一種可平衡不對稱負載的三相電力電子變壓器的製作方法

2023-05-20 10:43:01

專利名稱：一種可平衡不對稱負載的三相電力電子變壓器的製作方法
技術領域：
本發明屬於電力電子變壓器技術領域，涉及一種基於多級多模塊級聯結構的可平衡不對稱負載的三相電力電子變壓器。
背景技術：
在電力系統中，主要起變壓和隔離作用的傳統電力變壓器被廣泛應用。一方面，傳統電力變壓器具有效率高、成本低、可靠性高、結構簡單等優點；另一方面，它也具有明顯的缺點，笨重、體積大、空載損耗大，功能單一，使用變壓器油對環境構成威脅，帶非線性負載時畸變電流會汙染電網，電網有波動時又會影響負載等等。隨著電力系統的發展，尤其是分布式發電系統及新能源的發展，迫切需要一種新的電能轉換裝置除了實現電氣隔離和變壓功能之外還能實現負載側調壓、功率因素校正、輸入輸出兩側諧波抑制等等功能，同時體積小、重量輕、空載損耗小。顯然，傳統電力變壓器無法滿足這些應用要求。
隨著電力電子技術的發展，電力電子變壓器(PET—Power electronictransformer)或固態變壓器(SST—Solid-state transformer)的概念被提出用來解決這些傳統電力變壓器無法解決的問題。PET自上世紀70年代初被提出之後，經歷了 40年斷斷續續的發展，許多拓撲被提出。這些拓撲從級聯的級數角度，可分為單級結構、兩級結構和三級結構；從模塊化角度可分為基於全橋結構和基於二極體鉗位或飛跨電容結構兩類。從級聯的級數角度看，級聯的級數越多，PET能夠實現的功能就越多，因而現在主要基於三級結構；從模塊化角度看，對於大功率高電壓電壓應用場合，基於全橋結構比基於二極體鉗位或飛跨電容結構有更大的優勢，因而也是現在研究的主流。目前，由於現有電力電子器件成本相對來說比較高，電力電子變壓器總體成本上相對於傳統電力變壓器要高很多。隨著電力電子器件水平和高頻變壓器材料的發展，電力電子變壓器將會逐步替代傳統電力變壓器在電力系統中的位置。

發明內容
本發明解決的問題在於提供一種基於多級多模塊級聯結構的可平衡不對稱負載的三相電力電子變壓器，不僅能夠實現傳統變壓器電壓變換、電氣隔離和能量雙向傳遞的功能，而且便於生產、調試和維護。本發明是通過以下技術方案來實現首先提出第一種拓撲結構一種可平衡不對稱負載的三相電力電子變壓器，其特徵在於，其拓撲結構包括輸入級、隔離級、輸出級，每級的功率變換器均包括兩個輸入端和兩個輸出端；輸入級的三相中，每相包括3N個相同的串聯的輸入級功率變換器，N為自然數，每個輸入級功率變換器的兩個輸出端之間並聯有直流儲能電容；每相串聯的輸入級功率變換器總的交流側連接有電抗器，再與輸入電網的一相相連接，相與相之間三角形連接或星形連接；
隔離級的三相中，每相包括3N個通過高頻變壓器連接的高頻DC/AC環節功率變換器和高頻AC/DC環節的功率變換器；每相的每個高頻DC/AC環節功率變換器與輸入級的對應相的輸入級功率變換器一一對應連接；輸出級的三相中，每相的輸出級功率變換器與高頻AC/DC環節的功率變換器一一對應連接，3N個中的每個輸出級功率變換器的兩個輸入端之間並聯有輸出級直流儲能電容，交流側連接有LC濾波器；每相中均有1/3的輸出級功率變換器的一個輸出端通過LC濾波器分別交叉連接匯集於a相、b相和c相，所有輸出級功率變換器的另一個輸出端匯集於η點。所述的輸入級功率變換器、高頻DC/AC環節功率變換器、高頻AC/DC環節的功率變換器和輸出級功率變換器均採用全控型單相全橋功率變換器。所述的輸入級功率變換器輸出端與高頻DC/AC環節功率變換器的輸入端相連接；
