CN101795080A - 一种配电用三相电力电子变压器 - Google Patents

Abstract

一种用于配电的三相电力电子变压器，由输入级、隔离级和输出级构成。输入级为级联式模块化变流器(1)，隔离级由一个双绕组中频或高频变压器(2)和全控型H桥(3)相连构成；输出级由连接在公用直流母线上的一个或多个单相或三相逆变器(4)组成。本发明可减小变压器的体积和重量；除可实现传统配电变压器的变压、隔离、能量传递等功能外，还可为电网提供无功补偿，保证次级输出电压恒定，隔断高压侧电网与低压侧用户故障，具备对电压电流的连续调节和综合控制能力，当与新能源发电设备互连时可以实现用户侧不间断供电，实现与电网其他设备的互动。

Description

一种配电用三相电力电子变压器

技术领域

本发明涉及一种三相电力电子变压器。

背景技术

传统的电力变压器是电力系统的基本组成设备，其突出优点是制作工艺简单、可靠性高、价格低廉。但是传统的电力变压器仅能实现单一的电压等级变换、电能的隔离传递。另外，由于铁磁元件的非线性造成了电网电压和电流的畸变产生了谐波污染，而且不能维持次级电压恒定，不具备对电压、电流的连续调节和综合控制能力，不能实现与电网其他设备的互动，不能满足未来智能电网的要求。电力电子变压器是随着电力电子的技术进步而出现的一种新型智能化的可用于电力系统电能变换和传递的电力设备。

1970年，美国GE公司首先提出了一种具有高频链接的AC/AC变换电路。1996年，日本九州电力公司的Koosuke Harada等人在其基础上研制了一台单相3kVA的样机，并将其命名为智能变压器(Intelligent Transformer)。在同一年，瑞士洛桑理工大学的A.C.Rufer等人提出了采用中频变压器的单相四象限多电平机车牵引变流器。2001年，ABB公司的Philip C.

等人提出了一种基于三相中频变压器的单相AC/AC变流器，用于机车牵引变流器。同一年，法国Institut de Recherche De L’Ecole Navale的C.Chabert提出了一种采用单相中频变压器隔离的两级结构变流器。2002年，受ABB公司的支持，美国密苏里大学的Edward R.Ronan等提出了一种三级结构的电力电子配电变压器。美国电力科学研究院在2001年提出智能电网(Intelligrid)的概念后，就已开始研究智能电网所需的智能配电设备技术。经过深入调研，将基于现代电力电子技术的智能通用变压器(Intelligent Universal Transformer，IUT)作为其智能配电网中的重要研发工作之一，于2005年提出了基于二极管钳位式多电平变流器的一种IUT拓扑，并在2006年研制了输入电压2.4kV，容量为20kVA的单相实验样机。2007年，ABB公司基于C.Chabert的两级结构成功研制了一台输入电压15kV，容量为1.2MVA的机车牵引用单相电力电子变压器。同样是2007年，Bombardier Transportation公司基于三级结构成功研制了一台机车牵引用单相电力电子变压器。从2008年开始，美国电力科学研究院开始研制基于三级结构的由SGTO构成的单相IUT，输入电压为15kV，容量为100kVA。预计2009年底将进行现场运行测试。其目标就是研制和推广使用智能通用变压器，取代目前广泛使用传统的配电变压器，使其成为未来智能电网的关键设备和组成部分。上述关于电力电子变压器的各种拓扑结构均只研制了单相的样机，配电网用的三相电力电子变压器尚无实际应用的拓扑。

美国专利US 2006/0221653 A1和US 7050311 B2在高压输出侧采用了二极管箝位式的三电平结构，这一结构大大限制了其在电力系统配电网尤其是高压配电网的应用。美国专利US 2006/0028848 A1则在高压侧采用了三个多绕组工频变压器，大大增加了电力电子变压器的体积和重量。而美国专利US 005943229A、欧洲专利EP 0989016 A2、中国专利200910025824.3、200910184407.3、02139030.4、实用新型专利ZL02290343.7均采用了多个中频或高频变压器。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有配电用电力电子变压器的缺点，减小装置的体积和重量，提高电能转换效率。本发明不仅可以实现传统配电变压器的变压、隔离、能量传递等功能外，还能够根据需要为电网提供无功补偿，保证次级输出电压恒定，隔断高压侧电网与低压侧用户故障，具备对电压电流的连续调节和综合控制能力，当与新能源发电设备互连时可以实现用户侧不间断供电，实现与电网其他设备的互动等诸多优点。

