CN107104600A - 模块化多电平变换器及电力电子变压器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种模块化多电平变换器和一种电力电子变压器，所述模块化多电平变换器包括：一低频交流转直流模块，包括三个并联在输出端V1、V2之间的分支电路，每一分支电路由复数IGBT半桥电路串联而成，且所述分支电路中间位置的两个相邻的IGBT半桥电路的电联接点N0与一电压输入端Vin相连；一直流转高频交流模块，连接在所述输出端V1、V2之间，所述直流转高频交流模块由复数IGBT半桥电路串联而成，所述直流转高频交流模块具有复数组输出端。本发明的模块化多电平变换器和电力电子变压器具有较小的体积、较低的成本和较佳的使用稳定性。

Description

模块化多电平变换器及电力电子变压器
技术领域
本发明涉及变压器技术领域，特别涉及一种模块化多电平变换器和一种电力电子变压器。
背景技术
变压器是电力***所用到的关键装置。在电力***中，变压器将发电厂发出的电压升高后进行远距离输电，到达目的地以后再用变压器将电压降低以供用户使用。因此，在整个电力***中，变压器是最为常见和重要的装置之一。
请参见图1，传统的变压器包括三个主要部分，分别为铁芯、原边线圈和副边线圈，原边线圈和副边线圈分别绕设于铁芯上，原边线圈与电源连接，副边线圈与负载连接。铁芯一般由铁制成，铁芯为变压器的原边和副边提供磁回路，且将原边和副边隔离。然而，此种变压器体积大，重量重，一旦原边侧的电压波形确定，副边侧的电压波形也就确定，不可控，波形大小、频率和质量均无法调节。另外，此种变压器没有冗余，当出现问题时，需要关闭进行维修。
随着用户需求的变化，出现越来越多的非线性负载和谐波负载，负载的需求越来越大，且具有间歇性和多样性，电力电子变压器应运而生。一种现有的电力电子变压器，由高压级、隔离级和低压级三级组成，所述电力电子变压器采用模块化级联结构。为了使原边电流谐波较小，在每一级联模块下需加设移相变压器，然而，移相变压器的体积大，成本较高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提出一种模块化多电平变换器和一种电力电子变压器，具有较小的体积、较低的成本和较佳的使用稳定性。
本发明提供了一种模块化多电平变换器，其包括：
一低频交流转直流模块，包括三个并联在输出端V1、V2之间的分支电路，每一分支电路由复数IGBT半桥电路串联而成，且所述分支电路中间位置的两个相邻的IGBT半桥电路的电联接点N0与一电压输入端Vin相连；
一直流转高频交流模块，连接在所述输出端V1、V2之间，所述直流转高频交流模块由复数IGBT半桥电路串联而成，所述直流转高频交流模块具有复数组输出端，每组输出端包括一第一输出端V3和一第二输出端V4，所述第一输出端V3与所述IGBT半桥电路中的两个相邻的IGBT半桥电路间的电联接点N1相连，所述第二输出端V4与所述IGBT半桥电路中的另两个相邻的IGBT半桥电路间的电联接点N2相连。
在模块化多电平变换器的一种示意性实施例中，所述IGBT半桥电路包括一第一电容C1、一第一IGBT管IGBT1及一第二IGBT管IGBT2，所述第一IGBT管IGBT1和所述第二IGBT管IGBT2串联后与所述第一电容C1并联；所述第一IGBT管IGBT1的集电极和所述第一电容C1的正极相连，所述第一IGBT管IGBT1的发射极和所述第二IGBT管IGBT2的集电极相连并作为一第一连接端子，所述第二IGBT管IGBT2的发射极和所述第一电容C1的负极相连并作为一第二连接端子，所述第二连接端子与相邻的所述IGBT半桥电路的所述第一连接端子相连。
在模块化多电平变换器的一种示意性实施例中，所述直流转高频交流模块中每两个相邻的IGBT半桥电路间的电联接点与所述第一输出端V3或所述第二输出端V4相连。
在模块化多电平变换器的一种示意性实施例中，所述低频交流转直流模块还包括偶数个电感L，所述电感L串联于所述分支电路的中间位置，且所述电感L串联在所述第一连接端子和与其相邻的所述第二连接端子之间，所述偶数个电感L中间的电联接点N0与所述电压输入端Vin相连。
本发明还提供了一种电力电子变压器，其包括：上述的模块化多电平变换器；
复数高频变压模块，每一高频变压模块与对应的所述第一输出端V3及所述第二输出端V4相连；
复数高频交流变低频交流模块，每一高频交流变低频交流模块与对应的所述高频变压模块相连。
