
结合图2所示的拓扑结构，对本发明的结构进行更详细的说明。
在输入变换级，在每个功率变换模块的输入端的两个端线之间并接两个相同的串联连接的电容器5以实现输入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6起滤波作用。
在输出变换侧，在每个功率变换模块的输出端的两个端线之间也并接了两只相同的串联连接的电容器5’和串接了电抗器6’。
每个功率变换模块是由八只带反并联续流二极管的开关器件组成的单相交—直—交功率变换单元，功率变换单元的两只串联的电容中点与输入或输出级对应的串联电容器的中点相接，并与对应的高频变压器的初级绕组或次级绕组的中点相连，以利于更好地实现器件的均压。
本发明中，输入的交流电经可控整流电路后由逆变单元调制成为高频方波，经过高频变压器耦合到输出级。在这里，高频变压器按高频方波信号的频率进行设计。它的作用主要是进行输入、输出电位隔离和变压作用。因为变压器铁芯体积与工作频率成反比，所以高频变压器的体积和重量都很小。高频变压器的数量与输入或输出级串联模块的数量相同。每个高频变压器的原方绕组的中点都有一抽头与输入级相对应的变换模块的输入端的两个电容的中点相接，而其副方绕组的中点都有抽头与输出级相对应的变换模块的输出端的两个电容的中点相接。
下面对本发明具体实施举两个例子。
例1：2500kW，10kV大功率高压变频器
输入需要15级功率变换模块进行串联，每个模块由四个1200V/400A的两单元IGBT模块和两只串联着的dc-link电容组成。通过输入级，交流输入被调制成5～10kHz的高频信号，经过变比为1∶1.1的高频变压器耦合到输出级，再由输出级模块变换成所需频率和幅值的交流输出。输出级也由15级与输入级相同的模块串联组成。因为该结构为单相形式，所以要采用三套这种结构的变换器接成Y型或D型以完成三相交流电的变换。
10kV的交流输入加载在15个串联连接的交—直—交功率变换模块上，实现电压的切分，从而使每套功率模块均只承受较低电压。并将输入交流电转换成为15路中间高频交流电，为了补偿电路本身损耗产生的电压损失，将经过变比为1∶1.1高频变压器进行升压。升压后的15路高频交流电经过交—直—交可控变换后，在输出侧叠加，并通过控制交直交变换电路，实现变频。
例2：2000kVA，35kV/10kV的变压器
输入级需要15级功率变换模块进行串联，每个模块由四个3300V/100A的两单元IGBT模块和两只串联着的dc-link电容组成。通过输入级，交流输入被调制成5～10kHz的高频信号，经过高频变压器耦合到输出级，再由输出级模块变换成所需频率和幅值的交流输出。输出级也由15级功率变换模块串联组成，每个模块由四个1200V/400A的两单元IGBT模块和两只串联着的dc-link电容组成。因为该结构为单相形式，所以要采用三套这种结构的变换器接成Y型或D型以完成三相交流电的变换。
35kV的交流输入加载在15个串联连接的交—直—交功率变换模块上，实现电压的切分，从而使每套功率模块均只承受较低电压。并将输入交流电转换成为15路中间高频交流电，将经过适当变比的降压高频变压器进行降压。降压后的15路高频交流电经过交—直—交可控变换后，在输出侧叠加得到10kV交流电。
本发明并不局限于上述具体实施方式的说明的内容，本领域一般技术人员可从上述说明中可推出更多的实施方式。

Claims (4)

1.一种中高压电力变换方法，其特征在于，采用如下步骤实现：
(1)将输入的中高压交流电变成N(N为自然数)路交流；
(2)将N路交流电转换成相同路数的高频交流电；
(3)通过高频变压器对各路高频交流电进行升压或者降压处理，再经过整流—逆变电路变换后进行叠加，输出所需频率和幅值的交流电。
2.一种实现权利要求1所述方法的装置，包括输入单元、中间变换单元和输出单元三个部分，其特征在于：所述输入单元为输入变换级(1)，输出单元为输出变换级(3)，两者结构对称并相同，均由N级结构相同的功率变换模块(4，4’)串联而成，功率变换模块(4)为由八只带反并联续流二极管的开关器件组成的单相交—直—交功率变换单元，功率变换单元的两只串联的电容中点与输入或输出级对应的串联电容器的中点相接，并与对应的高频变压器的初级绕组或次级绕组的中点相连；在输入变换级，每个功率变换模块(4)的输入端的两个端线之间并接有串联连接的电容器(5)，并各串联有电抗器(6)，在输出变换级，每个功率变换模块(4’)的输出端的两个端线之间并接有串联连接的电容器(5’)，也各串接有电抗器(6’)；所述中间变换单元为中间隔离变压级(2)，它由N个高频变压器(7)构成，每个功率变换模块(4)的输出都经由高频变压器(7)耦合到输出变换级(3)。
3、根据权利要求2所述的装置，其特征在于：在输入变换级，每个功率变换模块(4)的输入端的两个端线之间并接的串联连接的电容器(5)为电容值相等的电容器，串联的电抗器(6)为电感值相等的电抗器。
4、根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于：在输出变换级，每个功率变换模块(4’)的输出端的两个端线之间并接的串联连接的电容器(5’)为电容值相等的电容器，串接的电抗器(6’)为电感值相等的电抗器。
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