CN201623653U - 一种模块化的电力电子变压器 - Google Patents

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Abstract

一种模块化电力电子变压器，涉及电力系统的电力变换器装置，旨在解决电力电子变压器成本高、结构不紧凑、不方便维护、可靠性差和扩容困难等问题。该装置采用模块化紧凑设计，包括多相输入，各相独立且结构相同，它由高压级、隔离级和低压级三级组成，每一级功率模块的数量和接入方式都是根据整机的功率等级、电压等级和现场供电需求进行灵活配置，达到成本和效率最优。本实用新型所述的模块化结构中的模块全部采用标准化组件，通用性极强，可以很好的解决电力电子变压器成本高、结构不紧凑、维护扩容困难等问题；且由于采用模块化设计，功率模块间的连线大大减少，减小了功率回路的寄生参数，提高了装置的可靠性，对加速电力电子变压器的市场化进程具有重要意义。

Description

一种模块化的电力电子变压器
技术领域
本实用新型涉及电力系统的电能变换装置，具体涉及一种模块化的电力电子变压器。
背景技术
国外对电力电子变压器的研究较早，在十多年前就提出了电力电子变压器的概念，先后有多家公司和多所高校提出了不同的电力电子变压器拓扑和相关的控制算法，对AC/AC型和AC/DC/AC型电力电子变压器进行了理论分析和实验室样机制作，但限于大功率电力电子器件的发展水平和相关设计方案的缺陷，上述理论研究成果和实验方案都无法进入实用化阶段，其中主要原因有：
1、电力电子变压器的主电路拓扑没有采用标准化设计，结构不紧凑，体积大；
2、由于实验室方案的主要设计目的是验证原理的正确性和方案的可行性，对装置的可靠性要求较少，且接线方式不符合相关标准，所以所设计方案可靠性较差，不适合工业化应用；
3、实验室样机一般都采用非标器件，包括：开关管、变压器等，所需器件属于定制件，所以装置的总体成本较高，得不到市场认可；
4、由于电力电子变压器采用开关器件对电压、电流波形质量进行控制，开关器件、变压器自身存在损耗，所以装置整体效率较普通的电力变压器效率低；
5、维护、扩容困难，功率回路寄生参数较大。
因此，电力电子变压器的研究还处于实验室样机阶段，还无法满足工业化需求。模块化技术是电力电子变压器实现市场化的关键技术，模块化可以提高电力电子变压器的运行可靠性和可维护性，可以实现变压器的在线维护和在线扩容。
发明内容
本实用新型的目的是提出一种模块化的电力电子变压器，旨在解决电力电子变压器成本高、结构不紧凑、不方便维护、可靠性差和扩容困难等问题。
本实用新型提出了一种模块化电力电子变压器，包含多相输入、各相独立、且结构相同的高压级、隔离级和低压级，所述高压级、隔离级和低压级构成三级结构，该变压器的高压级和低压级既可以作为输入级，也可以作为输出级，即：该电力电子变压器可以实现能量的双向流动；所述电力电子变压器的高压级、隔离级和低压级都是采用功率模块串、并联结构来解决电压等级、功率等级和用户需求等问题；
所述电力电子变压器的高压级包括功率模块、电抗器和电容器，所述高压级的单相桥臂由N级串联功率模组、2只电抗器和N只电容器组成(N为自然数)，每一串联功率模组由两个半桥功率模块构成，形成全控桥模块，每一半桥功率模块直流侧的两个端线直接相连，而每一串联功率模组的交流侧的两个端线依次串联，在首尾串联功率模组的交流端分别串接入一只电抗器，且在单相交流输入端或多相交流输入端之间并接一组电容器组，该电容器组由N只电容器串联而成；
所述电力电子变压器的隔离级包括中、高频变压器和功率模块，功率模块(或功率模组)的数量由高压级串联功率模组的数量决定，中、高频变压器的功率等级和数量由装置的功率等级和隔离级功率模块的数量决定，功率模块(或功率模组)完成对直流电压的方波调制和方波解调，中、高频变压器完成电压等级的变换、电气隔离和电能的传送，中、高频变压器可以是双绕组结构，也可以是三绕组结构；
所述电力电子变压器的低压级包括功率模块(或功率模组)和滤波器模块，功率模块(或功率模组)完成对直流电压的正弦调制和电压等级变换，滤波器模块完成低通滤波功能。
所述电力电子变压器，其特征在于所述高压级、隔离级和输出级的各功率模组(或功率模块)都是由半桥拓扑构成，该半桥拓扑包括两只带续流二极管的可关断开关管器件和两只电容器，具体连接方式为：带有反并联二极管的两只可关断开关管串联后再与两只串联的电容器相并联；同时，该模组提供4个带有反并联二极管的功率接口：接口1是两串联开关管的中点，接口2、3是模块直流母线，接口4是串联电容中点；该模组提供多个信号接口，包括电容电压信号接口，交流电流检测接口、公共接地点和通信接口；其特征在于构成高压级、隔离级和输出级的功率模块(或模组)均采用集中-分散控制模式，即：一台电力电子变压器包含一套集中-分散控制系统，集中-分散控制系统包括集中控制单元、分散控制单元(控制子系统)和监控单元。
所述电力电子变压器，其特征在于各功率模块(或功率模组)都具有单独的控制子系统，即分散控制单元，分别对直流母线电压、直流母线电流、交流侧电流、模块(或模组)内部工作温度进行监控，并判断模块是否存在过压、过流、过温，同时启动相关的保护动作；其特征在于各功率模块或功率模组都具有通信功能，并能适时将各功率模块(或模组)的状态信息传递到集中控制单元。
