基于mmc的電子電力變壓器的制造方法
【專利摘要】本實用新型提供一種基于MMC的電子電力變壓器，包括MMC和DC-DC隔離器，MMC包括多個串聯連接的子模塊，DC-DC隔離器的直流輸出側和直流輸入側分別并聯有電容，DC-DC隔離器的直流輸出側與低壓直流電網連接，DC-DC隔離器的直流輸入側與子模塊的直流輸出端連接，子模塊包括并聯的半橋電路和電容。本實用新型基于MMC的電子電力變壓器，DC-DC隔離器的直流側輸出電容是并聯的，當MMC的直流電容電壓出現不平衡時，MMC中電容電壓高的子模塊通過DC-DC隔離器借助低壓直流電網，再通過DC-DC隔離器，向電壓低的電容充電抬高電壓值，這樣就保證了直流側電壓的穩定，從而實現MMC的直流電容電壓的自動平衡。
【專利說明】基于MMC的電子電力變壓器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及電力設備【技術領域】，特別是涉及基于MMC的電子電力變壓器。
【背景技術】
[0002]隨著世界經濟的不斷發展，各種形式的電力需求增長越來越快，能源短缺、環境保護等問題日益嚴重，而以風力發電、太陽能發電為代表的可再生能源發電技術正逐漸成為未來電力系統技術的發展方向和研究熱點。但這些清潔能源往往存在諸如位置分散、遠離電力用戶中心等特點，基于電壓源型變換器的高壓直流輸電系統能加這些小型分布式電源系統通過經濟、環保的方式接入交流電網，高壓大功率的電壓型器是該類系統的核心部件。高壓大功率變換場合的電力電子裝置需要具備盡可能高的電壓等級和功率處理能力，而實現高壓大功率變換器的關鍵技術之一是大功率變換器拓撲。近幾十年來，多電平變換技術(主要指電壓型多電平變換器)得到不斷推廣。但是由于采用直接串聯技術，器件參數的不一致不僅會帶來器件均壓問題、電磁干擾問題，還會因開關頻率過高帶來較大的開關損耗等原因，難以在高壓直流輸電領域得到廣泛的運用。
[0003]模塊化多電平變流器(Modualize Mult1-level Converter, MMC)拓撲由德國慕尼黑聯邦國防軍大學于2002年首次提出并應用于高壓直流輸電系統領域，以其獨特的結構和技術優勢正成為研究熱點。此拓撲無需器件的直接串聯，且具有模塊化構造，每個模塊可使用相同的硬件結構，無需移相變壓器，擁有廣闊的應用前景。盡管模塊化多電平變流器的相關理論和技術研究取得了一定進展，但是還有一些問題未得到完全解決。比如MMC在不對稱電網/負載等特殊應用場合下的環流問題，換流的存在會帶來一些負面的影響，但是現在還沒有有效的解決辦法。MMC功率電源的直流側電容電壓中含有大量基頻和二次諧波，將導致交流輸出橋臂電流中出現不可忽略的低次諧波分量，進而影響系統的輸出特性。MMC各功率單元的直流電容相互獨立，主電路元器件為非理想元件，容易導致直流電容電壓不平衡和直流電容電壓脈動現象。
[0004]目前MMC中直流電容電壓平衡控制主要是通過外部的平衡控制電路來實現，通過外部平衡控制電路的方法雖然可簡化控制程序的算法設計，但由于需要額外的硬件電路和控制系統，增加了系統的成本和復雜性，降低了系統的可靠性。
【發明內容】
[0005]基于此，有必要針對一般MMC中直流電容電壓平衡控制不易實現的問題，提供一種容易實現直流電容電壓平衡控制的基于MMC的電子電力變壓器。
[0006]一種基于MMC的電子電力變壓器，包括模塊化多電平變流器和DC-DC隔離器，所述模塊化多電平變流器的交流側連接高壓交流電網，所述模塊化多電平變流器的直流側連接所述DC-DC隔離器，所述模塊化多電平變流器包括多個串聯連接的子模塊，所述子模塊的直流側正負分別與高壓直流電網的正負連接，所述DC-DC隔離器包括第一電容和第二電容，所述DC-DC隔離器的直流輸出側并聯所述第一電容形成直流輸出端口，所述直流輸出端口與低壓直流電網連接，所述DC-DC隔離器的直流輸入側并聯所述第二電容形成直流輸入端口，所述直流輸入端口與所述子模塊的直流輸出端連接；
