CN104184356A - 一种三相电力电子变压器的功率模块组 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三相电力电子变压器的功率模块组，该三相电力电子变压器包括高压滤波器、所述功率模块组、第五功率模块和低压滤波器；所述功率模块组包括分别在高压侧串联和低压侧并联的功率模块单元；功率模块单元包括依次连接的第一功率模块、高压侧电容器、第二功率模块、中/高频变压器和第三功率模块，第三功率模块并联低压侧电容器。该电力电子变压器兼具三相电能自动互平衡的功能，可较好地应对低压侧的不对称负载，将低压侧的不对称通过拓扑的连接自然地转变成高压侧的对称。

Description

一种三相电力电子变压器的功率模块组

技术领域

本发明涉及一种电力电子变压器技术领域的装置，具体讲涉及一种三相电力电子变压器的功率模块组。

背景技术

“主动配电网”概念的提出和不断实践可以解决分布式发电技术迅速发展及加速推广应用所带来的一系列技术问题。主动配电网旨在提高配电网对能量的主动分配能力和经济运行水平，积极消纳可再生能源，提升配电网供电可靠性和电能质量水平，可使配电网更加高效、更加环保地运行，同时对配电网的可控性要求更高。

配电变压器作为配电网的基本组成设备，其运行可靠性、技术性能与经济指标会直接影响配电网的供电可靠性、电能质量和智能化程度。传统的配电变压器通常采用铁芯油浸式或干式，突出优点是可靠性好、效率高、价格低廉。但在电力***面对一系列新挑战的背景下，作为电力***最基本输变电装置的电力变压器，功能单一所表现出的下述不足越来越明显：

1、体积、重量大，变压器绝缘油污染环境；

2、空载损耗较高，负载时输出电压随负荷波动；

3、负载侧发生故障时，不能隔离故障，将波及电源侧；

4、带非线性负载时，畸变电流通过变压器耦合进入电网，会对电网造成污染；

5、电源侧电压受到干扰时，又会传递到负荷侧，导致对敏感负荷的影响；

6、需要相关的配套设备对其进行检测和保护；

7、铁磁元件非线性，投入电网时造成较大的励磁涌流，铁芯磁饱时产生谐波污染，造成电网电压和电流畸变，振动和噪声增大。

电力电子变压器(PET)是指采用电力电子换流器及中/高频变压器实现的新型电力变压器，它在完成常规变压器变压、隔离和能量传递等功能的同时，亦可具有波形控制、潮流控制和电能质量控制等功能。电力电子变压器可作为输电网和配电网的无缝接口和动态控制点，起到类似能量路由器的功能，对配电网的潮流实现灵活控制、动态无功补偿和故障限流，提高可再生能源的接纳能力，降低网络损耗，提高电能质量。电力电子变压器具有以下优点：

1、体积小、重量轻，空气自然冷却，环境污染小，比传统变压器更适于在城市中应用；

2、能同时输出直流电和交流电，更好地满足用户多样需求；

3、有直流环节，可十分方便地接入光伏、风力等可再生能源及储能设备，提高可再生能源的利用率和供电可靠性；

4、具有高度的可控性，能实现恒频、恒压输出，有效地解决有大量分布式发电(DG)接变压器一次侧和二次侧功率因数可调，可以平滑、快速地调节配电网有功、无功潮流，对稳态和故障时功率平衡需求予以快速补偿，有利于提升配电网对能量的主动分配能力和经济运行水平；

5、兼有断路器的功能，大功率电力电子器件可以瞬时(微妙级)遮断***故障时的大电

6、具有智能功能，不仅可以实现自身的自检测、自诊断、自保护和自恢复功能，还可以实现联网通信，与配电网其它设备互动；

7、可灵活实现相数变换和相序变换。

从结构上讲，电力电子变压器主要包括两个基本要素：电力电子换流器和中/高频变压器。电力电子换流器主要包括电力电子器件、控制器、滤波器以及辅助设备，主要实现波形控制功能。中/高频变压器的功能是隔离及电压等级变换，频率通常工作在千赫兹(kHz)级别，采用中/高频的目的主要是大幅缩小变压器的体积、减轻重量，减少散热以及提高容量与效率等。

电力电子变压器的具体实现方案分两种形式：

1、如图1中所示，无直流环节的电力电子变压器，也称为直接AC/AC型电力电子变压器，电力电子变压器将输入的工频交流在一次侧直接变换为高频交流，经中/高频变压器耦合到二次侧后，直接还原成工频交流。在这一变换过程中，一次侧的调制和二次侧的解调必须同步。无直流环节的电力电子变压器具有变换环节少、结构简单等特点，可较大幅度地减少变压器的体积和重量，并可便捷地实现对变压器输出电压幅值的控制。不足之处是可控性不强，有时难以对电能质量的改善做出贡献，并且一次侧功率因数不可调。

