CN104638940A - 基于级联模块化多电平的电力电子变压器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于级联模块化多电平的电力电子变压器，其结构主要包括高压模块化多电平整流器(MMC)、DC-DC变压器、低压逆变器。其中高压侧，三相交流高压连接模块化多电平整流器，整流得到的高压直流，高压直流通过多个小的模块化多电平DC-DC变换装置得到低压直流母线，低压直流母线接低压逆变装置，输出工频电压。其中模块化多电平整流器由三相组成，每相由多个模块构成。DC-DC变压器，高压直流侧由多个电容并联分压，并通过模块化多电平变流装置连接中频变压器，后接整流装置得到低压直流，多个直流输出端并联。低压直流母线接桥式逆变器，得到工频电。该发明高压直流侧电容电压波动小，控制灵活，可靠性好。

Description

基于级联模块化多电平的电力电子变压器
技术领域
本发明涉及电力电子器件和变压器领域，具体涉及一种基于模块化多电平的电力电子变压器。
背景技术
电子电力变压器(Electronic Power Transformer，EPT)又被称为电力电子变压器(Power Electronic Transformer，PET)或固态变压器(Solid State Transformer，SST)，其是一种将电力电子变换技术和基于电磁感应原理的电能变换技术相结合，实现将一种电力特征的电能转变为另一种电力特征的电能的新型智能变压器。相对于传统变压器而言，电力电子变压器具有如下优点：(1)体积小，重量轻，环境污染小；(2)运行时二次侧输出电压幅值恒定，不随负载变化，且平滑可调；(3)一次、二次侧电压为正弦波形，功率因数可调；(4)一次、二次侧电压、电流和功率均高度可控；(5)本身具有断路器的功能，无需传统的变压器继电保护装置。电力电子变压器是集电力电子、电力系统、计算机、数字信号处理以及自动控制理论等领域为一体的电力系统前沿研究课题，也是解决电能质量问题，建设“绿色电网”、“数字电网”的可行途径之一。目前在国内外，关于电力电子变压器有很多相关的研究和开发。
模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)是一种适用于中高压应用场合的新型变换器。这种结构具有很大的优势，与目前主要的二极管钳位型、飞跨电容型多电平拓扑相比，MMC具有损耗小、冗余性好、开关频率低、输出谐波少等特点。与级联H桥多电平拓扑相比，MMC具有公用直流母线以及良好的四象限工作性能等特点。MMC的每个子模块结构相对简单，控制容易，可以无限扩展，特别适用于高压大容量领域。将MMC取代级联H桥作为PET的高压侧变换器得到高压直流母线。中间的DC-DC变换器则实现高压侧和低压侧隔离功能。这种基于MMC的PET具有如下的特点和优势：1)为三相结构，可提高直流输出电压质量。2)可以显著减少高频变压器的用量。3)可以减少电力电子开关器件的用量。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种高压直流侧电容电压波动小，控制灵活，可靠性好的基于级联模块化多电平的电力电子变压器。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于级联模块化多电平的电力电子变压器，包括按电路依次连接的高压直流侧的模块化多电平整流器MMC、DC/DC变压器单元以及低压直流侧的低压逆变器；所述模块化多电平整流器的交流侧连接三相高压交流电网，且所述模块化多电平整流器MMC与DC/DC变压器单元通过高压直流母线连接，而所述低压逆变器与DC/DC变压器单元通过低压直流母线连接；所述模块化多电平整流器MMC由三相组成，每相由上下两个桥臂组成，每个桥臂由多个SM子模块串联而成；三相高压交流电网的每相连接到每相上下桥臂的中点，三相桥臂并联在高压直流电网正负极两端；所述DC/DC变压器单元包括一个以上的模块化多电平逆变器、一个以上的中频变压器以及一个以上的第一整流器，且所述模块化多电平逆变器、中频变压器以及第一整流器一一对应，且每一个中频变压器的原边均连接在对应的模块化多电平逆变器的交流侧，而所述中频变压器的副边连接在对应的第一整流器的交流侧；而相邻的模块化多电平逆变器的直流侧之间通过第一电容相互并联在一起与高压直流母线连接，第一整流器的直流侧相互并联在一起与低压直流母线连接。
