CN207053406U - 一种串联式中高压电网的电力电子变压器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型的一种串联式中高压电网的电力电子变压器由高压级、隔离级和低压级顺序串联连接构成，高压级由高压交流侧的模块化多电平变流器组成，隔离级由M个并联的隔离型DC‑DC变换器组成，低压级由低压侧的三相四桥臂逆变器串联连接而成；其中，高压交流侧的模块化多电平变流器的输出电压正极接M个隔离型DC‑DC变换器中第一个模块输入侧逆变桥前一桥臂中间点，高压交流侧的模块化多电平变流器的输出电压负极接M个隔离型DC‑DC变换器最后一个模块输入电容负端；隔离型DC‑DC变换器的输出电压正极接低压级的三相四桥臂逆变器的输入电压正极，隔离型DC‑DC变换器的输出电压负极接低压级的三相四桥臂逆变器的输入电压负极，形成高压级、隔离级和低压级顺序串联连接。
Description
技术领域
本实用新型涉及电力电子变压器的设计，具体涉及一种串联式中高压电网的电力电子变压器，属于电力电子变压器设计的技术领域。
背景技术
在电力传输中，配电变压器是配电网中最重要和应用最普遍的一类设备，其作用一般是将高电压的配电电压降至低电压输出给用户。我国配电变压器的年产量达5000万kVA左右，约占变压器总年产量的1/3。因此，配电变压器的技术性能与经济指标都会直接影响未来智能电网的供电电能质量和智能化程度。然而，传统的配电变压器与智能电网的智能、兼容、高供电质量等要求有很大差距。
因此，将电气隔离、电压变换、无功补偿等功能集于一身的电力电子变压器成为对传统变压器及电力电子设备进行集成优化、提高电网设备智能化水平的重要设备。
目前提出了一种新型的电力电子变压器的结构，该变压器由模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)、中间输入串联输出并联(input series outputparallel,ISOP)隔离型DC-DC变换器以及三相四桥臂逆变器构成。但是，此变压器中，ISOP隔离型DC-DC变换器系统输入端采用的是电容直接串联的方法将每个模块相连接的方法从而实现输入端的串联，但是此种方法在MMC模块输出电压短路时会导致所有的分压电容一起短路从而会烧坏元器件。
实用新型内容
技术问题：本实用新型针对现有技术所存在的问题，提供一种串联式中高压电网的电力电子变压器，解决在MMC模块输出电压短路时ISOP模块输入电容也会同时发生短路烧坏器件这一问题。
技术方案：本实用新型的一种串联式中高压电网的电力电子变压器由高压级、隔离级和低压级顺序串联连接构成，高压级由高压交流侧的模块化多电平变流器组成，隔离级由M个并联的隔离型DC-DC变换器组成，低压级由低压侧的三相四桥臂逆变器串联连接而成；其中，高压交流侧的模块化多电平变流器的输出电压正极接M个隔离型DC-DC变换器中第一个模块输入侧逆变桥前一桥臂中间点，高压交流侧的模块化多电平变流器的输出电压负极接M个隔离型DC-DC变换器最后一个模块输入电容负端；隔离型DC-DC变换器的输出电压正极接低压级的三相四桥臂逆变器的输入电压正极，隔离型DC-DC变换器的输出电压负极接低压级的三相四桥臂逆变器的输入电压负极，形成高压级、隔离级和低压级顺序串联连接。
所述隔离级的隔离型DC-DC变换器，其中，相邻两个隔离型DC-DC变换器模块的连接方式为，前一模块输入电容CH负端连到后一模块的逆变桥前一桥臂中间点，解决高压交流侧的模块化多电平变流器输出短路时导致隔离型DC-DC变换器输入电容短路问题。
有益效果：本实用新型的串联式中高压电网的电力电子变压器及其变压方法相对于现有技术，具有如下优点，
1)本实用新型可以避免在MMC模块输出电压短路的情况下，ISOP输入电容短路的问题；
2)ISOP模块间采用交错控制的调节方式，使得输入电流纹波减小，有利于降低系统体积；
3)该技术方案成本较低，便于进一步的推广应用。
附图说明
图1为本实用新型的串联式中高压电网的电力电子变压器的主电路原理图；
图2为高压交流侧MMC的控制策略；
图3为低压侧三相四桥臂逆变器的控制策略。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作更进一步的说明。
该变压器由高压级、隔离级和低压级顺序串联连接构成，高压级由高压交流侧的模块化多电平变流器组成，隔离级由M个并联的隔离型DC-DC变换器组成，低压级由低压侧的三相四桥臂逆变器串联连接而成；其中，高压交流侧的模块化多电平变流器的输出电压正极接M个隔离型DC-DC变换器中第一个模块输入侧逆变桥前一桥臂中间点，高压交流侧的模块化多电平变流器的输出电压负极接M个隔离型DC-DC变换器最后一个模块输入电容负端；隔离型DC-DC变换器的输出电压正极接低压级的三相四桥臂逆变器的输入电压正极，隔离型DC-DC变换器的输出电压负极接低压级的三相四桥臂逆变器的输入电压负极，形成高压级、隔离级和低压级顺序串联连接。所述隔离级的隔离型DC-DC变换器，其中，相邻两个隔离型DC-DC变换器模块的连接方式为，前一模块输入电容CH负端连到后一模块的逆变桥前一桥臂中间点，解决高压交流侧的模块化多电平变流器输出短路时导致隔离型DC-DC变换器输入电容短路问题。
