基于mmc的电子电力变压器的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供一种基于MMC的电子电力变压器，包括MMC和DC-DC隔离器，MMC包括多个串联连接的子模块，DC-DC隔离器的直流输出侧和直流输入侧分别并联有电容，DC-DC隔离器的直流输出侧与低压直流电网连接，DC-DC隔离器的直流输入侧与子模块的直流输出端连接，子模块包括并联的半桥电路和电容。本实用新型基于MMC的电子电力变压器，DC-DC隔离器的直流侧输出电容是并联的，当MMC的直流电容电压出现不平衡时，MMC中电容电压高的子模块通过DC-DC隔离器借助低压直流电网，再通过DC-DC隔离器，向电压低的电容充电抬高电压值，这样就保证了直流侧电压的稳定，从而实现MMC的直流电容电压的自动平衡。
【专利说明】基于MMC的电子电力变压器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及电力设备【技术领域】，特别是涉及基于MMC的电子电力变压器。
【背景技术】
[0002]随着世界经济的不断发展，各种形式的电力需求增长越来越快，能源短缺、环境保护等问题日益严重，而以风力发电、太阳能发电为代表的可再生能源发电技术正逐渐成为未来电力系统技术的发展方向和研究热点。但这些清洁能源往往存在诸如位置分散、远离电力用户中心等特点，基于电压源型变换器的高压直流输电系统能加这些小型分布式电源系统通过经济、环保的方式接入交流电网，高压大功率的电压型器是该类系统的核心部件。高压大功率变换场合的电力电子装置需要具备尽可能高的电压等级和功率处理能力，而实现高压大功率变换器的关键技术之一是大功率变换器拓扑。近几十年来，多电平变换技术(主要指电压型多电平变换器)得到不断推广。但是由于采用直接串联技术，器件参数的不一致不仅会带来器件均压问题、电磁干扰问题，还会因开关频率过高带来较大的开关损耗等原因，难以在高压直流输电领域得到广泛的运用。
[0003]模块化多电平变流器(Modualize Mult1-level Converter, MMC)拓扑由德国慕尼黑联邦国防军大学于2002年首次提出并应用于高压直流输电系统领域，以其独特的结构和技术优势正成为研究热点。此拓扑无需器件的直接串联，且具有模块化构造，每个模块可使用相同的硬件结构，无需移相变压器，拥有广阔的应用前景。尽管模块化多电平变流器的相关理论和技术研究取得了一定进展，但是还有一些问题未得到完全解决。比如MMC在不对称电网/负载等特殊应用场合下的环流问题，换流的存在会带来一些负面的影响，但是现在还没有有效的解决办法。MMC功率电源的直流侧电容电压中含有大量基频和二次谐波，将导致交流输出桥臂电流中出现不可忽略的低次谐波分量，进而影响系统的输出特性。MMC各功率单元的直流电容相互独立，主电路元器件为非理想元件，容易导致直流电容电压不平衡和直流电容电压脉动现象。
[0004]目前MMC中直流电容电压平衡控制主要是通过外部的平衡控制电路来实现，通过外部平衡控制电路的方法虽然可简化控制程序的算法设计，但由于需要额外的硬件电路和控制系统，增加了系统的成本和复杂性，降低了系统的可靠性。
【发明内容】
[0005]基于此，有必要针对一般MMC中直流电容电压平衡控制不易实现的问题，提供一种容易实现直流电容电压平衡控制的基于MMC的电子电力变压器。
[0006]一种基于MMC的电子电力变压器，包括模块化多电平变流器和DC-DC隔离器，所述模块化多电平变流器的交流侧连接高压交流电网，所述模块化多电平变流器的直流侧连接所述DC-DC隔离器，所述模块化多电平变流器包括多个串联连接的子模块，所述子模块的直流侧正负分别与高压直流电网的正负连接，所述DC-DC隔离器包括第一电容和第二电容，所述DC-DC隔离器的直流输出侧并联所述第一电容形成直流输出端口，所述直流输出端口与低压直流电网连接，所述DC-DC隔离器的直流输入侧并联所述第二电容形成直流输入端口，所述直流输入端口与所述子模块的直流输出端连接；
