專利名稱：一種中高壓電力變換方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電力系統(tǒng)的電能變換技術(shù)，更確切地說(shuō)是涉及一種中高壓電力變換方法和裝置。
目前比較普遍采用的電力電子變流技術(shù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有兩種一種是一體式變換方式，即將輸入整體地進(jìn)行改變，在一體式變換方式下，電力電子功率器件要承受高電壓的作用，因?yàn)閱沃还β势骷蛪核降南拗疲瑸榱藵M足電壓和容量要求，需要多只進(jìn)行串并聯(lián)方能應(yīng)用到高壓電力系統(tǒng)中，由此將帶來(lái)串并聯(lián)器件間的電壓和電流均衡問(wèn)題，串并聯(lián)的器件越多，這種均衡問(wèn)題也越大。另一種是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類似于專利號(hào)為95119585.9的專利中提出的如

圖1所示的利用電位疊加原理構(gòu)成的變換方式。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，采用低壓開關(guān)器件進(jìn)行能量變換，再通過(guò)電位疊加滿足中高電壓等級(jí)的要求。為了切分電位，在輸入側(cè)配備一個(gè)具有一個(gè)初級(jí)繞組、多個(gè)次級(jí)繞組的電力變壓器是必不可少的。因此，這種結(jié)構(gòu)下的體積和環(huán)保問(wèn)題比較突出。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能克服上述缺陷的中高壓電力變換方法和裝置，本發(fā)明可改善電能變換裝置的性能，省掉體積龐大的輸入變壓器，同時(shí)使變換器部件模塊化，降低裝置的制造成本和減小對(duì)環(huán)境的污染。
為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，一種中高壓電力變換方法，采用如下步驟實(shí)現(xiàn)(1)將輸入的中高壓交流電變成N(N為自然數(shù))路交流；(2)將N路交流電轉(zhuǎn)換成相同路數(shù)的高頻交流電；(3)通過(guò)高頻變壓器對(duì)各路高頻交流電進(jìn)行升壓或者降壓處理，再經(jīng)過(guò)整流—逆變電路變換后進(jìn)行疊加，輸出所需頻率和幅值的交流電。
實(shí)現(xiàn)上述方法的裝置，包括輸入單元、中間變換單元和輸出單元三個(gè)部分，其特征在于所述輸入單元為輸入變換級(jí)，輸出單元為輸出變換級(jí)，兩者結(jié)構(gòu)對(duì)稱并相同，均由N級(jí)結(jié)構(gòu)相同的功率變換模塊串聯(lián)而成，功率變換模塊為由八只帶反并聯(lián)續(xù)流二極管的開關(guān)器件組成的單相交—直—交功率變換單元，功率變換單元的兩只串聯(lián)的電容中點(diǎn)與輸入或輸出級(jí)對(duì)應(yīng)的串聯(lián)電容器的中點(diǎn)相接，并與對(duì)應(yīng)的高頻變壓器的初級(jí)繞組或次級(jí)繞組的中點(diǎn)相連；在輸入變換級(jí)，每個(gè)功率變換模塊的輸入端的兩個(gè)端線之間并接有串聯(lián)連接的電容器，并各串聯(lián)有電抗器，在輸出變換級(jí)，每個(gè)功率變換模塊的輸出端的兩個(gè)端線之間并接有串聯(lián)連接的電容器，也各串接有電抗器；所述中間變換單元為中間隔離變壓級(jí)，它由N個(gè)高頻變壓器構(gòu)成，每個(gè)功率變換模塊的輸出都經(jīng)由高頻變壓器耦合到輸出變換級(jí)。
