一種模塊化h橋級聯(lián)型多電平互平衡電力電子變壓器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種模塊化H橋級聯(lián)型多電平互平衡電力電子變壓器，以IGBT為基本構成電力電子器件，利用有效的控制策略使得電力電子變壓器滿足四象限控制運行，可以進行雙向潮流控制，并且主電路采用H橋級聯(lián)型多電平模塊化結構，方便大規(guī)模模塊化生產(chǎn)，可以滿足實際高電壓等級應用，并使輸出電壓諧波含量更低，器件開關頻率低，損耗更小，無均壓問題。本發(fā)明提出的系統(tǒng)結構為AC/DC/AC方式，具備高壓級、隔離級和低壓級，在完成常規(guī)變壓器變壓、隔離、能量傳遞等功能的同時，亦可以完成潮流控制和電能質量調節(jié)功能。
【專利說明】一種模塊化H橋級聯(lián)型多電平互平衡電力電子變壓器
【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種變壓器，具體涉及一種模塊化H橋級聯(lián)型多電平互平衡電力電子變壓器。
【背景技術】
[0002]電力電子變壓器又稱為固態(tài)變壓器或柔性變壓器，它是以電力電子變流技術和電磁感應技術為基礎的新型變壓器，它徹底的改變了傳統(tǒng)變壓器的系統(tǒng)結構，在實現(xiàn)常規(guī)電力變壓器電壓等級變換、電氣隔離和能量傳遞等基本功能的基礎上，還可以實現(xiàn)雙向潮流控制、電能質量控制等許多額外功能，是下一代智能電網(wǎng)建設的關鍵裝備。采用全控型復合電力電子器件絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT),可以實現(xiàn)電力電子變壓器的靈活控制，方便其能在四象限運行。然而目前該種器件的最高耐受電壓低于6.5千伏，而我國目前的配電網(wǎng)低電壓配電變壓器也在10千伏以上，如果采用器件串聯(lián)均壓的方式，還必須另外加裝均壓電路和控制方法，即使是采用功率器件直接串聯(lián)的兩電平結構，也存在動、靜均壓問題，并且dv/dt較大，會產(chǎn)生難以處理的電磁干擾問題，存在著功率器件失效甚至擊穿等隱患。因此受電力電子元器件發(fā)展水平的限制，適應于電網(wǎng)需求的高壓、大功率、大電流的滿足四象限運行的電力電子變壓器離實用化還相距甚遠。
[0003]多電平技術的提出，為中高壓型大功率變流器的研究和應用提供了一條嶄新思路，且具有兩電平變流器不可相比的一系列優(yōu)勢，例如輸出電壓等級高、電壓波形好、諧波小等，其主要有三種拓撲結構:二極管箝位型、飛躍電容箝位型、具有獨立直流電壓源的H橋級聯(lián)型。飛躍電容箝位型多電平變流器需要大量大體積的電容，二極管箝位型多電平變流器存在固有的直流中點電位不平衡問題，H橋級聯(lián)電壓型多電平變流器不存在中點電位波動問題。目前的一些電力電子變壓器技術不具備三相電能自動互平衡的能力，需要單獨進打控制才能解決。
[0004]電力電子變壓器是近年來隨著大功率電力電子技術的發(fā)展而逐步發(fā)展起來的新型電力變壓器。它在實現(xiàn)常規(guī)電力變壓器電壓等級變換、電氣隔離和能量傳遞等基本功能的基礎上，還可以實現(xiàn)潮流控制、電能質量控制等許多額外功能，這是因為它可以實際控制包括對電壓(或電流)的幅值、相位、頻率、相數(shù)、相序和波形等電能參數(shù)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]為了克服上述現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種模塊化H橋級聯(lián)型多電平互平衡電力電子變壓器，以IGBT為基本構成電力電子器件，利用有效的控制策略使得電力電子變壓器滿足四象限控制運行，可以進行雙向潮流控制，并且主電路采用H橋級聯(lián)型多電平模塊化結構，方便大規(guī)模模塊化生產(chǎn)，可以滿足實際高電壓等級應用，并使輸出電壓諧波含量更低，器件開關頻率低，損耗更小，無均壓問題。本專利提出的系統(tǒng)結構為AC/DC/AC方式，具備高壓級、隔離級和低壓級，在完成常規(guī)變壓器變壓、隔離、能量傳遞等功能的同時，亦可以完成潮流控制和電能質量調節(jié)功能。[0006]為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取如下技術方案:
[0007]本發(fā)明提供一種模塊化H橋級聯(lián)型多電平互平衡電力電子變壓器，所述電力電子變壓器包括AC/DC整流器、DC/AC變流器、高頻變壓器、AC/DC變流器、低壓級直流母線并聯(lián)模塊和DC/AC逆變器；工頻交流輸入信號經(jīng)過所述AC/DC整流器變換為第一直流電壓信號，所述DC/AC變流器將所述第一直流電壓信號調制為高頻交流方波信號，所述高頻交流方波信號經(jīng)過所述高頻變壓器實現(xiàn)電壓等級變換和電磁隔離，所述AC/DC變流器再將高頻變壓器輸出的高頻交流方波信號轉換為第二直流電壓信號，所述第二直流電壓信號通過低壓級直流母線并聯(lián)模塊輸入給所述DC/DC逆變器，DC/AC逆變器將第二直流電壓信號變換為所需的工頻交流輸出信號，實現(xiàn)對負載的供電。
[0008]所述AC/DC整流器由多個單相H橋變流器模塊級聯(lián)構成，以提高電力電子變壓器輸入測的電壓等級；所述H橋變流器模塊的級聯(lián)數(shù)取決于電力電子變壓器高壓側所接配電網(wǎng)的電壓等級和所用功率器件的耐壓水平，AC/DC整流器的三相電路采用星形結構。
[0009]所述DC/AC變流器由η個單相H橋DC/AC變流器模塊組成，其直流側通過高壓直流母線與所述AC/DC整流器的直流側連接，完成第一直流電壓信號到高頻交流方波信號的變換。
[0010]所述高頻變壓器每相繞組均采用η入三出的繞組結構，實現(xiàn)高/低壓級高頻交流方波信號電壓等級變換和電氣隔離。
[0011]所述AC/DC變流器由三個獨立控制的單相H橋AC/DC變流器模塊組成，完成高頻交流方波信號到第二直流電壓信號的變換。
[0012]所述DC/AC逆變器由三個單相H橋DC/AC變流器模塊經(jīng)LC濾波器輸出所需要的工頻交流輸出信號，完成電力電子變壓器的電壓變換和電能傳輸。
[0013]所述電力電子變壓器還包括高壓直流母線單元和低壓直流母線單元；所述高壓直流母線單元位于所述AC/DC整流器與DC/AC變流器之間，所述低壓直流母線單元位于所述AC/DC變流器和低壓級直流母線并聯(lián)模塊之間。
[0014]所述AC/DC整流器和DC/AC逆變器分別位于高壓級和低壓級，所述高頻AC/DC變流器、高頻變壓器和高頻AC/DC變流器均位于隔離級。
[0015]所述高壓級的控制目標包括高壓級直流母線電壓恒定和工頻交流輸入電流正弦和功率因數(shù)靈活可調；
[0016]位于高壓級的AC/DC整流器采用雙環(huán)控制策略，即直流電壓外環(huán)和交流輸入電流內(nèi)環(huán)；
[0017]直流電壓外環(huán)是為了控制AC/DC整流器直流側電壓恒定，交流輸入電流內(nèi)環(huán)是按照直流電壓外環(huán)輸出的有功電流指令值進行電流控制。
[0018]所述隔離級的控制目標包括高壓級和低壓級的電氣隔離和電壓等級變換；連接高頻變壓器原邊的DC/AC變流器將第一直流電壓信號調制成高頻交流方波信號，經(jīng)高頻變壓器耦合至副邊，再經(jīng)連接其副邊的AC/DC變流器變換為第二直流電壓信號。
[0019]所述低壓級的控制目標是無論在對稱負載還是不對稱負載的情況下實現(xiàn)相電壓幅值恒定和得到正弦波形；低壓級的DC/AC逆變器采用雙環(huán)控制，外環(huán)為輸出電壓瞬時值控制，保持輸出電壓幅值不變；內(nèi)環(huán)為濾波電容電流瞬時值控制，采用SPWM控制，使得電壓跟蹤給定正弦波，維持輸出波形的良好正弦性。[0020]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果在于:
[0021]1.采用H橋級聯(lián)型多電平結構，既可以降低器件使用數(shù)量、減少諧波影響又可以適應較高電壓等級，并具有模塊化結構特性；
[0022]2.采用三相子單元結構，即方便三相獨立控制又可以實現(xiàn)模塊化生產(chǎn)；
[0023]3.采用低壓級直流母線對應并聯(lián)的互平衡設計，可以實現(xiàn)當?shù)蛪簜然蚋邏簜认到y(tǒng)發(fā)生三相不平衡時，不用采用特殊控制策略就能自動維持整個系統(tǒng)原有的平衡狀態(tài)；
[0024]4.能夠實現(xiàn)功率雙向流動，既可以作為降壓變壓器，也可以作為升壓變壓器。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1是模塊化H橋級聯(lián)型多電平互平衡電力電子變壓器結構圖；
[0026]圖2是本發(fā)明實施例中模塊化H橋級聯(lián)型多電平互平衡電力電子變壓器結構圖；
[0027]圖3是本發(fā)明實施例中模塊化H橋級聯(lián)型多電平互平衡電力電子變壓器電路拓撲結構圖；
[0028]圖4是本發(fā)明實施例中AC/DC整流器拓撲結構圖；
[0029]圖5是本發(fā)明實施例中DC/AC變流器拓撲結構圖；
[0030]圖6是本發(fā)明實施例中高頻變壓器拓撲結構圖；
[0031]圖7是本發(fā)明實施例中AC/DC變流器拓撲結構圖；
[0032]圖8是本發(fā)明實施例中低壓級直流母線并聯(lián)模塊拓撲結構圖；
[0033]圖9是本發(fā)明實施例中DC/AC逆變器拓撲結構圖；
[0034]圖10是本發(fā)明實施例中高壓級控制策略圖；
[0035]圖11是本發(fā)明實施例中隔離級控制策略圖；
[0036]圖12是本發(fā)明實施例中低壓級控制策略圖。
【具體實施方式】
[0037]下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0038]如圖1-圖3，本發(fā)明提供一種模塊化H橋級聯(lián)型多電平互平衡電力電子變壓器，所述電力電子變壓器包括AC/DC整流器、DC/AC變流器、高頻變壓器、AC/DC變流器、低壓級直流母線并聯(lián)模塊和DC/AC逆變器；工頻交流輸入信號經(jīng)過所述AC/DC整流器變換為第一直流電壓信號，所述DC/AC變流器將所述第一直流電壓信號調制為高頻交流方波信號，所述高頻交流方波信號經(jīng)過所述高頻變壓器實現(xiàn)電壓等級變換和電磁隔離，所述AC/DC變流器再將高頻變壓器輸出的高頻交流方波信號轉換為第二直流電壓信號，所述第二直流電壓信號通過低壓級直流母線并聯(lián)模塊輸入給所述DC/DC逆變器，DC/AC逆變器將第二直流電壓信號變換為所需的工頻交流輸出信號，實現(xiàn)對負載的供電。
[0039]如圖4，所述AC/DC整流器由多個單相H橋變流器模塊級聯(lián)構成，以提高電力電子變壓器輸入測的電壓等級；所述H橋變流器模塊的級聯(lián)數(shù)取決于電力電子變壓器高壓側所接配電網(wǎng)的電壓等級和所用功率器件的耐壓水平，AC/DC整流器的三相電路采用星形結構。AC/DC整流器的這種拓撲結構具有輸入電壓波形好、諧波含量少，電流波形質量良好和功率因數(shù)可調等優(yōu)點。
[0040]如圖5，所述DC/AC變流器由η個單相H橋DC/AC變流器模塊組成，其直流側通過高壓直流母線與所述AC/DC整流器的直流側連接，完成第一直流電壓信號到高頻交流方波信號的變換。
[0041]如圖6，所述高頻變壓器頻率通常工作在千赫茲(kHz)級別，高頻化的目的主要是大幅縮小變壓器的體積、減輕重量、減少散熱以及提高變壓器容量與效率等。高頻變壓器中每相繞組均采用η入三出的繞組結構，實現(xiàn)高/低壓級高頻交流方波信號電壓等級變換和電氣隔離。