高頻DC/AC環節功率變換器的輸出端接高頻變壓器的原邊，高頻變壓器的副邊接高頻AC/DC環節的功率變換器的輸入端；高頻AC/DC環節的功率變換器的輸出端與輸出級功率變換器的輸入端相連接；輸出級功率變換器的輸出端連接LC濾波器的輸入端，LC濾波器接三相供電網絡。所述從輸入級、隔離級到輸出級，交流、直流的變化依次為輸入級中，輸入電網交流輸入經過輸入級功率變換器轉換成直流，並通過直流儲能電容傳遞給隔離級；隔離級中，直流輸入通過隔離級高頻DC/AC環節功率變換器轉換成交流，並通過高頻變壓器傳遞給高頻AC/DC環節的功率變換器，再通過高頻AC/DC環節的功率變換器轉換成直流，並通過直流儲能電容傳遞給輸出級；輸出級中，直流輸入通過輸出級功率變換器轉換成交流，並通過LC濾波器傳遞給三相供電網絡。所述的輸出級直流儲能電容兩側還可以通過功率變換器連接太陽能或風能的發電網絡。本發明進一步提出第二種拓撲結構一種基於多級多模塊級聯結構可平衡不對稱負載的三相電力電子變壓器，其拓撲結構包括輸入級、隔離級、輸出級，每級的功率變換器均包括兩個輸入端和兩個輸出端；輸入級的三相中，每相包括6Ν個相同的級串聯的輸入級功率變換器，N為自然數，每個輸入級功率變換器的兩個輸出端之間並聯有直流儲能電容；每相串聯的輸入級功率變換器總的交流側連接有電抗器，再與輸入電網的一相相連接，相與相之間三角形連接或星形連接；隔離級的三相中，每相包括6Ν個通過高頻變壓器連接的高頻DC/AC環節功率變換器和高頻AC/DC環節的功率變換器；每相的每個高頻DC/AC環節功率變換器與輸入級的對應相的輸入級功率變換器一一對應連接；高頻AC/DC環節的功率變換器的輸出端之間並聯有輸出級直流儲能電容；輸出級的三相中，每相設有2Ν個輸出級功率變換器，三相中每相的一個，三相總共三個高頻AC/DC環節的功率變換器的輸出端交叉連接匯集後與一個輸出級功率變換器的輸入端相連接，其輸出端連接有LC濾波器，每相的輸出級功率變換器的一個輸出端通過LC濾波器匯集，三相分別匯集於a相、b相和c相，所有輸出級功率變換器的另一個輸出端匯集於η點。所述的基於多級多模塊級聯結構可平衡不對稱負載的三相電力電子變壓器中，從輸入級對應的每相6Ν個高頻AC/DC環節的功率變換器中抽取一個，三相共三個以並聯的方式連接，然後再連接輸出級的功率變換器，以同樣的方式組合連接每相內其他的6Ν-1個高頻AC/DC環節的功率變換器，再將每相內2Ν組輸出級的濾波電感的輸出端採用並聯的方式連接後連接LC濾波器的濾波電容，從而形成輸出級總的一相輸出。與現有技術相比，本發明提供的基於多級多模塊級聯結構可平衡不對稱負載的三相電力電子變壓器具有以下有益的技術效果I、可以實現傳統電力變壓器的變壓、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功率變換器，面對不同等級的輸入電壓，只需要計算對應輸入級串聯模塊數，按照對應模塊數串聯便可承受對應電壓；·3、本發明可全部模塊化，便於生產、調試和維護；4、本發明可以實現負載與供電系統的隔離，對負載提供保護作用，可以根據需要為電網側提供無功補償或者有源濾波功能，提高電網電能質量和運行可靠性；5、本發明可以自動調節輸出級的供電電壓、電流的幅值和相位，解決電網電壓暫降、暫升、波動與閃變等電能質量問題；6、本發明可以很好地應對不對稱負載，將負載側的不對稱通過拓撲的連接自然轉變成網側對稱；三相負載側功率最大不平衡度可通過下式計算；假設輸出級三相供電功率為(aP，bP，cP)，其中P為額定功率，a、b、c為供電係數，且a、b、c都為大於等於O小於等於1，其中a大於等於b和C。