所述电力电子变压器的集中-分散控制系统能同时收集各功率模块的部分适时状态信息，并在单个开关周期内完成状态信息的分析、综合和环路运算，最终形成相关控制信息，完成该集中控制系统对整机的稳定控制；且集中控制单元将所有功率模块(或模组)的状态信息传递给监控单元，在人机界面上进行显示，方便人机互动。
本实用新型的有益效果是：本发明的模块化电力电子变压器，均采用模块化紧凑设计，包括多相输入，各相独立且结构相同，它由高压级、隔离级和低压级三级组成，每一级功率模块的数量和接入方式都是根据整机的功率等级、电压等级和现场供电需求进行灵活配置，达到成本和效率最优。本文所述的模块化结构中的模块全部采用标准化组件，通用性极强，可以很好的解决电力电子变压器成本高、结构不紧凑、维护扩容困难等问题；且由于采用模块化设计，功率模块(或模组)间的连线大大减少，减小了功率回路的寄生参数，提高了装置的可靠性，对加速电力电子变压器的市场化进程具有重要意义。
附图说明
为了使本发明的内容被更清楚的理解，并便于具体实施方式的描述，下面给出与本发明相关的附图说明如下：
图1是本发明的功率模块(Sub Module SM)主电路拓扑示意图；
图2是本发明的功率模组主电路拓扑示意图；
图3是本发明的优化的功率模块主电路拓扑示意图一；
图4是本发明的优化的功率模块主电路拓扑示意图二；
图5是本发明的功率模块信号接口示意图；
图6是本发明的模块化电力电子变压器控制系统框图；
图7是本发明的模块化电力电子变压器实施例。
具体实施方式
本实用新型提出的电力电子变压器，结构上采用模块化紧凑设计，包括多相输入，各相独立且结构相同，它由高压级、隔离级和低压级三级组成，每一级功率模块(或模组)的数量和接入方式都是根据整机的功率等级、电压等级和现场供电需求进行灵活配置。单个功率模块内部主电路拓扑示意图如图1，由带反并联二极管DX1、DX2的开关器件TX1、TX2组成半桥拓扑，并在两开关管连接点处引出功率接口In，同时，在半桥拓扑的直流侧的两个端线P、N之间并接两个相同的串联电容器CX1、CX2，且在串联电容器CX1、CX2的连接点处引出功率接口O，同时在半桥拓扑的直流母线上引出功率接口P、N以及相关的监控、检测信号。单个功率模组内部的主电路拓扑示意图如图2，由带反并联二极管DX3、DX4、DX5、DX6的开关器件TX3、TX4、TX5、TX6两两串联后并联组成全桥拓扑，并在两串联开关管连接点处引出功率接口In，同时，在全桥拓扑的直流侧的两个端线P、N之间并接两个相同的串联电容器CX3、CX4，且在串联电容器CX3、CX4的连接点处引出功率接口O，同时在全桥拓扑的直流母线上引出功率接口P、N以及相关的监控、检测信号。优化的功率模块主电路拓扑结构如图3、4所示，图3所示功率模块适合应用在功率单向流动，且隔离变压器是双绕组的电力电子变压器中，该功率模块包括4只功率二极管D1、D2、D3、D4，电容器C1、C2，二极管和电容器共同构成全桥不控整流电路，串联二极管D1、D2的连接点处引出功率接口In，串联二极管D3、D4的连接点处引出功率接口O，不控整流的直流母线上引出功率接口P、N以及相关的监控、检测信号；图4所示功率模块适合应用在功率单向流动，且隔离变压器是三绕组的电力电子变压器中，该功率模块包括功率二极管D5、D6，电容器C5，二极管和电容器共同构成半桥不控整流电路，串联二极管D5、D6的连接点处引出功率接口P，同时串入电容器C5，并将电容器C5的另一端引出功率接口N，二极管的剩余端子引出功率接口In、O，同时引出相关的监控、检测信号。单个功率模块的物理电气接口如图5所示。
模块化电力电子变压器的控制系统框图如图6所示，高压级、隔离级和输出级的功率模块均采用集中-分散控制模式，集中-分散控制系统是由集中控制单元、分散控制单元(控制子系统)、监控单元组成。各功率模块(或功率模组)都具有单独的控制子系统，即分散控制单元，分别对直流母线电压、直流母线电流、交流侧电流、模块(或模组)内部工作温度进行控制和监控，并判断模块是否存在过压、过流、过温，同时启动相关的保护动作；且各功率模块(或功率模组)都具有通信功能，并能适时将各功率模块(或模组)的状态信息传递到集中控制单元。集中控制单元能同时接收各功率模块的部分适时状态信息，并在单个开关周期内完成状态信息的分析、综合和环路运算，最终形成相关控制信息，完成该集中控制系统对整机的稳定控制；同时，集中控制单元将所有功率模块(或模组)的状态信息传递给监控单元，在人机界面上进行显示，方便人机互动。
下面对本实用新型的具体实施方式进行举例说明。
例：单相输入的模块化电力电子变压器
单相输入的模块化电力电子变压器实施例如图7所示，高压侧由低通滤波器(Low-PassFilter LPF)模块、功率模组M1、M2、…、MN组成，其中功率模组由功率模块SM组成，功率模组的数量由输入电压等级、功率等级决定；隔离级由功率模组MT1、MT2、…、MTN和MS1、MS2、…、MSN与中高频变压器模块T组成，其中功率模组MTX、MSX可以根据负荷情况自由配置；输出级由功率模组MO1、MO2和低通滤波器LPF模块组成，可以输出标准工频正弦波，也可以输出特定用户需求的非标正弦波，可以输出单相电源，也可以输出三相或多相电源，同时也可以输出多种幅值的电源，输出端配置完全由用户需求决定。
上面通过特别的实施例内容描述了本发明，但是本领域技术人员还可意识到变型和可选的实施例的多种可能性，例如，通过组合和/或改变单个实施例的特征。因此，可以理解的是这些变型和可选的实施例将被认为是包括在本发明中，本发明的范围仅仅被附上的专利权利要求书及其同等物限制。