[0007]所述子模块包括半桥电路和电容，所述半桥电路与所述电容并联。
[0008]在其中一个实施例中，所述基于MMC的电子电力变压器还包括DC-AC逆变器，所述DC-AC逆变器直流侧连接所述低压直流电网，所述DC-AC逆变器交流侧连接低压交流电网。
[0009]在其中一个实施例中，所述DC-DC隔离器还包括逆变器、中频变压器和整流器，所述逆变器的直流侧并联有所述第二电容，所述逆变器的直流侧与所述子模块的直流输出端连接，所述逆变器的交流侧连接所述中频变压器的原方，所述整流器的交流侧连接所述中频变压器的副方，所述整流器的直流侧并联有所述第一电容，所述整流器的直流侧连接所述低压直流电网。
[0010]在其中一个实施例中，所述DC-DC隔离器还包括逆变器、中频变压器和整流器，所述第一电容、所述第二电容、所述逆变器、所述中频变压器和所述整流器的个数为多个，所述中频变压器的原方连接所述逆变器的交流侧，所述中频变压器的副方连接所述整流器的交流侧，所述逆变器的直流侧并联有所述第二电容，多个所述逆变器的直流侧级联形成所述直流输入端口，所述直流输入端口与所述子模块的直流输出端连接，所述整流器的直流侧并联有所述第一电容，多个所述整流器的直流侧并联形成所述直流输出端口，所述直流输出端口与所述低压直流电网连接。
[0011]在其中一个实施例中，所述模块化多电平变流器为三相三桥臂电路结构，所述三桥臂结构中每相桥臂均包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和所述下桥臂均包括多个子模块和一个限流电抗器，所述多个子模块串联，所述多个子模块串联的一端与所述限流电抗器连接形成交流端口，所述多个子模块串联的另一端形成直流端口。
[0012]在其中一个实施例中，所述半桥电路包括两组绝缘栅双极型晶体管和续流二极管，所述两组绝缘栅双极型晶体管和续流二极管连接成半H桥结构。
[0013]在其中一个实施例中，所述逆变器包括四组绝缘栅双极型晶体管和续流二极管，所述四组绝缘栅双极型晶体管和所述续流二极管成H桥结构连接。
[0014]在其中一个实施例中，所述整流器包括四组绝缘栅双极型晶体管和续流二极管，所述四组绝缘栅双极型晶体管和所述续流二极管成H桥结构连接。
[0015]在其中一个实施例中，所述DC-AC逆变器包括四组绝缘栅双极型晶体管和续流二极管，所述四组绝缘栅双极型晶体管和所述续流二极管成H桥结构连接。
[0016]本实用新型基于MMC的电子电力变压器，DC-DC隔离器的直流侧输出电容是并联的，当MMC的直流电容电压出现不平衡时，MMC中电容电压高的子模块通过DC-DC隔离器借助低压直流电网，再通过DC-DC隔离器，向电压低的电容充电，抬高电压值，这样就保证了直流侧电压的稳定，从而实现MMC的直流电容电压的自动平衡。总的来说，本实用新型基于MMC的电子电力变压器是一种容易实现直流电容电压平衡控制的基于MMC的电子电力变压器。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本实用新型基于MMC的电子电力变压器其中一个实施例的结构示意图；
[0018]图2为本实用新型基于MMC的电子电力变压器中MMC子模块的结构示意图；[0019]图3为本实用新型基于MMC的电子电力变压器中DC-DC隔离器第一种结构示意图；
[0020]图4为本实用新型基于MMC的电子电力变压器中DC-DC隔离器第二种结构示意图；
[0021]图5为本实用新型基于MMC的电子电力变压器其中一个实施例中DC-AC逆变器的结构示意图。
【具体实施方式】