2、如图2中所示，含直流环节的电力电子变压器，也称为AC/DC/AC型电力电子变压器将输入的工频交流经整流器变换成直流，再通过逆变电路调制成为高频方波后加载至中/高频变压器一次侧绕组，并耦合到中/高频变压器的二次侧绕组，随后，高频方波被整流成直流电压，再逆变为所需要的交流输出。但总体而言，其可控性较强，可保证变压器一、二次侧均有良好的电能质量，但变换过程相对复杂，所需器件数也较多。

含直流环节的电力电子变压器比无直流环节的电力电子变压器的可控性大为加强，脉宽调制技术(PWM)可实现变压器高压、低压侧电压、电流和功率的灵活控制，已逐步成为电力电子变压器今后主要的发展方向。

授权公告号为CN 101707443B的发明专利公开栏一种新型电力电子变压器中，提出了由多个MMC桥臂并联获得一个共用的高压直流，然后再用直流电容串联分压后，依次转换的方法。虽然多个MMC桥臂共用的高压直流确实可以用来解决不对称问题。但是，由于光伏、风力等可再生能源及储能设备等接入直流***的电压通常较低，且直流电压值不一定相等，即需要多个低压直流，而不是一个高压直流。因此，多个MMC桥臂共用所产生的一个高压直流的这一优点不能充分发挥出来，而该方案所采用的电力电子器件数和电容器台数相对较多的缺点却没有被有效地抵消。

因此需要提出一种新的三相电力电子变压器的功率模块组来解决现有技术存在的上述问题。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种三相电力电子变压器的功率模块组。

实现上述目的所采用的解决方案为：

一种三相电力电子变压器的功率模块组，所述三相电力电子变压器包括高压滤波器、所述功率模块组、第五功率模块和低压滤波器；其改进之处在于：

所述功率模块组包括分别在高压侧串联和低压侧并联的功率模块单元；

所述功率模块单元包括依次连接的第一功率模块、高压侧电容器、第二功率模块、中/高频变压器和第三功率模块，所述第三功率模块并联低压侧电容器；

所述第一功率模块用于将工频交流电变换成直流电；所述高压侧电容器用于提供直流电压支撑和功率存储；所述第二功率模块用于将直流电变换成中/高频交流电；所述中/高频变压器用于高压侧和低压侧之间的电压等级变换和电气隔离；所述第三功率模块用于将中/高频交流电变换成直流电；所述低压侧电容器用于提供直流电压支撑和功率存储。

进一步的，所述第三功率模块包括一个功率模块或三个相同容量的功率模块。

进一步的，当所述第三功率模块包括一个功率模块时，所述中/高频变压器采用1转1结构的变压器；所述功率模块单元为M结构的功率模块单元。

进一步的，当所述第三功率模块包括三个相同容量的功率模块时，所述中/高频变压器采用1转3结构的变压器；所述功率模块单元为M/3结构的功率模块单元。

进一步的，当针对相同容量的所述第二功率模块，第三功率模块包括一个容量为L的功率模块或包括三个容量为1/3L的功率模块。

进一步的，所述功率模块组的组合方式根据高压侧额定电压、所述第一功率模块的耐压水平和功率模块组的输出要求确定；

根据所述功率模块单元的个数可提供相应功率，满足不同输出功率要求。

进一步的，若所述第一功率模块的交流侧串联数为3n时，每相采用3n个M结构的功率模块单元构成功率模块组，降低功率模块的总体个数和相应的成本，n为正整数。

进一步的，若所述第一功率模块的交流侧串联数为3n+1时，且没有单独的直流输出要求时，每相采用3n个M结构的功率模块单元和1个M/3结构的功率模块单元构成功率模块组，降低功率模块的总体个数和相应的成本，n为正整数。

进一步的，若所述第一功率模块的交流侧串联数为3n+2时，且没有单独的直流输出要求时，每相采用3n个M结构的功率模块单元和2个M/3结构的功率模块单元构成功率模块组，以降低功率模块的总体个数和相应的成本，n为正整数。

进一步的，若所述第一功率模块的交流侧串联数为3n+1或3n+2，且有直流输出要求时，每相采用M结构的功率模块单元和M/3结构的功率模块单元的相应组合构成相应功率模块组以满足相应的直流输出，同时采用M结构的功率模块单元和M/3结构的功率模块单元的相应组合构成相应功率模块组以满足相应的交流输出，以降低功率模块的总体个数和相应的成本，n为正整数。

