CN108832825B - 一种高功率密度的多端口电力电子变压器拓扑 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高功率密度的多端口电力电子变压器拓扑，包括高压侧的模块化多电平换流器，中间侧的谐振型高频变换器和低压侧的直流母线；模块化多电平换流器的正负直流母线分别与高频变换器的两个隔直谐振电容连接，模块化多电平换流器的交流母线与高频变换器的交流谐振电容连接，从而形成上下两个谐振回路；模块化多电平换流器的上下桥臂输出反相高频交流，将能量以高频形式经谐振回路传递至低压侧。相比已有的兼有高压交流、高压直流和低压直流母线的多端口电力电子变压器，本发明拓扑能大大减少高频变压器、子模块、电容和开关器件的数量，且无需直流母线的高频陷波器，极大降低了装置的体积和成本，提高了装置的效率与功率密度。

Description

一种高功率密度的多端口电力电子变压器拓扑
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，特别地涉及一种高功率密度的多端口电力电子变压器拓扑。
背景技术
电力电子变压器是具有电压变换、无功补偿、不平衡控制、电能质量治理等功能的电力电子装置。其中，具有高压交流、高压直流和低压直流的多端口电力电子变压器，适用于交直流混合电网，便于可再生能源的接入与消纳，也有助于提高电网的运行效率与可靠性。多端口电力电子变压器在能源互联网中具有电能路由器的功能。
电力电子变压器结构种类繁多，其中AC/DC/DC型结构便于形成高压交流、高压直流和低压直流母线，因此多端口电力电子变压器常采用这种结构。在中高压场合，受制于功率开关器件的耐压能力不足，电力电子变压器需采用模块化结构，这种情况下，一方面由于AC/DC/DC型电力电子变压器变换级数较多，造成子模块众多；另一方面，现有AC/DC/DC型电力电子变压器的DC/DC高频变换隔离环节，其高压侧子模块或连接于高压直流母线，需耐受较高的直流电压造成子模块众多，或连接于AC/DC环节子模块的直流侧，两种子模块一一对应，子模块数亦众多。子模块数众多极大地增加了装置的体积、成本与控制复杂度，降低了装置效率与功率密度，不利于电力电子变压器的推广应用。
因此，减少多端口电力电子变压器的变换级数、降低高频变换隔离环节的耐受电压，从而减少子模块数、降低装置成本、提高装置的效率与功率密度，对推动多端口电力电子变压器的推广与应用具有重要意义。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提出一种高功率密度的多端口电力电子变压器拓扑，减少多端口电力电子变压器变换级数、降低高频变换隔离环节的耐受电压，从而减少子模块、功率开关器件和高频变压器数，降低装置成本，提高装置的效率与功率密度。
本发明具体技术方案如下：
一种高功率密度的多端口电力电子变压器拓扑，包括高压侧模块化多电平换流器、中间侧高频变换器和低压直流母线，所述高压侧模块化多电平换流器包括高压交流电源、滤波电感、上、下桥臂电感和上、下级联子模块，高压交流电源经滤波电感后分别连接上、下桥臂电感，上、下桥臂电感连接到上、下级联子模块的输入端，上、下级联子模块的输出端并联，形成高压直流正母线与负母线；其特征在于：所述中间侧高频变换器包括两个隔直谐振电容、交流谐振电容、中性点谐振电容、两台高频变压器和两个低压全桥，两个隔直谐振电容的一端分别与高压直流母线的正母线和负母线连接，另一端分别与上侧和下侧的高频变压器原边绕组的一端连接，位于上侧和下侧的高频变压器原边绕组的另一端彼此连接，形成中间点，交流谐振电容的一端与滤波电感连接，另一端与中性点谐振电容连接，中性点谐振电容的另一端连接至中间点，高频变压器的副边绕组连接至低压全桥的输入端；所述低压直流母线由低压全桥的输出端形成，低压直流母线上并联低压直流滤波电容。
进一步，高压侧模块化多电平换流器的各个桥臂均包含级联的Nh个半桥子模块和Nf个全桥子模块。
进一步，高压侧模块化多电平换流器的上、下桥臂输出相位相反、幅值相同的高频正弦或方波信号。
进一步，高压侧模块化多电平换流器的全桥子模块和半桥子模块同时或交替输出工频正弦信号与高频正弦或方波信号，此外，所述半桥子模块还同时输出直流信号。