优选的：所述DC/DC变压器单元的模块化多电平逆变器为单相结构或双相结构：单相结构中，模块化多电平逆变器的直流侧由两个第二电容并联组成，相的输出连接中频变压器的一端，另一端接两串联电容的中点；双相结构中，模块化多电平逆变器的直流侧由一个第二电容组成，每相的输出端接中频变压器的一端。
优选的：所述第一整流器可以采用二极管不控整流电路，或采用全控整流电路。
优选的：所述SM子模块包括半桥电路和第三电容，所述半桥电路和第三电容并联在一起。
优选的：所述的半桥结构由两组绝缘栅双极型晶闸管和续流二极管组成，续流二极管反并联在绝缘栅双极型晶闸管两端；而两组半桥结构组成全控整流电路。
本发明提供的一种基于级联模块化多电平的电力电子变压器，相比现有技术，具有以下有益效果：
1.高压侧整流电路由模块化多电平整流电路组成，采用三相三桥臂结构，三相高压分别连接模块化多电平，三相并联于高压直流侧。因此采用本发明的拓扑结构可以通过子模块的扩展达到高电压、大容量，减小了谐波，提高了电能质量。
2.所述DC/DC变压器中，中频变压器重量轻，体积小，使得整个变压器重量轻，体积小。所述第一整流器采用全控整流电路时，该电力电子变压器可以实现潮流的双向流动，能够实现新能源的快速并网。
3.所述DC/DC变压器输出端并联到低压直流母线，后接低压逆变电路，逆变电路的输出接低压交流电网，所述结构为新能源的提供了丰富的接口。
4.所述的模块化多电平整流器结构代替传统的二电平、三电平结构作为交流高压电网的接口，减小了谐波，同时能够四象限运行，实现功率双向流动，控制简单，鲁棒性强。
5.所述DC/DC变压器单元的模块化多电平逆变器电容为单电容或双电容结构，易于实现高压直流侧电容电压的平衡。
综上所述：本发明基于级联模块化多电平的电力电子变压器具有高压直流侧电容电压波动小，控制灵活，可靠性好的特点。
附图说明
图1是本发明的基于级联模块化多电平的电力电子变压器系统连接原理框图。
图2是本发明的前级高压整流电路原理图。
图3是本发明的模块化多电平换流器子模块的结构图。
图4是本发明的中间级DC/DC变压器的第一种模型的原理图。
图5是本发明的中间级DC/DC变压器的第二种模型的原理图。
图6是本发明的中间级DC/DC变压器的第一整流器可采用不控整流的原理图。
图7是本发明的中间级DC/DC变压器的第一整流器可采用全控整流的原理图。
图8是本发明的后级逆变并网电流原理图。
图9是本发明中间级采用第一种模型(图4)的整体电力电子变压器原理图。
图10是本发明中间级采用第二种模型(图5)的整体电力电子变压器原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
一种基于级联模块化多电平的电力电子变压器，如图1所示，包括按电路依次连接的高压直流侧的模块化多电平整流器MMC、DC/DC变压器单元以及低压直流侧的低压逆变器；所述模块化多电平整流器的交流侧连接三相高压交流电网，且所述模块化多电平整流器MMC与DC/DC变压器单元通过高压直流母线连接，而所述低压逆变器与DC/DC变压器单元通过低压直流母线连接。
如图2所示，所述模块化多电平整流器MMC由三相组成，每相由上下两个桥臂组成，每个桥臂由多个SM子模块串联而成，包含电路依次连接一个以上子模块SM，如图2所示，所述子模块SM为SM1,SM2,SM3,…,SMn，高压直流正极连接第一电感，第二电感，一个以上子模块SM连接高压负极，三相并联在高压交流电网正负极两端。
