CN107070249A - 一种应用于交直流配电网的电力电子变压器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种应用于交直流配电网的电力电子变压器。所述应用于交直流配电网的电力电子变压器包括输入级、隔离级DC‑DC变换器和输出级。所述输入级为MMC结构，包含多个串联联接的箝位双子模块。所述隔离级DC‑DC变换器包含与输入级子模块数量相同的DC/AC模块、高频变压器及AC/DC模块，隔离级的直流输入端与子模块CDSM直流输出端相连，二者共用电容，直流输出端采用子模块并联连接的形式。所述输出级包含一个或多个DC/AC模块，用于向低压交流负荷供电，也可以接一个或多个DC/DC模块，用于向低压直流负荷供电。本发明能够实现功率的双向流动、提高电能质量，并且提供了灵活的接口，可用于含有光伏等分布式电源接入、负荷种类繁多的交直流混合配电网中。在直流侧发生故障时，能够实现故障的快速自清除。

Description

一种应用于交直流配电网的电力电子变压器
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种应用于交直流配电网的电力电子变压器。
背景技术
电力变压器是电力***中的关键设备，具有电压变换和电气隔离的作用，并且制作工艺简单、成本低。但是，传统的变压器也存在体积笨重、空载损耗大、容易对电网造成谐波污染等不可忽视的缺点。因此，传统的电力变压器已经无法满足电网发展的需求。随着电力电子技术的发展，电力电子变压器（Power Electronic Transformer）成为了众多学者研究的焦点。它通过电力电子器件和电力电子变流技术对能量进行转换和控制，具有模块化程度高、效率高、功率密度高等诸多优势，在电力***中的应用十分广泛。
近年来，传统的配电网面对日益多样化的负荷和用电需求，在可靠性、经济性和高效性等方面都面临巨大的挑战，交直流混合配电网可以更好地接纳分布式电源和直流负荷，提升配电***的电能质量与运行效率，因此建设交直流混合的配电网势在必行，而电力电子变压器必将成为其中的关键设备之一。
发明内容
为了更好地将电力电子变压器应用于交直流混合的配电网中，本发明提供了一种应用于交直流配电网的电力电子变压器。
一种应用于交直流配电网的电力电子变压器，包含输入级、隔离级DC-DC变换器和输出级。所述输入级为模块化多电平换流器结构，由多个串联的箝位双子模块组成，交流侧接至10kV交流电网，上桥臂的正极和下桥臂的负极分别接至10kV直流网络的正负极；所述隔离级由与输入级子模块数量相同的DC/AC模块、高频变压器及AC/DC模块构成，直流输入端口与输入级子模块相连，直流输出端口连接至低压直流网络；所述输出级包含一个或多个DC/AC模块，用于向低压交流负荷供电，也可接一个或多个DC/DC模块，用于向低压直流负荷供电。
所述输入级为三相三桥臂结构，上、下桥臂均包含N个箝位双子模块，所述箝位双子模块由两个半桥电路、两个箝位二极管、一个带续流二极管的引导IGBT以及并联电容构成，所述半桥电路由两组IGBT和与之反并联的续流二极管组成。
所述隔离级DC-DC变换器包含DC/AC模块、高频变压器及AC/DC模块。所述DC/AC模块、高频变压器及AC/DC模块的数量与输入级子模块相同，DC/AC模块的直流输入端与输入级子模块的直流输出端相连，二者共用直流侧电容，AC/DC模块直流输出端采取并联连接的形式，并与低压直流电网连接。所述高频变压器的原边连接至DC/AC模块的交流侧，副边连接至AC/DC模块的交流输入侧。
所述输出级包含一个或多个DC/AC模块及DC/DC模块，所述模块的直流输入端连接至低压直流电网，其中DC/AC模块交流输出端连接至交流负荷，DC/DC模块直流输出端连接至直流负荷。
所述DC/AC模块包括四组IGBT和与之反并联的续流二极管，构成H桥结构。
所述AC/DC模块包括四组IGBT和与之反并联的续流二极管，构成H桥结构，同时直流输出端并联有电容。