进一步的，所述第一功率模块、第二功率模块和第三功率模块均采用H桥主电路拓扑，实现在交直流转换时确保功率的双向流动；

所述H桥主电路拓扑的四个桥臂分别包括并联的反并联二极管和可关断电力电子器件；

所述可关断电力电子器件包括IGBT、IEGT、GTO、IGCT和BIGT。

进一步的，在不需要功率双向流动的前提下，所述第三功率模块采用的H桥主电路拓扑结构的桥臂分别采用整流二极管，简化控制，降低设备数量和成本。

进一步的，所述功率模块组的高压交流侧经过所述高压滤波器与电网连接，相与相之间采用三角形连接或星形连接。

进一步的，所述功率模块组的低压侧并联，形成三路及以上的各自隔离的直流源，满足不同的工程需求。

进一步的，所述三路及以上的各自隔离的直流源，可进行直流转换成工频交流，经过低压滤波器提供工频交流。

进一步的，每三路的所述工频交流，可采用星形接线和三角形接线，提供三相交流接口。

进一步的，所述星形接线可引出中性点，实现三相四线制。

进一步的，所述中/高频变压器中间可不引出抽头，也可引出抽头；引出抽头时所述中/高频变压器的两侧功率模块及相应的电容器接线应有相应调整。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明的三相电力电子变压器可实现传统电力变压器的电压变换、电气隔离、能量传递等基本功能；可实现电力电子变压器的能量双向传递、潮流控制和电能质量调节等功能；

2、本发明的功率模块组的高压侧采用串联方式，针对不同等级电压，只需要计算对应功率模块M1的串联数，按照对应功率模块数串联便可承受相应的电压；

3、本发明的功率模块组的低压侧采用并联方式，针对不同输出功率，只需要计算对应功率模块的并联数，按照对应功率模块数并联便可提供相应功率；

4、本发明的三相电力电子变压器易于模块化、标准化、可冗余，从而便于设计、加工、组装、调试和维护等；

5、本发明的电路拓扑本身兼具了三相电能自动互平衡的功能，可较好地应对低压侧的不对称负载，将低压侧的不对称通过拓扑的连接自然地转变成高压侧的对称；

6、本发明的三相电力电子变压器的直流侧可方便接入光伏、风力等可再生能源及储能设备，提高可再生能源利用率和供电可靠性；

7、本发明的三相电力电子变压器提供两种拓扑结构可以根据不同的功率等级及控制目地灵活应用；

8、如果功率流向不需要实现双向流动，则可以对本发明的三相电力电子变压器进一步简化相应的拓扑结构，降低控制***的复杂性，节约设备的开支。

附图说明

图1为无直流环节的电力电子变压器示意图；

图2为含直流环节的电力电子变压器示意图；

图3为本发明中互平衡的三相功率模块组一的结构示意图；

图4为本发明中互平衡的三相功率模块组一的简化结构示意图；

图5为本发明中互平衡的三相功率模块组二的结构示意图；

图6为本发明中互平衡的三相功率模块组二的简化结构示意图；

图7为本实施例中三相电力电子变压器实施例一的示意图；

图8为本实施例中三相电力电子变压器实施例二的示意图；

图9为本实施例中三相电力电子变压器实施例三的示意图；

图10为本发明中H桥主电路拓扑结构示意图；

图11为本发明中带中间抽头的DC/DC转换示意图；

图12为本发明中二极管整流示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

本发明提供的一种三相电力电子变压器的功率模块组，该功率模块组可用于模块化、可平衡不对称负载、可提供低压直流。电力电子变压器(PET)是指采用电力电子换流器及中/高频变压器实现的新型电力变压器。

该功率模块组包括高压侧串联、低压侧并联的功率模块单元，功率模块单元包括依次连接的第一功率模块、高压侧电容器、第二功率模块、中/高频变压器和第三功率模块，第三功率模块并联低压侧电容器；第一功率模块用于将工频交流电变换成直流电；高压侧电容器用于提供直流电压支撑和功率存储；第二功率模块用于将直流电变换成中/高频交流电；中/高频变压器用于高压侧和低压侧之间的电压等级变换和电气隔离；第三功率模块用于将中/高频交流电变换成直流电；所述低压侧电容器用于提供直流电压支撑和功率存储。

所述第三功率模块包括一个功率模块或三个等容量的功率模块。当第三功率模块为一个功率模块时，中/高频变压器采用1转1结构的变压器；当第三功率模块包括三个功率模块时，中/高频变压器采用1转3结构的变压器。当所述第三功率模块包括一个功率模块时，所述中/高频变压器采用1转1结构的变压器；所述功率模块单元为M结构的功率模块单元。当所述第三功率模块包括三个相同容量的功率模块时，所述中/高频变压器采用1转3结构的变压器；所述第三功率模块单元为M/3结构的功率模块单元。