如图1所示，所述DC/DC变压器单元包括一个以上的模块化多电平逆变器FB、一个以上的中频变压器以及一个以上的第一整流器mmc，且所述模块化多电平逆变器FB、中频变压器以及第一整流器mmc一一对应，且每一个中频变压器的原方均连接在对应的模块化多电平逆变器FB的交流侧，而所述中频变压器的副方连接在对应的第一整流器mmc的交流侧；而相邻的模块化多电平逆变器FB的直流侧之间通过第一电容相互并联在一起与高压直流母线连接，第一整流器mmc的直流侧并联与低压直流母线相连。
所述DC/DC变压器单元的模块化多电平逆变器FB分为单相结构或双相结构：如图4所示，单相结构中，模块化多电平逆变器FB的直流侧由两个第二电容串联组成，直流侧两端并联一相模块化结构，相的输出连接中频变压器的一端，另一端接两串联电容的中点；如图5所示，双相结构中，模块化多电平逆变器FB的直流侧由一个第二电容组成，直流侧两端并联两相模块化结构，每相的输出端接中频变压器的一端。
如图6所示，所述第一整流器可以采用二极管不控整流电路，或采用如图7所示的全控整流电路，。
如图3所示，所述SM子模块包括半桥电路和第三电容，所述半桥电路和第三电容并联在一起。
所述的半桥结构由两组绝缘栅双极型晶闸管和续流二极管组成，一组由绝缘栅双极型晶闸管S1、S2和续流二极管D1、D2组成，续流二极管D1、D2分别反并联在各自相对应的绝缘栅双极型晶闸管S1、S2两端；另一组由绝缘栅双极型晶闸管S3、S4和续流二极管D3、D4组成，续流二极管D3、D4分别反并联在各自相对应的绝缘栅双极型晶闸管S3、S4两端；而两组半桥结构组成全桥整流电路。
实例
本发明模块化多电平电力电子变压器由高压侧的MMC整流电路(图2)、DC/DC变压器(图4或图5)、低压直流侧逆变电路(图8)组成；3部分电路依次连接，构成了模块化多电平电力电子变压器的基本结构。所述模块化多电平整流器的交流侧连接三相高压交流电网，所述模块化多电平整流器的直流侧连接DC/DC变压器。所述模块化多电平整流器有三相组成，每相由上下两个桥臂组成，每个桥臂有多个子模块串联而成，三相并联与高压直流侧正负极两端。所述DC/DC变压器输入侧由模块化多电平逆变器组成，输出由整流电路得到低压，低压直流经过低压逆变电路，得到低压交流。低压交流母线直接和配电网或者负载相连，传输电能。
本发明模块化多电平电力电子变压器整体结构如图1所示，由整流器(MMC换流器)MMC，DC/DC变换器和低压逆变器DC/AC构成。所述DC/DC变压器单元的模块化多电平逆变器FB、中频变压器和整流器mmc都由多个组成，所述的中频变压器的原方连接模块化多电平逆变器的交流侧，所述中频变压器副方连接整流器mmc的交流侧，所述的整流器mmc直流侧为多个并联，同时连接于低压直流母线。在低压侧，有可以方便接入的低压直流母线和低压交流母线，方便新能源的接入和交流负载的并网。所述的DC/DC变压器中的直流输入端由多个模块化多电平逆变器FB串联组成，每个模块化多电平逆变器FB的输出与中频变压器的输入端相连。
所述DC/DC变压器中，中频变压器重量轻，体积小。所述DC/DC变压器低压整流电路中，可以采用二极管不控整流电路，或采用可控整流电路。当所述整流电路采用可控整流电路时，该电力电子变压器可以实现潮流的双向流动，能够实现新能源的快速并网。
高压侧模块化多电平整流电路如图1所示，交流侧连接三相电网，每相由上下桥臂组成，每个桥臂有N个子模块。高压侧整流电路采用功率外环、电流内环的控制策略，调制策略则采用载波移相。高压侧整流电路由模块化多电平整流电路组成，采用三相三桥臂结构，三相高压分别连接模块化多电平，三相并联与高压直流侧。所述拓扑可以通过子模块的扩展达到高电压、大容量，减小了谐波，提高了电能质量。