所述DC/DC模块包括两组IGBT和与之反并联的续流二极管，构成半桥结构。
本发明提供的应用于交直流配电网的电力电子变压器可以实现传统电力变压器的电压变换、电气隔离等功能。输入级采用模块化串联的结构，通过增加模块数可以实现提高电压等级的目的，并且易于扩展和维护，输出级电压恒定，不随负载的变化而变化。可提供灵活的交、直流接口，便于分布式电源的接入，能够更好地为交直流配电网中的直流负荷供电。另外，本发明通过MMC结构和隔离级DC-DC变换器能够保证直流电容电压的平衡，箝位双子模块结构保证了在直流侧发生故障时，可以实现故障的快速自清除。
附图说明
图1 是本发明一种应用于交直流配电网的电力电子变压器结构示意图。
图2 是本发明一种应用于交直流配电网的电力电子变压器中箝位双子模块的结构示意图。
图3 是本发明一种应用于交直流配电网的电力电子变压器中隔离级DC/DC变换器的结构示意图。
图4 是本发明一种应用于交直流配电网的电力电子变压器中AC/DC模块的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
图1所示为一种交直流配电网的电力电子变压器结构示意图，其特征在于包含输入级、隔离级DC-DC变换器和输出级。所述输入级为模块化多电平换流器结构，由多个串联的箝位双子模块组成，交流侧接至10kV交流电网，上桥臂的正极和下桥臂的负极分别接至10kV直流网络的正负极；所述隔离级由与输入级子模块数量相同的DC/AC模块、高频变压器及AC/DC模块构成，直流输入端口与输入级子模块相连，直流输出端口连接至低压直流网络；所述输出级包含一个或多个DC/AC模块，用于向低压交流负荷供电，也可接一个或多个DC/DC模块，用于向低压直流负荷供电。
所述输入级为三相三桥臂结构，每相上、下桥臂均包含一个桥臂电抗和N个箝位双子模块，所述子模块采用串联连接的形式，一端经桥臂电抗形成交流接口相连，另一端则形成直流接口。
所述隔离级DC-DC变换器中的DC/AC模块与输入级子模块相连，可与子模块共用直流侧电容。所述高频变压器的原边连接至DC/AC模块的交流侧，副边连接至AC/DC模块的交流输入侧。所述AC/DC模块直流侧采取并联连接的形式，其直流输出端并联有电容，并与低压直流电网连接。
所述输出级包含一个或多个DC/AC模块及DC/DC模块，所述模块的直流输入端连接至低压直流电网，与低压直流电网共用直流侧电容，其中DC/AC模块交流输出端连接至交流负荷，DC/DC模块直流输出端连接至直流负荷。所述DC/AC模块包含四组IGBT和与之反并联的续流二极管，构成H桥结构，可将低压直流变换成380V交流，为低压负荷供电。所述DC/DC模块包含两组IGBT和与之反并联的续流二极管，构成半桥结构，可根据直流负荷的电压等级进行变换，为直流负荷供电。
所述输入级采用MMC结构，正常运行时上下桥臂投入的子模块数是一定的，通过对子模块的投切实现对输出电压的控制，该结构可保证中压直流电压的稳定，子模块串联结构可以提高电压等级。与传统半桥子模块构成的MMC相比，由箝位双子模块构成的MMC能够在直流故障时进行快速自清除，使得所述电力电子变压器更适用于交直流混合的配电网。
所述隔离级DC-DC变换器是输入级电容电压保持平衡的关键。当子模块电容电压出现不平衡时，电容电压高的子模块可通过DC-DC变换器和低压直流电网向电容电压低的子模块充电，维持直流侧电压的稳定。
所述输出级可接DC/AC模块和DC/DC模块，以满***直流配电网中不同负荷的需要。
如图2所示，输入级箝位双子模块由两个半桥电路、两个箝位二极管、一个带续流二极管的引导IGBT以及并联电容构成，所述半桥电路由两组IGBT和与之反并联的续流二极管组成。正常运行时，引导IGBT一直导通，箝位二极管上无电流流过，单个箝位双子模块可等效为两个级联的半桥子模块。在直流侧发生故障时，闭锁所有IGBT以实现故障电流弧道的清除。