若针对相同容量的第二功率模块M2，第三功率模块可以为一个容量为L的功率模块，或包括三个容量为1/3L的功率模块。

本发明中，功率模块组的组合方式根据高压侧额定电压、所述第一功率模块的耐压水平和功率模块组的输出要求确定；功率模块单元高压侧串联、低压侧并联，针对不同的输出功率，根据不同功率模块单元的个数可提供相应功率，满足不同输出功率要求。

若所述第一功率模块的交流侧串联数为3n时，每相采用3n个M结构的功率模块单元构成功率模块组，降低功率模块的总体个数和相应的成本，n为正整数。

若所述第一功率模块的交流侧串联数为3n+1时，且没有单独的直流输出要求时，每相采用3n个M结构的功率模块单元和1个M/3结构的功率模块单元构成功率模块组，降低功率模块的总体个数和相应的成本，n为正整数。

若所述第一功率模块的交流侧串联数为3n+2时，且没有单独的直流输出要求时，每相采用3n个M结构的功率模块单元和2个M/3结构的功率模块单元构成功率模块组，以降低功率模块的总体个数和相应的成本，n为正整数。

若所述第一功率模块的交流侧串联数为3n+1或3n+2，且有直流输出要求时，每相采用M结构的功率模块单元和M/3结构的功率模块单元的相应组合构成相应功率模块组以满足相应的直流输出，同时采用M结构的功率模块单元和M/3结构的功率模块单元的相应组合构成相应功率模块组以满足相应的交流输出，以降低功率模块的总体个数和相应的成本，n为正整数。

第一功率模块、第二功率模块和第三功率模块均采用H桥主电路拓扑，实现在交直流转换时确保功率的双向流动；

所述H桥主电路拓扑的四个桥臂分别包括并联的反并联二极管和可关断电力电子器件；

所述可关断电力电子器件包括IGBT、IEGT、GTO、IGCT和BIGT等。

在不需要功率双向流动的前提下，所述第三功率模块也可采用二极管作整流二极管，上述H桥主电路拓扑结构的桥臂分别采用整流二极管，简化控制，降低设备数量和成本。

功率模块组的高压交流侧经过所述高压滤波器与电网连接，相与相之间采用三角形连接或星形连接。功率模块组的低压侧并联，形成三路及以上的各自隔离的直流源，满足不同的工程需求。

上述三路及以上的各自隔离的直流源，可进行直流转换成工频交流，经过低压滤波器提供工频交流。每三路的所述工频交流，可采用星形接线和三角形接线，提供三相交流接口。

所述星形接线可引出中性点，实现三相四线制。

所述中/高频变压器中间可不引出抽头，也可引出抽头。引出抽头时所述中/高频变压器的两侧功率模块及相应的电容器接线应有相应调整。

当采用不同结构的第三功率模块时，功率模块单元的结构分别如下：

一、第一种功率模块单元拓扑结构

如图3所示，图3为本发明中互平衡的三相功率模块组一的结构示意图，该功率模块组包括9个功率模块、3个中/高频变压器和6个电容器。9个功率模块分别为3个第一功率模块M1，3个第二功率模块M2和3个第三功率模块M3。

3个电容器在高压侧，3个电容器在低压侧，其中，3个低压侧电容器可用一个更大容量的电容器代替。

第一功率模块M1用于将工频交流变换成直流，高压侧电容器用于提供直流电压支撑和功率存储，第二功率模块M2用于将直流变换成中/高频交流，中/高频变压器用于高压侧和低压侧之间的电压等级变换和电气隔离，第三功率模块M3用于将中/高频交流变换成直流，低压侧电容器用于提供直流电压支撑和功率存储。

该互平衡的三相功率模块组有6个高压交流端和2个低压直流端。6个高压交流端分别为A11，A12，B11，B12，C11和C12。其中，A11和A12为一路交流接入端子，B11和B12为一路交流接入端子，C11和C12为一路交流接入端子。2个低压直流端分别为DC1+和DC1-。

A相的高压交流通过A11和A12这两端接第一功率模块M1，第一功率模块M1将工频交流变换成直流后给高压侧电容器。

第二功率模块M2一端接高压侧电容器，并将直流变换成中/高频交流后接中/高频变压器，中/高频变压器实现电压等级变换和电气隔离后接第三功率模块M3，第三功率模块M3的a11和a12组成一路直流，接低压侧电容器。B相的高压端B11和B12到低压侧的b11和b12以及C相的高压端C11和C12到低压侧的c11和c12接线类似，不再一一赘述。