所述DC/DC变压器输出端并联到直流母线，后接全桥逆变电路，逆变电路的输出接低压交流电网，所述结构为新能源的提供了丰富的接口。
本发明模块化多电平电力电子变压器中的DC/DC变压器单元，其由多个模块化多电平小单元组成。所述的子模块由半桥电路和电容组成，所述半桥电路和所述电容并联。所述的DC/DC变压器中直流输入端的模块化多电平逆变器有单相和双相结构：如图4和图5，两种结构。图4为单相双电容结构，单相结构中，逆变器mmc的直流侧由两电容串联组成，相的输出连接中频变压器FB的一端，另一端接两串联电容的中点。即第一电容和第二电容串联并与单相并联，每相连接从上到下包括多个子模块，第一电感，第二电感，多个子模块。第一电容和第二电容之间引出抽头连接中频变压器一端，相的第一电感和第二电感之间引出连接到中频变压器另一端。图5为双相单电容结构，逆变器mmc的直流侧由一个电容组成，电容两端并联两相，每相的输出端分别接中频变压器的一端。即电容两端分别与两相并联，并联相从上到下连接包括多个子模块，第一电感，第二电感，多个子模块组成。每相的第一电感和第二电感之间分别引出连接到中频变压器FB一端。由模块化多电平逆变器加中频变压器和第一整流器作为DC/DC变压器的一个小单元，该小单元在高压直流侧串联，中频变压器后的逆变输出在低压母线上并联。
如图4或图5所示，中频变压器FB的输出接整流装置。可以采用图7所采用的全控整流(可控整流)，或者图6所示的不控整流。可控整流由两组半桥并联组成，每组半桥由上下两个IGBT串联而成，每个IGBT与二极管反并联构成。图6所示的不控整流由两组半桥并联组成，每组半桥由上下两个二极管串联构成。
所述的半桥结构由两组绝缘栅双极型晶闸管S1和续流二极管D1组成，续流二极管D1反并联在绝缘栅双极型晶闸管S1两端。所述全桥结构由两组半桥结构组成。
本发明的模块化多电平电力电子变压器中低压逆变电路如图8所示，采用低压逆变电路，该结构的输出直接并入配电网或接交流负载。
本发明的模块化多电平电力电子变压器的整体结构图如图9和图10所示，其中B部分还有如图6所示结构。本发明提出了一种新型的模块化多电平电力电子变压器结构。本发明在高压直流侧后接小的模块化多电平逆变器，该结构能够有效的均衡电容电压，简化的电容电压的控制。中频变压器的输入端提出了2种结构，分别是单相双电容和双相单电容结构，中频变压器的输出采用可控整流或者不控整流两种。低压侧的直流母线提供丰富的新能源并网接口。
一种基于模块化多电平的电力电子变压器，该结构包括模块化多电平整流器MMC和DC/DC变压器，所述模块化多电平整流器MMC的交流侧连接三相高压交流电网，所述模块化多电平整流器MMC的直流侧连接DC/DC变压器。所述模块化多电平整流器MMC有三相组成，每相由上下两个桥臂组成，每个桥臂有多个子模块SM串联而成，三相并联与高压直流侧正负极两端。所述DC/DC变压器输入侧由模块化多电平逆变器MMC组成，输出由整流电路得到低压直流，低压直流经过低压逆变电路，得到低压交流。低压交流母线直接和配电网或者负载相连，传输电能。
在实例中，高压侧整流电路由模块化多电平整流电路组成，采用三相三桥臂结构，三相高压分别连接模块化多电平，三相并联于高压直流侧。所述拓扑可以通过子模块SM的扩展达到高电压、大容量，减小了谐波，提高了电能质量。
在实例中，所述的DC/DC变压器还包括模块化多电平逆变器FB、中频变压器和整流器mmc，所述的模块化多电平逆变器FB、中频变压器和整流器mmc都由多个组成，所述的中频变压器FB的原边连接模块化多电平逆变器的交流侧，所述中频变压器FB副边连接整流器mmc的交流侧，所述的整流器mmc直流侧为多个并联，同时连接与低压直流母线。