+(—丄|謂-Vdc^vdc其中Vtoid為電網電壓，m為輸入級功率變換器調製度，ω為電網角度頻率，L為電抗器電感值，Icrid為額定電流，Vdc為輸入級直流電能儲存電容電壓，Uunbalance為其他兩相功率最大不平衡度。7、本發明的直流側可接入太陽能、風能等新能源系統；8、本發明的兩種拓撲結構可以根據不同的功率等級及控制目地而靈活應用。


圖I為基於多級多模塊級聯結構的三相電力電子變壓器的拓撲整體結構框圖之圖2為基於多級多模塊級聯結構的三相電力電子變壓器的拓撲整體結構框圖之-* ;圖3為全橋功率變換器單元的電路結構圖；其中，I為電抗器、2為輸入級功率變換器、3為輸入級直流儲能電容、4為高頻DC/AC環節功率變換器、5為高頻變壓器、6為高頻AC/DC環節功率變換器、7為輸出級直流儲能電容、8為輸出級功率變換器、9為LC濾波器；11為第一輸入端、12為第二輸入端、13為第一輸出端、14為第二輸出端。
具體實施例方式本發明提供的基於多級多模塊級聯結構可平衡不對稱負載的三相電力電子變壓器，採用高壓側串聯、低壓側並聯的技術方案，三相結構相同且獨立。所有的兩種拓撲整體結構分為三級輸入級、隔離級和輸出級。下面結合具體的實施例和附圖對本發明做進一步的詳細說明，所述是對本發明的解釋而不是限定。實施例I基於多級多模塊級聯結構可平衡不對稱負載的三相電力電子變壓器，採用如圖I所述的拓撲結構，包括輸入級、隔離級、輸出級，每級的功率變換器均包括兩個輸入端和兩個輸出端；具體的每個功率變換器為四隻全控型器件組成的全控型單相全橋功率變換器，其 結構如圖3所示為Sub代表的全控型單相全橋功率變換器。每一相串聯的功率變換器交流側總的串聯一個電抗器以實現交流側諧波抑制。單相全控橋功率變換器的直流側的連個端線之間並聯一定容量的電容器組。輸入級的三相中，每相包括3N個相同的串聯的輸入級功率變換器2，N為自然數，每個輸入級功率變換器2的兩個輸出端之間並聯有直流儲能電容3 ;每相串聯的輸入級功率變換器總的交流側連接有電抗器I，再與輸入電網的一相相連接，相與相之間三角形連接或星形連接；輸入級的功率變換器的串聯數目由輸入電壓等級和所選用的電力電子器件水平所決定(如輸入電壓為llkV，選用開關器件I. 7kV/400A的IGBT並設定直流側為IkV時，每相需要18個變換器串聯)。隔離級的三相中，分為三個組成部分作為高頻DC/AC環節功率變換器4、高頻變壓器5和高頻AC/DC環節的功率變換器6 ;高頻DC/AC環節功率變換器4將輸入的直流電壓調製成IkHz以上的高頻信號(具體要根據DC/AC環節和AC/DC環節功率變換器所採用的開關器件確定)，並通過高頻變壓器5傳遞到高頻AC/DC環節變換器6交流端，高頻AC/DC環節變換器6則將高頻變壓器輸出的高頻交流信號還原為直流。高頻變壓器5主要起到電壓變換和電氣隔離的作用。