[0042]如圖7，所述AC/DC變流器由三個獨立控制的單相H橋AC/DC變流器模塊組成，完成高頻交流方波信號到第二直流電壓信號的變換。
[0043]如圖9，所述DC/AC逆變器由三個單相H橋DC/AC變流器模塊經(jīng)LC濾波器輸出所需要的工頻交流輸出信號，完成電力電子變壓器的電壓變換和電能傳輸。
[0044]H橋級聯(lián)變流器直流側電容是相互獨立的，很容易實現(xiàn)各個級聯(lián)模塊直流電壓的均衡控制。并且，每相均由結構相同的幾個電壓源型單相全橋變流器級聯(lián)而成，因此易于實現(xiàn)模塊化設計。由于其直流電源相對獨立，若有H橋單元出現(xiàn)故障也可將其旁路，可靠性聞。
[0045]低壓級直流母線對應并聯(lián)的互平衡設計，可以實現(xiàn)當?shù)蛪簜然蚋邏簜认到y(tǒng)發(fā)生三相不平衡時，不用采用特殊控制策略就能自動維持整個系統(tǒng)原有的平衡狀態(tài)。
[0046]所述電力電子變壓器還包括高壓直流母線單元和低壓直流母線單元；所述高壓直流母線單元位于所述AC/DC整流器與DC/AC變流器之間，所述低壓直流母線單元位于所述AC/DC變流器和低壓級直流母線并聯(lián)模塊之間。
[0047]如圖8，AC/DC變流器的直流電壓輸出DCm、DCm和DCa對應地并聯(lián)，形成所述低壓級直流母線并聯(lián)模塊的輸出DCa、DCb和DC。，其中i = 1、2、3。這種在低壓母線直流側交錯并聯(lián)的最大優(yōu)點是從結構上解決了電力電子變壓器高、低壓側系統(tǒng)不平衡的相互影響，而且自動提高了供電可靠性，只要一個子模塊運行正常就能保證基本用電，大大提高了供電可靠性，而且其結構簡單、控制方便，這也是本專利設計的電力電子變壓器可以實現(xiàn)自動互平衡功能的關鍵所在。
[0048]如圖2，所述AC/DC整流器和DC/AC逆變器分別位于高壓級和低壓級，所述高頻AC/DC變流器、高頻變壓器和高頻AC/DC變流器均位于隔離級。
[0049]如圖10，所述高壓級的控制目標包括高壓級直流母線電壓恒定和工頻交流輸入電流正弦和功率因數(shù)靈活可調；
[0050]位于高壓級的AC/DC整流器采用雙環(huán)控制策略，即直流電壓外環(huán)和交流輸入電流內(nèi)環(huán)；
[0051 ] 直流電壓外環(huán)是為了控制AC/DC整流器直流側電壓恒定，交流輸入電流內(nèi)環(huán)是按照直流電壓外環(huán)輸出的有功電流指令值進行交流輸入電流控制。如實現(xiàn)功率因數(shù)可調的正弦波電流控制，采用電網(wǎng)電壓前饋解耦控制使三相AC/DC變換器電流內(nèi)環(huán)(id，iq)實現(xiàn)解耦，并且可消除電網(wǎng)電壓擾動。采用前饋解耦控制策略，且電流調節(jié)器和電壓調節(jié)器都采用PI控制器時的通過變換矩陣得到高壓級H橋級聯(lián)多電平變流器在dq坐標系下的數(shù)學模型方程式為:
【權利要求】
1.一種模塊化H橋級聯(lián)型多電平互平衡電力電子變壓器，其特征在于:所述電力電子變壓器包括AC/DC整流器、DC/AC變流器、高頻變壓器、AC/DC變流器、低壓級直流母線并聯(lián)模塊和DC/AC逆變器；工頻交流輸入信號經(jīng)過所述AC/DC整流器變換為第一直流電壓信號，所述DC/AC變流器將所述第一直流電壓信號調制為高頻交流方波信號，所述高頻交流方波信號經(jīng)過所述高頻變壓器實現(xiàn)電壓等級變換和電磁隔離，所述AC/DC變流器再將高頻變壓器輸出的高頻交流方波信號轉換為第二直流電壓信號，所述第二直流電壓信號通過低壓級直流母線并聯(lián)模塊輸入給所述DC/DC逆變器，DC/AC逆變器將第二直流電壓信號變換為所需的工頻交流輸出信號，實現(xiàn)對負載的供電。
