具有中壓直流埠的正偶邊形固態變壓器拓撲簇
2024-04-12 22:37:05
1.本發明涉及大功率電力電子技術領域，尤其涉及一種具有中壓直流埠的正偶邊形固態變壓器拓撲簇。
背景技術：
2.固態變壓器(solid state transformer,sst)具有多電壓等級接入、高頻隔離和控制靈活三個主要特徵，是新型電力系統發展中的關鍵設備之一。其中，具備中壓直流直接接入能力和靈活的電能路由能力使其極具競爭力。
3.這些固態變壓器替代了傳統的「普通變壓器+電力電子變換器」構架方式，使變壓器本體智能化，促使多種來源、多種形式的電能能夠相互補充、靈活轉換，特別有利於以光伏電站為代表的規模化新能源集中式接入。
4.儘管sst的多功能特徵具有很強的吸引力，但它也存在很多不足之處。除了電力電子裝置自身的價格因素外，現有sst功率密度低、轉換效率低是阻礙其進一步應用的瓶頸問題，而現有sst因低/高頻轉換需求導致的功率變換級數過多、因模塊數量過多導致的輔助環節過多已成為影響這些指標的關鍵因素。對此，國內外已有諸多研究團隊試圖從減少功率變換級數、減小模塊單元個數的角度改善這些問題，其中，最具代表性的是利用開關元件復用思想在輸入級構造功率複合型sst，其被認為能夠有效提高sst的功率密度、轉換效率和經濟性。然而，在現有的固態變壓器拓撲研究中，都在嘗試通過改進mmc(modular-multilevel-converter，mmc)拓撲的方式對多種頻率進行解耦，但是提出解決方案依賴高頻變壓器的抗飽和設計，或者依賴選頻網絡進行完全解耦，一定程度上都增大了裝置的體積，有違功率複合思想初衷。
技術實現要素：
5.發明目的：本發明提供一種具有中壓直流埠的正偶邊形固態變壓器拓撲簇，其中，基於正偶邊形變換器的結構，可以構造沒有選頻網絡的功率複合型sst新拓撲，使固態變壓器的多種頻率實現解耦，進一步提高固態變壓器的功率密度，並且降低拓撲裝置的體積。
6.技術方案：本發明提供一種具有中壓直流埠的正偶邊形固態變壓器拓撲簇，包括：中壓直流埠、正偶邊形變換器組合、中間側變換器和低壓側逆變器，其中：所述正偶邊形變換器組合包括至少一個正偶邊形變換器，正偶邊形變換器包括結構相同的兩個主橋臂，分別為左橋臂和右橋臂，左橋臂和右橋臂並聯於兩個並聯點，兩個並聯點分別和中壓直流埠的兩端連接；主橋臂包括n個串聯的子橋臂，由子橋臂之間的串聯連接點引出支路，左橋臂上的支路和右橋臂上的支路配對形成交流埠；子橋臂上包括子模塊變換器；n為正整數且n大於等於2；所述子模塊變換器，用於直流電和交流電之間的變換；所述中間側變換器包括單相變壓器和整流器，單相變壓器原邊的兩端與正偶邊形變換器中的交流埠連接，單相變壓器副邊的兩端與所述低壓側逆變器的兩個埠連接，整流器連接於單相變壓
器副邊的兩端。
7.具體的，所述正偶邊形變換器組合中，至少包括一個具有兩個及以上交流埠的特定正偶邊形變換器，所述特定正偶邊形變換器至少包括一個被配置為高頻埠的交流埠，和一個被配置為低頻埠的交流埠。
8.具體的，正偶邊形變換器中的支路，通過共模和/或差模的頻率解耦，確定配對方式，形成交流埠。
9.具體的，所述中間側變壓器，原邊的兩端與正偶邊形變換器中的高頻埠連接。
10.具體的，子模塊變換器為全橋結構或半橋結構。
11.具體的，子橋臂上還包括與子模塊變換器串聯的濾波電感。
12.具體的，還包括並聯電容，並聯於低壓側逆變器的兩個埠。
13.有益效果：與現有技術相比，本發明具有如下顯著優點：可以提高固態變壓器的功率密度，降低拓撲裝置的體積。
附圖說明