本发明配电用三相电力电子变压器由输入级、隔离级和输出级三个部分组成。输入级为三相三线制，主电路为级联式模块化变流器；其输入与三相交流电网直接相连，实现AC-DC变换；级联式模块化变流器的输出与隔离级的双绕组中频或高频变压器原边相连接。隔离级的双绕组中频或高频变压器的副边与全控型H桥相连，实现DC-DC变换。输出级为一个或多个单相或三相的共用直流母线的逆变器，实现DC-AC变换。

所述的配电用三相电力电子变压器，其特征在于所述的输入级的级联式模块化变流器由五个相同的桥臂构成，五个桥臂的上端连接在一点，五个桥臂的下端也连接在一点。其中三个桥臂的中点与三相电网相连，另外两个桥臂的中点与隔离级的双绕组中频或高频变压器原边的两根引线分别相连。每个桥臂由低压的功率转换模块级联而成，无需利用传统电力变压器降压可直接接入高压配电网。级联式模块化变流器的子模块由一个全控型桥臂和电容并联构成；全控型桥臂由两个全控型电力电子器件串联构成。

所述的配电用三相电力电子变压器，其特征在于所述的隔离级由双绕组中频或高频变压器与全控型H桥直接相连构成。由于采用了全控型器件，所述的三相电力电子变压器可以实现能量的双向流动。隔离级的另外一种结构是在双绕组中频或高频变压器与全控型H桥之间串入谐振电容，构成可以实现串联谐振的隔离级。相对于无串联谐振的隔离级，采用串联谐振后能实现中频或高频变压器原副边电路的零电流谐振软开关，可以大大降低装置的损耗，提高运行效率。

所述的配电用三相电力电子变压器，其特征在于所述的输出级由一个或多个单相或三相的共用直流母线的逆变器构成。输出级可以输出与输入级的交流输入电压同频率的交流电压，也可以输出与输入级交流输入电压不同频率以及多种频率的交流电压。此外，当一次侧电网发生因故障或设备维修等发生断电时，输出级也可以在直流母线接入新能源提供的直流电压通过逆变器实现用户的不间断供电。

本发明配电用三相电力电子变压器具有以下特点：

1.可以实现传统电力配电变压器的变压、隔离、能量传递等等基本功能；

2.输入级采用级联式模块化变流器，只要级联足够的模块，可以承受非常高的电压。同时，本发明用于三相系统时只需要一个双绕组中频或高频变压器，相对于现有的拓扑能够大大减小变压器的体积和重量。

3.由现有的单相电力电子变压器构成三相电力电子变压器时，实际应用当中每相输入级的AC-DC模块直流母线上一般需要另外附加无源滤波器消除电网电压二倍频的电压波动。而本发明由于直接与三相电网相连，三相系统的瞬时有功功率为恒定量，直流母线电压不存在波动，因此也就不需要无源滤波器。这也进一步减小了系统的体积和重量。

4.本发明可以实现负荷与供电系统的隔离，可以根据需要为电网侧提供无功补偿或者有源滤波功能，提高了供电系统的电能质量和运行的可靠性。

5.本发明可以自动调节输出级的供电电压，保证用户端供电电压不随负荷变化而变化。当供电电网发生故障或者设备维修时，本发明直流母线可以与新能源等发电设备相连接，保证用户端的不间断供电，能够极大地提高用户和用电设备的稳定性和可靠性。

