高壓配電用電力電子變壓器的製作方法

2023-07-24 23:13:41

專利名稱：高壓配電用電力電子變壓器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電力電子變壓器，特別涉及一種高壓配電用三相電力電子變壓
o
背景技術：
傳統的電力變壓器是電力系統的基本組成設備，其突出優點是製作工藝簡單、可 靠性高、價格低廉。但是傳統的電力變壓器僅能實現單一的電壓等級變換、電能的隔離傳 遞。另外，由於鐵磁元件的非線性容易造成電網電壓和電流的畸變，產生諧波汙染；而且負 載發生變化時不能維持次級電壓恆定；不具備對電壓、電流的連續調節和綜合控制能力； 不能實現與電網其他設備的互動；不能滿足未來智能電網的要求。電力電子變壓器是隨著 電力電子的技術進步而出現的一種新型智能化的可用於電力系統電能變換和傳遞的電力 設備。在已有的電力電子變壓器拓撲當中，美國專利US 2006/0221653A1和US 7050311B2在高壓輸出側採用了二極體箝位式的三電平結構，這一結構大大限制了其在 電力系統配電網尤其是高壓配電網的應用。美國專利US 2006/0028848A1則在高壓側 採用了三個多繞組工頻變壓器，大大增加了電力電子變壓器的體積和重量。而美國專利 US 005943229A、歐洲專利 EP 0989016A2、中國專利 200910025824. 3、200910184407. 3、 02139030. 4、實用新型專利ZL02290343. 7均採用了很多個中頻或高頻變壓器，且三相變壓 器時其高壓側均是由單相變流器星接構成，沒有發揮三相變流器的優勢。

發明內容
本發明的目的在於克服現有高壓配電用電力電子變壓器的缺點，減小裝置的體積 和重量，提高電能轉換效率。本發明不僅可以實現傳統配電變壓器的變壓、隔離、能量傳遞 等功能外，還能夠根據需要為電網提供無功補償，保證次級輸出電壓恆定，隔斷高壓側電網 與低壓側用戶故障，具備對電壓電流的連續調節和綜合控制能力，當與新能源發電設備互 連時可以實現用戶側不間斷供電，實現與電網其他設備的互動。本發明高壓配電用三相電力電子變壓器由輸入級、隔離級和輸出級三個部分組 成。輸入級為三相三線制，主電路為級聯式模塊化變流器；級聯式模塊化變流器的三個輸 入端與三相交流電網直接相連，實現AC-DC變換。級聯式模塊化變流器的兩個輸出端連接 到由多個第一低壓直流母線電容串聯構成的高壓直流母線電容的正負極；高壓直流母線電 容的正負極與隔離級的輸入串聯輸出並聯的多個隔離型DC-DC變換器的輸入端相連，實現 DC-DC變換。隔離級由多個隔離型DC-DC變換器組成，隔離級的每個隔離型DC-DC變換器的 輸入端與高壓直流母線電容中的一個第一低壓直流母線電容的正負極相連；隔離級的每個 隔離型DC-DC變換器的輸出端均與第二低壓直流母線電容的正負極相連為一個或多個單 相或三相的共用直流母線的逆變器提供直流電源，實現DC-AC變換。輸出級由連接在共用 直流母線上的一個或多個單相或三相逆變器組成。
本發明高壓配電用三相電力電子變壓器具有以下特點1.可以實現傳統電力配電變壓器的變壓、隔離、能量傳遞等等基本功能；2.輸入級採用三相結構的級聯式模塊化變流器，只要串聯足夠的第一低壓功率單 元，可以承受非常高的電壓。同時，三相結構的變流器可以克服由單相變流器星形連接構成 三相變流器時輸出側並聯帶來的環流問題。3.本發明用於三相系統時只需要在高壓直流側採用多個中頻或高頻變壓器，而不 是在三個單相變流器中均採用中頻或高頻變壓器。相對於現有的通過在三個單相電力電子 變壓器構成三相電力電子變壓器的拓撲，能夠減小中頻或高頻變壓器的數量、體積以及重量。4.由現有的單相電力電子變壓器構成三相電力電子變壓器時，由於單相電路的瞬 時有功功率必然存在電網電壓二倍頻的波動，每相輸入級的AC-DC模塊直流母線上一般需 要另外附加無源濾波器消除電網電壓二倍頻的電壓波動。