隔離級的三相中，每相包括3N個通過高頻變壓器5連接的高頻DC/AC環節功率變換器4和高頻AC/DC環節的功率變換器6 ;每相的每個高頻DC/AC環節功率變換器4與輸入級的對應相的輸入級功率變換器2 —一對應連接；具體的，隔離級靠近輸入級部分由與輸入級串數目相同的全控型單相全橋功率變換器組成，每個變換器均為由四個全控型開關器件組成的全控型單相全橋功率變換器，其兩端接線和輸入級的相應端線連接；隔離級靠近輸出級部分的變換器也為由四個全控型開關器件組成的全控型單相全橋功率變換器，其數目也和輸入級串聯的全控型單相全橋功率變換器數目相同，該全控型單相全橋功率變換器的直流側輸出連接輸出級直流儲能電容。靠近輸出級直流側的隔離級AC/DC功率變換器直流側輸出連接輸出級直流側儲能電容之後分別連接對應的輸出級功率變換器；輸出級的三相中，每相的輸出級功率變換器8與高頻AC/DC環節的功率變換器6一一對應連接，3N個中的每個輸出級功率變換器8的兩個輸入端之間並聯有輸出級直流儲能電容7，交流側連接有LC濾波器9 (交流側串聯LC濾波器的濾波電感一端)；每相中均有1/3的輸出級功率變換器8的一個輸出端通過LC濾波器9分別交叉連接匯集於a相、b相和c相，所有輸出級功率變換器8的另一個輸出端匯集於η點。具體的，所述的輸入級的三相分別為A相、B相、C相，在輸出級中對應於A相、B相、C相的三相中每相1/3的輸出級功率變換器8 一個輸出端通過LC濾波器交叉連接匯集於a相；對應於A相、B相、C相的三相中每相1/3的輸出級功率變換器8 一個輸出端通過LC濾波器交叉連接匯集於b相；對應於A相、B相、C相的三相中每相1/3的輸出級功率變換器8 一個輸出端通過LC濾波器交叉連接匯集於c相；所有輸出級功率變換器8的另一個輸出端匯集於η點。或者，每相輸入級級聯模塊對應的輸出級功率變換器連接各自LC濾波器的濾波電感一端之後，從三相中對稱地選取等數目的與功率變換器相連的濾波電感的另一端並聯到一起並連接一個總的濾波電容，從而形成總的一相輸出。 實施例2基於多級多模塊級聯結構可平衡不對稱負載的三相電力電子變壓器，採用如圖2所示的第二種拓撲結構，包括輸入級、隔離級、輸出級，每級的功率變換器均包括兩個輸入端和兩個輸出端；輸入級、隔離級的連接與實施例I相同的連接方式並且將功率變換器的數目變化為6Ν，所不同的是輸出級的連接方式輸出級的三相中，每相設有2Ν個輸出級功率變換器8，三相中每相的一個，三相總共三個高頻AC/DC環節的功率變換器6的輸出端交叉連接匯集後與一個輸出級功率變換器8的輸入端相連接，其輸出端連接有LC濾波器9，每相的輸出級功率變換器8的一個輸出端匯集，三相分別匯集於a相、b相和c相，所有輸出級功率變換器8的另一個輸出端匯集於η點。隔離級的高頻變壓器為獨立單相變壓器，其數量和高壓側級聯的全控型單相全橋功率變換器數目相同。每相輸入級功率變換器對應靠近低壓直流側的隔離級AC/DC功率變換器直流側輸出按等數目均勻地分成幾組，對稱地從三相輸入級功率變換器對應的AC/DC功率變換器組中抽等數目的功率變換器並聯到直流儲能電容再連接輸出級功率變換器的輸入端。比如輸入級每相需要6個功率變換器級聯，那麼可以將對應的6個靠近低壓直流側的隔離級AC/DC功率變換器均勻地分成兩組每組各3個，或者可以將6個功率變換器分成一組；輸入級每相需要9個功率變換器級聯，那麼可以將對應的9個靠近低壓直流側的隔離級AC/DC功率變換器均勻地分成三組每組各3個，或者可以將9個功率變換器分成一組。或者，將總的輸出級功率變換器等分成三組，每組內的功率變換器連接各自LC濾波器的濾波電感一端後，電感另一端一併聯的方式連接再連接到總的LC濾波器的濾波電容上，從而形成輸出級的總的一相輸出。實施例I和實施例2所述的兩種拓撲結構都高度模塊化，便於設計、生產、安裝、調試和維護，可以根據不同的功率等級及控制目地而靈活應用。
