專利名稱：高壓配電用電力電子變壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電力電子變壓器，特別涉及一種高壓配電用三相電力電子變壓
o
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的電力變壓器是電力系統(tǒng)的基本組成設(shè)備，其突出優(yōu)點是制作工藝簡單、可 靠性高、價格低廉。但是傳統(tǒng)的電力變壓器僅能實現(xiàn)單一的電壓等級變換、電能的隔離傳 遞。另外，由于鐵磁元件的非線性容易造成電網(wǎng)電壓和電流的畸變，產(chǎn)生諧波污染；而且負 載發(fā)生變化時不能維持次級電壓恒定；不具備對電壓、電流的連續(xù)調(diào)節(jié)和綜合控制能力； 不能實現(xiàn)與電網(wǎng)其他設(shè)備的互動；不能滿足未來智能電網(wǎng)的要求。電力電子變壓器是隨著 電力電子的技術(shù)進步而出現(xiàn)的一種新型智能化的可用于電力系統(tǒng)電能變換和傳遞的電力 設(shè)備。在已有的電力電子變壓器拓撲當中，美國專利US 2006/0221653A1和US 7050311B2在高壓輸出側(cè)采用了二極管箝位式的三電平結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)大大限制了其在 電力系統(tǒng)配電網(wǎng)尤其是高壓配電網(wǎng)的應(yīng)用。美國專利US 2006/0028848A1則在高壓側(cè) 采用了三個多繞組工頻變壓器，大大增加了電力電子變壓器的體積和重量。而美國專利 US 005943229A、歐洲專利 EP 0989016A2、中國專利 200910025824. 3、200910184407. 3、 02139030. 4、實用新型專利ZL02290343. 7均采用了很多個中頻或高頻變壓器，且三相變壓 器時其高壓側(cè)均是由單相變流器星接構(gòu)成，沒有發(fā)揮三相變流器的優(yōu)勢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有高壓配電用電力電子變壓器的缺點，減小裝置的體積 和重量，提高電能轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明不僅可以實現(xiàn)傳統(tǒng)配電變壓器的變壓、隔離、能量傳遞 等功能外，還能夠根據(jù)需要為電網(wǎng)提供無功補償，保證次級輸出電壓恒定，隔斷高壓側(cè)電網(wǎng) 與低壓側(cè)用戶故障，具備對電壓電流的連續(xù)調(diào)節(jié)和綜合控制能力，當與新能源發(fā)電設(shè)備互 連時可以實現(xiàn)用戶側(cè)不間斷供電，實現(xiàn)與電網(wǎng)其他設(shè)備的互動。本發(fā)明高壓配電用三相電力電子變壓器由輸入級、隔離級和輸出級三個部分組 成。輸入級為三相三線制，主電路為級聯(lián)式模塊化變流器；級聯(lián)式模塊化變流器的三個輸 入端與三相交流電網(wǎng)直接相連，實現(xiàn)AC-DC變換。級聯(lián)式模塊化變流器的兩個輸出端連接 到由多個第一低壓直流母線電容串聯(lián)構(gòu)成的高壓直流母線電容的正負極；高壓直流母線電 容的正負極與隔離級的輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)的多個隔離型DC-DC變換器的輸入端相連，實現(xiàn) DC-DC變換。隔離級由多個隔離型DC-DC變換器組成，隔離級的每個隔離型DC-DC變換器的 輸入端與高壓直流母線電容中的一個第一低壓直流母線電容的正負極相連；隔離級的每個 隔離型DC-DC變換器的輸出端均與第二低壓直流母線電容的正負極相連為一個或多個單 相或三相的共用直流母線的逆變器提供直流電源，實現(xiàn)DC-AC變換。輸出級由連接在共用 直流母線上的一個或多個單相或三相逆變器組成。