进一步，高频变压器为双绕组变压器，且高频变压器的漏感部分代替高频谐振所需电感。
进一步，中间侧高频变换器采用开环控制时，桥臂电感、隔直谐振电容、高频变压器漏感、中性点谐振电容和交流谐振电容构成串联谐振回路；所述中间侧高频变换器采用闭环控制时，桥臂电感、隔直谐振电容、中性点谐振电容和交流谐振电容构成串联谐振回路。
进一步，低压全桥包含四个全控型功率开关器件或四个不可控型功率开关器件。
进一步，中间侧高频变换器为上下对称结构，上侧和下侧各含有一个高频变换单元或多个并联的高频变换单元。
进一步，高频变换单元的每一个由一台高频变压器或多台并联的高频变压器和一个低压全桥或多个并联的低压全桥组成。
进一步，各个低压全桥的输出端彼此不连接，形成独立的低压直流母线，或所述各个低压全桥输出端彼此并联或串联，形成一条或多条低压直流母线。
有益效果
本发明提出了一种高功率密度的多端口电力电子变压器拓扑，该拓扑具有高压交流、高压直流和低压直流母线，亦可在低压直流母线上设置逆变器实现低压交流输出，通过隔直谐振电容能够将高压直流母线的直流电压和高频变换器的交流输入电压分离，避免高频变换单元承受较高的直流电压，从而降低对高频变换器的耐压要求，减少高频变换单元数；若需要增加低压直流端口数，则可将高频变换单元并联，而无需串联，如此既不影响高压直流母线电压，也无串联均压问题，由于各个低压直流端口彼此隔离，并联的高频变换单元间无环流问题，上述优势有利于可再生能源的即插即用；通过交流谐振电容形成中性点，中性点连接有中性点谐振电容，这一结构可防止正序的工频交流信号流入谐振回路，串联的中性点谐振电容使得交流谐振电容的容值可配置较大，从而降低各相交流谐振电容容值的差异对谐振频率的影响和为高压侧工频交流输出带来的谐波，通过中性点谐振电容引出中间点，中间点连接着上侧和下侧的高频变换器，形成了上、下两条高频谐振通路，两条谐振通路可独立运行、互为热冗余，提高了装置的可靠性，同时中间点可直接接地或经电阻、电抗接地，能够降低高频变压器稳态运行时的耐受电压，降低对高频变压器绝缘的要求；高压侧模块化多电平能换流器的上、下桥臂分别输出相位相反、幅值相同的高频交流信号，高频交流信号在高压直流母线上相互抵消，无需在高压直流母线设置高频陷波器；所提拓扑具有直流环节，够实有功功率和无功功率的完全结构，也对各个端口间的电能质量问题具有一定隔离作用；所提拓扑采用半全混合，全桥模块不输出直流信号，因此具有较高的直流电压利用率，采用半全混合结构亦能够阻断直流双极短路故障。
本发明的主要优势是能够有效减少多端口电力电子变压器的子模块数、功率开关器件数和高频变压器数，降低多端口电力电子变压器的成本，提高其效率与功率密度。
附图说明
图1为本发明的一种高功率密度的多端口电力电子变压器拓扑图；
图2为本发明的一种高功率密度的多端口电力电子变压器拓扑中全桥子模块结构图；
图3为本发明的一种高功率密度的多端口电力电子变压器拓扑中半桥子模块结构图；
图4为现有技术的基于模块化多电平换流器的电力电子变压器拓扑图。
其中：滤波电感Lf，桥臂电感Larm,,漏感Ld1和Ld2，隔直谐振电容Cdcr，交流谐振电容Cacr,中性点谐振电容CNr，低压直流滤波电容CdcL，高频变压器Tr1、Tr2，功率开关器件T1、T2、T3、T4，全桥子模块FBSM，半桥子模块HBSM，半桥子模块直流电容Chbsm，全桥子模块直流电容Cfbsm。
具体实施方式
本发明提出了一种高功率密度的多端口电力电子变压器拓扑。如图1所示，包括高压侧模块化多电平换流器、中间侧高频变换器和低压直流母线；高压侧模块化多电平换流器用于将工频交流电能变换为直流电能与高频交流电能；中间侧高频变换器用于电气隔离与将高频交流电能变换为直流电能；低压直流母线用于为低压直流负载供电或设置逆变器为低压交流负载供电；高压侧模块化多电平换流器包括高压交流电源、滤波电感、桥臂电感和级联子模块，高压交流电源经滤波电感后分别连接上、下桥臂电感，桥臂电感的另一端连接至上、下桥臂级联子模块的输入端，桥臂级联子模块的输出端并联，形成高压直流母线的正母线和负母线，上述结构为工频信号和直流信号提供了通路；中间侧高频变换器包括隔直谐振电容、交流谐振电容、中性点谐振电容、高频变压器和低压全桥，两个隔直谐振电容的一端分别与高压直流母线的正母线和负母线连接，另一端分别与上侧和下侧的高频变压器原边绕组的一端连接，位于上侧和下侧的高频变压器原边绕组的另一端彼此连接，形成中间点，交流谐振电容的一端与滤波电感连接，另一端与中性点谐振电容连接，中性点谐振电容的另一端连接至中间点，形成高频信号通路，高频变压器的副边绕组连接至低压全桥的输入端；低压直流母线由低压全桥的输出端形成，低压直流母线上并联低压直流滤波电容。
