專(zhuān)利名稱(chēng)：電力電子變壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)的電壓變換裝置，特別是配電系統(tǒng)中10KV及以下的電壓變換裝置。
國(guó)外在十多年前首先提出了電力電子變壓器的概念。最初是美國(guó)海軍的一個(gè)研究計(jì)劃，提出了一種由交流變交流的降壓變換器構(gòu)成的電力電子變壓器；在這之后，在1995年由美國(guó)電力科學(xué)研究院贊助的一個(gè)研究項(xiàng)目也研制出了一種固態(tài)變壓器。它們的基本原理是采用大功率電力電子變流技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)中的電壓變換。它具有以下優(yōu)點(diǎn)1.變壓器體積小，重量輕，無(wú)環(huán)境污染，易維護(hù)；2.變壓器運(yùn)行時(shí)可保持副方輸出電壓幅值和頻率恒定，不隨負(fù)載變化；3.不論變壓器副方電流或原方電壓波形如何，始終保證原方電流和副方電壓為正弦波形，并且原方電流與原方電壓波形同相位，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)始終接近于1.0；4.變壓器具有高度可控性，可在有載條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)副方電壓幅值及頻率的平滑調(diào)節(jié)；5.電力電子變壓器的控制特性將使其具有保護(hù)功能，可以不需要常規(guī)的變壓器繼電保護(hù)裝置。
但是，由于當(dāng)時(shí)大功率電力電子器件的發(fā)展水平還比較低，同時(shí)設(shè)計(jì)方案本身存在著缺陷，包括在變壓器原副方之間缺少必要的隔離以及變壓器本身會(huì)產(chǎn)生較大的諧波，因而這些研究成果都未能進(jìn)入實(shí)用化。最近幾年，國(guó)外在電力電子變壓器的研究領(lǐng)域中出現(xiàn)了一些新的進(jìn)展，在可用于實(shí)際輸電系統(tǒng)的電力電子變壓器的研究方面，提出了一些新的技術(shù)方案，并且已有方案在實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)上得到了實(shí)現(xiàn)。已有文獻(xiàn)提出了由多個(gè)功率模塊構(gòu)成的設(shè)計(jì)方案，見(jiàn)Ronan，E.R.，Jr.；Sudhoff，S.D.；Glover，S.F.；Galloway，D.L.Application of power electronics to the distributiontransformer.Applied Power Electronics Conference and Exposition，2000。這種方案功率因數(shù)可調(diào)，可保證低壓側(cè)較好的電能質(zhì)量；但是存在以下一些缺點(diǎn)功率不能雙向流動(dòng)；主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，開(kāi)關(guān)器件數(shù)過(guò)多；低壓級(jí)并聯(lián)存在均流問(wèn)題；因此，不適用于高壓大功率應(yīng)用場(chǎng)合。
本發(fā)明的一種電力電子變壓器，包含1-4相，各相獨(dú)立且結(jié)構(gòu)相同，即各依次由高壓級(jí)，隔離級(jí)和低壓級(jí)三級(jí)結(jié)構(gòu)組成，高壓級(jí)由2～30級(jí)相同的功率變換模塊串聯(lián)而成，每一功率變換模塊交流側(cè)的兩個(gè)端線(xiàn)之間并接兩個(gè)相同的串聯(lián)電容器、直流側(cè)的兩個(gè)端線(xiàn)之間亦并接兩個(gè)相同的串聯(lián)電容器，該兩組串聯(lián)電容器的中點(diǎn)相接；隔離級(jí)包括高頻調(diào)制/還原部分，高頻變壓器和還原/高頻調(diào)制部分；低壓級(jí)由一個(gè)功率變換模塊構(gòu)成，其直流側(cè)的兩個(gè)端線(xiàn)與隔離級(jí)輸出端線(xiàn)對(duì)應(yīng)相接，其交流側(cè)的兩個(gè)端線(xiàn)之間并接兩個(gè)相同的串聯(lián)電容器，其特征在于隔離級(jí)靠高壓級(jí)側(cè)為高頻調(diào)制/還原部分，由與高壓級(jí)相同數(shù)量的功率變換模塊組成，每個(gè)功率變換模塊靠高壓級(jí)側(cè)的兩個(gè)端線(xiàn)與對(duì)應(yīng)高壓級(jí)的功率變換模塊的端線(xiàn)相接；隔離級(jí)靠低壓級(jí)側(cè)為還原/高頻調(diào)制部分，由一個(gè)功率變換模塊構(gòu)成，其直流側(cè)的兩個(gè)端線(xiàn)間并接兩個(gè)相同串聯(lián)電容器；隔離級(jí)中間部分為高頻變壓器，其靠近高壓級(jí)方由多個(gè)分離繞組構(gòu)成，繞組數(shù)與高頻調(diào)制/還原部分功率變換模塊數(shù)量相同并與其相接，各繞組的中點(diǎn)有一抽頭與對(duì)應(yīng)高壓級(jí)各功率變換模塊的兩組串聯(lián)電容器的中點(diǎn)相接，高頻變壓器靠近低壓級(jí)方為一個(gè)繞組，繞組與隔離級(jí)靠低壓級(jí)側(cè)的功率變換模塊相接，繞組中點(diǎn)抽頭與該側(cè)功率變換模塊直流側(cè)兩端線(xiàn)間并接的串聯(lián)電容器中點(diǎn)相接并與低壓級(jí)交流側(cè)兩端線(xiàn)間并接的串聯(lián)電容器中點(diǎn)相接。
所述的電力電子變壓器，高壓級(jí)、隔離級(jí)和低壓級(jí)的各功率變換模塊均可以由四只帶續(xù)流二極管的開(kāi)關(guān)器件組成單相全控橋構(gòu)成，高壓級(jí)中每一級(jí)單相全控橋的交流側(cè)兩個(gè)端線(xiàn)上各串聯(lián)一個(gè)相同的電抗器；低壓級(jí)的單相全控橋交流側(cè)兩個(gè)端線(xiàn)中也各串聯(lián)一個(gè)相同的電抗器。
所述的電力電子變壓器，當(dāng)其作為降壓變壓器使用時(shí)，高壓級(jí)各功率變換模塊可以是由四只整流二極管組成單相整流橋，其直流側(cè)的上端線(xiàn)上串聯(lián)一個(gè)電抗器，再在直流側(cè)兩個(gè)端線(xiàn)間并接一個(gè)開(kāi)關(guān)器件，隨后在直流側(cè)的上端線(xiàn)上再串聯(lián)一個(gè)二極管構(gòu)成；隔離級(jí)和低壓級(jí)各功率變換模塊由四只帶續(xù)流二極管的開(kāi)關(guān)器件組成單相全控橋構(gòu)成，低壓級(jí)的單相全控橋交流側(cè)兩個(gè)端線(xiàn)中各串聯(lián)一個(gè)相同的電抗器。
所述的電力電子變壓器，當(dāng)其作為升壓變壓器使用時(shí)，高壓級(jí)和隔離級(jí)各功率變換模塊均由四只帶續(xù)流二極管的開(kāi)關(guān)器件組成單相全控橋構(gòu)成，高壓級(jí)中每一級(jí)單相全控橋的交流側(cè)兩個(gè)端線(xiàn)上各串聯(lián)一個(gè)相同的電抗器；低壓級(jí)的功率變換模塊是由四支整流二極管組成單相整流橋，在其直流側(cè)的上端線(xiàn)上串聯(lián)一個(gè)電抗器，再在直流側(cè)的兩個(gè)端線(xiàn)間并接一個(gè)開(kāi)關(guān)器件，隨后在直流側(cè)的上端線(xiàn)上再串聯(lián)一個(gè)二極管構(gòu)成。
本發(fā)明的技術(shù)方案，除具有通常電力電子變壓器的優(yōu)點(diǎn)之外，相對(duì)于國(guó)外目前所提出的設(shè)計(jì)方案，還具有以下優(yōu)點(diǎn)1.本電力電子變壓器可以實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng)，功率既可以從高壓級(jí)流向低壓級(jí)，即作為降壓變壓器使用，也可以從低壓級(jí)流向高壓級(jí)，即作為升壓變壓器使用。
