一種模塊化多電平結(jié)構(gòu)的固態(tài)變壓器的制造方法
【專利說(shuō)明】一種模塊化多電平結(jié)構(gòu)的固態(tài)變壓器
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及一種電力電子變壓器，具體涉及一種模塊化多電平結(jié)構(gòu)的固態(tài)變壓器。
【背景技術(shù)】
[0003]隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)的裝機(jī)容量和年發(fā)電量不斷地提高，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行問(wèn)題成為一個(gè)突出的問(wèn)題。而越來(lái)越多的非線性負(fù)荷接入電網(wǎng)中，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)的電能質(zhì)量，與此同時(shí)，電網(wǎng)中的許多敏感性負(fù)荷對(duì)于電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高，電能質(zhì)量問(wèn)題日益突出。傳統(tǒng)的電力變壓器作為最基本的輸變電裝置，功能較為單一，同時(shí)又有體積、重量大，輸出電壓隨負(fù)載的波動(dòng)而波動(dòng)，變壓器油等絕緣材料對(duì)環(huán)境有潛在的污染，鐵芯飽和時(shí)產(chǎn)生諧波，可控性差等不足，已經(jīng)越來(lái)越難以滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)的要求。
[0004]固態(tài)變壓器，又稱為電力電子變壓器，是一種在大功率電力電子變換技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型的智能變壓器。除了傳統(tǒng)電力變壓器變壓、隔離和能量轉(zhuǎn)換的功能之外，它還具有諧波抑制、無(wú)功補(bǔ)償、分布式能源接入和潮流控制的功能。固態(tài)變壓器的雛形由美國(guó)GE公司于1970年率先提出，迄今，已經(jīng)出現(xiàn)了很多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最初的一級(jí)結(jié)構(gòu)、二級(jí)結(jié)構(gòu)和以及目前絕大部分固態(tài)變壓器采用的三級(jí)結(jié)構(gòu)。三級(jí)結(jié)構(gòu)的固態(tài)變壓器雖然增加了電路復(fù)雜程度和器件數(shù)量，但是其能夠?qū)崿F(xiàn)諸如無(wú)功補(bǔ)償，潮流控制和分布式發(fā)電接入等更多的功能。本發(fā)明采用的就是三級(jí)結(jié)構(gòu)的固態(tài)變壓器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的就是為了克服傳統(tǒng)變壓器的不足之處，提出一種體積小、重量輕，適用于110KV/10KV變換的固態(tài)變壓器，除了傳統(tǒng)電力變壓器的變壓、隔離和能量轉(zhuǎn)換功能之夕卜，還具有電能質(zhì)量控制功能，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)電壓不穩(wěn)定，三相不對(duì)稱，諧波含量大等情況時(shí)，仍能夠保證負(fù)荷側(cè)的高電能質(zhì)量。本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
一種模塊化多電平結(jié)構(gòu)的固態(tài)變壓器，其特征在于，基于模塊化多電平結(jié)構(gòu)，包括:一輸入級(jí):為一個(gè)三相模塊化多電平變流器，所述三相模塊化多電平變流器的每一相分成上半橋臂和下半橋臂，上半橋臂和下半橋臂均由η個(gè)子模塊以及一個(gè)橋臂電感級(jí)聯(lián)而成，每一相橋臂的中間點(diǎn)通過(guò)一個(gè)電感與110KV配電網(wǎng)相連；
一隔離級(jí):隔離級(jí)由k個(gè)子單元級(jí)聯(lián)而成，每個(gè)子單元依次包括一個(gè)單相MMC逆變器、一個(gè)高頻變壓器和一個(gè)單相MMC整流器，隔離級(jí)通過(guò)高、低壓直流母線分別與輸入級(jí)、輸出級(jí)相連;所述單相MMC逆變器和單相MMC整流器均有兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂均由子模塊級(jí)聯(lián)而成，在橋臂的中間串聯(lián)兩個(gè)相等的電感，單相MMC逆變器兩橋臂的中點(diǎn)與對(duì)應(yīng)高頻變壓器原邊的兩根引線相連，單相MMC整流器兩橋臂中點(diǎn)與高頻變壓器副邊兩根引線相連； 一輸出級(jí):為一個(gè)三相模塊化多電平變流器，所述三相模塊化多電平變流器的每一相分成上半橋臂和下半橋臂，上半橋臂和下半橋臂均由m個(gè)子模塊以及一個(gè)橋臂電感級(jí)聯(lián)而成，每一相橋臂的中間點(diǎn)通過(guò)一個(gè)電感與1KV配電網(wǎng)相連；