14.圖1為本發明提供的正偶邊形變換器組合的結構示意圖；
15.圖2為本發明提供的中間側變換器和低壓側逆變器的結構示意圖；
16.圖3為本發明提供的中間側變換器中的整流器的結構示意圖；
17.圖4為本發明提供的子模塊變換器的結構示意圖；
18.圖5為本發明提供的正偶邊形變換器的變化規律示意圖。
具體實施方式
19.下面結合附圖對本發明的技術方案作進一步說明。
20.參閱圖1，其為本發明提供的正偶邊形變換器組合的結構示意圖；參閱圖2，其為本發明提供的中間側變換器和低壓側逆變器的結構示意圖。
21.本發明提供一種具有中壓直流埠的正偶邊形固態變壓器拓撲簇，包括：中壓直流埠、正偶邊形變換器組合、中間側變換器和低壓側逆變器，其中：
22.所述正偶邊形變換器組合包括至少一個正偶邊形變換器，正偶邊形變換器包括結構相同的兩個主橋臂，分別為左橋臂和右橋臂，左橋臂和右橋臂並聯於兩個並聯點，兩個並聯點分別和中壓直流埠的兩端連接；主橋臂包括n個串聯的子橋臂，由子橋臂之間的串聯連接點引出支路，左橋臂上的支路和右橋臂上的支路配對形成交流埠；子橋臂上包括子模塊變換器(sm1……
smj)；n為正整數且n大於等於2；所述子模塊變換器，用於直流電和交流電之間的變換；所述中間側變換器包括單相變壓器和整流器，單相變壓器原邊的兩端與正偶邊形變換器中的交流埠連接，單相變壓器副邊的兩端與所述低壓側逆變器的兩個埠連接，整流器連接於單相變壓器副邊的兩端。
23.在具體實施中，每個正偶邊形變換器均包括結構相同的左橋臂和右橋臂，左橋臂和右橋臂均包括n個子橋臂，進而正偶邊形變換器包括2n個子橋臂，形成本專利所述的正偶邊形。
24.在具體實施中，正偶邊形變換器組合，在中壓直流埠輸入直流電的情況下，可以將直流電變換為交流電，並從交流埠輸出，在作為基頻埠的交流埠輸入交流電的情
況下，可以將交流電變換為直流電，進一步的，子橋臂上的子模塊變換器，是用於直流電和交流電進行相互轉換的基礎單元。
25.在具體實施中，本發明中涉及的低壓、中壓、高壓、基頻、中頻和高頻等，是通過電壓或者頻率之間的範圍區別，來區分本發明提供的拓撲結構中不同的埠，而並不是對電壓或頻率範圍進行限定。一般而言，1kv及以下為低壓，1kv以上、20kv及以下為中壓，20kv以上為高壓，基頻頻率為低於50hz，高頻頻率為高於10khz，但這並不是一定的，在某些情況下，高頻或者中頻的範圍是0.4khz～20khz之間，那麼基頻將會是在400hz以下。
26.在具體實施中，正偶邊形變換器用於將中(高)壓基頻交流電或高壓直流電，變換成中(高)壓高頻交流；中間側變換器用於將正偶邊形變換器得到的高頻交流電變換為低壓直流；低壓側逆變器可以為單相全橋結構，用於將低壓直流電變換成低壓交流電，可以通過低壓交流埠輸出。
27.本發明實施例中，所述正偶邊形變換器組合中，至少包括一個具有兩個及以上交流埠的特定正偶邊形變換器(也即一個主橋臂中包括至少3個子橋臂，正偶邊形變換器中包括至少6個橋臂，n≥3)，所述特定正偶邊形變換器至少包括一個被配置為高頻埠的交流埠，和一個被配置為低頻埠的交流埠。
28.本發明實施例中，正偶邊形變換器中的支路，通過共模和/或差模的頻率解耦，確定配對方式，形成交流埠。
29.本發明實施例中，所述中間側變壓器，原邊的兩端與正偶邊形變換器中的高頻埠連接。
30.在具體實施中，在正偶邊形變換器中，左橋臂和右橋臂中最上位置的子橋臂的上端(第一併聯點)與中壓直流埠的正極相連，左橋臂和右橋臂中最下位置子橋臂的下端(第二並聯點)與中壓直流埠的負極相連，左橋臂和右橋臂中，各子橋臂之間的串聯連接點可引出2(n-1)條支路，將左橋臂上的支路與右橋臂上的支路進行配對共構成(n-1)個埠。在正偶邊形變換器中，當n≥3時，可至少引出4條支路，進行配對可構成2個交流埠，即可分別配置為基頻埠和高頻埠。
