专利名称：高压配电用电力电子变压器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电力电子变压器，特别涉及一种高压配电用三相电力电子变压
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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容易造成电网电压和电流的畸变，产生谐波污染；而且负 载发生变化时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。在已有的电力电子变压器拓扑当中，美国专利US 2006/0221653A1和US 7050311B2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 2006/0028848A1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 0989016A2、中国专利 200910025824. 3、200910184407. 3、 02139030. 4、实用新型专利ZL02290343. 7均采用了很多个中频或高频变压器，且三相变压 器时其高压侧均是由单相变流器星接构成，没有发挥三相变流器的优势。
发明内容
本发明的目的在于克服现有高压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。本发明高压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；级联式模块化变流器的三个输 入端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两个输出端连接 到由多个第一低压直流母线电容串联构成的高压直流母线电容的正负极；高压直流母线电 容的正负极与隔离级的输入串联输出并联的多个隔离型DC-DC变换器的输入端相连，实现 DC-DC变换。隔离级由多个隔离型DC-DC变换器组成，隔离级的每个隔离型DC-DC变换器的 输入端与高压直流母线电容中的一个第一低压直流母线电容的正负极相连；隔离级的每个 隔离型DC-DC变换器的输出端均与第二低压直流母线电容的正负极相连为一个或多个单 相或三相的共用直流母线的逆变器提供直流电源，实现DC-AC变换。输出级由连接在共用 直流母线上的一个或多个单相或三相逆变器组成。
本发明高压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.输入级采用三相结构的级联式模块化变流器，只要串联足够的第一低压功率单 元，可以承受非常高的电压。同时，三相结构的变流器可以克服由单相变流器星形连接构成 三相变流器时输出侧并联带来的环流问题。3.本发明用于三相系统时只需要在高压直流侧采用多个中频或高频变压器，而不 是在三个单相变流器中均采用中频或高频变压器。相对于现有的通过在三个单相电力电子 变压器构成三相电力电子变压器的拓扑，能够减小中频或高频变压器的数量、体积以及重量。4.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，由于单相电路的瞬 时有功功率必然存在电网电压二倍频的波动，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，当电网电压平衡时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。5.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。6.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。7.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。
图1为本发明高压配电用三相电力电子变压器整体结构图；图2为本发明中第一低压功率单元Uk11(K = A、B、或C)的电路结构图，图2a为两 开关两电平时的电路，图2b为两开关三电平时的电路；图3为本发明中电感模块UK2(K = A、B、或C)的电路结构图，图3a为由两个分立 的电感构成的电感模块；图3b为由两个耦合电感构成的电感模块；图4为本发明中第二低压功率单元Un的电路结构图；图中1级联式模块化变流器，2隔离型DC-DC变换器，3共用直流母线的一个或多 个单相或三相逆变器，4高压直流母线电容，5第二低压直流母线电容。
具体实施例方式以下结合附图和具体实施方式