而本發明由於直接與三相電網相 連，當電網電壓平衡時三相系統的瞬時有功功率為恆定量，直流母線電壓不存在波動，因此 也就不需要無源濾波器。這也進一步減小了系統的體積和重量。5.本發明可以實現負荷與供電系統的隔離，可以根據需要為電網側提供無功補償 或者有源濾波功能，提高了供電系統的電能質量和運行的可靠性。6.本發明可以自動調節輸出級的供電電壓，保證用戶端供電電壓不隨負荷變化而 變化。當供電電網發生故障或者設備維修時，本發明直流母線可以與新能源等發電設備相 連接，保證用戶端的不間斷供電，能夠極大地提高用戶和用電設備的穩定性和可靠性。7.本發明可以十分方便地實現運行狀態的在線監測，與其它用電設備的相互通訊 及協調控制，為數位化電站和智能電網的建設與完善提供了更多靈活性。


圖1為本發明高壓配電用三相電力電子變壓器整體結構圖；圖2為本發明中第一低壓功率單元Uk11(K = A、B、或C)的電路結構圖，圖2a為兩 開關兩電平時的電路，圖2b為兩開關三電平時的電路；圖3為本發明中電感模塊UK2(K = A、B、或C)的電路結構圖，圖3a為由兩個分立 的電感構成的電感模塊；圖3b為由兩個耦合電感構成的電感模塊；圖4為本發明中第二低壓功率單元Un的電路結構圖；圖中1級聯式模塊化變流器，2隔離型DC-DC變換器，3共用直流母線的一個或多 個單相或三相逆變器，4高壓直流母線電容，5第二低壓直流母線電容。
具體實施例方式以下結合附圖和具體實施方式
進一步說明本發明。圖1所示為本發明高壓配電用三相電力電子變壓器整體結構。其輸入級的級聯式 模塊化變流器1由結構相同的三個橋臂構成，三個橋臂的上端連接在同一點P，三個橋臂的 下端連接在同一點N。第K(K = A、B、或C)相橋臂的上半橋臂由低壓功率模塊UK11 UKln級 聯構成，即UK1J的端子11與『的)的端子12相連，而UK1J的端子12與UK1(J+1)的端子11相 連(2彡j彡n-1)；第K(K = A、B、或C)相橋臂的下半橋臂由第一低壓功率模塊UK21 UK2n
5級聯構成，即的端子11與UK2_的端子12相連，而UK」的端子12與UK2_的端子11 相連(2彡j彡n-1) ；UK11的11端子連接到P點；UKln的12端子連接到電感模塊UK2的21端 子；UK21的11端子連接到電感模塊UK2的23端子；UK2n的12端子連接到N點；電感模塊UK2 的22端子作為第K(K = A、B、或C)相橋臂的輸入端子K。第一低壓功率單元UK11 UKln和 UK21 UK2n的電路結構完全相同且可以相互替換。三個橋臂上端的連接點P與高壓直流母 線電容4的正極相連，三個橋臂的下端連接點N與高壓直流母線電容4的負極相連。高壓 直流母線電容4由1)個第一低壓直流電容串聯組成，每個第一直流電容的正極和負 極分別與一個隔離型DC-DC變換器2的輸入端相連；m個(m彡1)隔離型DC-DC變換器2的 輸出端與第二低壓直流母線電容5的正負極相連。第w(l彡w彡m)個隔離型DC-DC變換 器2由兩個第二低壓功率單元Uwl、Uw2、一個中頻或高頻變壓器Tw和兩個串聯諧振電容Cwl、 cw2構成；Uwl的端子31和端子32通過第一串聯諧振電容Cwl與中頻變壓器Tw的原邊串聯 連接在一起；Uw2的端子31和端子32通過第二串聯諧振電容Cw2與中頻變壓器Tw的副邊串 聯連接在一起；Uwl的端子33和端子34作為隔離型DC-DC變換器2的輸入端子；Uw2的端子 33和34作為隔離型DC-DC變換器2的輸出端子。隔離型DC-DC變換器2的另外一種連接 形式是取消串聯諧振電容cwl和Cw2，將Uwl的端子31和32與中頻變壓器Tw的原邊直接連 接在一起；Uw2的端子31和32與中頻變壓器Tw的副邊直接連接在一起。所有隔離型DC-DC 變換器2的輸出端子並聯在一起並與第二低壓直流母線電容5的正負極連接在一起，為共 用直流母線的一個或多個單相或三相逆變器3提供直流電源。