如图3所示，隔离级DC-DC变换器包含DC/AC模块、高频变压器及AC/DC模块，所述DC/AC模块包含四组IGBT和与之反并联的续流二极管，构成H桥结构。所述高频变压器将原边的高压交流电耦合到副边，得到低压交流电，从而实现高低压之间的电气隔离。所述AC/DC模块包含四组IGBT和与之反并联的续流二极管，构成H桥结构，另外直流输出端并联有电容，同时各AC/DC模块输出端采取并联连接的形式，以满足输出端的功率需求。AC/DC模块和DC/AC模块的结构如图4所示。
本发明输入级采用模块化串联的结构，通过增加模块数可以实现提高电压等级的目的，并且易于扩展和维护，输出级电压恒定，不随负载的变化而变化。可提供灵活的交、直流接口，便于分布式电源的接入，能够更好地为交直流配电网中的直流负荷供电。另外，本发明通过MMC结构和隔离级DC-DC变换器能够保证直流电容电压的平衡，箝位双子模块结构保证了在直流侧发生故障时，可以实现故障的快速自清除。

Claims (10)

1.一种应用于交直流配电网的电力电子变压器，其特征在于，所述的电力电子变压器由输入级、隔离级和输出级构成，所述输入级为模块化多电平换流器结构，由多个串联的箝位双子模块组成，交流侧接至10kV交流电网，上桥臂的正极和下桥臂的负极分别接至10kV直流网络的正负极；所述隔离级由与输入级子模块数量相同的DC/AC模块、高频变压器及AC/DC模块构成，直流输入端口与输入级子模块相连，直流输出端口连接至低压直流网络；所述输出级包含一个或多个DC/AC模块，用于向低压交流负荷供电，也可以接一个或多个DC/DC模块，用于向低压直流负荷供电。
2.根据权利要求1所述的应用于交直流配电网的电力电子变压器，其特征在于：所述输入级的MMC结构由三相三桥臂组成，每相桥臂分为上桥臂和下桥臂，每个桥臂均包含一个桥臂电抗和N个结构相同的箝位双子模块，所述子模块采用串联连接的形式，一端经桥臂电抗形成交流接口相连，另一端则形成直流接口。
3.根据权利要求1所述的应用于交直流配电网的电力电子变压器，其特征在于：所述隔离级DC-DC变换器包含DC/AC模块、高频变压器及AC/DC模块。
4.根据权利要求3所述的应用于交直流配电网的电力电子变压器，其特征在于：所述DC/AC模块、高频变压器及AC/DC模块的数量与输入级子模块相同，DC/AC模块的直流输入端与输入级子模块的直流输出端相连，二者共用直流侧电容，AC/DC模块直流输出端采取并联连接的形式，并与低压直流电网连接。
5.根据权利要求3所述的应用于交直流配电网的电力电子变压器，其特征在于：所述高频变压器的原边连接至DC/AC模块的交流侧，副边连接至AC/DC模块的交流输入侧。
6.根据权利要求1所述的应用于交直流配电网的电力电子变压器，其特征在于：所述输出级包含一个或多个DC/AC模块及DC/DC模块，所述模块的直流输入端连接至低压直流电网，其中DC/AC模块交流输出端连接至交流负荷，DC/DC模块直流输出端连接至直流负荷。
7.根据权利2所述的应用于交直流配电网的电力电子变压器，其特征在于：所述输入级箝位双子模块由两个半桥电路、两个箝位二极管、一个带续流二极管的引导绝缘栅双极型晶体管（Insulated-gate-bipolar Transistor，IGBT）以及并联电容构成，所述半桥电路由两组IGBT和与之反并联的续流二极管组成。
8.根据权利3或4所述的应用于交直流配电网的电力电子变压器，其特征在于：所述DC/AC模块包括四组IGBT和与之反并联的续流二极管，构成H桥结构。
9.根据权利3所述的应用于交直流配电网的电力电子变压器，其特征在于：所述AC/DC模块包括四组IGBT和与之反并联的续流二极管，构成H桥结构，同时直流输出端并联有电容。
10.根据权利4所述的应用于交直流配电网的电力电子变压器，其特征在于：所述DC/DC模块包括两组IGBT和与之反并联的续流二极管，构成半桥结构。
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