进一步说明本发明。图1所示为本发明高压配电用三相电力电子变压器整体结构。其输入级的级联式 模块化变流器1由结构相同的三个桥臂构成，三个桥臂的上端连接在同一点P，三个桥臂的 下端连接在同一点N。第K(K = A、B、或C)相桥臂的上半桥臂由低压功率模块UK11 UKln级 联构成，即UK1J的端子11与‘的)的端子12相连，而UK1J的端子12与UK1(J+1)的端子11相 连(2彡j彡n-1)；第K(K = A、B、或C)相桥臂的下半桥臂由第一低压功率模块UK21 UK2n
5级联构成，即的端子11与UK2_的端子12相连，而UK”的端子12与UK2_的端子11 相连(2彡j彡n-1) ；UK11的11端子连接到P点；UKln的12端子连接到电感模块UK2的21端 子；UK21的11端子连接到电感模块UK2的23端子；UK2n的12端子连接到N点；电感模块UK2 的22端子作为第K(K = A、B、或C)相桥臂的输入端子K。第一低压功率单元UK11 UKln和 UK21 UK2n的电路结构完全相同且可以相互替换。三个桥臂上端的连接点P与高压直流母 线电容4的正极相连，三个桥臂的下端连接点N与高压直流母线电容4的负极相连。高压 直流母线电容4由1)个第一低压直流电容串联组成，每个第一直流电容的正极和负 极分别与一个隔离型DC-DC变换器2的输入端相连；m个(m彡1)隔离型DC-DC变换器2的 输出端与第二低压直流母线电容5的正负极相连。第w(l彡w彡m)个隔离型DC-DC变换 器2由两个第二低压功率单元Uwl、Uw2、一个中频或高频变压器Tw和两个串联谐振电容Cwl、 cw2构成；Uwl的端子31和端子32通过第一串联谐振电容Cwl与中频变压器Tw的原边串联 连接在一起；Uw2的端子31和端子32通过第二串联谐振电容Cw2与中频变压器Tw的副边串 联连接在一起；Uwl的端子33和端子34作为隔离型DC-DC变换器2的输入端子；Uw2的端子 33和34作为隔离型DC-DC变换器2的输出端子。隔离型DC-DC变换器2的另外一种连接 形式是取消串联谐振电容cwl和Cw2，将Uwl的端子31和32与中频变压器Tw的原边直接连 接在一起；Uw2的端子31和32与中频变压器Tw的副边直接连接在一起。所有隔离型DC-DC 变换器2的输出端子并联在一起并与第二低压直流母线电容5的正负极连接在一起，为共 用直流母线的一个或多个单相或三相逆变器3提供直流电源。共用直流母线的一个或多个 单相或三相逆变器3将低压直流电逆变为低压的单相或三相交流电作为高压配电用三相 电力电子变压器的输出。图2为本发明中第一低压功率单元队11(1( = 4、8、或0的具体电路结构，这里给出 了两种具体的实施方式。其中，图2a所示为两开关两电平电路。如图2a所示，第一低压功 率单元UK11由第十一开关Tn、第十二开关T12，第十一二极管Dn和第十二 D12组成；第十一开 关Tn与第十一二极管Dn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 Tn和第十二开关T12串联，第十一开关Tn的下端和第十二开关T12的上端共同连接点作为 第一低压功率单元UK11的端子11，第十一开关Tn的上端与第一电容Q的正极相连，第十二 开关T12的下端与第一电容q的负极相连，第一电容(^的负极作为第一低压功率单元UK11的 端子12。通过控制开关Tn和T12，可以使第一低压功率单元产生两电平输出电压。第一低 压功率单元UK12 UKln和UK21 UK2n(K = A、B、或C)的结构和第一低压功率单元UK11相同。图2b所示为第一低压功率单元Uk11(K = A、B、或C)两开关三电平电路的具体结 构。如图2b所示，第一低压功率单元UK11由第十三开关T13、第十四开关T14，第十三二极管 D13、第十四二极管D14、第十五二极管D15、第十六二极管D16构成；第十三开关T13的集电极与 第十三二极管D13的负极相连，第十三开关T13的发射极与第十三二极管D13的正极相连；第 十四开关T14的集电极与第十四二极管D14的负极相连，第十四开关T14的发射极与第十四二 极管d14的正极相连；第十三二极管D13和第十五二极管D15正向串联，两者的共同连接点与 两个顺接串联耦合电感的一个非两个电感的公共连接点端子相连；第十四二极管d14和第 十六二极管D16正向串联，两者的共同连接点与两个顺接串联耦合电感的另一个非两个电 感的公共连接点端子相连；第十三二极管D13的负极与第一电容Ci的正极相连，第十五二极 管D15的正极与第一电容Ci的负极相连；第十六二极管D16的负极与第一电容Ci的正极相连，第十四二极管D14的正极与第一电容Q的负极相连；两个耦合电感的公共连接点作为第 一低压功率单元的端子11，第一电容(^的负极作为第一低压功率单元的端子12。