[0007]所述子模塊包括半橋電路和電容，所述半橋電路與所述電容并聯。
[0008]在其中一個實施例中，所述基于MMC的電子電力變壓器還包括DC-AC逆變器，所述DC-AC逆變器直流側連接所述低壓直流電網，所述DC-AC逆變器交流側連接低壓交流電網。
[0009]在其中一個實施例中，所述DC-DC隔離器還包括逆變器、中頻變壓器和整流器，所述逆變器的直流側并聯有所述第二電容，所述逆變器的直流側與所述子模塊的直流輸出端連接，所述逆變器的交流側連接所述中頻變壓器的原方，所述整流器的交流側連接所述中頻變壓器的副方，所述整流器的直流側并聯有所述第一電容，所述整流器的直流側連接所述低壓直流電網。
[0010]在其中一個實施例中，所述DC-DC隔離器還包括逆變器、中頻變壓器和整流器，所述第一電容、所述第二電容、所述逆變器、所述中頻變壓器和所述整流器的個數為多個，所述中頻變壓器的原方連接所述逆變器的交流側，所述中頻變壓器的副方連接所述整流器的交流側，所述逆變器的直流側并聯有所述第二電容，多個所述逆變器的直流側級聯形成所述直流輸入端口，所述直流輸入端口與所述子模塊的直流輸出端連接，所述整流器的直流側并聯有所述第一電容，多個所述整流器的直流側并聯形成所述直流輸出端口，所述直流輸出端口與所述低壓直流電網連接。
[0011]在其中一個實施例中，所述模塊化多電平變流器為三相三橋臂電路結構，所述三橋臂結構中每相橋臂均包括上橋臂和下橋臂，所述上橋臂和所述下橋臂均包括多個子模塊和一個限流電抗器，所述多個子模塊串聯，所述多個子模塊串聯的一端與所述限流電抗器連接形成交流端口，所述多個子模塊串聯的另一端形成直流端口。
[0012]在其中一個實施例中，所述半橋電路包括兩組絕緣柵雙極型晶體管和續流二極管，所述兩組絕緣柵雙極型晶體管和續流二極管連接成半H橋結構。
[0013]在其中一個實施例中，所述逆變器包括四組絕緣柵雙極型晶體管和續流二極管，所述四組絕緣柵雙極型晶體管和所述續流二極管成H橋結構連接。
[0014]在其中一個實施例中，所述整流器包括四組絕緣柵雙極型晶體管和續流二極管，所述四組絕緣柵雙極型晶體管和所述續流二極管成H橋結構連接。
[0015]在其中一個實施例中，所述DC-AC逆變器包括四組絕緣柵雙極型晶體管和續流二極管，所述四組絕緣柵雙極型晶體管和所述續流二極管成H橋結構連接。
[0016]本實用新型基于MMC的電子電力變壓器，DC-DC隔離器的直流側輸出電容是并聯的，當MMC的直流電容電壓出現不平衡時，MMC中電容電壓高的子模塊通過DC-DC隔離器借助低壓直流電網，再通過DC-DC隔離器，向電壓低的電容充電，抬高電壓值，這樣就保證了直流側電壓的穩定，從而實現MMC的直流電容電壓的自動平衡。總的來說，本實用新型基于MMC的電子電力變壓器是一種容易實現直流電容電壓平衡控制的基于MMC的電子電力變壓器。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1為本實用新型基于MMC的電子電力變壓器其中一個實施例的結構示意圖；
[0018]圖2為本實用新型基于MMC的電子電力變壓器中MMC子模塊的結構示意圖；[0019]圖3為本實用新型基于MMC的電子電力變壓器中DC-DC隔離器第一種結構示意圖；
[0020]圖4為本實用新型基于MMC的電子電力變壓器中DC-DC隔離器第二種結構示意圖；