在上述的一種模塊化多電平結(jié)構(gòu)的固態(tài)變壓器，所述的子模塊，由兩個(gè)帶有反并聯(lián)二極管的全控型器件串聯(lián)之后再與電容并聯(lián)組成;全控型器件可以為IGBT或MOSFET或IGCT，器件材料可以為Si或SiC或GaN材料。在本發(fā)明不同的部分中，子模塊中的器件可以選擇不同的種類，比如在隔離級(jí)中子模塊的帶反并聯(lián)二極管的全控型開關(guān)器件選擇高頻開關(guān)器件;而在輸出級(jí)的電壓較低，但電流較大，其帶反并聯(lián)二極管的全控型開關(guān)器件可以選擇能承受較大電流的開關(guān)器件。
[0006]在上述的一種模塊化多電平結(jié)構(gòu)的固態(tài)變壓器，如圖2所示，所述的輸入級(jí)中，子模塊中的全控型器件能夠是IGBT或MOSFET或IGCT;器件采用Si或SiC或GaN材料;通過(guò)控制子模塊中的開關(guān)器件來(lái)控制電容的接入或旁路，正常工作時(shí)，每個(gè)時(shí)刻每一相都有η個(gè)電容串聯(lián)接入電路，而這η個(gè)電容電壓的和即為高壓直流母線電壓。
[0007]在上述的一種模塊化多電平結(jié)構(gòu)的固態(tài)變壓器，所述的隔離級(jí)中的開關(guān)器件均為帶有反并聯(lián)二極管的全控型開關(guān)器件，且為高頻開關(guān)器件;所述的子單元，包含單相MMC逆變器、高頻變壓器、單相MMC整流器，三者依次連接，k個(gè)子單元級(jí)聯(lián)在直流母線上;每個(gè)單相MMC逆變器含有兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由2x個(gè)子模塊級(jí)聯(lián)而成，在橋臂的中間串聯(lián)兩個(gè)相等的電感，單相MMC逆變器兩橋臂的中點(diǎn)與對(duì)應(yīng)高頻變壓器原邊的兩根引線相連;每個(gè)單相匪C整流器同樣含有兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂有2y個(gè)子模塊級(jí)聯(lián)而成，在橋臂的中間同樣串聯(lián)兩個(gè)相等的電感，單相MMC整流器兩橋臂的中點(diǎn)與與高頻變壓器副邊兩根引線相連;每個(gè)高頻變壓器的變比相同，連接相應(yīng)的單相MMC逆變器和單相MMC整流器。
[0008]在上述的一種模塊化多電平結(jié)構(gòu)的固態(tài)變壓器，所述的輸出級(jí)為三相模塊化多電平變流器，其通過(guò)低壓直流母線與隔離級(jí)相連，該三相模塊化多電平變流器的每一相分成上半橋臂和下半橋臂，上半橋臂和下半橋臂均由m個(gè)子模塊以及一個(gè)橋臂電感級(jí)聯(lián)而成，每一相橋臂的中間點(diǎn)通過(guò)一個(gè)電感與1KV配電網(wǎng)相連;輸出級(jí)中的開關(guān)器件均為帶有反并聯(lián)二極管的全控型開關(guān)器件，要求這些器件能夠承受較大的電流。
[0009]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):1、采用模塊化多電平結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，能夠直接連接在電網(wǎng)之中，其模塊化的設(shè)計(jì)使得該固態(tài)變壓器的設(shè)計(jì)、組裝、維修、擴(kuò)容等十分得方便、靈活。2、隔離級(jí)的采用多個(gè)子單元級(jí)聯(lián)的方式進(jìn)行分壓，降低了高頻變壓器高壓側(cè)的電壓。3、采用高頻變壓器，降低了變壓器的體積和重量。4、控制靈活，通過(guò)控制模塊化多電平變流器，能夠保障高、低壓直流母線電壓的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng)，并對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量進(jìn)行補(bǔ)償。
【附圖說(shuō)明】
[00?0]圖1為本發(fā)明的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不意圖。
[0011 ]圖2為本發(fā)明中輸入級(jí)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖3為本發(fā)明中隔離級(jí)中的單相MMC逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖4為本發(fā)明中隔離級(jí)中的單相MMC整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖5為本發(fā)明中隔離級(jí)中子單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖6為本發(fā)明中輸出級(jí)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖7為本發(fā)明中子模塊的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]具體實(shí)施方法
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0018]如圖1所示，本發(fā)明采用AC-DC-AC的三階式變換結(jié)構(gòu)，由輸入級(jí)1、隔離級(jí)2和輸出級(jí)3組成；
一輸入級(jí):為一個(gè)三相模塊化多電平變流器，如圖2所示，所述三相模塊化多電平變流器的每一相分成上半橋臂和下半橋臂，上半橋臂和下半橋臂均由η個(gè)子模塊以及一個(gè)橋臂電感L1S聯(lián)而成，每一相橋