通过控 制开关T13和T14，可以使第一低压功率单元产生三电平输出电压。这里，第一低压功率单元 UK12 UKln和UK21 UK2n(K = A、B、或C)的结构和第一低压功率单元UK11也都相同。图3为本发明电感模块队2(1( = 4、8、或0的具体电路图。这里给出了两种具体 的实施方式。其中，图3a由两个分立的电感直接串联构成电感模块UK2 ；两个电感的共同连 接点作为电感模块UK2的端子22，这里的端子22也作为第K桥臂的输入端子K ；两个电感其 余的两个端子作为电感模块UK2的端子21和23，且端子21和23可以互换位置。图3b所示的本发明电感模块UK2 (K = A、B、或C)由两个相互耦合的电感顺接串联 构成，即第一个电感的同名端连接另外一个电感的非同名端；两个耦合电感的公共连接点 作为电感模块UK2的端子22，这里的端子22也作为第K桥臂的输入端子K ；两个耦合电感其 余的两个端子作为电感模块UK2的端子21和23，且端子21和23可以互换位置。图4为本发明中第二低压功率单元Un的具体电路原理图，该电路由第三一开关 T31、第三二开关T32、第三三开关T33、第三四开关T34，第三一二极管D31、第三二二极管D32、第 三三二极管d33、第三四二极管D34构成。其中，第三一开关T31与第三一二极管D31反并联， 第三二开关T32与第三二二极管D32反并联，第三三开关T33与第三三二极管D33反并联，第 三四开关T34与第三四二极管d34反并联；第三一二极管D31的正极和第三二二极管D32的负 极相连作为第二低压功率单元un的端子31 ；第三三二极管D33的正极和第三四二极管D34 的负极相连作为第二低压功率单元un的端子32 ；第三一二极管D31的负极和第三三二极管 D33的负极相连作为第二低压功率单元Un的端子33 ；第三二二极管D32的正极和第三四二 极管D34的正极相连作为第二低压功率单元Uu的端子34。第二低压功率单元U12 Um2和 U21 uml的结构和第二低压功率单元un相同。以上所述，只是本发明的电力电子开关器件采用IGBT时的一种较佳的具体实施 方式，至于电力电子开关器件采用其他的全控型开关器件，如MOSFET、IGCT、GT0等时的情 况，只需要将上述具体实施方式
中的IGBT替换成相应的开关器件即可。
权利要求
一种高压配电用三相电力电子变压器，其特征在于所述的电力电子变压器由输入级、隔离级和输出级组成；所述的输入级为级联式模块化变流器(1)，级联式模块化变流器(1)的三个输入端与三相高压交流电网相连，级联式模块化变流器(1)的两个输出端与高压直流母线电容(4)的正负极分别相连；高压直流母线电容(4)由m个第一低压直流电容串联而成；隔离级由m个隔离型DC-DC变换器(2)组成，m≥1，m个隔离型DC-DC变换器(2)由两个第二低压功率单元构成，其输入端串联输出端并联；隔离级的每个隔离型DC-DC变换器(2)的输入端与高压直流母线电容(4)中的一个第一低压直流电容的正负极相连；所有隔离型DC-DC变换器(2)的输出端并联并与第二低压直流母线电容(5)的正负极相连；第二低压直流母线电容(5)的正负极连接到共用直流母线的一个或多个的单相或三相逆变器(3)组成的输出级。
2.如权利要求1所述的高压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)由三个结构相同的桥臂构成，每个桥臂对应输入侧电网的一相， 每相桥臂指输入的每相所对应的每个桥臂。每个桥臂由2n个第一低压功率单元和一个电 感模块串联构成，n ^ 1，每个第一低压功率单元电路结构相同且可相互替换；所述的电感 模块由两个分立电感或耦合电感串联构成，两个电感的公共连接点作为一个桥臂的输出 端；三个桥臂的上端均与高压直流母线电容(4)的正极相连，三个桥臂的下端均与高压直 流母线电容(4)的负极相连。
3.如权利要求2所述的高压配电用三相电力电子变压器，其特征在于所述的第一 低压功率单元由第十一开关(Tn)、第十二开关(T12)，第十一二极管(Dn)和第十二二极管 (D12)组成；第十一开关(Tn)与第十一二极管(Dn)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(Tn)和第十二开关(T12)串联，第十一开关(Tn)的下端和 第十二开关(T12)上端的共同连接点作为第一低压功率单元的第一端子(n)；第十一开关 (Tn)的上端与第一电容(C》的正极相连，第十二开关(T12)的下端与第一电容沁的负极 相连，第一电容(q)的负极作为第一低压功率单元的第二端子(12)；通过控制第十一开关 (Tn)和第十二开关(T12)，使第一低压功率单元产生两电平输出电压。