在上述电力电子变压器的基础上，做进一步地解释：
MMC的作用是将高压测三相交流电压变化成高压直流udcH。由于MMC中功率模块为串联连接，这就决定了此拓扑的电力电子变压器PET便于不同电压等级的拓展。中间的ISOP隔离型DC-DC变换器主要功能是将MMC变换得到的高压直流电压udcH变换成低压udcL，以供电压测三相逆变器使用。同时，中间的DC-DC变换器也实现了高压测与低压侧的电气隔离功能。而低压侧的三相四桥臂逆变器主要功能是将低压侧直流电压udcL逆变为三相四线的交流电压，以供用户使用。如果低压侧只需要单相交流电或只需要直流电，则可以将低压侧的三相四桥臂逆变器替换为相应功能的变流器或直流负载即可。
下面分别对三个模块所使用的控制策略进行具体地分析。
1、高压交流侧MMC的控制策略
本实用新型采用的是基于电网电压定向的矢量控制策略，在dq坐标系，即同步旋转坐标系下实施控制策略。整体框架如图2所示，其中，外环为高压直流电压控制环，内环为电网电流控制环。此外，为减少d轴和q轴电流在动态过程中的相互影响，电流环也加入了解耦环节。图2中，udcH *为udcH的参考值；igq *为的igq参考值；ed为电网电压的d轴分量；eq为电网电压的q轴分量；igd为电网电流的d轴分量；igq为电网电流的q轴分量。MMC控制中，外环和内环均采用比例积分(proportional integral,PI)调节器。此外，由于电网侧功率因数为1，所以本文中高压交流电网的无功电流igq的给定值为零。
2、ISOP隔离型DC-DC变换器的控制策略
中间的多个隔离型的DC-DC变换器有串联谐振的双H桥构成，其功率可以双向流动。由于采用了输入串联、输出并联的连接方式，高压测的每个变换器可以通过并联在一起的低压侧交换能量。因而能实现高压测电容CH和低压侧电容CL上直流电压的自动均衡。此外，采用了串联谐振电路，可以实现所有IGBT处于ZCS开关状态，故可以降低系统损耗。另外，由于输入端串联方式并非直接串联，而是将前一模块输入电容负端连到后一模块的逆变桥前一桥臂中间点，能有效避免在上一级电压短路时输入电容完全短路的问题。在此种拓扑下，由于采用的是占空比恒为50％的控制方式，所以输入电容两端承受的电压为每个模块承受平均的电压的2倍。
DC-DC变换器采用开环控制的方式，即变压器的高压测和低压侧电压均为占空比50％的方波，且相位完全相同。即变压器高压侧和低压侧的H桥的调制方式为双极性调制。
3、低压侧三相四桥臂逆变器的控制策略
低压侧三相四桥臂逆变器存在4个桥臂(a,b,c,n)，n桥臂的电压与负载电流无关，所以，a,b,c三相的输出电压可以作为3个单相逆变器独立控制。本文采用的是传统的双闭环控制策略。即外环电压环加上内环电感电流控制环。其中，外环的调节器为比例谐振(proportional resonant,PR)控制器，内环的调节器为比例(proportional,P)调节器。
Claims (2)
1.一种串联式中高压电网的电力电子变压器，其特征在于：该变压器由高压级、隔离级和低压级顺序串联连接构成，高压级由高压交流侧的模块化多电平变流器组成，隔离级由M个并联的隔离型DC-DC变换器组成，低压级由低压侧的三相四桥臂逆变器串联连接而成；其中，高压交流侧的模块化多电平变流器的输出电压正极接M个隔离型DC-DC变换器中第一个模块输入侧逆变桥前一桥臂中间点，高压交流侧的模块化多电平变流器的输出电压负极接M个隔离型DC-DC变换器最后一个模块输入电容负端；隔离型DC-DC变换器的输出电压正极接低压级的三相四桥臂逆变器的输入电压正极，隔离型DC-DC变换器的输出电压负极接低压级的三相四桥臂逆变器的输入电压负极，形成高压级、隔离级和低压级顺序串联连接。
2.根据权利要求1所述的串联式中高压电网的电力电子变压器，其特征在于：所述隔离级的隔离型DC-DC变换器，其中，相邻两个隔离型DC-DC变换器模块的连接方式为，前一模块输入电容CH负端连到后一模块的逆变桥前一桥臂中间点，解决高压交流侧的模块化多电平变流器输出短路时导致隔离型DC-DC变换器输入电容短路问题。
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|---|---|---|---|---|
| CN109039081A (zh) * | 2018-06-20 | 2018-12-18 | 中国科学院电工研究所 | 电力电子变压器、双向直流变换器及其控制方法 |
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