31.參閱圖3，其為本發明提供的中間側變換器中的整流器(fb)的結構示意圖
32.在具體實施中，中間側變換器包括單相高頻變壓器和單相h橋整流器(fb)，高頻變壓器原邊的上下端分別與正偶邊形變換器中的高頻埠(交流埠)的兩個端子相連，形成高頻功率流通路徑，高頻變壓器副邊的上下端分別與單相h橋整流器的左橋臂的中點和右橋臂的中點連接，單相h橋整流器上橋臂的中點和下橋臂的中點分別與低壓側逆變器的正極和負極連接；橋臂的中點，是指橋臂上的兩個開關管之間的點。
33.在具體實施中，中高壓側正偶邊形變換器以及中間側高頻ac-dc變換器採用功率複合思想進行一體化功率變換，通過構造新的高頻流通路徑(即從正偶邊形變換器中的高頻埠的兩個端子接入高頻ac-dc變換器這一路徑)，將高壓側的能量以高頻功率的形式經此高頻流通路徑引入高頻ac-dc變換器並傳送至低壓側，從而使得中(高)壓側輸入級和中間側隔離級的傳輸功率複合在一起，有效減少了功率變換級數，功率變換更為集成，同時可以顯著的降低拓撲結構的體積。
34.參閱圖4，其為本發明提供的子模塊變換器的結構示意圖。
35.本發明實施例中，子模塊變換器為全橋結構或半橋結構。
36.本發明實施例中，子橋臂上還包括與子模塊變換器串聯的濾波電感。
37.在具體實施中，正偶邊形變換器的子模塊變換器為全橋或半橋結構，其選擇依據為，不含直流橋臂必須使用全橋等具有正、負雙極性的結構，而含直流橋臂可根據經濟性等原則選取半橋結構，但若直流電壓需要在較大範圍內可調(如故障穿越情形)，含直流橋臂也可選擇全橋結構。
38.參閱圖5，其為本發明提供的正偶邊形變換器的變化規律示意圖。
39.正偶邊形變換器的變化規律為，首先，建立基本單元，正方形mmc的單相整橋臂是描繪交流埠與其關聯橋臂的基本形式，可知與埠相鄰的兩橋臂均為其關聯橋臂，根據其平面位置分別為上關聯橋臂和下關聯橋臂，將埠及上、下關聯橋臂定義為拓撲構造的基本單元。其次，擴展基本單元，分別將兩個、三個基本單元有序排列擴展後，可構造出正六邊形、正八邊形拓撲的半邊基本形式。由圖5可知，擴展後各中間橋臂都含有兩個關聯埠，且為左右兩側的端點。按照類似的排列方式可以推演得到任意正偶邊形拓撲的埠擴展規律與關聯橋臂特徵。最後，根據有功功率交換時的橋臂能量守恆，配置橋臂直流分量，例如，正六邊形拓撲有兩種典型構造方式，而正八邊形有四種典型構造方式，更進一步的，根據構造拓撲是否x軸對稱，正八邊形還可進一步細分為對稱複合與不對稱複合兩類。
40.在具體實施中，在拓撲構造的基本單元中，上關聯橋臂和下關聯橋臂所疊加的埠頻率分量幅值相等、相位相反，呈現差模特性，因此該埠頻率分量僅從該埠輸出，而將上關聯橋臂和下關聯橋臂看作一個整體時，該埠頻率分量恆等於零，正是因為這個原因，在正偶邊形變換器中，中(高)壓側無需額外的頻率選擇裝置(如低通濾波器、陷波器等)來阻止高頻交流進入高壓基頻交流埠和高壓直流埠，使得高頻傳輸功率既不影響高壓直流埠，也不影響基頻交流埠。
41.本發明實施例中，低壓側還包括並聯電容，並聯於低壓側逆變器的兩個埠，並聯電容的兩端分別連接至單相全橋逆變器的正極和負極上，並聯電容起直流穩壓作用。
42.在具體實施中，低壓側逆變器用於將低壓直流信號變換成低壓交流信號，使得拓撲結構具有高壓交流、高壓直流、低壓交流和低壓直流四種通用埠。