[0021]圖5為本實用新型基于MMC的電子電力變壓器其中一個實施例中DC-AC逆變器的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0022]如圖1、圖2、圖3和圖4所示，一種基于MMC的電子電力變壓器，其特征在于，包括模塊化多電平變流器100和DC-DC隔離器200，所述模塊化多電平變流器100的交流側連接高壓交流電網，所述模塊化多電平變流器100的直流側連接所述DC-DC隔離器200，所述模塊化多電平變流器100包括多個串聯連接的子模塊120，所述子模塊120的直流側正負分別與高壓直流電網的正負連接，所述DC-DC隔離器200包括第一電容210和第二電容220，所述DC-DC隔離器200的直流輸出側并聯所述第一電容210形成直流輸出端口，所述直流輸出端口與低壓直流電網連接，所述DC-DC隔離器200的直流輸入側并聯所述第二電容220形成直流輸入端口，所述直流輸入端口與所述子模塊120的直流輸出端連接；
[0023]所述子模塊120包括半橋電路和電容，所述半橋電路與所述電容并聯。
[0024]在本實施例中，第一電容和第二電容可以為相同的電容也可以為不同的電容，這里相同的電容說的是相同型號的電容。第一電容并聯在DC-DC隔離器的直流輸出側作為DC-DC隔離器的直流側輸出電容，第二電容并聯在DC-DC隔離器的直流輸入側作為直流側輸入電容。在子模塊中半橋電路與電容并聯，這個電容作為半橋子模塊的直流側輸出電容。
[0025]本實用新型基于MMC的電子電力變壓器，DC-DC隔離器的直流側輸出電容是并聯的，當MMC的直流電容電壓出現不平衡時，MMC中電容電壓高的子模塊通過DC-DC隔離器借助低壓直流電網，再通過DC-DC隔離器，向電壓低的電容充電，抬高電壓值，這樣就保證了直流側電壓的穩定，從而實現MMC的直流電容電壓的自動平衡。總的來說，本實用新型基于MMC的電子電力變壓器是一種容易實現直流電容電壓平衡控制的基于MMC的電子電力變壓器。
[0026]另外由于有DC-DC隔離器的存在，本實用新型基于MMC的電子電力變壓器的高壓交流和直流側處于高壓狀態，低壓交流和直流側處于低壓狀態，實現了高壓系統和低壓系統的完美隔離。這樣當有發生故障時，斷開直流和交流電網的聯系方便，所以本實用新型電子電力變壓還具有可靠性高、控制靈活的特
[0027]如圖1所示，所述基于MMC的電子電力變壓器還包括DC-AC逆變器300，所述DC-AC逆變器300直流側連接所述低壓直流電網，所述DC-AC逆變器300交流側連接低壓交流電網。
[0028]DC-AC逆變器的直流側接低壓直流電網，交流側接低壓交流電網。此結構的作用在于當低壓直流電網電源發生故障時，低壓交流電網可以通過逆變器輸出直流電，做到對低壓直流電網電壓的支撐。正常時，由于逆變器的存在，也可以使低壓交流電網和低壓直流電網的相互支撐。
[0029]如圖3所示，所述DC-DC隔離器還包括逆變器230、中頻變壓器240和整流器250，所述逆變器230的直流側并聯有所述第二電容220，所述逆變器230的直流側與所述子模塊120的直流輸出端連接，所述逆變器230的交流側連接所述中頻變壓器240的原方，所述整流器250的交流側連接所述中頻變壓器240的副方，所述整流器250的直流側并聯有所述第一電容210，所述整流器250的直流側連接所述低壓直流電網。
[0030]本實施例為DC-DC隔離器的一種結構，其中逆變器，即高頻調制部分，逆變器的直流側接MMC子模塊的直流輸出，交流側接中頻變壓器的原方；中頻變壓器，將原方的高壓交流電耦合到副方的低壓側，實現高低壓間的電氣隔離；整流器，即高頻還原部分，結構和逆變器一樣，都是H橋結構，交流側接中頻變壓器的副方，直流側接低壓直流電網。隔離變換部分實現將直流換成交流并耦合到副方后還原成直流，采用開環的脈沖寬度調制控制。