6.本发明可以十分方便地实现运行状态的在线监测，与其它用电设备的相互通讯及协调控制，为数字化电站和智能电网的建设与完善提供了更多灵活性。

附图说明

图1为本发明配电用三相电力电子变压器整体结构图；

图2为本发明配电用三相电力电子变压器输入级级联式模块化变流器中单个子模块Sub的具体电路拓扑；

图3为本发明配电用三相电力电子变压器输出级的典型应用的一种具体拓扑，即三相四桥臂逆变器；

图中：1联式模块化变流器，2双绕组中频或高频变压器，3全控型H桥，4一个或多个单相或三相共用直流母线的逆变器，5级联式模块化变流器1的子模块Sub，6谐振电容。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

本发明由输入级、隔离级和输出级三个部分组成。输入级为三相三线制，主电路为级联式模块化变流器1；其输入与三相交流电网直接相连，实现AC-DC变换；级联式模块化变流器1的输出与隔离级的双绕组中频或高频变压器2的原边相连接。隔离级的双绕组中频或高频变压器2与全控型H桥3相连，实现DC-DC变换。输出级为一个或多个单相或三相的共用直流母线的逆变器，实现DC-AC变换。

如图1所示，输入级级联式模块化变流器1由完全相同的五个桥臂构成，五个桥臂的上端连接在同一点P，五个桥臂的下端连接在同一点N。其中三个桥臂的中点a，b，c与三相电网相连，另外两个桥臂的中点r₁，r₂与隔离级相连。所述的五个桥臂按照a、b、c、r₁、r₂五个中点分别分成上半桥臂和下半桥臂，上下两个半桥由数量相同的子模块Sub构成。子模块Sub有一个桥臂和第一电容C1并联。如图2所示，子模块Sub的桥臂由第十一开关T₁₁、第十二开关T₁₂，第十一二极管D₁₁和第十二D₁₂组成，其中，第十一开关T₁₁与第十一二极管D₁₁反并联，第十二开关T₁₂与第十二二极管D₁₂反并联，第十一开关T₁₁和第十二开关T₁₂串联，第十一开关T₁₁的下端和第十二开关T₁₂的上端共同连接点记为b₁，第十一开关T₁₁的上端与第一电容C₁的正极相连，第十二开关T₁₂的下端与第一电容C₁的负极相连，第一电容C₁的负极记为b₂，b₁和b₂为子模块Sub的引出线。五个桥臂的上半桥臂和下半桥臂均由子模块Sub级联构成，即：上一个子模块Sub的引出线b₂与下一个子模块Sub的b₁相连。

输入级级联式模块化变流器1中两个桥臂的中点r₁和r₂分别与双绕组中频或高频变压器2原边的两根引线相连。双绕组中频或高频变压器2副边的两根引线与全控型H桥3的两个桥臂的中点h₁和h₂分别相连。

全控型H桥由第一开关T₁、第二开关T₂、第三开关T₃、第四开关T₄，第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄，以及第二电容C₂构成。其中，第一开关T₁与第一二极管D₁反并联，第二开关T₂与第二二极管D₂反并联，第三开关T₃与第三二极管D₃反并联，第四开关T₄与第四二极管D₄反并联，第一开关T₁与第二开关T₂串联构成第一桥臂，第三开关T₃与第四开关T₄串联构成第二桥臂；第一开关T₁的下端和第二开关T₂的上端共同连接点记为h₁，第三开关T₃的下端和第四开关T₄的上端共同连接点记为h₂，第一开关T₁和第三开关T₃的上端与第二电容C₂的正极相连，第二开关T₂和第四开关T₄的下端与第二电容C₂的负极相连。第二电容C₂的正极和负极作为直流输出的正极和负极为输出级的一个或多个单相或三相的共用直流母线的逆变器2提供直流电压。

所述的开关为IGBT、IGCT、GTO等全控型电力电子开关器件。

通过控制双绕组中频或高频变压器2原边和副边电路中电力电子器件的开关状态，使得中频或高频变压器的原副边都产生几kHz到几十kHz的同频率方波电压，可以实现不同电压等级的直流电能变换。输出级将全控型型H桥3输出的直流电压通过一个或多个单相或三相的共用直流母线的逆变器4逆变为交流电压。如果需要逆变器输出较低的电压时，隔离级的中频或高频变压器为降压变压器，隔离级输出的直流电压也较低，输出级可以选用普通的低压逆变器，例如图3所示的三相四桥臂逆变器。如果需要逆变器输出与输入级的输入电压同等级甚至更高电压时，隔离级的中频或高频变压器为等压或升压变压器，此时隔离级输出的直流电压很高，输出级可选用与输入级相同的子模块Sub级联构成逆变器桥臂，以承担高电压。