本發(fā)明利用電位疊加原理以實(shí)現(xiàn)采用低壓電力電子器件在中高壓系統(tǒng)中的應(yīng)用。通過(guò)中間交—直—交變換技術(shù)和中間高頻變壓器耦合，設(shè)計(jì)一種靜態(tài)的電能變換裝置，將輸入的交流電變換為幅值、頻率連續(xù)可調(diào)的電壓輸出。并且可以實(shí)現(xiàn)器件間的強(qiáng)制電壓均衡和減小輸出波形中的諧波成分。具體而言，本發(fā)明具有以下特點(diǎn)(1)將輸入交流電轉(zhuǎn)換成幅值、頻率連續(xù)可調(diào)的交流電輸出。
(2)利用電位疊加原理，實(shí)現(xiàn)了采用低壓功率器件在中高壓電力系統(tǒng)中完成電能變換。
(3)采用低壓器件，可以大大提高了裝置的開關(guān)頻率，從而使變換過(guò)程中和最終的波形輸出中具有很小的諧波成分。
(4)不需要使用體積龐大的電力變壓器，減小了整個(gè)裝置的體積和造價(jià)，以及裝置對(duì)環(huán)境的污染。
(5)可以實(shí)現(xiàn)功率雙向流動(dòng)，使裝置的應(yīng)用范圍更為廣泛。
(6)在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，可以通過(guò)優(yōu)化控制策略盡量減小輸出諧波。
圖2所示的是本發(fā)明的中高壓電力變換裝置的一種原理結(jié)構(gòu)圖，基本可分割為輸入變換級(jí)1、中間隔離變壓級(jí)2和輸出變換級(jí)3三個(gè)部分(1)輸入變換級(jí)由N級(jí)結(jié)構(gòu)相同的功率變換模塊4串聯(lián)而成，所需的串聯(lián)模塊的級(jí)數(shù)由實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中的電壓等級(jí)和模塊器件的耐壓等級(jí)共同決定。
(2)每個(gè)功率變換模塊的輸出都經(jīng)由一個(gè)高頻變壓器7耦合到輸出變換級(jí)。
(3)輸出變換級(jí)的結(jié)構(gòu)與輸入變換級(jí)的對(duì)稱，由N級(jí)與輸入變換級(jí)結(jié)構(gòu)相同的功率變換模塊4’在輸出端串聯(lián)而成。
結(jié)合圖2所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)進(jìn)行更詳細(xì)的說(shuō)明。
在輸入變換級(jí)，在每個(gè)功率變換模塊的輸入端的兩個(gè)端線之間并接兩個(gè)相同的串聯(lián)連接的電容器5以實(shí)現(xiàn)輸入電壓在各級(jí)之間的均勻分配，同時(shí)在兩個(gè)端線上各串聯(lián)一個(gè)相同的電抗器6起濾波作用。
在輸出變換側(cè)，在每個(gè)功率變換模塊的輸出端的兩個(gè)端線之間也并接了兩只相同的串聯(lián)連接的電容器5’和串接了電抗器6’。
每個(gè)功率變換模塊是由八只帶反并聯(lián)續(xù)流二極管的開關(guān)器件組成的單相交—直—交功率變換單元，功率變換單元的兩只串聯(lián)的電容中點(diǎn)與輸入或輸出級(jí)對(duì)應(yīng)的串聯(lián)電容器的中點(diǎn)相接，并與對(duì)應(yīng)的高頻變壓器的初級(jí)繞組或次級(jí)繞組的中點(diǎn)相連，以利于更好地實(shí)現(xiàn)器件的均壓。
本發(fā)明中，輸入的交流電經(jīng)可控整流電路后由逆變單元調(diào)制成為高頻方波，經(jīng)過(guò)高頻變壓器耦合到輸出級(jí)。在這里，高頻變壓器按高頻方波信號(hào)的頻率進(jìn)行設(shè)計(jì)。它的作用主要是進(jìn)行輸入、輸出電位隔離和變壓作用。因?yàn)樽儔浩麒F芯體積與工作頻率成反比，所以高頻變壓器的體積和重量都很小。高頻變壓器的數(shù)量與輸入或輸出級(jí)串聯(lián)模塊的數(shù)量相同。每個(gè)高頻變壓器的原方繞組的中點(diǎn)都有一抽頭與輸入級(jí)相對(duì)應(yīng)的變換模塊的輸入端的兩個(gè)電容的中點(diǎn)相接，而其副方繞組的中點(diǎn)都有抽頭與輸出級(jí)相對(duì)應(yīng)的變換模塊的輸出端的兩個(gè)電容的中點(diǎn)相接。