在电力电子变压器的一种示意性实施例中，所述高频变压模块包括一变压器T1和一第二电容C2，所述变压器T1的原边线圈与对应的所述第一输出端V3及所述第二输出端V4相连，所述变压器T1的副边线圈的输出端V5、V6与所述高频交流变低频交流模块相连。
在电力电子变压器的一种示意性实施例中，所述高频交流变低频交流模块包括复数二极管D1、D2、D3、D4、一第三电容C3和复数IGBT管IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6、IGBT7、IGBT8，所述二极管D1和所述二极管D2构成一第一桥臂，所述二极管D3和所述二极管D4构成一第二桥臂，所述二极管D1和所述二极管D2间的电联接点与所述输出端V5相连，所述二极管D3和所述二极管D4间的电联接点与所述输出端V6相连；所述IGBT管IGBT3和所述IGBT管IGBT4构成一第三桥臂，所述IGBT管IGBT5和所述IGBT管IGBT6构成一第四桥臂，所述IGBT管IGBT7和所述IGBT管IGBT8构成一第五桥臂，所述第三电容C3、所述第一桥臂、所述第二桥臂、所述第三桥臂、所述第四桥臂及所述第五桥臂并联，三个电压输出端Vout分别与所述IGBT管IGBT3和所述IGBT管IGBT4间的电联接点、分别与所述IGBT管IGBT5和所述IGBT管IGBT6间的电联接点、所述IGBT管IGBT7和所述IGBT管IGBT8间的电联接点相连。
从上述方案中可以看出，在本发明的模块化多电平变换器及电力电子变压器中，低频交流转直流模块和直流转高频交流模块均包括复数串联的IGBT半桥电路，采用IGBT半桥电路而无需设置移相变压器，从而有利于减小体积，降低成本；此外，直流转高频交流模块具有复数输出端，每一输出端的电压数值可依照实际需求设定，当一组输出端出现故障时，其他输出端可正常使用，而不需要立即停机维修，有利于降低成本，提升使用的稳定性。
附图说明
下面将通过参照附图详细描述本发明的优选实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点，附图中：
图1为传统的变压器的结构示意图。
图2为本发明一实施例的电力电子变压器的架构示意图。
图3为图2所示的电力电子变压器的模块化多电平变换器的一实施例的拓扑结构图。
图4为图3所示的模块化多电平变换器的IGBT半桥电路的一实施例的电路图。
图5为图2所示的电力电子变压器的高频变压模块和高频交流变低频交流模块的一实施例的电路图。
在上述附图中，所采用的附图标记如下：
100 电力电子变压器
10 模块化多电平变换器
12 低频交流转直流模块
122 分支电路
123 IGBT半桥电路
124 第一连接端子
125 第二连接端子
13 直流转高频交流模块
20 高频变压模块
30 高频交流变低频交流模块
N0、N1、N2 电联接点
Vin 电压输入端
L 电感
IGBT1 第一IGBT管
IGBT2 第二IGBT管
IGBT3、IGBT4、IGBT5、
IGBT管
IGBT6、IGBT7、IGBT8
C1 第一电容
C2 第二电容
C3 第三电容
V1、V2、V5、V6 输出端
V3 第一输出端
V4 第二输出端
D1、D2、D3、D4 二极管
Vout 电压输出端
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举实施例对本发明进一步详细说明。
图2为本发明一实施例的电力电子变压器的架构示意图。请参见图2，本实施例的电力电子变压器100包括模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)10、复数高频变压模块20和复数高频交流变低频交流模块30，其中，模块化多电平变换器10包括低频交流转直流模块12和直流转高频交流模块13。
具体地，图3为图2所示的电力电子变压器的模块化多电平变换器的一实施例的拓扑结构图，请参见图3，低频交流转直流模块12包括三个并联在输出端V1、V2之间的分支电路122，每一分支电路122由复数IGBT半桥电路123串联而成，且分支电路122中间位置的两个相邻的IGBT半桥电路123的电联接点N0与一电压输入端Vin相连。其中，电压输入端Vin为三个，三个电压输入端Vin分别对应于三相电的一个相。IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor)是指绝缘栅双极型晶体管，IGBT是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降的优点。