以下为本发明配电用三相电力电子变压器的一个具体实施例：

应用实例：200kVA，10kV/380V降压变压器

输入级的五个桥臂每个桥臂的上下半桥臂各级联8个Sub子模块，子模块Sub的具体拓扑选如图2所示，全控器件选用3300V/200A的IGBT，开关频率2kHz。中频变压器变比选为700∶15000，额定容量200kVA，额定频率2kHz。隔离级的H桥选用1200V/600A的IGBT，开关频率2kHz，即中频变压器原副边均为2kHz的方波电压。输出级采用图3所示的三相四桥臂逆变器，开关器件选用1200V/600A的IGBT，开关频率5kHz。

Claims (6)

1.一种配电用三相电力电子变压器，其特征在于：所述的三相电力电子变压器由输入级、隔离级和输出级三个部分组成；输入级为级联式模块化变流器(1)，级联式模块化变流器(1)的输入与三相交流电网直接相连，级联式模块化变流器(1)的输出与隔离级的双绕组中频或高频变压器(2)原边相连接；隔离级的双绕组中频或高频变压器(2)的副边与全控型H桥(3)相连；输出级为共用直流母线的一个或多个的单相或三相逆变器(4)。

2.如权利要求1所述的配电用三相电力电子变压器，其特征在于所述输入级的级联式模块化变流器(1)由五个相同的桥臂构成，五个桥臂的上端连接在一点，五个桥臂的下端连接在一点；其中三个桥臂的中点与三相电网相连，另外两个桥臂的中点与隔离级的双绕组中频或高频变压器原边的两根引线分别相连；每个桥臂由子模块Sub级联而成，子模块Sub由一个全控型桥臂和第一电容(C1)并联构成；所述的子模块Sub的全控型桥臂由两个开关串联构成。

3.如权利要求2所述的配电用三相电力电子变压器，其特征在于所述的全控型桥臂中，第十一开关(T₁₁)与第十一二极管(D₁₁)反并联，第十二开关(T₁₂)与第十二二极管(D₁₂)反并联，第十一开关(T₁₁)和第十二开关(T₁₂)串联，第十一开关(T₁₁)的下端和第十二开关(T₁₂)的上端共同连接点记为b₁，第十一开关(T₁₁)的上端与第一电容(C₁)的正极相连，第十二开关(T₁₂)的下端与第一电容(C₁)的负极相连。

4.如权利要求1所述的配电用三相电力电子变压器，其特征在于所述的隔离级由双绕组中频或高频变压器(2)副边与全控型H桥(3)直接相连构成；或者在双绕组中频或高频变压器(2)与全控型H桥(3)之间串入谐振电容(6)，通过变压器漏感和谐振电容(6)构成实现串联谐振的隔离级。

5.如权利要求1所述的配电用三相电力电子变压器，其特征在于所述的全控型H桥中，第一开关(T₁)与第一二极管(D₁)反并联，第二开关(T₂)与第二二极管(D₂)反并联，第三开关(T₃)与第三二极管(D₃)反并联，第四开关(T₄)与第四二极管(D₄)反并联，第一开关(T₁)与第二开关(T₂)串联构成第一桥臂，第三开关(T₃)与第四开关(T₄)串联构成第二桥臂；第一开关(T₁)和第三开关(T₃)的上端与第二电容(C₂)的正极相连，第二开关(T₂)和第四开关(T₄)的下端与第二电容(C₂)的负极相连。

6.如权利要求2、3或5所述的配电用三相电力电子变压器，其特征在于所述的开关为全控型电力电子开关器件IGBT、IGCT或GTO。

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