高压交流端A11，A12，B11，B12，C11，C12各自独立，以便于根据相应的交流电压选择相应的第一功率模块M1的串联数。

低压端的a11、b11和c11通过公共的直流母线DC1+相连，低压端的a12、b12和c12通过公共的直流母线DC1-相连，便于实现三相之间的互平衡。

该互平衡的三相功率模块组可以实现功率的双向流动，即可从高压交流侧流向低压直流侧，也可从低压直流侧流向高压交流侧。如果实际工程只需要实现功率的单向流动，相应的功率模块可以简化，以减少控制的复杂性，同时降低设备的成本。

将图3中的互平衡的三相功率模块组，采用了更为简化的示意图，如图4中互平衡的三相功率模块组一的简化结构示意图所示。图4中的功率模块M为图3中的第一功率模块M1、高压侧电容器、第二功率模块M2、中/高频变压器、第三功率模块M3和低压侧电容器的有序组合体。图4中的简化示意图集中体现了功率模块M在高压侧可实现串联，在低压侧可实现并联的特点。

二、第二种功率模块单元拓扑结构

如图5所示，图5为一种互平衡的三相功率模块组二结构示意图，该三相功率模块组二包括15个功率模块、3个1路转3路的中/高频变压器和12个电容器。

15个功率模块分别为3个第一功率模块M1，3个第二功率模块M2和9个第四功率模块M4。

3个电容器在高压侧，9个电容器在低压侧，其中，9个低压侧电容器可用3个大容量的电容器代替。

需要说明的是：图5中的第四功率模块M4和图3中的第三功率模块M3的电路拓扑可以相同，但是对于相同容量的第二功率模块M2，第四功率模块M4的容量通常只有第三功率模块M3的1/3。

第一功率模块M1用于将工频交流变换成直流，高压侧电容器用于提供直流电压支撑和功率存储，第二功率模块M2用于将直流变换成中/高频交流，1路转3路的中/高频变压器用于高压侧和低压侧之间的电压等级变换和电气隔离，第四功率模块M4用于将中/高频交流变换成直流，低压侧电容器用于提供直流电压支撑和功率存储。

该互平衡的三相功率模块组有6个高压交流端和6个低压直流端。6个高压交流端分别为A11，A12，B11，B12，C11和C12，其中A11和A12为一路交流接入端子，B11和B12为一路交流接入端子，C11和C12为一路交流接入端子。6个低压直流端分别为DC1a+、DC1a-、DC1b+、DC1b-、DC1c+和DC1c-，其中DC1a+和DC1a-为一路直流接入端子，DC1b+和DC1b-为一路直流接入端子，DC1c+和DC1c-为一路直流接入端子。

A相的高压交流通过A11和A12这两端接第一功率模块M1，第一功率模块M1将工频交流变换成直流后给高压侧电容器，第二功率模块M2一端接高压侧电容器，并将直流变换成中/高频交流后接中/高频变压器，中/高频变压器实现电压等级变换和电气隔离的同时，还实现1路转3路的功能。3路的功率通常是均匀分配的。

中/高频变压器的低压侧三路输出分别接3个功率模块M4。3个功率模块M4各自实现中/高频交流变换成直流后，通过低压端aa11、aa12、ba11、ba12、ca11和ca12分别与三个低压侧电容器相连。其中，aa11和aa12组成一路直流，ba11和ba12组成一路直流，ca11和ca12组成一路直流。B相的高压端B11和B12到低压侧的ab11、ab12、bb11、bb12、cb11和cb12以及C相的高压端C11和C12到低压侧的ac11、ac12、bc11、bc12、cc11和cc12接线类似，不再一一赘述。

高压交流端A11，A12，B11，B12，C11，C12各自独立，以便于根据相应的交流电压选择相应的功率模块M1的串联数。低压端的aa11、ab11和ac11通过公共的直流母线DC1a+相连，低压端的aa12、ab12和ac12通过公共的直流母线DC1a-相连，低压端的ba11、bb11和bc11通过公共的直流母线DC1b+相连，低压端的ba12、bb12和bc12通过公共的直流母线DC1b-相连，低压端的ca11、cb11和cc11通过公共的直流母线DC1c+相连，低压端的ca12、cb12和cc12通过公共的直流母线DC1c-相连。

该互平衡的三相功率模块组可以实现功率的双向流动，即可从高压交流侧流向低压直流侧，也可从低压直流侧流向高压交流侧。

将图5中的一种互平衡的三相功率模块组，采用了更为简化的示意图，如图6中互平衡的三相功率模块组二简化结构所示。图6中的功率模块M/3为附图5中的第一功率模块M1、高压侧电容器、第二功率模块M2、1路转3路的中/高频变压器、功率模块M4和低压侧电容器的有序组合体。