2.根據(jù)權利要求1所述的模塊化H橋級聯(lián)型多電平互平衡電力電子變壓器，其特征在于:所述AC/DC整流器由多個單相H橋變流器模塊級聯(lián)構成，以提高電力電子變壓器輸入測的電壓等級；所述H橋變流器模塊的級聯(lián)數(shù)取決于電力電子變壓器高壓側所接配電網(wǎng)的電壓等級和所用功率器件的耐壓水平，AC/DC整流器的三相電路采用星形結構。
3.根據(jù)權利要求1所述的模塊化H橋級聯(lián)型多電平互平衡電力電子變壓器，其特征在于:所述DC/AC變流器由η個單相H橋DC/AC變流器模塊組成，其直流側通過高壓直流母線與所述AC/DC整流器的直流側連接，完成第一直流電壓信號到高頻交流方波信號的變換。
4.根據(jù)權利要求1所述的模塊化H橋級聯(lián)型多電平互平衡電力電子變壓器，其特征在于:所述高頻變壓器每相繞組均采用η入三出的繞組結構，實現(xiàn)高/低壓級高頻交流方波信號電壓等級變換和電氣隔離。
5.根據(jù)權利要求1所述的模塊化H橋級聯(lián)型多電平互平衡電力電子變壓器，其特征在于:所述AC/DC變流器由三個獨立控制的單相H橋AC/DC變流器模塊組成，完成高頻交流方波信號到第二直流電壓信號的變換。
6.根據(jù)權利要求1所述的模塊化H橋級聯(lián)型多電平互平衡電力電子變壓器，其特征在于:所述DC/AC逆變器由三個單相H橋DC/AC變流器模塊經(jīng)LC濾波器輸出所需要的工頻交流輸出信號，完成電力電子變壓器的電壓變換和電能傳輸。
7.根據(jù)權利要求1所述的模塊化H橋級聯(lián)型多電平互平衡電力電子變壓器，其特征在于:所述電力電子變壓器還包括高壓直流母線單元和低壓直流母線單元；所述高壓直流母線單元位于所述AC/DC整流器與DC/AC變流器之間，所述低壓直流母線單元位于所述AC/DC變流器和低壓級直流母線并聯(lián)模塊之間。
8.根據(jù)權利要求1所述的模塊化H橋級聯(lián)型多電平互平衡電力電子變壓器，其特征在于:所述AC/DC整流器和DC/AC逆變器分別位于高壓級和低壓級，所述高頻AC/DC變流器、高頻變壓器和高頻AC/DC變流器均位于隔離級。
9.根據(jù)權利要求8所述的模塊化H橋級聯(lián)型多電平互平衡電力電子變壓器，其特征在于:所述高壓級的控制目標包括高壓級直流母線電壓恒定和工頻交流輸入電流正弦和功率因數(shù)靈活可調； 位于高壓級的AC/DC整流器采用雙環(huán)控制策略，即直流電壓外環(huán)和交流輸入電流內(nèi)環(huán)； 直流電壓外環(huán)是為了控制AC/DC整流器直流側電壓恒定，交流輸入電流內(nèi)環(huán)是按照直流電壓外環(huán)輸出的有功電流指令值進行電流控制。
10.根據(jù)權利要求8所述的模塊化H橋級聯(lián)型多電平互平衡電力電子變壓器，其特征在于:所述隔離級的控制目標包括高壓級和低壓級的電氣隔離和電壓等級變換；連接高頻變壓器原邊的DC/AC變流器將第一直流電壓信號調制成高頻交流方波信號，經(jīng)高頻變壓器耦合至副邊，再經(jīng)連接其副邊的AC/DC變流器變換為第二直流電壓信號。
11.根據(jù)權利要求8所述的模塊化H橋級聯(lián)型多電平互平衡電力電子變壓器，其特征在于:所述低壓級的控制目標是無論在對稱負載還是不對稱負載的情況下實現(xiàn)相電壓幅值恒定和得到正弦波形；低壓級的DC/AC逆變器采用雙環(huán)控制，外環(huán)為輸出電壓瞬時值控制，保持輸出電壓幅值不變；內(nèi)環(huán)為濾波電容電流瞬時值控制，采用SPWM控制，使得電壓跟蹤給定正弦波，維持輸出波形的良好正弦性。
【文檔編號】H02M5/458GK103956911SQ201410186532
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月5日 優(yōu)先權日:2014年5月5日
【發(fā)明者】段青, 盛萬興, 孟曉麗, 史常凱, 馬春艷 申請人:國家電網(wǎng)公司, 中國電力科學研究院