[0022]如图1、图2、图3和图4所示，一种基于MMC的电子电力变压器，其特征在于，包括模块化多电平变流器100和DC-DC隔离器200，所述模块化多电平变流器100的交流侧连接高压交流电网，所述模块化多电平变流器100的直流侧连接所述DC-DC隔离器200，所述模块化多电平变流器100包括多个串联连接的子模块120，所述子模块120的直流侧正负分别与高压直流电网的正负连接，所述DC-DC隔离器200包括第一电容210和第二电容220，所述DC-DC隔离器200的直流输出侧并联所述第一电容210形成直流输出端口，所述直流输出端口与低压直流电网连接，所述DC-DC隔离器200的直流输入侧并联所述第二电容220形成直流输入端口，所述直流输入端口与所述子模块120的直流输出端连接；
[0023]所述子模块120包括半桥电路和电容，所述半桥电路与所述电容并联。
[0024]在本实施例中，第一电容和第二电容可以为相同的电容也可以为不同的电容，这里相同的电容说的是相同型号的电容。第一电容并联在DC-DC隔离器的直流输出侧作为DC-DC隔离器的直流侧输出电容，第二电容并联在DC-DC隔离器的直流输入侧作为直流侧输入电容。在子模块中半桥电路与电容并联，这个电容作为半桥子模块的直流侧输出电容。
[0025]本实用新型基于MMC的电子电力变压器，DC-DC隔离器的直流侧输出电容是并联的，当MMC的直流电容电压出现不平衡时，MMC中电容电压高的子模块通过DC-DC隔离器借助低压直流电网，再通过DC-DC隔离器，向电压低的电容充电，抬高电压值，这样就保证了直流侧电压的稳定，从而实现MMC的直流电容电压的自动平衡。总的来说，本实用新型基于MMC的电子电力变压器是一种容易实现直流电容电压平衡控制的基于MMC的电子电力变压器。
[0026]另外由于有DC-DC隔离器的存在，本实用新型基于MMC的电子电力变压器的高压交流和直流侧处于高压状态，低压交流和直流侧处于低压状态，实现了高压系统和低压系统的完美隔离。这样当有发生故障时，断开直流和交流电网的联系方便，所以本实用新型电子电力变压还具有可靠性高、控制灵活的特
[0027]如图1所示，所述基于MMC的电子电力变压器还包括DC-AC逆变器300，所述DC-AC逆变器300直流侧连接所述低压直流电网，所述DC-AC逆变器300交流侧连接低压交流电网。
[0028]DC-AC逆变器的直流侧接低压直流电网，交流侧接低压交流电网。此结构的作用在于当低压直流电网电源发生故障时，低压交流电网可以通过逆变器输出直流电，做到对低压直流电网电压的支撑。正常时，由于逆变器的存在，也可以使低压交流电网和低压直流电网的相互支撑。
[0029]如图3所示，所述DC-DC隔离器还包括逆变器230、中频变压器240和整流器250，所述逆变器230的直流侧并联有所述第二电容220，所述逆变器230的直流侧与所述子模块120的直流输出端连接，所述逆变器230的交流侧连接所述中频变压器240的原方，所述整流器250的交流侧连接所述中频变压器240的副方，所述整流器250的直流侧并联有所述第一电容210，所述整流器250的直流侧连接所述低压直流电网。
[0030]本实施例为DC-DC隔离器的一种结构，其中逆变器，即高频调制部分，逆变器的直流侧接MMC子模块的直流输出，交流侧接中频变压器的原方；中频变压器，将原方的高压交流电耦合到副方的低压侧，实现高低压间的电气隔离；整流器，即高频还原部分，结构和逆变器一样，都是H桥结构，交流侧接中频变压器的副方，直流侧接低压直流电网。隔离变换部分实现将直流换成交流并耦合到副方后还原成直流，采用开环的脉冲宽度调制控制。