權利要求
1.一種可平衡不對稱負載的三相電力電子變壓器，其特徵在於，其拓撲結構包括輸入級、隔離級、輸出級，每級的功率變換器均包括兩個輸入端和兩個輸出端； 輸入級的三相中，每相包括3N個相同的串聯的輸入級功率變換器(2)，N為自然數，每個輸入級功率變換器(2)的兩個輸出端之間並聯有直流儲能電容(3);每相串聯的輸入級功率變換器總的交流側連接有電抗器(I )，再與輸入電網的一相相連接，相與相之間三角形連接或星形連接； 隔離級的三相中，每相包括3N個通過高頻變壓器(5)連接的高頻DC/AC環節功率變換器(4)和高頻AC/DC環節的功率變換器(6);每相的每個高頻DC/AC環節功率變換器(4)與輸入級的對應相的輸入級功率變換器(2)--對應連接； 輸出級的三相中，每相的輸出級功率變換器(8)與高頻AC/DC環節的功率變換器(6)一一對應連接，3N個中的每個輸出級功率變換器(8)的兩個輸入端之間並聯有輸出級直流儲能電容(7)，交流側連接有LC濾波器(9)； 每相中均有1/3的輸出級功率變換器(8)的一個輸出端通過LC濾波器(9)分別交叉連接匯集於a相、b相和c相，所有輸出級功率變換器(8)的另一個輸出端匯集於η點。
2.如權利要求I所述的可平衡不對稱負載的三相電力電子變壓器，其特徵在於，所述的輸入級功率變換器(2)、高頻DC/AC環節功率變換器(4)、高頻AC/DC環節的功率變換器(6)和輸出級功率變換器(8)均採用全控型單相全橋功率變換器。
3.如權利要求I所述的可平衡不對稱負載的三相電力電子變壓器，其特徵在於，所述的輸入級功率變換器(2)輸出端與高頻DC/AC環節功率變換器(4)的輸入端相連接； 高頻DC/AC環節功率變換器(4)的輸出端接高頻變壓器(5)的原邊，高頻變壓器(5)的副邊接高頻AC/DC環節的功率變換器(6)的輸入端； 高頻AC/DC環節的功率變換器(6)的輸出端與輸出級功率變換器(8)的輸入端相連接；輸出級功率變換器(8 )的輸出端連接LC濾波器(9 )的輸入端，LC濾波器(9 )接三相供電網絡。
4.如權利要求I所述的可平衡不對稱負載的三相電力電子變壓器，其特徵在於，從輸入級、隔離級到輸出級，交流、直流的變化依次為 輸入級中，輸入電網交流輸入經過輸入級功率變換器(2)轉換成直流，並通過直流儲能電容(3)傳遞給隔離級； 隔離級中，直流輸入通過隔離級高頻DC/AC環節功率變換器(4)轉換成交流，並通過高頻變壓器(5)傳遞給高頻AC/DC環節的功率變換器(6)，再通過高頻AC/DC環節的功率變換器(6)轉換成直流，並通過直流儲能電容(7)傳遞給輸出級； 輸出級中，直流輸入通過輸出級功率變換器(8)轉換成交流，並通過LC濾波器傳遞給三相供電網絡。
5.如權利要求I所述的可平衡不對稱負載的三相電力電子變壓器，其特徵在於，所述的輸出級直流儲能電容(7)兩側還可以通過功率變換器連接太陽能或風能的發電網絡。