共用直流母線的一個或多個 單相或三相逆變器3將低壓直流電逆變為低壓的單相或三相交流電作為高壓配電用三相 電力電子變壓器的輸出。圖2為本發明中第一低壓功率單元隊11(1( = 4、8、或0的具體電路結構，這裡給出 了兩種具體的實施方式。其中，圖2a所示為兩開關兩電平電路。如圖2a所示，第一低壓功 率單元UK11由第十一開關Tn、第十二開關T12，第十一二極體Dn和第十二 D12組成；第十一開 關Tn與第十一二極體Dn反並聯，第十二開關T12與第十二二極體D12反並聯，第十一開關 Tn和第十二開關T12串聯，第十一開關Tn的下端和第十二開關T12的上端共同連接點作為 第一低壓功率單元UK11的端子11，第十一開關Tn的上端與第一電容Q的正極相連，第十二 開關T12的下端與第一電容q的負極相連，第一電容(^的負極作為第一低壓功率單元UK11的 端子12。通過控制開關Tn和T12，可以使第一低壓功率單元產生兩電平輸出電壓。第一低 壓功率單元UK12 UKln和UK21 UK2n(K = A、B、或C)的結構和第一低壓功率單元UK11相同。圖2b所示為第一低壓功率單元Uk11(K = A、B、或C)兩開關三電平電路的具體結 構。如圖2b所示，第一低壓功率單元UK11由第十三開關T13、第十四開關T14，第十三二極體 D13、第十四二極體D14、第十五二極體D15、第十六二極體D16構成；第十三開關T13的集電極與 第十三二極體D13的負極相連，第十三開關T13的發射極與第十三二極體D13的正極相連；第 十四開關T14的集電極與第十四二極體D14的負極相連，第十四開關T14的發射極與第十四二 極管d14的正極相連；第十三二極體D13和第十五二極體D15正向串聯，兩者的共同連接點與 兩個順接串聯耦合電感的一個非兩個電感的公共連接點端子相連；第十四二極體d14和第 十六二極體D16正向串聯，兩者的共同連接點與兩個順接串聯耦合電感的另一個非兩個電 感的公共連接點端子相連；第十三二極體D13的負極與第一電容Ci的正極相連，第十五二極 管D15的正極與第一電容Ci的負極相連；第十六二極體D16的負極與第一電容Ci的正極相連，第十四二極體D14的正極與第一電容Q的負極相連；兩個耦合電感的公共連接點作為第 一低壓功率單元的端子11，第一電容(^的負極作為第一低壓功率單元的端子12。通過控 制開關T13和T14，可以使第一低壓功率單元產生三電平輸出電壓。這裡，第一低壓功率單元 UK12 UKln和UK21 UK2n(K = A、B、或C)的結構和第一低壓功率單元UK11也都相同。圖3為本發明電感模塊隊2(1( = 4、8、或0的具體電路圖。這裡給出了兩種具體 的實施方式。其中，圖3a由兩個分立的電感直接串聯構成電感模塊UK2 ；兩個電感的共同連 接點作為電感模塊UK2的端子22，這裡的端子22也作為第K橋臂的輸入端子K ；兩個電感其 餘的兩個端子作為電感模塊UK2的端子21和23，且端子21和23可以互換位置。圖3b所示的本發明電感模塊UK2 (K = A、B、或C)由兩個相互耦合的電感順接串聯 構成，即第一個電感的同名端連接另外一個電感的非同名端；兩個耦合電感的公共連接點 作為電感模塊UK2的端子22，這裡的端子22也作為第K橋臂的輸入端子K ；兩個耦合電感其 餘的兩個端子作為電感模塊UK2的端子21和23，且端子21和23可以互換位置。圖4為本發明中第二低壓功率單元Un的具體電路原理圖，該電路由第三一開關 T31、第三二開關T32、第三三開關T33、第三四開關T34，第三一二極體D31、第三二二極體D32、第 三三二極體d33、第三四二極體D34構成。