Claims (3)

1.一种模块化电力电子变压器，包含多相输入、各相独立、且结构相同的高压级、隔离级和低压级，所述高压级、隔离级和低压级构成三级结构，该变压器的高压级和低压级既可以作为输入级，也可以作为输出级，即：该电力电子变压器可以实现能量的双向流动；
其特征在于：所述变压器的高压级、隔离级和低压级都是采用功率模块串、并联结构来解决电压等级、功率等级和用户需求等问题；
所述电力电子变压器的高压级包括功率模块、电抗器和电容器，所述高压级的单相桥臂由N级串联功率模块、2只电抗器和N只电容器组成，N为自然数，每一串联功率模块由两个半桥功率模块构成，形成全控桥模块，每一半桥功率模块直流侧的两个端线直接相连，而每一串联功率模块的交流侧的两个端线依次串联，在首尾串联功率模块的交流端分别串接入一只电抗器，且在单相交流输入端或多相交流输入端之间并接一组电容器组，该电容器组由N只电容器串联而成；
所述电力电子变压器的隔离级包括中、高频变压器和功率模块，功率模块的数量由高压级串联功率模块的数量决定，中、高频变压器的功率等级和数量由装置的功率等级和隔离级功率模块的数量决定，功率模块完成对直流电压的方波调制和方波解调，中、高频变压器完成电压等级的变换、电气隔离和电能的传送，中、高频变压器可以是双绕组结构，也可以是三绕组结构；
所述电力电子变压器的低压级包括功率模块和滤波器模块，功率模块完成对直流电压的正弦调制和电压等级变换，滤波器模块完成低通滤波功能。
2.如权利要求1所述的电力电子变压器，其特征在于所述高压级、隔离级和输出级的各功率模块都是由半桥拓扑构成，该半桥拓扑包括两只带续流二极管的可关断开关管器件和两只电容器，具体连接方式为：带有反并联二极管的两只可关断开关管串联后再与两只串联的电容器相并联；同时，该功率模块提供4个带有反并联二极管的功率接口：接口1是两串联开关管的中点，接口2、3是功率模块直流母线，接口4是串联电容中点；该功率模块提供多个信号接口，包括电容电压信号接口，交流电流检测接口、公共接地点和通信接口；其特征在于构成高压级、隔离级和输出级的功率模块均采用集中-分散控制模式，即：一台电力电子变压器包含一套集中-分散控制系统，集中-分散控制系统包括集中控制单元、分散控制单元和监控单元。
3.如权利要求2所述的电力电子变压器，其特征在于各功率模块都具有单独的控制子系统，即分散控制单元，分别对直流母线电压、直流母线电流、交流侧电流、功率模块内部工作温度进行监控，并判断功率模块是否存在过压、过流、过温，同时启动相关的保护动作；其特征在于各功率模块都具有通信功能，并能适时将各功率模块的状态信息传递到集中控制单元。
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