本發(fā)明高壓配電用三相電力電子變壓器具有以下特點1.可以實現(xiàn)傳統(tǒng)電力配電變壓器的變壓、隔離、能量傳遞等等基本功能；2.輸入級采用三相結(jié)構(gòu)的級聯(lián)式模塊化變流器，只要串聯(lián)足夠的第一低壓功率單 元，可以承受非常高的電壓。同時，三相結(jié)構(gòu)的變流器可以克服由單相變流器星形連接構(gòu)成 三相變流器時輸出側(cè)并聯(lián)帶來的環(huán)流問題。3.本發(fā)明用于三相系統(tǒng)時只需要在高壓直流側(cè)采用多個中頻或高頻變壓器，而不 是在三個單相變流器中均采用中頻或高頻變壓器。相對于現(xiàn)有的通過在三個單相電力電子 變壓器構(gòu)成三相電力電子變壓器的拓撲，能夠減小中頻或高頻變壓器的數(shù)量、體積以及重量。4.由現(xiàn)有的單相電力電子變壓器構(gòu)成三相電力電子變壓器時，由于單相電路的瞬 時有功功率必然存在電網(wǎng)電壓二倍頻的波動，每相輸入級的AC-DC模塊直流母線上一般需 要另外附加無源濾波器消除電網(wǎng)電壓二倍頻的電壓波動。而本發(fā)明由于直接與三相電網(wǎng)相 連，當電網(wǎng)電壓平衡時三相系統(tǒng)的瞬時有功功率為恒定量，直流母線電壓不存在波動，因此 也就不需要無源濾波器。這也進一步減小了系統(tǒng)的體積和重量。5.本發(fā)明可以實現(xiàn)負荷與供電系統(tǒng)的隔離，可以根據(jù)需要為電網(wǎng)側(cè)提供無功補償 或者有源濾波功能，提高了供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量和運行的可靠性。6.本發(fā)明可以自動調(diào)節(jié)輸出級的供電電壓，保證用戶端供電電壓不隨負荷變化而 變化。當供電電網(wǎng)發(fā)生故障或者設(shè)備維修時，本發(fā)明直流母線可以與新能源等發(fā)電設(shè)備相 連接，保證用戶端的不間斷供電，能夠極大地提高用戶和用電設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。7.本發(fā)明可以十分方便地實現(xiàn)運行狀態(tài)的在線監(jiān)測，與其它用電設(shè)備的相互通訊 及協(xié)調(diào)控制，為數(shù)字化電站和智能電網(wǎng)的建設(shè)與完善提供了更多靈活性。


圖1為本發(fā)明高壓配電用三相電力電子變壓器整體結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明中第一低壓功率單元Uk11(K = A、B、或C)的電路結(jié)構(gòu)圖，圖2a為兩 開關(guān)兩電平時的電路，圖2b為兩開關(guān)三電平時的電路；圖3為本發(fā)明中電感模塊UK2(K = A、B、或C)的電路結(jié)構(gòu)圖，圖3a為由兩個分立 的電感構(gòu)成的電感模塊；圖3b為由兩個耦合電感構(gòu)成的電感模塊；圖4為本發(fā)明中第二低壓功率單元Un的電路結(jié)構(gòu)圖；圖中1級聯(lián)式模塊化變流器，2隔離型DC-DC變換器，3共用直流母線的一個或多 個單相或三相逆變器，4高壓直流母線電容，5第二低壓直流母線電容。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖和具體實施方式
進一步說明本發(fā)明。圖1所示為本發(fā)明高壓配電用三相電力電子變壓器整體結(jié)構(gòu)。其輸入級的級聯(lián)式 模塊化變流器1由結(jié)構(gòu)相同的三個橋臂構(gòu)成，三個橋臂的上端連接在同一點P，三個橋臂的 下端連接在同一點N。第K(K = A、B、或C)相橋臂的上半橋臂由低壓功率模塊UK11 UKln級 聯(lián)構(gòu)成，即UK1J的端子11與‘的)的端子12相連，而UK1J的端子12與UK1(J+1)的端子11相 連(2彡j彡n-1)；第K(K = A、B、或C)相橋臂的下半橋臂由第一低壓功率模塊UK21 UK2n