2.在同樣規(guī)橋下，本方案的開(kāi)關(guān)器件數(shù)相對(duì)于國(guó)外方案減少1/3，成本大為降低。
3.本方案在高壓級(jí)和低壓級(jí)均可采用全控變換橋，可使得輸入輸出電流諧波大為減少。
4.本方案在隔離級(jí)靠低壓級(jí)側(cè)只使用了單個(gè)功率變換模塊，解決了多模塊并聯(lián)所帶來(lái)的均流問(wèn)題。
5.本方案在高壓級(jí)每一級(jí)單相全控橋的交流側(cè)的兩個(gè)端線(xiàn)之間并接了兩個(gè)相同的串聯(lián)電容器，可有效起到均壓作用。
圖2表示本發(fā)明作為降壓變壓器使用時(shí)，高壓級(jí)功率變換模塊的一種備選方案。
圖3表示本發(fā)明作為升壓變壓器使用時(shí)，低壓級(jí)功率變換模塊的備選方案。
電力電子變壓器的隔離級(jí)可分為三個(gè)部分，分別為高頻調(diào)制/還原部分，高頻變壓器，還原/高頻調(diào)制部分，高頻調(diào)制部分將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換為5～10k赫茲高頻方波信號(hào)，還原部分則將高頻方波信號(hào)被還原為直流電壓信號(hào)。高頻變壓器按高頻方波信號(hào)的頻率進(jìn)行設(shè)計(jì)，它有兩個(gè)作用高低壓電位隔離作用以及變壓作用。由于變壓器鐵芯體積與其工作頻率成反比，因此，高頻變壓器的體積和重量都很小。電力電子變壓器隔離級(jí)靠高壓級(jí)側(cè)部分由與高壓級(jí)數(shù)量相同數(shù)量的模塊組成，每個(gè)模塊均為由四只帶續(xù)流二極管的開(kāi)關(guān)器件組成的單相全控橋，各個(gè)模塊靠高壓級(jí)側(cè)的兩個(gè)端線(xiàn)與對(duì)應(yīng)高壓級(jí)模塊的端線(xiàn)相接；隔離級(jí)靠低壓級(jí)側(cè)部分由一個(gè)功率模塊構(gòu)成，也是由四只帶續(xù)流二極管的開(kāi)關(guān)器件組成的單相全控橋，該單相全控橋直流側(cè)的兩個(gè)端線(xiàn)間并接兩個(gè)相同的串聯(lián)電容器；隔離級(jí)中間部分是一個(gè)高頻變壓器，該高頻變壓器靠近高壓級(jí)方由多個(gè)分離繞組構(gòu)成，繞組數(shù)與高壓級(jí)模塊數(shù)量相同，各繞組的中點(diǎn)有一抽頭與對(duì)應(yīng)高壓級(jí)各模塊的兩個(gè)電容器的中點(diǎn)相接。高頻變壓器靠近低壓級(jí)方為一個(gè)繞組，繞組的中點(diǎn)有一抽頭與隔離級(jí)靠低壓級(jí)的兩個(gè)電容器的中點(diǎn)相接。
電力電子變壓器的低壓級(jí)由一個(gè)功率變換模塊構(gòu)成，由四只帶續(xù)流二極管的開(kāi)關(guān)器件組成單相全控橋，單相全控橋直流側(cè)的兩條端線(xiàn)與隔離級(jí)靠低壓級(jí)側(cè)端線(xiàn)對(duì)應(yīng)相接，單相全控橋交流側(cè)的兩個(gè)端線(xiàn)中各串聯(lián)一個(gè)電抗器，并且在兩個(gè)端線(xiàn)之間并接兩個(gè)相同的串聯(lián)電容器，這兩個(gè)電容器的中點(diǎn)與隔離級(jí)模塊的兩個(gè)電容器的中點(diǎn)相接。當(dāng)電力電子變壓器作為升壓變壓器使用時(shí)，功率模塊的構(gòu)成還可如圖3所示，由四只整流二極管組成單相整流橋，在單相整流橋的直流側(cè)的上端線(xiàn)上串聯(lián)一個(gè)電抗器，接著在兩個(gè)端線(xiàn)間并接一個(gè)開(kāi)關(guān)器件，隨后在直流側(cè)的上端線(xiàn)上再串聯(lián)一個(gè)二極管，即構(gòu)成了一個(gè)升壓變換器，起到功率因數(shù)校正和諧波抑制的作用，單相整流橋交流側(cè)的兩個(gè)端線(xiàn)之間并接兩個(gè)相同的串聯(lián)電容器，這兩個(gè)電容器的中點(diǎn)與隔離級(jí)模塊的兩個(gè)電容器的中點(diǎn)相接。
下面，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