图4为图3所示的模块化多电平变换器的IGBT半桥电路的一实施例的电路图。请一并参见图4，IGBT半桥电路123包括第一电容C1、第一IGBT管IGBT1及第二IGBT管IGBT2。第一IGBT管IGBT1和第二IGBT管IGBT2串联后与第一电容C1并联。第一IGBT管IGBT1的集电极和第一电容C1的正极相连，第一IGBT管IGBT1的发射极和第二IGBT管IGBT2的集电极相连并作为一第一连接端子124，第二IGBT管IGBT2的发射极和第一电容C1的负极相连并作为一第二连接端子125，第二连接端子125与相邻的IGBT半桥电路123的第一连接端子124相连。
需要说明的是，IGBT半桥电路123所包含的电子元件及电子元件间的连接不以图4为限，IGBT半桥电路123的结构可依照实际需求任意设定。
低频交流转直流模块12还包括偶数个电感L，电感L串联于分支电路122的中间位置的两个相邻的IGBT半桥电路123之间，且电感L串联在第一连接端子124和与其相邻的所述第二连接端子125之间，所述偶数个电感L中间的电联接点与所述电压输入端Vin相连。换言之，对于每一分支电路122，图3所示的电联接点N0位于分支电路122的正中间，分支电路122上的电子元器件相对于电联接点N0为对称关系。在本实施例中，每一分支电路122包括两个电感L，两个电感L分别位于电联接点N0的上方和下方。
直流转高频交流模块13连接在输出端V1、V2之间。直流转高频交流模块13由复数IGBT半桥电路123串联而成，直流转高频交流模块13具有复数组输出端，每组输出端包括第一输出端V3和第二输出端V4。第一输出端V3与IGBT半桥电路123中的两个相邻的IGBT半桥电路123间的电联接点N1相连，第二输出端V4与IGBT半桥电路123中的另两个相邻的IGBT半桥电路123间的电联接点N2相连。
在本实施例中，直流转高频交流模块13中每两个相邻的IGBT半桥电路123的电联接点与第一输出端V3或第二输出端V4相连，从图3中可以看出，在直流转高频交流模块13的从上至下的IGBT半桥电路123中，第一个IGBT半桥电路123和第二个IGBT半桥电路123间的电联接点N1与第一输出端V3相连，第三个IGBT半桥电路123和第四个IGBT半桥电路123间的电联接点N2与第二输出端V4相连；也就是说，在本实施例中，每两个相邻的IGBT半桥电路123的电联接点作为一输出端，但本发明不以此为限，在其他实施例中，第一输出端V3和第二输出端V4的设置位置可依照实际对输出电压的需求而定。例如，第一个IGBT半桥电路123和第二个IGBT半桥电路123间的电联接点作为第一输出端，第四个IGBT半桥电路123和第五个IGBT半桥电路123间的电联接点作为第二输出端，相邻的第三个IGBT半桥电路123和第四个IGBT半桥电路123间不设置输出端。
图5为图2所示的电力电子变压器的高频变压模块和高频交流变低频交流模块的一实施例的电路图。请参见图5，高频变压模块20包括变压器T1和第二电容C2，变压器T1的原边线圈与对应的第一输出端V3及第二输出端V4相连，变压器T1的副边线圈的输出端V5、V6与高频交流变低频交流模块30相连。
高频交流变低频交流模块30包括复数二极管D1、D2、D3、D4、第三电容C3和复数IGBT管IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6、IGBT7、IGBT8，二极管D1和二极管D2构成一第一桥臂，二极管D3和二极管D4构成一第二桥臂，二极管D1和二极管D2间的电联接点与输出端V5相连，二极管D3和二极管D4间的电联接点与输出端V6相连。IGBT管IGBT3和IGBT管IGBT4构成一第三桥臂，IGBT管IGBT5和IGBT管IGBT6构成一第四桥臂，IGBT管IGBT7和IGBT管IGBT8构成一第五桥臂，第三电容C3、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂及第五桥臂并联，三个电压输出端Vout分别与IGBT管IGBT3和IGBT管IGBT4间的电联接点、分别与IGBT管IGBT5和IGBT管IGBT6间的电联接点、IGBT管IGBT7和IGBT管IGBT8间的电联接点相连。