5級聯(lián)構(gòu)成，即的端子11與UK2_的端子12相連，而UK”的端子12與UK2_的端子11 相連(2彡j彡n-1) ；UK11的11端子連接到P點；UKln的12端子連接到電感模塊UK2的21端 子；UK21的11端子連接到電感模塊UK2的23端子；UK2n的12端子連接到N點；電感模塊UK2 的22端子作為第K(K = A、B、或C)相橋臂的輸入端子K。第一低壓功率單元UK11 UKln和 UK21 UK2n的電路結(jié)構(gòu)完全相同且可以相互替換。三個橋臂上端的連接點P與高壓直流母 線電容4的正極相連，三個橋臂的下端連接點N與高壓直流母線電容4的負極相連。高壓 直流母線電容4由1)個第一低壓直流電容串聯(lián)組成，每個第一直流電容的正極和負 極分別與一個隔離型DC-DC變換器2的輸入端相連；m個(m彡1)隔離型DC-DC變換器2的 輸出端與第二低壓直流母線電容5的正負極相連。第w(l彡w彡m)個隔離型DC-DC變換 器2由兩個第二低壓功率單元Uwl、Uw2、一個中頻或高頻變壓器Tw和兩個串聯(lián)諧振電容Cwl、 cw2構(gòu)成；Uwl的端子31和端子32通過第一串聯(lián)諧振電容Cwl與中頻變壓器Tw的原邊串聯(lián) 連接在一起；Uw2的端子31和端子32通過第二串聯(lián)諧振電容Cw2與中頻變壓器Tw的副邊串 聯(lián)連接在一起；Uwl的端子33和端子34作為隔離型DC-DC變換器2的輸入端子；Uw2的端子 33和34作為隔離型DC-DC變換器2的輸出端子。隔離型DC-DC變換器2的另外一種連接 形式是取消串聯(lián)諧振電容cwl和Cw2，將Uwl的端子31和32與中頻變壓器Tw的原邊直接連 接在一起；Uw2的端子31和32與中頻變壓器Tw的副邊直接連接在一起。所有隔離型DC-DC 變換器2的輸出端子并聯(lián)在一起并與第二低壓直流母線電容5的正負極連接在一起，為共 用直流母線的一個或多個單相或三相逆變器3提供直流電源。共用直流母線的一個或多個 單相或三相逆變器3將低壓直流電逆變?yōu)榈蛪旱膯蜗嗷蛉嘟涣麟娮鳛楦邏号潆娪萌?電力電子變壓器的輸出。圖2為本發(fā)明中第一低壓功率單元隊11(1( = 4、8、或0的具體電路結(jié)構(gòu)，這里給出 了兩種具體的實施方式。其中，圖2a所示為兩開關(guān)兩電平電路。如圖2a所示，第一低壓功 率單元UK11由第十一開關(guān)Tn、第十二開關(guān)T12，第十一二極管Dn和第十二 D12組成；第十一開 關(guān)Tn與第十一二極管Dn反并聯(lián)，第十二開關(guān)T12與第十二二極管D12反并聯(lián)，第十一開關(guān) Tn和第十二開關(guān)T12串聯(lián)，第十一開關(guān)Tn的下端和第十二開關(guān)T12的上端共同連接點作為 第一低壓功率單元UK11的端子11，第十一開關(guān)Tn的上端與第一電容Q的正極相連，第十二 開關(guān)T12的下端與第一電容q的負極相連，第一電容(^的負極作為第一低壓功率單元UK11的 端子12。通過控制開關(guān)Tn和T12，可以使第一低壓功率單元產(chǎn)生兩電平輸出電壓。第一低 壓功率單元UK12 UKln和UK21 UK2n(K = A、B、或C)的結(jié)構(gòu)和第一低壓功率單元UK11相同。圖2b所示為第一低壓功率單元Uk11(K = A、B、或C)兩開關(guān)三電平電路的具體結(jié) 構(gòu)。