高压侧模块化多电平结构每相上、下桥臂各包含级联的Nh个半桥子模块和Nf个全桥子模块，其中半桥子模块电压Uhbsm乘以半桥子模块数Nh需大于等于高压直流母线电压；其中全桥子模块电压Ufbsm乘以半桥子模块数Nh需大于等于输入高频变换器的高频交流电压峰值。
高压侧模块化多电平换流器的上、下桥臂输出相位相反、幅值相同的高频正弦或高频方波信号，上、下桥臂的高频正弦或高频方波信号在高压直流母线相互抵消，直流母线上不含有该高频正弦或高频方波信号。
高压侧模块化多电平换流器的全桥子模块和半桥子模块同时或交替输出工频正弦信号与高频交流信号，将工频交流信号直接变换为中间侧高频变换器输入的高频交流信号，减少变换环节；半桥子模块还同时输出直流信号。
高频变压器为双绕组变压器，高频变压器的漏感部分代替高频谐振所需电感，高频变压器原边绕组两端可并联旁路开关，防止启动过程中隔直谐振电容充电造成高频变压器直流偏磁。
高频变换器采用开环控制时，桥臂电感、隔直谐振电容、高频变压器漏感、中性点谐振电容和交流谐振电容构成串联谐振回路，高频变压器原副边电压按变比分配；高频变换器采用闭环控制时，桥臂电感、隔直谐振电容、中性点谐振电容和交流谐振电容构成串联谐振回路，可利用高频变压器漏感、采用闭环移相控制对高频变换器传输功率进行控制。
全桥子模块包含四个全控型功率开关器件和一个直流电容，半桥子模块包含两个全控型功率开关器件和一个直流电容，半桥子模块和全桥子模块输出端可并联旁路开关，实现故障子模块的切除；低压全桥可采用四个全控型功率开关器件，实现功率双向流动，亦可采用四个不可控型功率开关器件，此时功率只能由高压侧流向低压侧。
高频变换器为上下对称结构，上侧和下侧可各包含一个高频变换单元，在大容量场合，上侧和下侧可采用多个高频变换单元并联，降低单个高频变换单元的容量；一个高频变换单元由一台或多台并联的高频变压器和一个或多个低压全桥组成。
各个低压全桥的输出端若彼此不连接，则可形成独立的低压直流母线；各个低压全桥的输出端若彼此并联或串联，则形成一条或多条低压直流母线。
下面以一个实施例进行说明。
以三相高压交流10kV/1MVA/50Hz，高压直流20kV/0.5MVA，低压直流750V/0.5MVA为例进行实施例分析。
综合经济性和效率，选择高压侧模块化多电平换流器子模块电压为900V,因此桥臂半桥子模块数Nh≥(20000/900)≈22.2，取Nh＝23；为尽量减少子模块数，设置Nf＝1，则高频变换器输入的交流电压峰值为900V，波形设计为方波，频率设计为10kHz；高频变压器原边电压为900V,副边电压为750V，变比为1.2:1。
根据上述已确定的条件，可得高频变换器上侧或下侧输入电流有效值约为278A，亦等于高频变压器原边电流有效值，峰值约为393A，高频变压器副边电流有效值为278×1.2＝334A，峰值为472A，低压直流母线电压为750V。综上可得，低压全桥可采用两个1200V/450A IGBT半桥模块组成，如英飞凌FF450R12ME4，总用量为4个。
根据上述已确定的条件，可得高压交流电流峰值约为82A，高压直流母线电流约为25A，故可得模块化多电平换流器桥臂电流有效值约为116A，峰值约为207A，子模块电压为900V，综上可得半桥子模块或全桥子模块功率开关器件均可采用1700V/300A IGBT半桥模块，如英飞凌FF300R17ME4，总用量为Nf×2×6+Nh×6＝150个。
综上所述，所提拓扑需要IGBT半桥模块154个，高频变压器2台，子模块(以一个半桥或全桥计)148个。若需要直流双极故障阻断功能，则上、下桥臂中的全桥子模块总电压应大于或等于高压交流电源线电压峰值的两倍，此时可在桥臂中增设全桥子模块，或将部分半桥子模块更改为全桥子模块，但其工作方式仍同半桥子模块。
拓扑对比：