其中，第三一開關T31與第三一二極體D31反並聯， 第三二開關T32與第三二二極體D32反並聯，第三三開關T33與第三三二極體D33反並聯，第 三四開關T34與第三四二極體d34反並聯；第三一二極體D31的正極和第三二二極體D32的負 極相連作為第二低壓功率單元un的端子31 ；第三三二極體D33的正極和第三四二極體D34 的負極相連作為第二低壓功率單元un的端子32 ；第三一二極體D31的負極和第三三二極體 D33的負極相連作為第二低壓功率單元Un的端子33 ；第三二二極體D32的正極和第三四二 極管D34的正極相連作為第二低壓功率單元Uu的端子34。第二低壓功率單元U12 Um2和 U21 uml的結構和第二低壓功率單元un相同。以上所述，只是本發明的電力電子開關器件採用IGBT時的一種較佳的具體實施 方式，至於電力電子開關器件採用其他的全控型開關器件，如MOSFET、IGCT、GT0等時的情 況，只需要將上述具體實施方式
中的IGBT替換成相應的開關器件即可。
權利要求
一種高壓配電用三相電力電子變壓器，其特徵在於所述的電力電子變壓器由輸入級、隔離級和輸出級組成；所述的輸入級為級聯式模塊化變流器(1)，級聯式模塊化變流器(1)的三個輸入端與三相高壓交流電網相連，級聯式模塊化變流器(1)的兩個輸出端與高壓直流母線電容(4)的正負極分別相連；高壓直流母線電容(4)由m個第一低壓直流電容串聯而成；隔離級由m個隔離型DC-DC變換器(2)組成，m≥1，m個隔離型DC-DC變換器(2)由兩個第二低壓功率單元構成，其輸入端串聯輸出端並聯；隔離級的每個隔離型DC-DC變換器(2)的輸入端與高壓直流母線電容(4)中的一個第一低壓直流電容的正負極相連；所有隔離型DC-DC變換器(2)的輸出端並聯並與第二低壓直流母線電容(5)的正負極相連；第二低壓直流母線電容(5)的正負極連接到共用直流母線的一個或多個的單相或三相逆變器(3)組成的輸出級。
2.如權利要求1所述的高壓配電用三相電力電子變壓器，其特徵在於所述輸入級的 級聯式模塊化變流器(1)由三個結構相同的橋臂構成，每個橋臂對應輸入側電網的一相， 每相橋臂指輸入的每相所對應的每個橋臂。每個橋臂由2n個第一低壓功率單元和一個電 感模塊串聯構成，n ^ 1，每個第一低壓功率單元電路結構相同且可相互替換；所述的電感 模塊由兩個分立電感或耦合電感串聯構成，兩個電感的公共連接點作為一個橋臂的輸出 端；三個橋臂的上端均與高壓直流母線電容(4)的正極相連，三個橋臂的下端均與高壓直 流母線電容(4)的負極相連。
3.如權利要求2所述的高壓配電用三相電力電子變壓器，其特徵在於所述的第一 低壓功率單元由第十一開關(Tn)、第十二開關(T12)，第十一二極體(Dn)和第十二二極體 (D12)組成；第十一開關(Tn)與第十一二極體(Dn)反並聯，第十二開關(T12)與第十二二 極管(D12)反並聯，第十一開關(Tn)和第十二開關(T12)串聯，第十一開關(Tn)的下端和 第十二開關(T12)上端的共同連接點作為第一低壓功率單元的第一端子(n)；第十一開關 (Tn)的上端與第一電容(C》的正極相連，第十二開關(T12)的下端與第一電容沁的負極 相連，第一電容(q)的負極作為第一低壓功率單元的第二端子(12)；通過控制第十一開關 (Tn)和第十二開關(T12)，使第一低壓功率單元產生兩電平輸出電壓。
4.如權利要求2所述的高壓配電用三相電力電子變壓器，其特徵在於所述的第一 低壓功率單元由第十三開關(T13)、第十四開關(T14)，第十三二極體(D13)、第十四二極體 (D14)、第十五二極體(D15)和第十六二極體(D16)構成；第十三開關(T13)的集電極與第 十三二極體(D13)的負極相連，第十三開關(T13)的發射極與第十三二極體(D13)的正極相 連；第十四開關(T14)的集電極與第十四二極體(D14)的負極相連，第十四開關(T14)的發射 極與第十四二極體(D14)的正極相連；第十三二極體(D13)和第十五二極體(D15)正向串聯， 第十三二極體(D13)和第十五二極體(D16)的共同連接點與兩個順接串聯耦合電感的一個非 兩個電感的公共連接點端子相連；第十四二極體(D14)和第十六二極體(D16)正向串聯，第 