[0031]如图4所示，所述DC-DC隔离器200还包括逆变器430、中频变压器440和整流器450，所述第一电容210、所述第二电容220、所述逆变器430、所述中频变压器440和所述整流器450的个数为多个，所述中频变压器440的原方连接所述逆变器430的交流侧，所述中频变压器440的副方连接所述整流器450的交流侧，所述逆变器430的直流侧并联有所述第二电容220，多个所述逆变器430的直流侧级联形成所述直流输入端口，所述直流输入端口与所述子模块120的直流输出端连接，所述整流器450的直流侧并联有所述第一电容210，多个所述整流器450的直流侧并联形成所述直流输出端口，所述直流输出端口与所述低压直流电网连接。
[0032]本实施例为DC-DC隔离器的另一种结构，在本实施例中MMC的直流电容电压不是相同的，采取的是混合式电平结构，每个子模块的输出电压值不等同，中频变压器的原方侧是级联的结构，级数与MMC的子模块电容电压的大小对应，变压器的副方侧是采取并联。采用本实施例的混合式多电平结构的DC-DC隔离器不但可以在不增加开关器件和直流电源的前提下可以输出更多的电压电平而且还能降低开关频率、减少损耗和总谐波失真。
[0033]在其中一个实施例中，所述模块化多电平变流器为三相三桥臂电路结构，所述三桥臂结构中每相桥臂均包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和所述下桥臂均包括多个子模块和一个限流电抗器，所述多个子模块串联的一端与所述限流电抗器连接形成交流端口，所述多个子模块的另一端形成直流端口。
[0034]在本实施例中MMC采用的是三相MMC结构。电网中高压交流电网接在MMC子模块的交流侧，高压直流正负分别和MMC子模块的直流侧正负相连。和传统的MMC结构一样在本实施例中，MMC共有6个桥臂,每个桥臂都是由η个相同的半H桥子模块和一个桥臂电感串联而成。单个半H桥子模块的结构包含两组绝缘栅双极型晶体管和续流二极管以及一个直流储能电容。每个子模块有三个不同的开关状态，分别为投入、切除和闭锁状态。投入状态是指上桥绝缘栅双极型晶体管开通，下桥绝缘栅双极型晶体管关断，电流总是通过半H桥的上桥流通，子模块输出电压可以认为等于直流储能电容电压；切除状态是指上桥绝缘栅双极型晶体管关断，下桥臂开通，电流总是通过半H桥的下桥流通，子模块输出电压可以认为等于O;闭锁状态是指上、下桥臂绝缘栅双极型晶体管同时关断，这种情形主要在系统启动、故障以及开关死区阶段出现。换流器在正常运行情况下只在投入和切除两种状态之间切换，其上下两个桥臂做互补导通。MMC的作用是通过开关状态的切换，可以实现对子模块输出电压的控制，同时保持总直流电压稳定并获得最大的直流输出电压，以满足高压大功率柔性直流输电系统对换流器的技术要求。[0035]如图2所示，在其中一个实施例中，所述半桥电路包括两组绝缘栅双极型晶体管和续流二极管，所述两组绝缘栅双极型晶体管和续流二极管连接成半H桥结构。
[0036]如图3或图4所示，在其中一个实施例中，所述逆变器包括四组绝缘栅双极型晶体管和续流二极管，所述四组绝缘栅双极型晶体管和所述续流二极管成H桥结构连接。
[0037]如图3或图4所示，在其中一个实施例中，所述整流器包括四组绝缘栅双极型晶体管和续流二极管，所述四组绝缘栅双极型晶体管和所述续流二极管成H桥结构连接。
[0038]如图5所示，在其中一个实施例中，所述DC-AC逆变器300包括四组绝缘栅双极型晶体管和续流二极管，所述四组绝缘栅双极型晶体管和所述续流二极管成H桥结构连接。
[0039]上述几个实施例中，半桥电路、逆变器、整流器和DC-AC逆变器都包括四组绝缘栅双极型晶体管和续流二极管，四组绝缘栅双极型晶体管和续流二极管成H桥结构连接。H桥结构是一种模块化的结构，在上述几个实施例中半桥电路、逆变器、整流器和DC-AC逆变器均采用这种模块的H桥结构有利于优化本实用新型基于MMC的电子电力变压器的结构，另外也便于集成、生产、管理和集中控制。
[0040]以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。