[0031]如圖4所示，所述DC-DC隔離器200還包括逆變器430、中頻變壓器440和整流器450，所述第一電容210、所述第二電容220、所述逆變器430、所述中頻變壓器440和所述整流器450的個數為多個，所述中頻變壓器440的原方連接所述逆變器430的交流側，所述中頻變壓器440的副方連接所述整流器450的交流側，所述逆變器430的直流側并聯有所述第二電容220，多個所述逆變器430的直流側級聯形成所述直流輸入端口，所述直流輸入端口與所述子模塊120的直流輸出端連接，所述整流器450的直流側并聯有所述第一電容210，多個所述整流器450的直流側并聯形成所述直流輸出端口，所述直流輸出端口與所述低壓直流電網連接。
[0032]本實施例為DC-DC隔離器的另一種結構，在本實施例中MMC的直流電容電壓不是相同的，采取的是混合式電平結構，每個子模塊的輸出電壓值不等同，中頻變壓器的原方側是級聯的結構，級數與MMC的子模塊電容電壓的大小對應，變壓器的副方側是采取并聯。采用本實施例的混合式多電平結構的DC-DC隔離器不但可以在不增加開關器件和直流電源的前提下可以輸出更多的電壓電平而且還能降低開關頻率、減少損耗和總諧波失真。
[0033]在其中一個實施例中，所述模塊化多電平變流器為三相三橋臂電路結構，所述三橋臂結構中每相橋臂均包括上橋臂和下橋臂，所述上橋臂和所述下橋臂均包括多個子模塊和一個限流電抗器，所述多個子模塊串聯的一端與所述限流電抗器連接形成交流端口，所述多個子模塊的另一端形成直流端口。
[0034]在本實施例中MMC采用的是三相MMC結構。電網中高壓交流電網接在MMC子模塊的交流側，高壓直流正負分別和MMC子模塊的直流側正負相連。和傳統的MMC結構一樣在本實施例中，MMC共有6個橋臂,每個橋臂都是由η個相同的半H橋子模塊和一個橋臂電感串聯而成。單個半H橋子模塊的結構包含兩組絕緣柵雙極型晶體管和續流二極管以及一個直流儲能電容。每個子模塊有三個不同的開關狀態，分別為投入、切除和閉鎖狀態。投入狀態是指上橋絕緣柵雙極型晶體管開通，下橋絕緣柵雙極型晶體管關斷，電流總是通過半H橋的上橋流通，子模塊輸出電壓可以認為等于直流儲能電容電壓；切除狀態是指上橋絕緣柵雙極型晶體管關斷，下橋臂開通，電流總是通過半H橋的下橋流通，子模塊輸出電壓可以認為等于O;閉鎖狀態是指上、下橋臂絕緣柵雙極型晶體管同時關斷，這種情形主要在系統啟動、故障以及開關死區階段出現。換流器在正常運行情況下只在投入和切除兩種狀態之間切換，其上下兩個橋臂做互補導通。MMC的作用是通過開關狀態的切換，可以實現對子模塊輸出電壓的控制，同時保持總直流電壓穩定并獲得最大的直流輸出電壓，以滿足高壓大功率柔性直流輸電系統對換流器的技術要求。[0035]如圖2所示，在其中一個實施例中，所述半橋電路包括兩組絕緣柵雙極型晶體管和續流二極管，所述兩組絕緣柵雙極型晶體管和續流二極管連接成半H橋結構。
[0036]如圖3或圖4所示，在其中一個實施例中，所述逆變器包括四組絕緣柵雙極型晶體管和續流二極管，所述四組絕緣柵雙極型晶體管和所述續流二極管成H橋結構連接。
[0037]如圖3或圖4所示，在其中一個實施例中，所述整流器包括四組絕緣柵雙極型晶體管和續流二極管，所述四組絕緣柵雙極型晶體管和所述續流二極管成H橋結構連接。
[0038]如圖5所示，在其中一個實施例中，所述DC-AC逆變器300包括四組絕緣柵雙極型晶體管和續流二極管，所述四組絕緣柵雙極型晶體管和所述續流二極管成H橋結構連接。
[0039]上述幾個實施例中，半橋電路、逆變器、整流器和DC-AC逆變器都包括四組絕緣柵雙極型晶體管和續流二極管，四組絕緣柵雙極型晶體管和續流二極管成H橋結構連接。H橋結構是一種模塊化的結構，在上述幾個實施例中半橋電路、逆變器、整流器和DC-AC逆變器均采用這種模塊的H橋結構有利于優化本實用新型基于MMC的電子電力變壓器的結構，另外也便于集成、生產、管理和集中控制。
[0040]以上所述實施例僅表達了本實用新型的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本實用新型專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本實用新型的保護范圍。因此，本實用新型專利的保護范圍應以所附權利要求為準。