如圖2b所示，第一低壓功率單元UK11由第十三開關(guān)T13、第十四開關(guān)T14，第十三二極管 D13、第十四二極管D14、第十五二極管D15、第十六二極管D16構(gòu)成；第十三開關(guān)T13的集電極與 第十三二極管D13的負極相連，第十三開關(guān)T13的發(fā)射極與第十三二極管D13的正極相連；第 十四開關(guān)T14的集電極與第十四二極管D14的負極相連，第十四開關(guān)T14的發(fā)射極與第十四二 極管d14的正極相連；第十三二極管D13和第十五二極管D15正向串聯(lián)，兩者的共同連接點與 兩個順接串聯(lián)耦合電感的一個非兩個電感的公共連接點端子相連；第十四二極管d14和第 十六二極管D16正向串聯(lián)，兩者的共同連接點與兩個順接串聯(lián)耦合電感的另一個非兩個電 感的公共連接點端子相連；第十三二極管D13的負極與第一電容Ci的正極相連，第十五二極 管D15的正極與第一電容Ci的負極相連；第十六二極管D16的負極與第一電容Ci的正極相連，第十四二極管D14的正極與第一電容Q的負極相連；兩個耦合電感的公共連接點作為第 一低壓功率單元的端子11，第一電容(^的負極作為第一低壓功率單元的端子12。通過控 制開關(guān)T13和T14，可以使第一低壓功率單元產(chǎn)生三電平輸出電壓。這里，第一低壓功率單元 UK12 UKln和UK21 UK2n(K = A、B、或C)的結(jié)構(gòu)和第一低壓功率單元UK11也都相同。圖3為本發(fā)明電感模塊隊2(1( = 4、8、或0的具體電路圖。這里給出了兩種具體 的實施方式。其中，圖3a由兩個分立的電感直接串聯(lián)構(gòu)成電感模塊UK2 ；兩個電感的共同連 接點作為電感模塊UK2的端子22，這里的端子22也作為第K橋臂的輸入端子K ；兩個電感其 余的兩個端子作為電感模塊UK2的端子21和23，且端子21和23可以互換位置。圖3b所示的本發(fā)明電感模塊UK2 (K = A、B、或C)由兩個相互耦合的電感順接串聯(lián) 構(gòu)成，即第一個電感的同名端連接另外一個電感的非同名端；兩個耦合電感的公共連接點 作為電感模塊UK2的端子22，這里的端子22也作為第K橋臂的輸入端子K ；兩個耦合電感其 余的兩個端子作為電感模塊UK2的端子21和23，且端子21和23可以互換位置。圖4為本發(fā)明中第二低壓功率單元Un的具體電路原理圖，該電路由第三一開關(guān) T31、第三二開關(guān)T32、第三三開關(guān)T33、第三四開關(guān)T34，第三一二極管D31、第三二二極管D32、第 三三二極管d33、第三四二極管D34構(gòu)成。其中，第三一開關(guān)T31與第三一二極管D31反并聯(lián)， 第三二開關(guān)T32與第三二二極管D32反并聯(lián)，第三三開關(guān)T33與第三三二極管D33反并聯(lián)，第 三四開關(guān)T34與第三四二極管d34反并聯(lián)；第三一二極管D31的正極和第三二二極管D32的負 極相連作為第二低壓功率單元un的端子31 ；第三三二極管D33的正極和第三四二極管D34 的負極相連作為第二低壓功率單元un的端子32 ；第三一二極管D31的負極和第三三二極管 D33的負極相連作為第二低壓功率單元Un的端子33 ；第三二二極管D32的正極和第三四二 極管D34的正極相連作為第二低壓功率單元Uu的端子34。第二低壓功率單元U12 Um2和 U21 uml的結(jié)構(gòu)和第二低壓功率單元un相同。以上所述，只是本發(fā)明的電力電子開關(guān)器件采用IGBT時的一種較佳的具體實施 方式，至于電力電子開關(guān)器件采用其他的全控型開關(guān)器件，如MOSFET、IGCT、GT0等時的情 況，只需要將上述具體實施方式
中的IGBT替換成相應(yīng)的開關(guān)器件即可。
權(quán)利要求