工作时，由于低频交流转直流模块12的三个分支电路122分别包括复数IGBT半桥电路123，当三相电从电压输入端Vin输入时，通过第一IGBT管IGBT1和第二IGBT管IGBT2的导通或截止，可将低频交流电转换为直流电，且直流电由输出端V1、V2输出。直流电由输出端V1、V2输入直流转高频交流模块13，直流转高频交流模块13由复数IGBT半桥电路123串联而成，对于每一IGBT半桥电路123，当第一IGBT管IGBT1导通时，第二IGBT管IGBT2截止，第一连接端子124和第二连接端子125间的电压即等于第一电容C1的电压，输出电压大于0；当第一IGBT管IGBT1截止时，第二IGBT管IGBT2导通，第一连接端子124和第二连接端子125间短路，输出电压等于0。由于第二连接端子125与相邻的IGBT半桥电路123的第一连接端子124相连，而第一输出端V3或第二输出端V4与相邻的IGBT半桥电路123间的电联接点相连，第一输出端V3和第二输出端V4间的电压总大于或等于0。与此同时，直流转高频交流模块13将直流电转换为高频交流电，并设有多组输出端V3、V4。输出端V3、V4的数量及输出的电压值可依照实际情况任意设定。
高频变压模块20对输出端V3、V4输出的高频交流电进行高压隔离，最后，高频交流变低频交流模块30将由高频变压模块20的输出端V5、V6输出的高频交流电转换为低频交流电，并使所述低频交流电由电压输出端Vout输出。
本发明的模块化多电平变换器及电力电子变压器至少具有以下的优点：
1.在本发明的模块化多电平变换器及电力电子变压器中，低频交流转直流模块和直流转高频交流模块均包括复数串联的IGBT半桥电路，采用IGBT半桥电路而无需设置移相变压器，从而有利于减小体积，降低成本；此外，直流转高频交流模块具有复数输出端，每一输出端的电压数值可依照实际需求设定，当一组输出端出现故障时，其他输出端可正常使用，而不需要立即停机维修，有利于降低成本，提升使用的稳定性。
2.在本发明的模块化多电平变换器及电力电子变压器的一个实施例中，电感L串联于分支电路的中间位置，且电感L串联在第一连接端子和与其相邻的第二连接端子之间，偶数个电感L中间的电联接点N0与电压输入端Vin相连，从而使得输入电压更加稳定。
3.在本发明的模块化多电平变换器及电力电子变压器的一个实施例中，低频交流转直流模块和直流转高频交流模块均设置有IGBT半桥电路，频交流转直流模块可有效将低频交流电转换为直流电；IGBT半桥电路可使直流转高频交流模块输出的电压值大于或等于0，且可依照实际情况作调整，以满足用户的不同需求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模块化多电平变换器(10)，其特征在于，所述模块化多电平变换器(10)包括：
一低频交流转直流模块(12)，包括三个并联在输出端(V1、V2)之间的分支电路(122)，每一分支电路(122)由复数IGBT半桥电路(123)串联而成，且所述分支电路(122)中间位置的两个相邻的IGBT半桥电路(123)的电联接点(N0)与一电压输入端(Vin)相连；
一直流转高频交流模块(13)，连接在所述输出端(V1、V2)之间，所述直流转高频交流模块(13)由复数IGBT半桥电路(123)串联而成，所述直流转高频交流模块(13)具有复数组输出端，每组输出端包括一第一输出端(V3)和一第二输出端(V4)，所述第一输出端(V3)与所述IGBT半桥电路(123)中的两个相邻的IGBT半桥电路(123)间的电联接点(N1)相连，所述第二输出端(V4)与所述IGBT半桥电路(123)中的另两个相邻的IGBT半桥电路(123)间的电联接点(N2)相连。
2.如权利要求1所述的模块化多电平变换器(10)，其特征在于，所述IGBT半桥电路(123)包括一第一电容(C1)、一第一IGBT管(IGBT1)及一第二IGBT管(IGBT2)，所述第一IGBT管(IGBT1)和所述第二IGBT管(IGBT2)串联后与所述第一电容(C1)并联；所述第一IGBT管(IGBT1)的集电极和所述第一电容(C1)的正极相连，所述第一IGBT管(IGBT1)的发射极和所述第二IGBT管(IGBT2)的集电极相连并作为一第一连接端子(124)，所述第二IGBT管(IGBT2)的发射极和所述第一电容(C1)的负极相连并作为一第二连接端子(125)，所述第二连接端子(125)与相邻的所述IGBT半桥电路(123)的所述第一连接端子(124)相连。
3.如权利要求1所述的模块化多电平变换器(10)，其特征在于，所述直流转高频交流模块(13)中每两个相邻的IGBT半桥电路(123)间的电联接点与所述第一输出端(V3)或所述第二输出端(V4)相连。
4.如权利要求2所述的模块化多电平变换器(10)，其特征在于，所述低频交流转直流模块(12)还包括偶数个电感(L)，所述电感(L)串联于所述分支电路(122)的中间位置，且所述电感(L)串联在所述第一连接端子(124)和与其相邻的所述第二连接端子(125)之间，所述偶数个电感(L)中间的电联接点(N0)与所述电压输入端(Vin)相连。