舉兩個(gè)例子進(jìn)行說(shuō)明。
例一100kVA，6300V/380V，降壓變壓器，變壓器每相高壓級(jí)由12級(jí)功率變換模塊組成，每個(gè)模塊由兩個(gè)1200V/105A的兩單元IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)模塊構(gòu)成；隔離級(jí)靠高壓級(jí)側(cè)部分為高頻調(diào)制部分，也由相應(yīng)級(jí)數(shù)的功率變換模塊組成，每個(gè)模塊同樣由兩個(gè)1200V/105A的兩單元IGBT模塊構(gòu)成，通過(guò)這一級(jí)，直流電壓被調(diào)制成為6k赫茲的高頻方波；每相高頻變壓器按40kVA，開(kāi)關(guān)頻率6k赫茲設(shè)計(jì)，隔離級(jí)靠低壓級(jí)側(cè)部分為還原部分，由四個(gè)1200V/400A的一單元IGBT模塊構(gòu)成，通過(guò)這一級(jí)，高頻方波被還原為直流電壓；低壓級(jí)模塊也由四個(gè)1200V/400A的一單元IGBT模塊構(gòu)成。
例二100kVA，380V/10000V，升壓變壓器變壓器每相低壓級(jí)模塊由四個(gè)1200V/400A的一單元IGBT模塊構(gòu)成。隔離級(jí)靠低壓級(jí)側(cè)部分為高頻調(diào)制部分，由四個(gè)1200V/400A的一單元IGBT模塊構(gòu)成，通過(guò)這一級(jí)，直流電壓被調(diào)制成為5k赫茲的高頻方波；每相高頻變壓器按40kVA，開(kāi)關(guān)頻率5k赫茲設(shè)計(jì)，隔離級(jí)靠高壓級(jí)側(cè)部分為還原部分，也由相應(yīng)級(jí)數(shù)的功率變換模塊組成，每個(gè)模塊同樣由兩個(gè)1200V/105A的兩單元IGBT模塊構(gòu)成，通過(guò)這一級(jí)，高頻方波被還原為直流電壓；變壓器每相高壓級(jí)由18級(jí)功率變換模塊組成，每個(gè)模塊由兩個(gè)1200V/10SA的兩單元1GBT模塊構(gòu)成。
權(quán)利要求
1.一種電力電子變壓器，包含1-4相，各相獨(dú)立且結(jié)構(gòu)相同，即各依次由高壓級(jí)，隔離級(jí)和低壓級(jí)三級(jí)結(jié)構(gòu)組成，高壓級(jí)由2～30級(jí)相同的功率變換模塊串聯(lián)而成，每一功率變換模塊交流側(cè)的兩個(gè)端線(xiàn)之間并接兩個(gè)相同的串聯(lián)電容器、直流側(cè)的兩個(gè)端線(xiàn)之間亦并接兩個(gè)相同的串聯(lián)電容器，該兩組串聯(lián)電容器的中點(diǎn)相接；隔離級(jí)包括高頻調(diào)制/還原部分，高頻變壓器和還原/高頻調(diào)制部分；低壓級(jí)由一個(gè)功率變換模塊構(gòu)成，其直流側(cè)的兩個(gè)端線(xiàn)與隔離級(jí)輸出端線(xiàn)對(duì)應(yīng)相接，其交流側(cè)的兩個(gè)端線(xiàn)之間并接兩個(gè)相同的串聯(lián)電容器，其特征在于隔離級(jí)靠高壓級(jí)側(cè)為高頻調(diào)制/還原部分，由與高壓級(jí)相同數(shù)量的功率變換模塊組成，每個(gè)功率變換模塊靠高壓級(jí)側(cè)的兩個(gè)端線(xiàn)與對(duì)應(yīng)高壓級(jí)的功率變換模塊的端線(xiàn)相接；隔離級(jí)靠低壓級(jí)側(cè)為還原/高頻調(diào)制部分，由一個(gè)功率變換模塊構(gòu)成，其直流側(cè)的兩個(gè)端線(xiàn)間并接兩個(gè)相同串聯(lián)電容器；隔離級(jí)中間部分為高頻變壓器，其靠近高壓級(jí)方由多個(gè)分離繞組構(gòu)成，繞組數(shù)與高頻調(diào)制/還原部分功率變換模塊數(shù)量相同并與其相接，各繞組的中點(diǎn)有一抽頭與對(duì)應(yīng)高壓級(jí)各功率變換模塊的兩組串聯(lián)電容器的中點(diǎn)相接，高頻變壓器靠近低壓級(jí)方為一個(gè)繞組，繞組與隔離級(jí)靠低壓級(jí)側(cè)的功率變換模塊相接，繞組中點(diǎn)抽頭與該側(cè)功率變換模塊直流側(cè)兩端線(xiàn)間并接的串聯(lián)電容器中點(diǎn)相接并與低壓級(jí)交流側(cè)兩端線(xiàn)間并接的串聯(lián)電容器中點(diǎn)相接。
