一種雙向潮流控制的模塊化多電平互平衡固態變壓器的制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種雙向潮流控制的模塊化多電平互平衡固態變壓器。固態變壓器為利用互平衡結構設計的三相固態變壓器，采用AC-DC-AC的三階式變換結構，包括高壓級、隔離級和低壓級，高壓級和隔離級三相結構相同的變壓器；高壓級和隔離級均由子單元構成；低壓級為單獨整體模塊實現自動互平衡結構；所述高壓級三相子單元按星形方式連接，低壓級為三相四線接線方式的交流輸出端；固態變壓器能夠實現功率雙向流動。本實用新型提供的整個三相系統采用獨立結構方便三相的獨立控制和模塊化生產，低壓級直流母線并聯模塊使得其兼具了三相電能自動互平衡功能，從而解決了固態變壓器的實用化問題。
【專利說明】—種雙向潮流控制的模塊化多電平互平衡固態變壓器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種電力電子變壓器，具體講涉及一種雙向潮流控制的模塊化多電平互平衡固態變壓器。
【背景技術】
[0002]固態變壓器又稱為電力電子變壓器或柔性變壓器，它是以電力電子變換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變壓器的系統結構，是下一代智能電網建設的關鍵裝備。然而由于受電力電子器件發展水平的限制，適應于電網需求的高壓、大功率、大電流的固態變壓器離實用化還相距甚遠。
[0003]固態變壓器是近年來隨著大功率電力電子技術的發展而逐步發展起來的新型電力變壓器。它在實現常規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、相序和波形等電能參數，在結構上，它包含兩個基本要素:電力電子變換器和中(高)頻變壓器。電力電子變換器主要包括電力電子器件、控制器、濾波器以及輔助設備，主要完成保護和電能的變換及控制等功能；高頻變壓器的功能是隔離及電壓等級變換，頻率通常工作在千赫茲(kHz)級別，高頻的目的主要是大幅縮小變壓器的體積、減輕重量、減少散熱以及提高容量與效率等。
[0004]固態變壓器的具體實現方案分兩種形式:一是，在變換中不含直流環節，即直接AC/AC變換；二是，在變換中引入直流環節:在變壓器高壓側進行AC/DC變換，再將直流調制為高頻方波信號經高頻變壓器實現電磁耦合，并重新將耦合后的高頻方波信號還原為DC(隔離級)，進而在低壓側進行DC/AC變換，實現對負載的供電。該結構可以實現高壓級功率因數校正，同時可以擬制諧波的雙向流動。比較兩種方案，后者控制特性良好，通過PWM調制技術可實現變壓器高壓低壓側電壓、電流和功率的靈活控制，已逐步成為固態變壓器今后主要的發展方向。
[0005]采用全控型復合電力電子器件IGBT，可以實現固態變壓器的靈活控制，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，而目前的配電網低電壓配電變壓器也在10千伏以上，如果采用器件串聯均壓的方式，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的兩電平結構，也存在動、靜均壓問題，并且dv/dt較大，會產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。
實用新型內容