一種高壓配電用三相電力電子變壓器，其特征在于所述的電力電子變壓器由輸入級、隔離級和輸出級組成；所述的輸入級為級聯(lián)式模塊化變流器(1)，級聯(lián)式模塊化變流器(1)的三個輸入端與三相高壓交流電網(wǎng)相連，級聯(lián)式模塊化變流器(1)的兩個輸出端與高壓直流母線電容(4)的正負極分別相連；高壓直流母線電容(4)由m個第一低壓直流電容串聯(lián)而成；隔離級由m個隔離型DC-DC變換器(2)組成，m≥1，m個隔離型DC-DC變換器(2)由兩個第二低壓功率單元構(gòu)成，其輸入端串聯(lián)輸出端并聯(lián)；隔離級的每個隔離型DC-DC變換器(2)的輸入端與高壓直流母線電容(4)中的一個第一低壓直流電容的正負極相連；所有隔離型DC-DC變換器(2)的輸出端并聯(lián)并與第二低壓直流母線電容(5)的正負極相連；第二低壓直流母線電容(5)的正負極連接到共用直流母線的一個或多個的單相或三相逆變器(3)組成的輸出級。
2.如權(quán)利要求1所述的高壓配電用三相電力電子變壓器，其特征在于所述輸入級的 級聯(lián)式模塊化變流器(1)由三個結(jié)構(gòu)相同的橋臂構(gòu)成，每個橋臂對應(yīng)輸入側(cè)電網(wǎng)的一相， 每相橋臂指輸入的每相所對應(yīng)的每個橋臂。每個橋臂由2n個第一低壓功率單元和一個電 感模塊串聯(lián)構(gòu)成，n ^ 1，每個第一低壓功率單元電路結(jié)構(gòu)相同且可相互替換；所述的電感 模塊由兩個分立電感或耦合電感串聯(lián)構(gòu)成，兩個電感的公共連接點作為一個橋臂的輸出 端；三個橋臂的上端均與高壓直流母線電容(4)的正極相連，三個橋臂的下端均與高壓直 流母線電容(4)的負極相連。
3.如權(quán)利要求2所述的高壓配電用三相電力電子變壓器，其特征在于所述的第一 低壓功率單元由第十一開關(guān)(Tn)、第十二開關(guān)(T12)，第十一二極管(Dn)和第十二二極管 (D12)組成；第十一開關(guān)(Tn)與第十一二極管(Dn)反并聯(lián)，第十二開關(guān)(T12)與第十二二 極管(D12)反并聯(lián)，第十一開關(guān)(Tn)和第十二開關(guān)(T12)串聯(lián)，第十一開關(guān)(Tn)的下端和 第十二開關(guān)(T12)上端的共同連接點作為第一低壓功率單元的第一端子(n)；第十一開關(guān) (Tn)的上端與第一電容(C》的正極相連，第十二開關(guān)(T12)的下端與第一電容沁的負極 相連，第一電容(q)的負極作為第一低壓功率單元的第二端子(12)；通過控制第十一開關(guān) (Tn)和第十二開關(guān)(T12)，使第一低壓功率單元產(chǎn)生兩電平輸出電壓。
4.如權(quán)利要求2所述的高壓配電用三相電力電子變壓器，其特征在于所述的第一 低壓功率單元由第十三開關(guān)(T13)、第十四開關(guān)(T14)，第十三二極管(D13)、第十四二極管 (D14)、第十五二極管(D15)和第十六二極管(D16)構(gòu)成；第十三開關(guān)(T13)的集電極與第 十三二極管(D13)的負極相連，第十三開關(guān)(T13)的發(fā)射極與第十三二極管(D13)的正極相 連；第十四開關(guān)(T14)的集電極與第十四二極管(D14)的負極相連，第十四開關(guān)(T14)的發(fā)射 極與第十四二極管(D14)的正極相連；第十三二極管(D13)和第十五二極管(D15)正向串聯(lián)， 第十三二極管(D13)和第十五二極管(D16)的共同連接點與兩個順接串聯(lián)耦合電感的一個非 兩個電感的公共連接點端子相連；第十四二極管(D14)和第十六二極管(D16)正向串聯(lián)，第 十四二極管(D14)和第十六二極管(D16)的共同連接點與兩個順接串聯(lián)耦合電感的另一個非 兩個電感的公共連接點端子相連；第十三二極管(D13)的負極與第一電容(Ci)的正極相連， 第十五二極管(D15)的正極與第一電容(Ci)的負極相連；第十六二極管(D16)的負極與第一 電容(Ci)的正極相連，第十四二極管(D14)的正極與第一電容(Ci)的負極相連；兩個耦合 電感的公共連接點作為第一低壓功率單元的第一端子(11)，第一電容(Ci)的負極作為第一 低壓功率單元的第二端子(12)；通過控制開關(guān)(T13)和(T12)，使第一低壓功率單元產(chǎn)生兩電平輸出電壓。