下面對(duì)本發(fā)明具體實(shí)施舉兩個(gè)例子。
例12500kW，10kV大功率高壓變頻器輸入需要15級(jí)功率變換模塊進(jìn)行串聯(lián)，每個(gè)模塊由四個(gè)1200V/400A的兩單元IGBT模塊和兩只串聯(lián)著的dc-link電容組成。通過(guò)輸入級(jí)，交流輸入被調(diào)制成5～10kHz的高頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)變比為1∶1.1的高頻變壓器耦合到輸出級(jí)，再由輸出級(jí)模塊變換成所需頻率和幅值的交流輸出。輸出級(jí)也由15級(jí)與輸入級(jí)相同的模塊串聯(lián)組成。因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)為單相形式，所以要采用三套這種結(jié)構(gòu)的變換器接成Y型或D型以完成三相交流電的變換。
10kV的交流輸入加載在15個(gè)串聯(lián)連接的交—直—交功率變換模塊上，實(shí)現(xiàn)電壓的切分，從而使每套功率模塊均只承受較低電壓。并將輸入交流電轉(zhuǎn)換成為15路中間高頻交流電，為了補(bǔ)償電路本身?yè)p耗產(chǎn)生的電壓損失，將經(jīng)過(guò)變比為1∶1.1高頻變壓器進(jìn)行升壓。升壓后的15路高頻交流電經(jīng)過(guò)交—直—交可控變換后，在輸出側(cè)疊加，并通過(guò)控制交直交變換電路，實(shí)現(xiàn)變頻。
例22000kVA，35kV/10kV的變壓器輸入級(jí)需要15級(jí)功率變換模塊進(jìn)行串聯(lián)，每個(gè)模塊由四個(gè)3300V/100A的兩單元IGBT模塊和兩只串聯(lián)著的dc-link電容組成。通過(guò)輸入級(jí)，交流輸入被調(diào)制成5～10kHz的高頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)高頻變壓器耦合到輸出級(jí)，再由輸出級(jí)模塊變換成所需頻率和幅值的交流輸出。輸出級(jí)也由15級(jí)功率變換模塊串聯(lián)組成，每個(gè)模塊由四個(gè)1200V/400A的兩單元IGBT模塊和兩只串聯(lián)著的dc-link電容組成。因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)為單相形式，所以要采用三套這種結(jié)構(gòu)的變換器接成Y型或D型以完成三相交流電的變換。
35kV的交流輸入加載在15個(gè)串聯(lián)連接的交—直—交功率變換模塊上，實(shí)現(xiàn)電壓的切分，從而使每套功率模塊均只承受較低電壓。并將輸入交流電轉(zhuǎn)換成為15路中間高頻交流電，將經(jīng)過(guò)適當(dāng)變比的降壓高頻變壓器進(jìn)行降壓。降壓后的15路高頻交流電經(jīng)過(guò)交—直—交可控變換后，在輸出側(cè)疊加得到10kV交流電。
本發(fā)明并不局限于上述具體實(shí)施方式
的說(shuō)明的內(nèi)容，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員可從上述說(shuō)明中可推出更多的實(shí)施方式。
權(quán)利要求
1.一種中高壓電力變換方法，其特征在于，采用如下步驟實(shí)現(xiàn)(1)將輸入的中高壓交流電變成N(N為自然數(shù))路交流；(2)將N路交流電轉(zhuǎn)換成相同路數(shù)的高頻交流電；(3)通過(guò)高頻變壓器對(duì)各路高頻交流電進(jìn)行升壓或者降壓處理，再經(jīng)過(guò)整流—逆變電路變換后進(jìn)行疊加，輸出所需頻率和幅值的交流電。