[0006]針對現有技術的不足，本實用新型的目的是提供一種雙向潮流控制的模塊化多電平固態變壓器，本實用新型提供的固態變壓器基于互平衡技術，采用的主結構為AC-DC-AC三階方式，具備高壓級、隔離級和低壓級。主電路拓撲高壓級采用了二極管箝位型多電平結構變換器，多電平結構可以使輸出電壓諧波含量更低，器件開關頻率低，開關損耗小，器件應力小，無需動態均壓，從而使固態變壓器適應更高的電壓等級。整個三相系統采用獨立結構方便三相的獨立控制和模塊化生產，并且設計的電路拓撲本身兼具了三相電能自動互平衡功能，從而解決了固態變壓器的實用化問題。
[0007]本實用新型的目的是采用下述技術方案實現的:
[0008]本實用新型提供一種雙向潮流控制的模塊化多電平互平衡固態變壓器，其改進之處在于，所述固態變壓器為利用互平衡結構設計方法的三相固態變壓器，采用AC-DC-AC的三階式變換結構，包括高壓級、隔離級和低壓級；
[0009]所述高壓級和隔離級三相結構相同的變壓器；高壓級和隔離級均由子單元構成；低壓級為單獨整體模塊實現自動互平衡結構；所述高壓級三相子單元按星形方式連接，低壓級為三相四線接線方式的交流輸出端；固態變壓器能夠實現功率雙向流動。
[0010]進一步地，所述高壓級子單元采用二極管箝位型多電平單相全橋模塊；所述多電平單相全橋模塊的電平數量根據固態變壓器高壓側額定電壓和電力電子器件的耐壓水平設定。
[0011 ] 進一步地，所述多電平單相全橋模塊，包括兩相四橋臂，每相的上下兩橋臂通過箝位二極管串聯支路連接；每個橋臂由IGBT器件串聯構成；所述二極管串聯支路由二極管串聯組成；
[0012]兩相橋臂與高壓級直流母線并聯，所述高壓級直流母線由兩組電容串聯構成；高壓級直流母線的中點分別與每相上下兩橋臂箝位二極管串聯支路的中點相連。
[0013]進一步地，所述隔離級子單元包括二極管箝位型多電平單相半橋模塊、高頻變壓器和單相H橋；
[0014]所述二極管箝位型多電平單相半橋模塊與高壓級的二極管箝位型多電平單相全橋模塊通過高壓級直流母線背靠背連接，通過高壓級直流母線中點分別與二極管箝位型多電平單相半橋模塊和高頻變壓器高壓側的I路輸入端連接；
[0015]高頻變壓器為I入3出結構，用于實現高壓側和低壓側高頻方波電壓等級變換和電氣隔離；
[0016]所述單相H橋的個數為3，3個單相H橋對應與高頻變壓器的3個輸出端連接，3個單相H橋對應的3路輸出接入低壓級直流母線并聯模塊。
[0017]進一步地，所述二極管箝位型多電平單相半橋模塊，包括:帶箝位二極管串聯支路的半橋；半橋包括上下兩橋臂，每個橋臂由IGBT器件串聯構成；所述二極管串聯支路由二極管串聯組成；二極管箝位多電平單相半橋模塊與高壓級直流母線并聯，所述高壓級直流母線由上下兩組電容構成；箝位二極管串聯支路的中點與高壓級直流母線的中點相連。
[0018]進一步地，所述三相固態變壓器的低壓級用于實現將從隔離級來的直流變換成所需要的交流；所述低壓級包括低壓級直流母線并聯模塊、3個單相全橋逆變模塊和3個LC濾波器；
[0019]進一步地，所述低壓級直流母線并聯模塊將隔離級3個子單元形成的直流輸出DCA1、DCB1、DCci對應地并聯在一起，組成三相固態變壓器低壓級3個單相全橋逆變模塊的低壓級直流母線DCa、DCb、DC。，三條低壓級直流母線的直流輸出與3個單相全橋逆變模塊分別連接。
[0020]進一步地，所述3個單相全橋逆變模塊結構相同，每個單相全橋逆變模塊包括兩相四橋臂，每相的上下兩橋臂通過I個LC濾波器連接，所述3個LC濾波器分別為第一濾波器、第二濾波器和第三濾波器；