【權利要求】
1.一種基于MMC的電子電力變壓器，其特征在于，包括模塊化多電平變流器和DC-DC隔離器，所述模塊化多電平變流器的交流側連接高壓交流電網，所述模塊化多電平變流器的直流側連接所述DC-DC隔離器，所述模塊化多電平變流器包括多個串聯連接的子模塊，所述子模塊的直流側正負分別與高壓直流電網的正負連接，所述DC-DC隔離器包括第一電容和第二電容，所述DC-DC隔離器的直流輸出側并聯所述第一電容形成直流輸出端口，所述直流輸出端口與低壓直流電網連接，所述DC-DC隔離器的直流輸入側并聯所述第二電容形成直流輸入端口，所述直流輸入端口與所述子模塊的直流輸出端連接； 所述子模塊包括并聯連接的半橋電路和電容。
2.根據權利要求1所述的基于MMC的電子電力變壓器，其特征在于，還包括DC-AC逆變器，所述DC-AC逆變器直流側連接所述低壓直流電網，所述DC-AC逆變器交流側連接低壓交流電網。
3.根據權利要求1或2所述的基于MMC的電子電力變壓器，其特征在于，所述DC-DC隔離器還包括逆變器、中頻變壓器和整流器，所述逆變器的直流側并聯有所述第二電容，所述逆變器的直流側與所述子模塊的直流輸出端連接，所述逆變器的交流側連接所述中頻變壓器的原方，所述整流器的交流側連接所述中頻變壓器的副方，所述整流器的直流側并聯有所述第一電容，所述整流器的直流側連接所述低壓直流電網。
4.根據權利要求1或2所述的基于MMC的電子電力變壓器，其特征在于，所述DC-DC隔離器還包括逆變器、中頻變壓器和整流器，所述第一電容、所述第二電容、所述逆變器、所述中頻變壓器和所述整流器的個數為多個，所述中頻變壓器的原方連接所述逆變器的交流偵牝所述中頻變壓器的副方連接所述整流器的交流側，所述逆變器的直流側并聯有所述第二電容，多個所述逆變器的直流側級聯形成所述直流輸入端口，所述直流輸入端口與所述子模塊的直流輸出端連接，所述整流器的直流側并聯有所述第一電容，多個所述整流器的直流側并聯形成所述直流輸出端口，所述直流輸出端口與所述低壓直流電網連接。
5.根據權利要求1或2所述的基于MMC的電子電力變壓器，其特征在于，所述模塊化多電平變流器為三相三橋臂電路結構，所述三橋臂結構中每相橋臂均包括上橋臂和下橋臂，所述上橋臂和所述下橋臂均包括多個子模塊和一個限流電抗器，所述多個子模塊串聯，所述多個子模塊串聯的一端與所述限流電抗器連接形成交流端口，所述多個子模塊串聯的另一端形成直流端口。
6.根據權利要求1或2所述的基于MMC的電子電力變壓器，其特征在于，所述半橋電路包括兩組絕緣柵雙極型晶體管和續流二極管，所述兩組絕緣柵雙極型晶體管和續流二極管連接成半H橋結構。
7.根據權利要求3所述的基于MMC的電子電力變壓器，其特征在于，所述逆變器包括四組絕緣柵雙極型晶體管和續流二極管，所述四組絕緣柵雙極型晶體管和所述續流二極管成H橋結構連接。
8.根據權利要求4所述的基于MMC的電子電力變壓器，其特征在于，所述整流器包括四組絕緣柵雙極型晶體管和續流二極管，所述四組絕緣柵雙極型晶體管和所述續流二極管成H橋結構連接。
9.根據權利要求1或2所述的基于MMC的電子電力變壓器，其特征在于，所述DC-AC逆變器包括四組絕緣柵雙極型晶體管和續流二極管，所述四組絕緣柵雙極型晶體管和所述續流二極管成H橋結構連接。
【文檔編號】H02M7/537GK203399000SQ201320205619
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年4月22日 優先權日:2013年4月22日
【發明者】張俊峰, 易楊, 陳迅, 毛承雄, 萬川, 王丹, 陸繼明 申請人:廣東電網公司電力科學研究院, 華中科技大學