5.如權(quán)利要求2所述的高壓配電用三相電力電子變壓器，其特征在于所述的第二低 壓功率單元由第三一開關(guān)(t31)、第三二開關(guān)(T32)、第三三開關(guān)(T33)、第三四開關(guān)(T34)，第 三一二極管(D31)、第三二二極管(D32)、第三三二極管(D33)、第三四二極管(D34)構(gòu)成；第 三一開關(guān)(T31)與第三一二極管(D31)反并聯(lián)，第三二開關(guān)(T32)與第三二二極管(D32)反并 聯(lián)，第三三開關(guān)(T33)與第三三二極管(D33)反并聯(lián)，第三四開關(guān)(T34)與第三四二極管(D34) 反并聯(lián)；第三一二極管(D31)的正極和第三二二極管(D32)的負極相連作為第二低壓功率單 元的第一端子(31)；第三三二極管(D33)的正極和第三四二極管(D34的負極相連作為第二 低壓功率單元的第二端子(32)；第三一二極管(D31)的負極和第三三二極管(D33)的負極 相連作為第二低壓功率單元的第三端子(33)；第三二二極管(D32)的正極和第三四二極管 (D34)的正極相連作為第二低壓功率單元的第四端子(34)。
6.如權(quán)利要求1所述的高壓配電用三相電力電子變壓器，其特征在于隔離型DC-DC 變換器(2)由第二低壓功率單元(Uwl)、第二低壓功率單元(Uw2)、中頻或高頻變壓器(Tw)和 第一串聯(lián)諧振電容(Cwl)、第二串聯(lián)諧振電容(Cw2)構(gòu)成；第二低壓功率單元(Uwl)的第一端 子(31)和第二端子(32)通過第一串聯(lián)諧振電容(Cwl)與中頻變壓器(Tw)的原邊串聯(lián)連接 在一起；第二低壓功率單元(Uw2)的第一端子(31)和第二端子(32)通過第二串聯(lián)諧振電容 (Cw2)與中頻變壓器(Tw)的副邊串聯(lián)連接在一起；第二低壓功率單元(Uwl)的第三端子(33) 和第四端子(34)作為隔離型DC-DC變換器(2)的輸入端子；第二低壓功率單元(Uw2)的端 子(33)和(34)作為隔離型DC-DC變換器(2)的輸出端子。
7.如權(quán)利要求1所述的高壓配電用三相電力電子變壓器，其特征在于通過改變輸入級 的級聯(lián)式模塊化變流器(1)每個橋臂上串聯(lián)的第一低壓功率單元的數(shù)量，實現(xiàn)輸入電壓不 同的電平數(shù)。
全文摘要
一種用于高壓配電系統(tǒng)的三相電力電子變壓器，其輸入級為級聯(lián)式模塊化變流器(1)，隔離級由輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)的多個隔離型DC-DC變換器(2)構(gòu)成；輸出級由連接在共用直流母線上的一個或多個單相或三相逆變器(3)組成。級聯(lián)式模塊化變流器(1)的三個輸入端與三相高壓交流電網(wǎng)相連，其兩個輸出端與高壓直流母線電容(4)的正負極分別相連。隔離型DC-DC變換器(2)由兩個第二低壓功率單元構(gòu)成，每個隔離型DC-DC變換器(2)的輸入端與高壓直流母線電容(4)中的一個第一低壓直流電容的正負極相連；所有隔離型DC-DC變換器(2)的輸出端并聯(lián)，并與第二低壓直流母線電容(5)的正負極相連。第二低壓直流母線電容(5)的正負極連接到輸出級共用直流母線的一個或多個的單相或三相逆變器(3)。
文檔編號H02J9/04GK101860228SQ20101017232
公開日2010年10月13日 申請日期2010年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月7日
發(fā)明者劉育紅, 朱海濱, 李子欣, 李耀華, 武林, 王平, 勝曉松 申請人:中國科學(xué)院電工研究所