[0021 ] 所述3個LC濾波器均由濾波電感和濾波電容組成，第一濾波器的濾波電感連接在單相全橋逆變模塊其中一相的上下兩橋臂之間作為輸出端，其濾波電容連接在另一相的上下兩橋臂之間，再分別與第二濾波器和第三濾波器的濾波電容并聯作為第四輸出端；第二濾波器的濾波電感作為第二個輸出端，第三濾波器的濾波電感作為第三輸出端，
[0022]上述四個輸出端形成三相四接線方式固態變壓器的輸出端。
[0023]與現有技術比，本實用新型達到的有益效果是:
[0024]1、本實用新型以全控型復合器件絕緣柵雙極性晶體管(Insulated Gate BipolarTransistor, IGBT)構建三相多電平固態變壓器主電路拓撲的互平衡技術，既可以解決適應電網需求的高電壓問題，還能從拓撲功能上自動完成三相供電的互平衡功能，而且具備四象限運行能力，同時方便模塊化生產，從而解決研制面向實際應用的商用性固態變壓器問題。
[0025]2、本實用新型的固態變壓器基于互平衡技術設計，采用的主結構為AC-DC-AC方式，具備高壓級、隔離級和低壓級。主電路拓撲高壓級采用了二極管箝位型多電平結構變換器，多電平結構可以使輸出電壓諧波含量更低，器件開關頻率低，開關損耗小，器件應力小，無需動態均壓，從而使固態變壓器適應更高的電壓等級。整個三相系統采用獨立結構方便三相的獨立控制和模塊化生產，并且設計的電路拓撲本身兼具了三相電能自動互平衡功能，從而解決了固態變壓器的實用化問題。
[0026]3、本實用新型提供的固態變壓器采用二極管箝位多電平結構，既可以降低器件使用數量又可以適應較高電壓等級；采用三相子單元結構，即方便三相獨立控制又可以實現模塊化生產。
[0027]4、隔離級中的高頻變壓器采用I相變3相以及低壓級直流母線交錯并聯的互平衡設計，可以實現當低壓側或高壓側系統發生三相不平衡時，不用采用特殊控制策略就能自動維持整個系統原有的平衡狀態。隔離級中采用多電平單相半橋結構，因為由于隔離級的電能控制要求不高僅僅只是電氣隔離和電壓等級變換，所以在滿足基本要求的情況下這種結構有利于節省器件數量，降低能耗和成本。
[0028]5、低壓直流母線并聯模塊將隔離級3個單元形成的直流輸出對應地并聯在一起，組成三相固態變壓器低壓級3個單相全橋逆變模塊的直流母線，在低壓母線直流側交錯并聯，其最大優點是從結構上解決了固態變壓器高、低壓側系統不平衡的相互影響，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，大大提高了運行可靠性，結構簡單，控制方便，這也是實現該固態變壓器自動互平衡的關鍵拓撲技術。
[0029]6、本實用新型提供的固態變壓器能夠實現功率雙向流動。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0030]圖1是本實用新型提供的雙向潮流控制的模塊化多電平互平衡固態變壓器的拓撲結構圖；
[0031]圖2是本實用新型提供的雙向潮流控制的模塊化多電平互平衡固態變壓器的原理圖；
[0032]圖3是本實用新型提供的模塊化多電平互平衡固態變壓器的低壓級直流母線并聯模塊接線圖。
【具體實施方式】
[0033]下面結合附圖對本實用新型的【具體實施方式】作進一步的詳細說明。
[0034]本實用新型提供的雙向潮流控制的模塊化多電平固態變壓器的拓撲結構圖如圖1所示，采用AC-DC-AC的3階式變換結構，即包括一個高壓級，一個隔離級和一個低壓級，一個應用三相互平衡設計的固態變壓器的高壓級和隔離級由三個“一相變三相”子單元構成。
[0035]1.高壓級:
[0036]為符合實際電壓等級需求，高壓級子單元采用二極管箝位型多電平單相全橋模塊，單相全橋的電平數量取決于高壓側額定電壓和電力電子器件的耐壓水平，本實用新型提供的雙向潮流控制的模塊化多電平固態變壓器的原理圖如圖2所示，以三電平結構為例，也可方便擴展到更高電平。這種結構使諧波含量少，開關損耗較小，效率高。為了保證高壓側系統的電流具有良好正弦波形和實現功率因數靈活控制，單相全橋采用SVPWM整流運行方式，雙向潮流控制時加入并網逆變控制功能。三相高壓級子單元的結成星形“Y”結構形式，構成三相固態變壓器的高壓級。
[0037]多電平單相全橋模塊包括兩相四橋臂，每相的上下兩橋臂通過箝位二極管串聯支路連接；每個橋臂由IGBT器件串聯構成；所述二極管串聯支路由二極管串聯組成。兩相橋臂與高壓級直流母線并聯，所述高壓級直流母線由兩組電容串聯構成；高壓級直流母線的中點分別與每相上下兩橋臂箝位二極管串聯支路的中點相連。
[0038]2.隔離級:
[0039]隔離級子單元由I個前置二極管箝位型多電平單相半橋模塊、I個I入3出高頻變壓器和3個后置H橋組成。后置H橋為單相結構。前置整流多電平單相半橋模塊與高壓級的單相多電平全橋模塊整流背靠背連接，完成DC/高頻方波變換，與高頻變壓器高壓側I路輸入連接，此處采用多電平單相半橋結構是因為由于隔離級的電能控制要求不高僅僅只是電氣隔離和電壓等級變換，所以在滿足基本要求的情況下這種結構有利于節省器件數量，降低能耗和成本。高頻變壓器I入3出，實現高壓側和低壓側高頻方波電壓等級變換和電氣隔離。后置3個單相H橋與高頻變壓器的3個輸出對應連接，3路輸出接入低壓級直流母線并聯模塊，與其他兩相的子單元直流輸出交叉并聯。
[0040]當功率由高壓級向低壓級流動時，前置多電平單相半橋將直流變換成高頻方波，由高頻變壓器磁耦合到低壓，再由后置H橋重新整流成直流。
[0041 ] 反之，后置H橋進行直流逆變，前置多電平單相半橋模塊負責整流。三相隔離級的子單元，組合在一起構成三相固態變壓器的隔離級。
[0042]所述二極管箝位型多電平單相半橋模塊包括帶箝位二極管串聯支路的半橋；半橋包括上下兩橋臂，每個橋臂由IGBT器件串聯構成；所述二極管串聯支路由二極管串聯組成。
[0043]3.低壓級:
[0044]整個三相低壓級主要實現將從隔離級來的直流變成所需要的交流。它包括低壓級直流母線并聯模塊、3個單相全橋逆變模塊和LC濾波器構成。在構成三相固態變壓器低壓級時，如圖3所示，低壓直流母線并聯模塊將隔離級3個單元形成的直流輸出DCA1、DCB1、DCM(i=l,2,3)對應地并聯在一起，組成三相固態變壓器低壓級3個單相全橋逆變模塊的直流母線DCa、DCb, DC。。這種在低壓母線直流側交錯并聯的最大優點是從結構上解決了固態變壓器高、低壓側系統不平衡的相互影響，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，大大提高了運行可靠性，結構簡單，控制方便，這也是實現該固態變壓器自動互平衡的關鍵拓撲技術。3個單相全橋逆變模塊經LC濾波器輸出所需要的低壓交流，采用單相控制的電壓瞬時值和有效值雙閉環控制，保證電能質量，最后形成三相四線接線方式的輸出。
[0045]3個單相全橋逆變模塊結構相同，每個單相全橋逆變模塊包括兩相四橋臂，每相的上下兩橋臂通過I個LC濾波器連接，所述3個LC濾波器分別為第一濾波器、第二濾波器和第三濾波器；
[0046]所述3個LC濾波器均由濾波電感和濾波電容組成，第一濾波器的濾波電感連接在單相全橋逆變模塊其中一相的上下兩橋臂之間作為輸出端，其濾波電容連接在另一相的上下兩橋臂之間后，分別與第二濾波器和第三濾波器的濾波電容并聯作為第四輸出端；第二濾波器的濾波電感作為第二個輸出端，第三濾波器的濾波電感作為第三輸出端，