图6中的简化示意图集中体现了功率模块M/3在高压侧可实现串联，在低压侧可实现并联的特点。

图4中的功率模块组一为实现三路交流和一路直流的转换，图6中的功率模块组二为实现三路交流和三路直流的转换。

实施例中，给出基于以上功率模块单元M和功率模块单元M/3的三相电力电子变压器：

实施例一，基于功率模块单元M的三相电力电子变压器。

本实施例中，第一功率模块M1的交流侧串联数为3n时，每相采用3n个M结构的功率模块单元构成功率模块组，降低功率模块的总体个数和相应的成本，n为正整数。

如图7所示，图7为本实施例中三相电力电子变压器实施例一的示意图。针对要求的高压交流等级电压，计算对应第一功率模块M1的交流侧串联数为3n，其中，n为自然数。若计算对应第一功率模块M1的交流侧串联数为3n+1或3n+2时，如下实施例二、三所示。

对于每一相，均有3n个功率模块M的高压交流侧采用串联连接，并通过高压滤波器与电网的高压交流侧的对应相连接。相与相之间可采用星形连接，也可采用三角形连接。本实施例一中，相与相之间采用星形连接。

3n*3个功率模块单元M的3n*3路直流被均匀地分为3组，并通过并联的方式最终形成3路直流，分别为DC1、DC2和DC3。这三路直流分别通过功率模块M5实现直流到工频交流的功率变换，得到三路交流输出，分别为a1和a2组成第一路交流、b1和b2组成第二路交流及c1和c2组成第三路交流。

以上三路交流在经过各自的低压滤波器。相与相之间采用星形连接，并引出中性线N，如图7所示。以上三路交流也可采用三角形连接。

实施例二，基于功率模块单元M和功率模块单元M/3的三相电力电子变压器。

若第一功率模块M1的交流侧串联数为3n+1时，且没有单独的直流输出要求时，每相采用3n个M结构的功率模块单元和1个M/3结构的功率模块单元构成功率模块组，降低功率模块的总体个数和相应的成本，n为正整数。

如图8所示，图8为本实施例中三相电力电子变压器实施例二的示意图。针对要求的高压交流等级电压，计算对应第一功率模块M1的交流侧串联数为3n+1(n为正整数)。

本实施例中，n为自然数1，即第一功率模块M1的交流侧串联数为4。从而，本实施例中，对于每一相，均有3个功率模块M和1个功率模块M/3的交流侧采用串联连接，并通过高压滤波器与电网的高压交流侧的对应相连接。相与相之间可采用三角形连接，也可采用星形连接。本实施例中，相与相之间采用三角形连接。

9个功率模块单元M的9路直流和3个功率模块单元M/3的9路直流，即总共18路直流被均匀地分为3组，即a11、a12、aa41、aa42、b11、b12、ab41、ab42、c11、c12、ac41、ac42为第一组，a21、a22、ba41、ba42、b21、b22、bb41、bb42、c21、c22、bc41、bc42为第二组，a31、a32、ca41、ca42、b31、b32、cb41、cb42、c31、c32、cc41、cc42为第三组。

以上三组通过并联的方式最终形成3路直流，分别为DC1、DC2和DC3。这三路直流分别通过第五功率模块M5实现直流到工频交流的功率变换，得到三路交流输出，分别为a1和a2组成第一路交流、b1和b2组成第二路交流及c1和c2组成第三路交流。以上三路交流在经过各自的低压滤波器，相与相之间采用星形连接，并引出中性线N，如图8中的实施例二中所示。以上三路交流也可采用三角形连接。

实施例三，基于功率模块单元M和功率模块单元M/3的三相电力电子变压器。

若第一功率模块M1的交流侧串联数为3n+1或3n+2，且有直流输出要求时，每相采用M结构的功率模块单元和M/3结构的功率模块单元的相应组合构成相应功率模块组以满足相应的直流输出，同时采用M结构的功率模块单元和M/3结构的功率模块单元的相应组合构成相应功率模块组以满足相应的交流输出，以降低功率模块的总体个数和相应的成本，n为正整数。

如图9所示，图9为本实施例中三相电力电子变压器实施例三的示意图。针对要求的高压交流等级电压，计算对应第一功率模块M1的交流侧串联数为3n+2(n为正整数)。

本实施例中，n为自然数1，即第一功率模块M1的交流侧串联数为5。从而，本实施例中，对于每一相，均有4个功率模块单元M和1个功率模块单元M/3的交流侧采用串联连接，并通过高压滤波器与电网的高压交流侧的对应相连接；以此结构可实现交流输入，交流输出和直流输出，以下以4个功率模块单元M和1个功率模块单元M/3的结构为例进一步说明。

