CN204361913U - 一种配电用电力电子变压器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种配电用的电力电子变压器，包括依次串联的高压级、隔离级和低压级；高压级为一个带IGBT串联阀的三相桥式结构；隔离级由n个高压侧直流母线均压电容、n个三相隔离型双向直流变换器和1个低压侧直流母线电容组成；所述的低压级为三相桥式结构，其直流端口与隔离级的低压侧直流母线电容的两端相连，其交流端口与三相低压交流电网直接相连。本实用新型采用三相隔离型双向直流变换器，使其中的直流环节具有较小的纹波，大大减小了磁性元件与滤波器件的体积，提高了整机的功率密度。该电力电子变压器结构简单，制造容易，能够实现电压变换、电气隔离及能量的双向流动，还具有电能质量调节和无功补偿等功能。
Description
技术领域
本实用新型属于电力系统的电能变换技术领域，具体涉及一种配电用的电力电子变压器。
背景技术
传统的电力变压器是输配电系统的基本组成部分。它的主要功能是实现电压等级的变换和电气隔离，并可以完成能量的传输。自19世纪末被使用之后，由于其自身具有可靠性高和结构简单的优点，而被广泛使用。但与此同时，传统的电力变压器也存在显著的缺点：1、体积大、重量大；2、空载损耗较大；变压器油对环境具有潜在威胁；3、可控性差，不能对电力变压器两侧的功率因数进行调节；4、不能调节电能质量且容易因为由非线性铁磁元件或负荷而造成的畸变电流对电网形成谐波污染。
随着电力电子技术的发展，电力电子变压器(Power Electronic Transformer，PET)的概念被提出并被广泛的研究。电力电子变压器是一种可用于电力系统电能转换与传输的新型智能化变压器。它在完成传统电力变压器变压、隔离、能量传输等功能的同时，也可以完成电能质量调节、潮流控制和系统稳定控制等功能。
1970年，美国GE公司W.McMurray首先提出一种具有高频链接的AC-AC变换器并申请专利。1980年，美国海军研究人员提出了一种基于AC/AC降压变换的电力电子变压器。这两种拓扑结构传输功率较低，控制比较复杂，且不具有功率因数校正功能。基于直接AC/AC变换的方案，1999年美国德州A&M大学提出了一种高频AC/AC变换器拓扑结构，这种拓扑结构虽然可以显著地减小变压器的体积和重量，但是它无法改善输入侧的功率因数。2000年，Scott D.Sudhoff提出了一种新型的三级式电力电子变压器拓扑结构。目前，电力电子变压器的研究主要集中在三级式的拓扑结构。
实用新型内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种配电用的电力电子变压器，该电力电子变压器结构简单，制造容易，能够实现电压变换、电气隔离及能量的双向流动，还具有电能质量调节和无功补偿等功能。
本实用新型是通过以下技术方案来实现：
一种配电用的电力电子变压器，包括依次级联的高压级、隔离级和低压级；
所述高压级为一个带IGBT串联阀的三相桥式结构；
所述隔离级由n个高压侧直流母线均压电容、n个三相隔离型双向直流变换器和1个低压侧直流母线电容组成：
其中，n为大于等于2的整数；n个高压侧直流母线均压电容相互串联，且连接在高压级直流侧两端，每个高压侧直流母线均压电容的两端均与一个三相隔离型双向直流变换器的高压端相连；n个三相隔离型双向直流变换器的低压端并联，且均连接在低压侧直流母线电容的两端；
所述的低压级为三相桥式结构，其直流端口与隔离级的低压侧直流母线电容的两端相连，其交流端口与三相低压交流电网直接相连。
所述高压级的三相桥式结构由六个IGBT串联阀组成，且每两个IGBT串联阀构成一个相臂，三个相臂相互连接组成三相桥式结构。
所述三个相臂的中间点均与三相高压交流电网相连，三个相臂的两端连接到高压直流母线。