[0047]上述四個輸出端形成三相四接線方式固態變壓器的輸出端。
[0048]本實用新型還提供一種雙向潮流控制的模塊化多電平固態變壓器的實現方法，該方法采用模塊化多電平固態變壓器實現，包括下述步驟:
[0049]A、將電網工頻正弦波交流電輸入到固態變壓器的高壓級，所述工頻正弦波交流電經高壓級變換模塊以SVPWM調制控制方式整流為直流并保持直流電壓恒定，功率因數單位運行，輸入到固態變壓器的隔離級；
[0050]B、隔離級前置的二極管箝位型多電平單相半橋模塊將直流電變換成高頻方波，由I入3出的高頻變壓器磁耦合到低壓，再由后置的3個單相H橋重新整流成直流后輸入到固態變壓器的低壓級；
[0051]C、低壓級的低壓直流母線并聯模塊將隔離級3個子單元形成的直流輸出DCA1、DCB1、DCci對應地并聯在一起，組成三相固態變壓器低壓級3個單相全橋逆變模塊的低壓級直流母線DCa、DCb, DC。，這種連接方式使實用新型自動具備了三相互平衡的功能，不用再進行其他控制措施，從結構上解決了高低壓側系統不平衡的相互影響。三條低壓級直流母線的直流輸出到3個單相全橋逆變模塊；3個單相全橋逆變模塊經LC濾波器通過逆變控制輸出所需要的低壓交流。
[0052]本實用新型還提供一種雙向潮流控制的模塊化多電平互平衡固態變壓器的實現方法，所述方法采用模塊化多電平固態變壓器實現，并網模式下包括下述步驟:
[0053]①將直流電輸入到低壓級三條低壓級直流母線，三條低壓級直流母線的直流輸出到3個單相全橋逆變模塊；3個單相全橋逆變模塊經LC濾波器，通過逆變控制輸出所需要的低壓交流；
[0054]②直流輸入通過低壓級直流母線并聯模塊經隔離級后置的3個單相H橋進行直流逆變，將直流變換為高頻交流方波，經高頻變壓器升壓后輸入到前置的二極管箝位型多電平單相半橋模塊用于整流，將高頻交流方波整流為直流，經高壓級直流母線輸入到高壓級；
[0055]③高壓級通過并網逆變控制將直流逆變為符合電網并網要求的工頻正弦波交流電，向電網送電。
[0056]本實用新型的固態變壓器基于互平衡技術設計，采用的主結構為AC-DC-AC方式，具備高壓級、隔離級和低壓級。主電路拓撲高壓級采用了二極管箝位型多電平結構變換器，多電平結構可以使輸出電壓諧波含量更低，器件開關頻率低，開關損耗小，器件應力小，無需動態均壓，從而使固態變壓器適應更高的電壓等級。整個三相固態變壓器采用獨立結構方便三相的獨立控制和模塊化生產，并且設計的電路拓撲本身兼具了三相電能自動互平衡功能，從而解決了固態變壓器的實用化問題。
[0057]最后應當說明的是:以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案而非對其限制，盡管參照上述實施例對本實用新型進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當理解:依然可以對本實用新型的【具體實施方式】進行修改或者等同替換，而未脫離本實用新型精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應涵蓋在本實用新型的權利要求范圍當中。
【權利要求】
1.一種雙向潮流控制的模塊化多電平互平衡固態變壓器，其特征在于，所述固態變壓器為利用互平衡結構設計的三相固態變壓器，采用AC-DC-AC的三階式變換結構，包括高壓級、隔離級和低壓級； 所述高壓級和隔離級三相結構相同的變壓器；高壓級和隔離級均由子單元構成；低壓級為單獨整體模塊實現自動互平衡結構；所述高壓級三相子單元按星形方式連接，低壓級為三相四線接線方式的交流輸出端；固態變壓器能夠實現功率雙向流動。