5.一种电力电子变压器(100)，其特征在于，所述电力电子变压器(100)包括：
一模块化多电平变换器(10)，其包括：
一低频交流转直流模块(12)，包括三个并联在输出端(V1、V2)之间的分支电路(122)，每一分支电路(122)由复数IGBT半桥电路(123)串联而成，且所述分支电路(122)中间位置的两个相邻的IGBT半桥电路(123)的电联接点(N0)与一电压输入端(Vin)相连；
一直流转高频交流模块(13)，连接在所述输出端(V1、V2)之间，所述直流转高频交流模块(13)由复数IGBT半桥电路(123)串联而成，所述直流转高频交流模块(13)具有复数组输出端，每组输出端包括一第一输出端(V3)和一第二输出端(V4)，所述第一输出端(V3)与所述IGBT半桥电路(123)中的两个相邻的IGBT半桥电路(123)间的电联接点(N1)相连，所述第二输出端(V4)与所述IGBT半桥电路(123)中的另两个相邻的IGBT半桥电路(123)间的电联接点(N2)相连；
复数高频变压模块(20)，每一高频变压模块(20)与对应的所述第一输出端(V3)及所述第二输出端(V4)相连；
复数高频交流变低频交流模块(30)，每一高频交流变低频交流模块(30)与对应的所述高频变压模块(20)相连。
6.如权利要求5所述的电力电子变压器(100)，其特征在于，所述IGBT半桥电路(123)包括一第一电容(C1)、一第一IGBT管(IGBT1)及一第二IGBT管(IGBT2)，所述第一IGBT管(IGBT1)和所述第二IGBT管(IGBT2)串联后与所述第一电容(C1)并联；所述第一IGBT管(IGBT1)的集电极和所述第一电容(C1)的正极相连，所述第一IGBT管(IGBT1)的发射极和所述第二IGBT管(IGBT2)的集电极相连并作为一第一连接端子(124)，所述第二IGBT管(IGBT2)的发射极和所述第一电容(C1)的负极相连并作为一第二连接端子(125)，所述第二连接端子(125)与相邻的所述IGBT半桥电路(123)的所述第一连接端子(124)相连。
7.如权利要求5所述的电力电子变压器(100)，其特征在于，所述直流转高频交流模块(13)中每两个相邻的IGBT半桥电路(123)间的电联接点与所述第一输出端(V3)或所述第二输出端(V4)相连。
8.如权利要求6所述的电力电子变压器(100)，其特征在于，所述低频交流转直流模块(12)还包括偶数个电感(L)，所述电感(L)串联于所述分支电路(122)的中间位置，且所述电感(L)串联在所述第一连接端子(124)和与其相邻的所述第二连接端子(125)之间，所述偶数个电感(L)中间的电联接点(N0)与所述电压输入端(Vin)相连。
9.如权利要求5所述的电力电子变压器(100)，其特征在于，所述高频变压模块(20)包括一变压器(T1)和一第二电容(C2)，所述变压器(T1)的原边线圈与对应的所述第一输出端(V3)及所述第二输出端(V4)相连，所述变压器(T1)的副边线圈的输出端(V5、V6)与所述高频交流变低频交流模块(30)相连。
10.如权利要求9所述的电力电子变压器(100)，其特征在于，所述高频交流变低频交流模块(30)包括复数二极管(D1、D2、D3、D4)、一第三电容(C3)和复数IGBT管(IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6、IGBT7、IGBT8)，所述二极管(D1)和所述二极管(D2)构成一第一桥臂，所述二极管(D3)和所述二极管(D4)构成一第二桥臂，所述二极管(D1)和所述二极管(D2)间的电联接点与所述输出端(V5)相连，所述二极管(D3)和所述二极管(D4)间的电联接点与所述输出端(V6)相连；所述IGBT管(IGBT3)和所述IGBT管(IGBT4)构成一第三桥臂，所述IGBT管(IGBT5)和所述IGBT管(IGBT6)构成一第四桥臂，所述IGBT管(IGBT7)和所述IGBT管(IGBT8)构成一第五桥臂，所述第三电容(C3)、所述第一桥臂、所述第二桥臂、所述第三桥臂、所述第四桥臂及所述第五桥臂并联，三个电压输出端(Vout)分别与所述IGBT管(IGBT3)和所述IGBT管(IGBT4)间的电联接点、分别与所述IGBT管(IGBT5)和所述IGBT管(IGBT6)间的电联接点、所述IGBT管(IGBT7)和所述IGBT管(IGBT8)间的电联接点相连。
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