2.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述方法的裝置，包括輸入單元、中間變換單元和輸出單元三個(gè)部分，其特征在于所述輸入單元為輸入變換級(jí)(1)，輸出單元為輸出變換級(jí)(3)，兩者結(jié)構(gòu)對(duì)稱并相同，均由N級(jí)結(jié)構(gòu)相同的功率變換模塊(4，4’)串聯(lián)而成，功率變換模塊(4)為由八只帶反并聯(lián)續(xù)流二極管的開關(guān)器件組成的單相交—直—交功率變換單元，功率變換單元的兩只串聯(lián)的電容中點(diǎn)與輸入或輸出級(jí)對(duì)應(yīng)的串聯(lián)電容器的中點(diǎn)相接，并與對(duì)應(yīng)的高頻變壓器的初級(jí)繞組或次級(jí)繞組的中點(diǎn)相連；在輸入變換級(jí)，每個(gè)功率變換模塊(4)的輸入端的兩個(gè)端線之間并接有串聯(lián)連接的電容器(5)，并各串聯(lián)有電抗器(6)，在輸出變換級(jí)，每個(gè)功率變換模塊(4’)的輸出端的兩個(gè)端線之間并接有串聯(lián)連接的電容器(5’)，也各串接有電抗器(6’)；所述中間變換單元為中間隔離變壓級(jí)(2)，它由N個(gè)高頻變壓器(7)構(gòu)成，每個(gè)功率變換模塊(4)的輸出都經(jīng)由高頻變壓器(7)耦合到輸出變換級(jí)(3)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于在輸入變換級(jí)，每個(gè)功率變換模塊(4)的輸入端的兩個(gè)端線之間并接的串聯(lián)連接的電容器(5)為電容值相等的電容器，串聯(lián)的電抗器(6)為電感值相等的電抗器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的裝置，其特征在于在輸出變換級(jí)，每個(gè)功率變換模塊(4’)的輸出端的兩個(gè)端線之間并接的串聯(lián)連接的電容器(5’)為電容值相等的電容器，串接的電抗器(6’)為電感值相等的電抗器。
全文摘要
一種中高壓電力變換方法為①將輸入的中高壓交流電變成N路交流；②將N路交流電轉(zhuǎn)換成相同路數(shù)的高頻交流電；③通過(guò)高頻變壓器對(duì)各路高頻交流電進(jìn)行升壓或降壓處理，再經(jīng)過(guò)整流—逆變電路變換后疊加，輸出所需頻率和幅值的交流電。其裝置包括結(jié)構(gòu)對(duì)稱并相同的輸入變換級(jí)、輸出變換級(jí)(均由N級(jí)相同的功率變換模塊串聯(lián)而成)和由N個(gè)高頻變壓器構(gòu)成的中間隔離變壓級(jí)，各功率變換模塊的輸出都經(jīng)由高頻變壓器耦合到輸出變換級(jí)。本發(fā)明利用電位疊加原理實(shí)現(xiàn)采用低壓電力電子器件在中高壓系統(tǒng)中的應(yīng)用。通過(guò)中間交—直—交變換技術(shù)和中間高頻變壓器耦合，設(shè)計(jì)一種靜態(tài)的電能變換裝置，將輸入的交流電變換為幅值、頻率連續(xù)可調(diào)的電壓輸出。實(shí)現(xiàn)器件間的強(qiáng)制電壓均衡和減小輸出波形中的諧波成分。
文檔編號(hào)H02M5/40GK1411129SQ0213914
公開日2003年4月16日 申請(qǐng)日期2002年10月1日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月1日
發(fā)明者毛承雄, 王丹, 陸繼明, 范澍 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)