相与相之间采用三角形连接，也可采用星形连接。本实施中，相与相之间采用三角形连接。

9个功率模块单元M的9路直流和3个功率模块单元M/3的9路直流，即总共18路直流被均匀地分为3组，即a11、a12、aa41、aa42、b11、b12、ab41、ab42、c11、c12、ac41和ac42为第一组，a21、a22、ba41、ba42、b21、b22、bb41、bb42、c21、c22、bc41和bc42为第二组，a31、a32、ca41、ca42、b31、b32、cb41、cb42、c31、c32、cc41和cc42为第三组。

这三组通过并联的方式最终形成3路直流，分别为DC1、DC2和DC3。这三路直流分别通过第五功率模块M5实现直流到工频交流的功率变换，得到三路交流输出，分别为a1和a2组成第一路交流、b1和b2组成第二路交流及c1和c2组成第三路交流。以上三路交流在经过各自的低压滤波器，相与相之间采用三角形连接，如图9中的实施例三所示。这三路交流也可采用星形连接。

另外，3个功率模块单元M的3路直流，即a51和a52为第一路直流，b51和b52为第二路直流，c51和c52为第三路直流。这3路直流通过并联形成单独的直流电源DC4，以提供单独的直流电源输出，并满足相应的功率要求，如图9中的实施例三中所示。

实施例四，基于功率模块单元M和功率模块单元M/3的三相电力电子变压器。

若第一功率模块M1的交流侧串联数为3n+2时，且没有单独的直流输出要求时，每相采用3n个M结构的功率模块单元和2个M/3结构的功率模块单元构成功率模块组，以降低功率模块的总体个数和相应的成本，n为正整数。

假设，n为自然数1，即第一功率模块M1的交流侧串联数为5。

对于每一相，均有3个功率模块单元M和2个功率模块单元M/3的交流侧采用串联连接，并通过高压滤波器与电网的高压交流侧的对应相连接；以此结构实现交流输入，交流输出；

对于每一相，均有3个功率模块M和2个功率模块M/3的交流侧采用串联连接，并通过高压滤波器与电网的高压交流侧的对应相连接。相与相之间可采用三角形连接，也可采用星形连接。本实施例中，相与相之间采用三角形连接。与实施例二相似。

本发明的拓扑结构中，第一功率模块M1、第二功率模块M2、第三功率模块M3、第四功率模块M4和第五功率模块M5可采用如图10所示的H桥主电路拓扑结构，以实现交直流的转换，并保持功率的双向流动。

H桥主电路拓扑结构由四个带反并联二极管的可关断电力电子器件组成，图中的IGCT1、IGCT2、IGCT3和IGCT4仅仅是示意，可以是IGBT、IEGT、GTO和BIGT等可关断电力电子器件。

本发明的拓扑结构中，图3和图5中的中/高频变压器中间没有引出抽头。根据实际工程的需要，可以采用中间引出抽头的中/高频变压器，如对图3中的从高压侧电容器到低压侧电容器这段，可采用图11中所示的方案。图11中所示的方案可以实现从直流转换成高频交流，然后在转换成直流的这些功能，由于都采用带反并联二极管的可关断电力电子器件，因此保留了功率双向流动的功能。

如有某一实际工程只要求功率从高压侧流向低压侧，而不要求低压侧流向高压侧，即功率流动只是单向的，则对于一些功率模块可不采用带反并联二极管的可关断电力电子器件，而只采用二极管，如附图12中所示的二极管整流电路。展开来说，对于图3中的第三功率模块M3和图5中的第四功率M4可采用图12中的二极管整流电路，以实现交流到直流的转换。

最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (18)

1.一种三相电力电子变压器的功率模块组，所述三相电力电子变压器包括高压滤波器、所述功率模块组、第五功率模块和低压滤波器；其特征在于：

所述功率模块组包括分别在高压侧串联和低压侧并联的功率模块单元；

所述功率模块单元包括依次连接的第一功率模块、高压侧电容器、第二功率模块、中/高频变压器和第三功率模块，所述第三功率模块并联低压侧电容器；

所述第一功率模块用于将工频交流电变换成直流电；所述高压侧电容器用于提供直流电压支撑和功率存储；所述第二功率模块用于将直流电变换成中/高频交流电；所述中/高频变压器用于高压侧和低压侧之间的电压等级变换和电气隔离；所述第三功率模块用于将中/高频交流电变换成直流电；所述低压侧电容器用于提供直流电压支撑和功率存储。