6.—種可平衡不對稱負載的三相電力電子變壓器，其特徵在於，其拓撲結構包括輸入級、隔離級、輸出級，每級的功率變換器均包括兩個輸入端和兩個輸出端； 輸入級的三相中，每相包括6Ν個相同的級串聯的輸入級功率變換器(2)，N為自然數，每個輸入級功率變換器(2)的兩個輸出端之間並聯有直流儲能電容(3);每相串聯的輸入級功率變換器總的交流側連接有電抗器(1)，再與輸入電網的一相相連接，相與相之間三角形連接或星形連接； 隔離級的三相中，每相包括6N個通過高頻變壓器(5)連接的高頻DC/AC環節功率變換器(4)和高頻AC/DC環節的功率變換器(6);每相的每個高頻DC/AC環節功率變換器(4)與輸入級的對應相的輸入級功率變換器(2)一一對應連接；高頻AC/DC環節的功率變換器(6)的輸出端之間並聯有輸出級直流儲能電容(7)； 輸出級的三相中，每相設有2N個輸出級功率變換器(8 )，三相中每相的一個，三相總共三個高頻AC/DC環節的功率變換器(6)的輸出端交叉連接匯集後與一個輸出級功率變換器(8)的輸入端相連接，其輸出端連接有LC濾波器(9)，每相的輸出級功率變換器(8)的一個輸出端通過LC濾波器(9)匯集，三相分別匯集於a相、b相和c相，所有輸出級功率變換器(8)的另一個輸出端匯集於η點。
7.如權利要求6所述的可平衡不對稱負載的三相電力電子變壓器，其特徵在於，從輸入級對應的每相6Ν個高頻AC/DC環節的功率變換器(6)中抽取一個，三相共三個以並聯的方式連接，然後再連接輸出級的功率變換器(8)，以同樣的方式組合連接每相的其餘6Ν-1個高頻AC/DC環節的功率變換器(6 )，再將每相內2Ν組輸出級的LC濾波器(9 )的濾波電感的輸出端採用並聯的方式連接後連接LC濾波器(9)的濾波電容，從而形成輸出級總的一相輸出。
8.如權利要求6所述的可平衡不對稱負載的三相電力電子變壓器，其特徵在於，所述的輸入級功率變換器(2)、高頻DC/AC環節功率變換器(4)、高頻AC/DC環節的功率變換器(6)和輸出級功率變換器(8)均採用全控型單相全橋功率變換器。
9.如權利要求6所述的可平衡不對稱負載的三相電力電子變壓器，其特徵在於，所述的輸入級功率變換器(2)輸出端與高頻DC/AC環節功率變換器(4)的輸入端相連接； 高頻DC/AC環節功率變換器(4)的輸出端接高頻變壓器(5)的原邊，高頻變壓器(5)的副邊接高頻AC/DC環節的功率變換器(6)的輸入端； 高頻AC/DC環節的功率變換器(6)的輸出端與輸出級功率變換器(8)的輸入端相連接；輸出級功率變換器(8 )的輸出端連接LC濾波器(9 )的輸入端，LC濾波器(9 )接三相供電網絡。
全文摘要
本發明公開了一種可平衡不對稱負載的三相電力電子變壓器，分為三級輸入級、隔離級和輸出級。輸入級功率變換器輸出端與高頻DC/AC環節功率變換器的輸入端相連接；高頻DC/AC環節功率變換器的輸出端接高頻變壓器的原邊，高頻變壓器的副邊接高頻AC/DC環節的功率變換器的輸入端；高頻AC/DC環節的功率變換器的輸出端與輸出級功率變換器的輸入端相連接；輸出級功率變換器的輸出端連接LC濾波器的輸入端，LC濾波器接三相供電網絡。本發明可以實現傳統電力變壓器的變壓、隔離、能量傳遞等等基本功能，面對不同等級的輸入電壓，只需要計算對應輸入級串聯模塊數，按照對應模塊數串聯便可承受對應電壓。
文檔編號H02J3/26GK102820666SQ201210315989
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月30日 優先權日2012年8月30日
發明者劉進軍, 王新宇, 徐濤濤, 王曉劍 申請人:西安交通大學