2.如權(quán)利要求1所述的電力電子變壓器，其特征在于高壓級(jí)、隔離級(jí)和低壓級(jí)的各功率變換模塊均由四只帶續(xù)流二極管的開(kāi)關(guān)器件組成單相全控橋構(gòu)成，高壓級(jí)中每一級(jí)單相全控橋的交流側(cè)兩個(gè)端線(xiàn)上各串聯(lián)一個(gè)相同的電抗器；低壓級(jí)的單相全控橋交流側(cè)兩個(gè)端線(xiàn)中也各串聯(lián)一個(gè)相同的電抗器。
3.如權(quán)利要求1所述的電力電子變壓器，其特征在于當(dāng)其作為降壓變壓器使用時(shí)，高壓級(jí)各功率變換模塊是由四只整流二極管組成單相整流橋，其直流側(cè)的上端線(xiàn)上串聯(lián)一個(gè)電抗器，再在直流側(cè)兩個(gè)端線(xiàn)間并接一個(gè)開(kāi)關(guān)器件，隨后在直流側(cè)的上端線(xiàn)上再串聯(lián)一個(gè)二極管構(gòu)成；隔離級(jí)和低壓級(jí)各功率變換模塊由四只帶續(xù)流二極管的開(kāi)關(guān)器件組成單相全控橋構(gòu)成，低壓級(jí)的單相全控橋交流側(cè)兩個(gè)端線(xiàn)中各串聯(lián)一個(gè)相同的電抗器。
4.如權(quán)利要求1所述的電力電子變壓器，其特征在于當(dāng)其作為升壓變壓器使用時(shí)，高壓級(jí)和隔離級(jí)各功率變換模塊均由四只帶續(xù)流二極管的開(kāi)關(guān)器件組成的單相全控橋構(gòu)成，高壓級(jí)中每一級(jí)單相全控橋的交流側(cè)兩個(gè)端線(xiàn)上各串聯(lián)一個(gè)相同的電抗器；低壓級(jí)的功率變換模塊是由四支整流二極管組成單相整流橋，在其直流側(cè)的上端線(xiàn)上串聯(lián)一個(gè)電抗器，再在直流側(cè)的兩個(gè)端線(xiàn)間并接一個(gè)開(kāi)關(guān)器件，隨后在直流側(cè)的上端線(xiàn)上再串聯(lián)一個(gè)二極管構(gòu)成。
全文摘要
一種電力電子變壓器，涉及電力系統(tǒng)的電壓變換裝置，旨在簡(jiǎn)化回路結(jié)構(gòu)，節(jié)省開(kāi)關(guān)器件，解決功率雙向流動(dòng)和低壓級(jí)均流問(wèn)題。它包括1－4相，各相獨(dú)立且結(jié)構(gòu)相同，各依次由高壓級(jí)、隔離級(jí)和低壓級(jí)三級(jí)結(jié)構(gòu)組成，高壓級(jí)由2～30級(jí)相同的功率變換模塊串聯(lián)而成；隔離級(jí)包括高頻調(diào)制/還原部分、高頻變壓器和還原/高頻調(diào)制部分；低壓級(jí)由一個(gè)功率變換模塊構(gòu)成，它可以實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng)，開(kāi)關(guān)器件數(shù)相對(duì)于國(guó)外方案減少三分之一，成本大為降低，隔離級(jí)靠低壓級(jí)側(cè)只使用了單個(gè)功率變換模塊，解決了多模塊并聯(lián)帶來(lái)的均流問(wèn)題，高壓級(jí)功率變換模塊交流側(cè)并接的串聯(lián)電容器，可有效起到均壓作用。
文檔編號(hào)H02M5/44GK1402421SQ02139030
公開(kāi)日2003年3月12日 申請(qǐng)日期2002年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月11日
發(fā)明者毛承雄, 陸繼明, 范澍, 方華亮 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)