十四二極體(D14)和第十六二極體(D16)的共同連接點與兩個順接串聯耦合電感的另一個非 兩個電感的公共連接點端子相連；第十三二極體(D13)的負極與第一電容(Ci)的正極相連， 第十五二極體(D15)的正極與第一電容(Ci)的負極相連；第十六二極體(D16)的負極與第一 電容(Ci)的正極相連，第十四二極體(D14)的正極與第一電容(Ci)的負極相連；兩個耦合 電感的公共連接點作為第一低壓功率單元的第一端子(11)，第一電容(Ci)的負極作為第一 低壓功率單元的第二端子(12)；通過控制開關(T13)和(T12)，使第一低壓功率單元產生兩電平輸出電壓。
5.如權利要求2所述的高壓配電用三相電力電子變壓器，其特徵在於所述的第二低 壓功率單元由第三一開關(t31)、第三二開關(T32)、第三三開關(T33)、第三四開關(T34)，第 三一二極體(D31)、第三二二極體(D32)、第三三二極體(D33)、第三四二極體(D34)構成；第 三一開關(T31)與第三一二極體(D31)反並聯，第三二開關(T32)與第三二二極體(D32)反並 聯，第三三開關(T33)與第三三二極體(D33)反並聯，第三四開關(T34)與第三四二極體(D34) 反並聯；第三一二極體(D31)的正極和第三二二極體(D32)的負極相連作為第二低壓功率單 元的第一端子(31)；第三三二極體(D33)的正極和第三四二極體(D34的負極相連作為第二 低壓功率單元的第二端子(32)；第三一二極體(D31)的負極和第三三二極體(D33)的負極 相連作為第二低壓功率單元的第三端子(33)；第三二二極體(D32)的正極和第三四二極體 (D34)的正極相連作為第二低壓功率單元的第四端子(34)。
6.如權利要求1所述的高壓配電用三相電力電子變壓器，其特徵在於隔離型DC-DC 變換器(2)由第二低壓功率單元(Uwl)、第二低壓功率單元(Uw2)、中頻或高頻變壓器(Tw)和 第一串聯諧振電容(Cwl)、第二串聯諧振電容(Cw2)構成；第二低壓功率單元(Uwl)的第一端 子(31)和第二端子(32)通過第一串聯諧振電容(Cwl)與中頻變壓器(Tw)的原邊串聯連接 在一起；第二低壓功率單元(Uw2)的第一端子(31)和第二端子(32)通過第二串聯諧振電容 (Cw2)與中頻變壓器(Tw)的副邊串聯連接在一起；第二低壓功率單元(Uwl)的第三端子(33) 和第四端子(34)作為隔離型DC-DC變換器(2)的輸入端子；第二低壓功率單元(Uw2)的端 子(33)和(34)作為隔離型DC-DC變換器(2)的輸出端子。
7.如權利要求1所述的高壓配電用三相電力電子變壓器，其特徵在於通過改變輸入級 的級聯式模塊化變流器(1)每個橋臂上串聯的第一低壓功率單元的數量，實現輸入電壓不 同的電平數。
全文摘要
一種用於高壓配電系統的三相電力電子變壓器，其輸入級為級聯式模塊化變流器(1)，隔離級由輸入串聯輸出並聯的多個隔離型DC-DC變換器(2)構成；輸出級由連接在共用直流母線上的一個或多個單相或三相逆變器(3)組成。級聯式模塊化變流器(1)的三個輸入端與三相高壓交流電網相連，其兩個輸出端與高壓直流母線電容(4)的正負極分別相連。隔離型DC-DC變換器(2)由兩個第二低壓功率單元構成，每個隔離型DC-DC變換器(2)的輸入端與高壓直流母線電容(4)中的一個第一低壓直流電容的正負極相連；所有隔離型DC-DC變換器(2)的輸出端並聯，並與第二低壓直流母線電容(5)的正負極相連。第二低壓直流母線電容(5)的正負極連接到輸出級共用直流母線的一個或多個的單相或三相逆變器(3)。
文檔編號H02J9/04GK101860228SQ20101017232
公開日2010年10月13日 申請日期2010年5月7日 優先權日2010年5月7日
發明者劉育紅, 朱海濱, 李子欣, 李耀華, 武林, 王平, 勝曉松 申請人:中國科學院電工研究所