图4所示是现有技术的基于模块化多电平换流器的电力电子变压器拓扑。在上述案例中，若图4拓扑高压侧模块化多电平换流器同样采用900V子模块，则图4拓扑的高压侧模块化多电平换流器需IGBT半桥模块138个，若隔离级同样采用900V子模块，则图4拓扑隔离级需IGBT半桥模块92个，综上共需IGBT半桥模块230个、高频变压器23台、子模块(以一个半桥或全桥计)184个。相比本发明所提拓扑，图4拓扑IGBT半桥模块用量增加49.3％，高频变压器用量增加1050％，子模块数量增加24.3％。
此外，图4拓扑如需增设更多的可独立工作的低压直流端口，需在高压直流母线上增加一个隔离级，即每增加一个独立低压直流端口就需增加23台高频变压器以及变压器原副边的全桥模块，而本专利所提拓扑仅需在高频变换器的上侧和下侧各并联一个高频变换单元，因此具有更好的可扩展性。
综上所述，本发明拓扑能够有效降低功率开关器件数、高频变压器数和子模块数，降低电力电子变压器成本，提高电力电子变压器的效率与功率密度，同时所提拓扑具有良好的可扩展性，便于形成多个彼此隔离的低压直流端口，有利于可再生能源的即插即用，此外，所提拓扑具有直流环节，能够实现有功、无功的完全解耦以及电能质量问题的隔离，具有良好的可控性与输出特性。

Claims (10)

1.一种高功率密度的多端口电力电子变压器拓扑，包括高压侧模块化多电平换流器、中间侧高频变换器和低压直流母线，所述高压侧模块化多电平换流器包括高压交流电源、滤波电感、上、下桥臂电感和上、下级联子模块，高压交流电源经滤波电感后分别连接上、下桥臂电感，上、下桥臂电感连接到上、下级联子模块的输入端，上、下级联子模块的输出端并联，形成高压直流正母线与负母线；其特征在于：所述中间侧高频变换器包括两个隔直谐振电容、交流谐振电容、中性点谐振电容、两台高频变压器和两个低压全桥，两个隔直谐振电容的一端分别与高压直流母线的正母线和负母线连接，另一端分别与上侧和下侧的高频变压器原边绕组的一端连接，位于上侧和下侧的高频变压器原边绕组的另一端彼此连接，形成中间点，交流谐振电容的一端与滤波电感连接，另一端与中性点谐振电容连接，中性点谐振电容的另一端连接至中间点，高频变压器的副边绕组连接至低压全桥的输入端；所述低压直流母线由低压全桥的输出端形成，低压直流母线上并联低压直流滤波电容。
2.根据权利要求1所述的一种高功率密度的多端口电力电子变压器拓扑，其特征在于：所述高压侧模块化多电平换流器的各个桥臂均包含级联的Nh个半桥子模块和Nf个全桥子模块。
3.根据权利要求1所述的一种高功率密度的多端口电力电子变压器拓扑，其特征在于：所述高压侧模块化多电平换流器的上、下桥臂输出相位相反、幅值相同的高频正弦或方波信号。
4.根据权利要求2所述的一种高功率密度的多端口电力电子变压器拓扑，其特征在于：所述高压侧模块化多电平换流器的全桥子模块和半桥子模块同时或交替输出工频正弦信号与高频正弦或方波信号，此外，所述半桥子模块还同时输出直流信号。
5.根据权利要求1所述的一种高功率密度的多端口电力电子变压器拓扑，其特征在于：所述高频变压器为双绕组变压器，且高频变压器的漏感部分代替高频谐振所需电感。
6.根据权利要求1所述的一种高功率密度的多端口电力电子变压器拓扑，其特征在于：所述中间侧高频变换器采用开环控制时，桥臂电感、隔直谐振电容、高频变压器漏感、中性点谐振电容和交流谐振电容构成串联谐振回路；所述中间侧高频变换器采用闭环控制时，桥臂电感、隔直谐振电容、中性点谐振电容和交流谐振电容构成串联谐振回路。
7.根据权利要求1所述的一种高功率密度的多端口电力电子变压器拓扑，其特征在于：所述低压全桥包含四个全控型功率开关器件或四个不可控型功率开关器件。
8.根据权利要求1所述的高功率密度的多端口电力电子变压器拓扑，其特征在于：所述中间侧高频变换器为上下对称结构，上侧和下侧各含有一个高频变换单元或多个并联的高频变换单元。
9.根据权利要求8所述的高功率密度的多端口电力电子变压器拓扑，其特征在于：所述高频变换单元的每一个由一台高频变压器或多台并联的高频变压器和一个低压全桥或多个并联的低压全桥组成。
10.根据权利要求1所述的一种高功率密度的多端口电力电子变压器拓扑，其特征在于：所述各个低压全桥的输出端彼此不连接，形成独立的低压直流母线，或所述各个低压全桥输出端彼此并联或串联，形成一条或多条低压直流母线。
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