2.如權利要求1所述的模塊化多電平互平衡固態變壓器，其特征在于，所述高壓級子單元采用二極管箝位型多電平單相全橋模塊；所述多電平單相全橋模塊的電平數量根據固態變壓器高壓側額定電壓和電力電子器件的耐壓水平設定。
3.如權利要求2所述的模塊化多電平互平衡固態變壓器，其特征在于，所述多電平單相全橋模塊，包括兩相四橋臂，每相的上下兩橋臂通過箝位二極管串聯支路連接；每個橋臂由IGBT器件串聯構成；所述二極管串聯支路由二極管串聯組成； 兩相橋臂與高壓級直流母線并聯，所述高壓級直流母線由兩組電容串聯構成；高壓級直流母線的中點分別與每相上下兩橋臂箝位二極管串聯支路的中點相連。
4.如權利要求1所述的模塊化多電平互平衡固態變壓器，其特征在于，所述隔離級子單元包括二極管箝位型多電平單相半橋模塊、高頻變壓器和單相H橋； 所述二極管箝位型多電平單相半橋模塊與高壓級的二極管箝位型多電平單相全橋模塊通過高壓級直流母線背靠背連接，通過高壓級直流母線中點分別與二極管箝位型多電平單相半橋模塊和高頻變 壓器高壓側的I路輸入端連接； 高頻變壓器為I入3出結構，用于實現高壓側和低壓側高頻方波電壓等級變換和電氣隔離； 所述單相H橋的個數為3，3個單相H橋對應與高頻變壓器的3個輸出端連接，3個單相H橋對應的3路輸出接入低壓級直流母線并聯模塊。
5.如權利要求4所述的模塊化多電平互平衡固態變壓器，其特征在于，所述二極管箝位型多電平單相半橋模塊，包括:帶箝位二極管串聯支路的半橋；半橋包括上下兩橋臂，每個橋臂由IGBT器件串聯構成；所述二極管串聯支路由二極管串聯組成；二極管箝位多電平單相半橋模塊與高壓級直流母線并聯，所述高壓級直流母線由上下兩組電容構成；箝位二極管串聯支路的中點與高壓級直流母線的中點相連。
6.如權利要求1所述的模塊化多電平互平衡固態變壓器，其特征在于，所述三相固態變壓器的低壓級用于實現將從隔離級來的直流變換成所需要的交流；所述低壓級包括低壓級直流母線并聯模塊、3個單相全橋逆變模塊和3個LC濾波器；
7.如權利要求6所述的模塊化多電平互平衡固態變壓器，其特征在于，所述低壓級直流母線并聯模塊將隔離級3個子單元形成的直流輸出DCA1、DCB1、DCa對應地并聯在一起，組成三相固態變壓器低壓級3個單相全橋逆變模塊的低壓級直流母線DCa、DCb、DC。，三條低壓級直流母線的直流輸出與3個單相全橋逆變模塊分別連接。
8.如權利要求7所述的模塊化多電平互平衡固態變壓器，其特征在于，所述3個單相全橋逆變模塊結構相同，每個單相全橋逆變模塊包括兩相四橋臂，每相的上下兩橋臂通過I個LC濾波器連接，所述3個LC濾波器分別為第一濾波器、第二濾波器和第三濾波器； 所述3個LC濾波器均由濾波電感和濾波電容組成，第一濾波器的濾波電感連接在單相全橋逆變模塊其中一相的上下兩橋臂之間作為輸出端，其濾波電容連接在另一相的上下兩橋臂之間，再分別與第二濾波器和第三濾波器的濾波電容并聯作為第四輸出端；第二濾波器的濾波電感作為第二個輸出端，第三濾波器的濾波電感作為第三輸出端， 上述四個輸出端形成 三相四接線方式固態變壓器的輸出端。
【文檔編號】H02M5/458GK203491898SQ201320632837
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年10月14日 優先權日:2013年10月14日
【發明者】段青, 盛萬興, 孫軍平, 孟曉麗, 宋曉輝, 史常凱 申請人:國家電網公司, 中國電力科學研究院