【权利要求】
1.一种基于MMC的电子电力变压器，其特征在于，包括模块化多电平变流器和DC-DC隔离器，所述模块化多电平变流器的交流侧连接高压交流电网，所述模块化多电平变流器的直流侧连接所述DC-DC隔离器，所述模块化多电平变流器包括多个串联连接的子模块，所述子模块的直流侧正负分别与高压直流电网的正负连接，所述DC-DC隔离器包括第一电容和第二电容，所述DC-DC隔离器的直流输出侧并联所述第一电容形成直流输出端口，所述直流输出端口与低压直流电网连接，所述DC-DC隔离器的直流输入侧并联所述第二电容形成直流输入端口，所述直流输入端口与所述子模块的直流输出端连接； 所述子模块包括并联连接的半桥电路和电容。
2.根据权利要求1所述的基于MMC的电子电力变压器，其特征在于，还包括DC-AC逆变器，所述DC-AC逆变器直流侧连接所述低压直流电网，所述DC-AC逆变器交流侧连接低压交流电网。
3.根据权利要求1或2所述的基于MMC的电子电力变压器，其特征在于，所述DC-DC隔离器还包括逆变器、中频变压器和整流器，所述逆变器的直流侧并联有所述第二电容，所述逆变器的直流侧与所述子模块的直流输出端连接，所述逆变器的交流侧连接所述中频变压器的原方，所述整流器的交流侧连接所述中频变压器的副方，所述整流器的直流侧并联有所述第一电容，所述整流器的直流侧连接所述低压直流电网。
4.根据权利要求1或2所述的基于MMC的电子电力变压器，其特征在于，所述DC-DC隔离器还包括逆变器、中频变压器和整流器，所述第一电容、所述第二电容、所述逆变器、所述中频变压器和所述整流器的个数为多个，所述中频变压器的原方连接所述逆变器的交流侦牝所述中频变压器的副方连接所述整流器的交流侧，所述逆变器的直流侧并联有所述第二电容，多个所述逆变器的直流侧级联形成所述直流输入端口，所述直流输入端口与所述子模块的直流输出端连接，所述整流器的直流侧并联有所述第一电容，多个所述整流器的直流侧并联形成所述直流输出端口，所述直流输出端口与所述低压直流电网连接。
5.根据权利要求1或2所述的基于MMC的电子电力变压器，其特征在于，所述模块化多电平变流器为三相三桥臂电路结构，所述三桥臂结构中每相桥臂均包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和所述下桥臂均包括多个子模块和一个限流电抗器，所述多个子模块串联，所述多个子模块串联的一端与所述限流电抗器连接形成交流端口，所述多个子模块串联的另一端形成直流端口。
6.根据权利要求1或2所述的基于MMC的电子电力变压器，其特征在于，所述半桥电路包括两组绝缘栅双极型晶体管和续流二极管，所述两组绝缘栅双极型晶体管和续流二极管连接成半H桥结构。
7.根据权利要求3所述的基于MMC的电子电力变压器，其特征在于，所述逆变器包括四组绝缘栅双极型晶体管和续流二极管，所述四组绝缘栅双极型晶体管和所述续流二极管成H桥结构连接。
8.根据权利要求4所述的基于MMC的电子电力变压器，其特征在于，所述整流器包括四组绝缘栅双极型晶体管和续流二极管，所述四组绝缘栅双极型晶体管和所述续流二极管成H桥结构连接。
9.根据权利要求1或2所述的基于MMC的电子电力变压器，其特征在于，所述DC-AC逆变器包括四组绝缘栅双极型晶体管和续流二极管，所述四组绝缘栅双极型晶体管和所述续流二极管成H桥结构连接。
【文档编号】H02M7/537GK203399000SQ201320205619
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年4月22日 优先权日:2013年4月22日
【发明者】张俊峰, 易杨, 陈迅, 毛承雄, 万川, 王丹, 陆继明 申请人:广东电网公司电力科学研究院, 华中科技大学