2.如权利要求1所述的一种三相电力电子变压器的功率模块组，其特征在于：所述第三功率模块包括一个功率模块或三个相同容量的功率模块。

3.如权利要求2所述的一种三相电力电子变压器的功率模块组，其特征在于：当所述第三功率模块包括一个功率模块时，所述中/高频变压器采用1转1结构的变压器；所述功率模块单元为M结构的功率模块单元。

4.如权利要求2所述的一种三相电力电子变压器的功率模块组，其特征在于：当所述第三功率模块包括三个相同容量的功率模块时，所述中/高频变压器采用1转3结构的变压器；所述功率模块单元为M/3结构的功率模块单元。

5.如权利要求2所述的一种三相电力电子变压器的功率模块组，其特征在于：当针对相同容量的所述第二功率模块，第三功率模块包括一个容量为L的功率模块或包括三个容量为1/3L的功率模块。

6.如权利要求1所述的一种三相电力电子变压器的功率模块组，其特征在于：所述功率模块组的组合方式根据高压侧额定电压、所述第一功率模块的耐压水平和功率模块组的输出要求确定；

根据所述功率模块单元的个数可提供相应功率，满足不同输出功率要求。

7.如权利要求6所述的一种三相电力电子变压器的功率模块组，其特征在于：若所述第一功率模块的交流侧串联数为3n时，每相采用3n个M结构的功率模块单元构成功率模块组，降低功率模块的总体个数和相应的成本，n为正整数。

8.如权利要求6所述的一种三相电力电子变压器的功率模块组，其特征在于：若所述第一功率模块的交流侧串联数为3n+1时，且没有单独的直流输出要求时，每相采用3n个M结构的功率模块单元和1个M/3结构的功率模块单元构成功率模块组，降低功率模块的总体个数和相应的成本，n为正整数。

9.如权利要求6所述的一种三相电力电子变压器的功率模块组，其特征在于：若所述第一功率模块的交流侧串联数为3n+2时，且没有单独的直流输出要求时，每相采用3n个M结构的功率模块单元和2个M/3结构的功率模块单元构成功率模块组，以降低功率模块的总体个数和相应的成本，n为正整数。

10.如权利要求6所述的一种三相电力电子变压器的功率模块组，其特征在于：若所述第一功率模块的交流侧串联数为3n+1或3n+2，且有直流输出要求时，每相采用M结构的功率模块单元和M/3结构的功率模块单元的相应组合构成相应功率模块组以满足相应的直流输出，同时采用M结构的功率模块单元和M/3结构的功率模块单元的相应组合构成相应功率模块组以满足相应的交流输出，以降低功率模块的总体个数和相应的成本，n为正整数。

11.如权利要求1所述的一种三相电力电子变压器的功率模块组，其特征在于：所述第一功率模块、第二功率模块和第三功率模块均采用H桥主电路拓扑，实现在交直流转换时确保功率的双向流动；

所述H桥主电路拓扑的四个桥臂分别包括并联的反并联二极管和可关断电力电子器件；

所述可关断电力电子器件包括IGBT、IEGT、GTO、IGCT和BIGT。

12.如权利要求1所述的一种三相电力电子变压器的功率模块组，其特征在于：在不需要功率双向流动的前提下，所述第三功率模块采用的H桥主电路拓扑结构的桥臂分别采用整流二极管，简化控制，降低设备数量和成本。

13.如权利要求1所述的一种三相电力电子变压器的功率模块组，其特征在于：所述功率模块组的高压交流侧经过所述高压滤波器与电网连接，相与相之间采用三角形连接或星形连接。

14.如权利要求1所述的一种三相电力电子变压器的功率模块组，其特征在于：所述功率模块组的低压侧并联，形成三路及以上的各自隔离的直流源，满足不同的工程需求。

15.如权利要求14所述的一种三相电力电子变压器的功率模块组，其特征在于：所述三路及以上的各自隔离的直流源，可进行直流转换成工频交流，经过低压滤波器提供工频交流。

16.如权利要求15所述的一种三相电力电子变压器的功率模块组，其特征在于：每三路的所述工频交流，可采用星形接线和三角形接线，提供三相交流接口。

17.如权利要求16所述的一种三相电力电子变压器的功率模块组，其特征在于：所述星形接线可引出中性点，实现三相四线制。

18.如权利要求1所述的一种三相电力电子变压器的功率模块组，其特征在于：所述中/高频变压器中间可不引出抽头，也可引出抽头；

引出抽头时所述中/高频变压器的两侧功率模块及相应的电容器接线应有相应调整。