所述IGBT串联阀由m个IGBT和m个二极管组成，每个IGBT先反并联一个二极管和一个静态均压电阻，再与其它并联了二极管和静态均压电阻的IGBT串联；其中，m为大于等于2的整数。
所述的三相隔离型双向直流变换器由两个三相桥式结构和一个三相高频变压器组成，三相高频变压器的原边和副边分别与两个三相桥式结构的交流端相连，两个三相桥式结构的直流端分别作为该电力电子变压器的两个直流端口。
所述高压级和低压级能够分别作为该电力电子变压器的输入级或输出级以实现功率的双向传输。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：
本实用新型公开了一种配电用的电力电子变压器的拓扑结构，包括依次级联的高压级、隔离级和低压级。首先，由于高压级采用IGBT串联阀结构，所以能够随着IGBT串联数的增加，使桥臂承受较高的电压。其次，隔离级采用三相隔离型双向直流变换器，在实现功率双向传递的同时，还能够实现所有开关管的零电压开通，从而减小开关损耗，提高变换器的效率和功率密度。同时，该三相隔离型双向直流变换器的隔离级，其直流侧具有较小的电流纹波，大大减小了磁性元件与滤波器件的体积，进一步提高了整机的功率密度。最后，由于高压级和低压级均为三相桥式结构，三相桥式结构的直流端口与高压侧和低压侧直流母线电容的两端相连，交流端口与三相交流电网直接相连，从而实现交直流之间的相互转换。因此，当本实用新型的配电用的电力电子变压器高压级或低压级作为输入侧时，可以单位功率因数运行，输入侧电压电流同相位，因此可以减小无功电流带来的损耗，并且降低谐波畸变率，进而减小对电网的污染，在实现电压变换、电气隔离以及能量传输的同时还具有电能质量调节和无功补偿等功能。
附图说明
图1为本实用新型的配电用电力电子变压器的拓扑结构图；
图2为本实用新型的高压级三相桥式结构中IGBT串联阀结构图；
图3为本实用新型的隔离级三相隔离型双向直流变换器的拓扑结构。
其中，1为带IGBT串联阀结构的三相桥式结构；2为高压侧直流母线均压电容；3为三相高频变压器；4为三相隔离型双向直流变换器；5为低压侧直流母线电容；6为三相桥式结构。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：
本实用新型的一种配电用电力电子变压器的拓扑结构如图1所示，主要由高压级、隔离级和低压级三个部分组成。其中，高压级是一个带IGBT串联阀结构的三相桥式结构1。IGBT串联阀Sx(x＝1,2,3,4,5,6)的结构如图2所示。每个IGBT串联阀Sx由m个IGBT(Tx1、Tx2……Txm)和与其反并联的m个二极管(Dx1、Dx2……Dxm)，以及m个用于实现静态均压的电阻(Rx1、Rx2……Rxm)组成。其中m为大于或等于2的整数。每个IGBT与相应的二极管反并联后，再与一个静态均压电阻并联。IGBTTx1的发射极与IGBTTx2的集电极相连，IGBTTx2的发射极与IGBTTx3的集电极相连，以此类推，IGBTTx(m-1)的发射极与IGBTTxm的集电极相连。IGBTTx1的集电极作为IGBT串联阀Sx的p端，IGBTTxm的发射极作为IGBT串联阀Sx的q端。
带IGBT串联阀结构的三相桥式结构1具有三个结构相同的相臂，每个相臂由两个IGBT串联阀串联组成：IGBT串联阀S1的q端与IGBT串联阀S2的p端相连，连接于a0点；IGBT串联阀S3的q端与IGBT串联阀S4的p端相连，连接于b0点；IGBT串联阀S5的q端与IGBT串联阀S6的p端相连，连接于c0点。高压交流电网的三相电压Ua、Ub、Uc分别从点a0、点b0、点c0接入到电力电子变压器中。S1、S3和S5的p端连接在一起，S2、S4和S6的q端连接在一起，两端分别引出形成高压直流母线。