4.如权利要求2所述的高压配电用三相电力电子变压器，其特征在于所述的第一 低压功率单元由第十三开关(T13)、第十四开关(T14)，第十三二极管(D13)、第十四二极管 (D14)、第十五二极管(D15)和第十六二极管(D16)构成；第十三开关(T13)的集电极与第 十三二极管(D13)的负极相连，第十三开关(T13)的发射极与第十三二极管(D13)的正极相 连；第十四开关(T14)的集电极与第十四二极管(D14)的负极相连，第十四开关(T14)的发射 极与第十四二极管(D14)的正极相连；第十三二极管(D13)和第十五二极管(D15)正向串联， 第十三二极管(D13)和第十五二极管(D16)的共同连接点与两个顺接串联耦合电感的一个非 两个电感的公共连接点端子相连；第十四二极管(D14)和第十六二极管(D16)正向串联，第 十四二极管(D14)和第十六二极管(D16)的共同连接点与两个顺接串联耦合电感的另一个非 两个电感的公共连接点端子相连；第十三二极管(D13)的负极与第一电容(Ci)的正极相连， 第十五二极管(D15)的正极与第一电容(Ci)的负极相连；第十六二极管(D16)的负极与第一 电容(Ci)的正极相连，第十四二极管(D14)的正极与第一电容(Ci)的负极相连；两个耦合 电感的公共连接点作为第一低压功率单元的第一端子(11)，第一电容(Ci)的负极作为第一 低压功率单元的第二端子(12)；通过控制开关(T13)和(T12)，使第一低压功率单元产生两电平输出电压。
5.如权利要求2所述的高压配电用三相电力电子变压器，其特征在于所述的第二低 压功率单元由第三一开关(t31)、第三二开关(T32)、第三三开关(T33)、第三四开关(T34)，第 三一二极管(D31)、第三二二极管(D32)、第三三二极管(D33)、第三四二极管(D34)构成；第 三一开关(T31)与第三一二极管(D31)反并联，第三二开关(T32)与第三二二极管(D32)反并 联，第三三开关(T33)与第三三二极管(D33)反并联，第三四开关(T34)与第三四二极管(D34) 反并联；第三一二极管(D31)的正极和第三二二极管(D32)的负极相连作为第二低压功率单 元的第一端子(31)；第三三二极管(D33)的正极和第三四二极管(D34的负极相连作为第二 低压功率单元的第二端子(32)；第三一二极管(D31)的负极和第三三二极管(D33)的负极 相连作为第二低压功率单元的第三端子(33)；第三二二极管(D32)的正极和第三四二极管 (D34)的正极相连作为第二低压功率单元的第四端子(34)。
6.如权利要求1所述的高压配电用三相电力电子变压器，其特征在于隔离型DC-DC 变换器(2)由第二低压功率单元(Uwl)、第二低压功率单元(Uw2)、中频或高频变压器(Tw)和 第一串联谐振电容(Cwl)、第二串联谐振电容(Cw2)构成；第二低压功率单元(Uwl)的第一端 子(31)和第二端子(32)通过第一串联谐振电容(Cwl)与中频变压器(Tw)的原边串联连接 在一起；第二低压功率单元(Uw2)的第一端子(31)和第二端子(32)通过第二串联谐振电容 (Cw2)与中频变压器(Tw)的副边串联连接在一起；第二低压功率单元(Uwl)的第三端子(33) 和第四端子(34)作为隔离型DC-DC变换器(2)的输入端子；第二低压功率单元(Uw2)的端 子(33)和(34)作为隔离型DC-DC变换器(2)的输出端子。
7.如权利要求1所述的高压配电用三相电力电子变压器，其特征在于通过改变输入级 的级联式模块化变流器(1)每个桥臂上串联的第一低压功率单元的数量，实现输入电压不 同的电平数。
全文摘要
一种用于高压配电系统的三相电力电子变压器，其输入级为级联式模块化变流器(1)，隔离级由输入串联输出并联的多个隔离型DC-DC变换器(2)构成；输出级由连接在共用直流母线上的一个或多个单相或三相逆变器(3)组成。级联式模块化变流器(1)的三个输入端与三相高压交流电网相连，其两个输出端与高压直流母线电容(4)的正负极分别相连。隔离型DC-DC变换器(2)由两个第二低压功率单元构成，每个隔离型DC-DC变换器(2)的输入端与高压直流母线电容(4)中的一个第一低压直流电容的正负极相连；所有隔离型DC-DC变换器(2)的输出端并联，并与第二低压直流母线电容(5)的正负极相连。第二低压直流母线电容(5)的正负极连接到输出级共用直流母线的一个或多个的单相或三相逆变器(3)。
文档编号H02J9/04GK101860228SQ20101017232
公开日2010年10月13日 申请日期2010年5月7日 优先权日2010年5月7日
发明者刘育红, 朱海滨, 李子欣, 李耀华, 武林, 王平, 胜晓松 申请人:中国科学院电工研究所