在实例中，所述的DC/DC变压器中的直流输入端由多个模块化多电平逆变器mmc串联组成，每个模块化多电平逆变器mmc的输出与中频变压器FB的输入端相连。所述的DC/DC变压器中直流输入端的模块化多电平逆变器有单相和双相结构：单相结构中，逆变器的直流侧由两电容并联组成，相的输出连接中频变压器的一端，另一端接两串联电容的中点；双相结构中，逆变器的直流侧由一个电容组成，每相的输出端接中频变压器的一端。该结构能够实现高压直流侧电容电压的平衡。
在实例中，所述DC/DC变压器中，中频变压器重量轻，体积小。所述DC/DC变压器低压整流电路中，可以采用二极管不控整流电路，或采用可控整流电路。当所述整流电路采用可控整流电路时，该电力电子变压器可以实现潮流的双向流动，能够实现新能源的快速并网。
在实例中，所述DC/DC变压器输出端并联到直流母线，后接全桥逆变电路，逆变电路的输出可以接低压交流电网或负载，所述结构为新能源的提供了丰富的接口。
在实例中，所述的模块化多电平整流器结构代替传统的二电平、三电平结构作为交流高压电网的接口，减小了谐波，同时能够四象限运行，实现功率双向流动，控制简单，鲁棒性强。
由上述可知，本发明高压侧，三相交流高压连接模块化多电平整流器，整流得到的高压母线电压通过小的模块化多电平DC-DC变换装置得到低压直流母线，低压直流母线接低压逆变装置，输出工频电压。其中模块化多电平整流器由三相组成，每相由多个模块构成。DC-DC变压器，高压直流侧由多个电容并联分压，并通过模块化多电平变流装置连接中频变压器，后接整流装置得到直流低压，多个输出端并联。低压直流母线接桥式逆变器，得到工频电。该发明高压直流侧电容电压波动小，控制灵活，可靠性好。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于级联模块化多电平的电力电子变压器，其特征在于：包括按电路依次连接的高压直流侧的模块化多电平整流器MMC、DC/DC变压器单元以及低压直流侧的低压逆变器；所述模块化多电平整流器的交流侧连接三相高压交流电网，且所述模块化多电平整流器MMC与DC/DC变压器单元通过高压直流母线连接，而所述低压逆变器与DC/DC变压器单元通过低压直流母线连接；所述模块化多电平整流器MMC由三相组成，每相由上下两个桥臂组成，每个桥臂由多个SM子模块串联而成；三相高压交流电网的每相连接到每相上下桥臂的中点，三相桥臂并联在高压直流电网正负极两端；所述DC/DC变压器单元包括一个以上的模块化多电平逆变器、一个以上的中频变压器以及一个以上的第一整流器，且所述模块化多电平逆变器、中频变压器以及第一整流器一一对应，且每一个中频变压器的原边均连接在对应的模块化多电平逆变器的交流侧，而所述中频变压器的副边连接在对应的第一整流器的交流侧；而相邻的模块化多电平逆变器的直流侧之间通过第一电容相互并联在一起与高压直流母线连接，第一整流器的直流侧相互并联在一起与低压直流母线连接。
2.根据权利要求1所述的基于级联模块化多电平的电力电子变压器，其特征在于：所述DC/DC变压器单元的模块化多电平逆变器为单相结构或双相结构：单相结构中，模块化多电平逆变器的直流侧由两个第二电容串联组成，直流侧两端并联一相模块化结构，相的输出连接中频变压器的一端，另一端接两串联电容的中点；双相结构中，模块化多电平逆变器的直流侧由一个第二电容组成，直流侧两端并联两相模块化结构，每相的输出端接中频变压器的一端。
3.根据权利要求2所述的基于级联模块化多电平的电力电子变压器，其特征在于：所述第一整流器可以采用二极管不控整流电路，或采用全控整流电路。
4.根据权利要求3所述的基于级联模块化多电平的电力电子变压器，其特征在于：所述SM子模块包括半桥电路和第三电容，所述半桥电路和第三电容并联在一起。
5.根据权利要求4所述的基于级联模块化多电平的电力电子变压器，其特征在于：所述的半桥结构由两组绝缘栅双极型晶闸管和续流二极管组成，续流二极管反并联在绝缘栅双极型晶闸管两端；而两组半桥结构组成全控整流电路。
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