隔离级由高压侧直流母线均压电容2、n个三相隔离型双向直流变换器4和低压侧直流母线电容5组成，其中n为大于或等于2的整数。
高压侧直流母线均压电容2由n个均压电容(C1、C2……Cn)顺次串联组成，同时连接在高压直流母线的两端上。每个均压电容的两端与一个三相隔离型双向直流变换器4的高压端口相连。
三相隔离型双向直流变换器4的拓扑结构如图3所示。其中，第n个三相隔离型双向直流变换器4由两个三相桥式结构Hn1和Hn2，以及一个三相高频变压器Tn组成。三相桥式结构Hn1具有三个结构相同的相臂，每个相臂由两个电力电子开关器件串联组成：电力电子开关Tn1与电力电子开关Tn2同向串联，连接于an点；电力电子开关Tn3与电力电子开关Tn4同向串联，连接于bn点；电力电子开关Tn5与电力电子开关同向串联，连接于cn点。每个电力电子开关器件(Tn1、Tn2……Tn6)的两端分别反并联一个二极管(Dn1、Dn2……Dn6)。点an、bn和cn分别与三相高频变压器Tn的原边三相相连。三相桥式结构Hn2与Hn1结构相同，三个相臂中心点rn、sn和tn分别与三相高频变压器Tn的副边三相相连。
n个三相隔离型双向直流变换器的低压端口并联连接，连接在低压侧直流母线电容5的两端。
低压级是一个三相桥式结构6，其与三相桥式结构Hn1、Hn2具有相同的拓扑结构。将三相桥式结构6的直流端口与低压侧直流母线电容5的两端相连。三个相臂中心点r0、s0和t0分别与低压交流电网的三相电压Ur、Us、Ut相连。
至此，本实用新型电力电子变压器搭建完成。以上所述电力电子开关器件可以是IGBT、功率MOSFET、IGCT、GTO等全控型开关器件。
Claims (6)
1.一种配电用的电力电子变压器，其特征在于，包括依次级联的高压级、隔离级和低压级；
所述高压级为一个带IGBT串联阀的三相桥式结构；
所述隔离级由n个高压侧直流母线均压电容、n个三相隔离型双向直流变换器和1个低压侧直流母线电容组成：
其中，n为大于等于2的整数；n个高压侧直流母线均压电容相互串联，且连接在高压级直流侧两端，每个高压侧直流母线均压电容的两端均与一个三相隔离型双向直流变换器的高压端相连；n个三相隔离型双向直流变换器的低压端并联，且均连接在低压侧直流母线电容的两端；
所述的低压级为三相桥式结构，其直流端口与隔离级的低压侧直流母线电容的两端相连，其交流端口与三相低压交流电网直接相连。
2.根据权利要求1所述的一种配电用的电力电子变压器，其特征在于，所述高压级的三相桥式结构由六个IGBT串联阀组成，且每两个IGBT串联阀构成一个相臂，三个相臂相互连接组成三相桥式结构。
3.根据权利要求2所述的一种配电用的电力电子变压器，其特征在于，所述三个相臂的中间点均与三相高压交流电网相连，三个相臂的两端连接到高压直流母线。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种配电用的电力电子变压器，其特征在于，所述IGBT串联阀由m个IGBT和m个二极管组成，每个IGBT先反并联一个二极管和一个静态均压电阻，再与其它并联了二极管和静态均压电阻的IGBT串联；其中，m为大于等于2的整数。
5.根据权利要求1所述的一种配电用的电力电子变压器，其特征在于，所述的三相隔离型双向直流变换器由两个三相桥式结构和一个三相高频变压器组成，三相高频变压器的原边和副边分别与两个三相桥式结构的交流端相连，两个三相桥式结构的直流端分别作为该电力电子变压器的两个直流端口。
6.根据权利要求1所述的一种配电用的电力电子变压器，其特征在于，所述高压级和低压级能够分别作为该电力电子变压器的输入级或输出级以实现功率的双向传输。
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