CN113162447A - 一种基于降压型ac-dc和中频隔离型dc-dc的电力电子变压器 - Google Patents

一种基于降压型ac-dc和中频隔离型dc-dc的电力电子变压器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于降压型AC‑DC和中频隔离型DC‑DC的电力电子变压器，降压型AC‑DC换流器与中频隔离型DC‑DC换流器通过直流端口相连接，且降压型AC‑DC换流器与中频隔离型DC‑DC换流器的子模块数量相解耦。本发明采用子模块数量相解耦的降压型AC‑DC换流器和中频隔离型DC‑DC换流器来构建电力电子变压器，降压型AC‑DC换流器引入电力电子变压器的拓扑中，降低了电力电子变压器中第一直流端口的电压等级，进而减小中频隔离型DC‑DC换流器中的子模块数量，以实现紧凑化设计，显著地降低***的成本和体积，提高功率密度和运行效率；同时，该电力电子变压器具有多种类型的交直流端口，便于实现“源‑网‑荷‑储”***的能量一体化管理。

Description

一种基于降压型AC-DC和中频隔离型DC-DC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，特别涉及一种基于降压型AC-DC和中频隔离型DC-DC的电力电子变压器。
背景技术
随着能源紧缺和环境污染问题的日益突出，大规模新能源发电、高渗透分布式发电、新能源交通工具以及大规模储能***等的发展趋势不可逆转。电力***也正向“源–网–荷–储”协调优化运行的新阶段发展，并将成为未来能源互联网的核心和纽带。传统电力***是自上而下的树状结构；在其电源、电网、负荷、储能等各个环节中，可用于调控的一次装备主要是分段和联络开关、变压器分接头、投切电容器等非智能手段，且具有操作寿命有限、调节精度较低的缺点。而未来电力***是由自下而上的电能自治单元通过对等互联形成的，是一个开放、互联、对等、分享的体系；这个体系要求信息和电能的高度融合，要求具备精确、连续、快速、灵活的调控手段；在这种背景催生下，基于电力电子技术的“电能路由器”概念应运而生。
近年来，电力电子装置与***已经可以满足广泛的应用需求，包括家用电器、不间断电源、工业生产、机车牵引及新型电力***等各个行业。面向这些应用的电力电子装置正朝着高功率密度、高能量密度、高效能及智能化、模块化的方向发展，并呈现出新的特点：1)更多地采用硅基功率半导体模块组合技术和宽禁带功率半导体器件；2)更多地采用由多个变换单元灵活组合的方式构成的多功能变换器；3)更多地形成多端口、多级联、多流向和多形态的电能变换形式。以上所述特点都大大提高了电力电子装置的变换效率和路由能力，奠定了电能路由器的技术基础。由于能源互联网的形式多样，电能路由器的组网形式也呈现多样化的趋势。
因此，如何实现多端口、低成本、高功率密度的紧凑化电力电子变压器设计成为亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的技术目的是提供一种基于降压型AC-DC和中频隔离型DC-DC的电力电子变压器，该电力电子变压器的降压型AC-DC换流器和中频隔离型DC-DC换流器的子模块数量相解耦，通过将降压型AC-DC换流器引入电力电子变压器的拓扑中，有效减少中频隔离型DC-DC换流器中的子模块数量，降低了***的成本和体积，同时该电力电子变压器具有多种类型的交直流端口，便于实现“源-网-荷-储”***的能量一体化管理。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：一种基于降压型AC-DC和中频隔离型DC-DC的电力电子变压器，电力电子变压器包括降压型AC-DC换流器和中频隔离型DC-DC换流器，降压型AC-DC换流器与中频隔离型DC-DC换流器通过直流端口相连接，且降压型AC-DC换流器与中频隔离型DC-DC换流器的子模块数量相解耦。
进一步地，所述降压型AC-DC换流器的交流侧接入交流电网或交流电源，所述降压型AC-DC换流器的直流侧通过第一直流端口与中频隔离型DC-DC换流器相连；所述中频隔离型DC-DC换流器的第二直流端口连接储能***或逆变器***。
进一步地，所述降压型AC-DC换流器的交流侧电压Vacp和直流侧电压Vdc满足：Vacp≤Vdc。
进一步地，所述降压型AC-DC换流器的拓扑结构采用全桥型模块化多电平换流器结构或混合型模块化多电平换流器结构。
进一步地，所述降压型AC-DC换流器用于降低第一直流端口的电压等级，以减小后级中频隔离型DC-DC换流器的子模块数量。
进一步地，所述中频隔离型DC-DC换流器的工作频率小于2kHz。
进一步地，所述中频隔离型DC-DC换流器采用额定电压等级≥3.3kV的高压器件。
进一步地，所述高压器件的类型为绝缘栅双极型晶体管或集成门极换流晶闸管。
进一步地，所述中频隔离型DC-DC换流器的拓扑结构采用模块化组合型、器件串联型或模块化多电平换流器型。
进一步地，所述中频隔离型DC-DC换流器的拓扑结构采用具有多绕组隔离变压器进行构建，以实现多端口或双极运行。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明首次将降压型AC-DC换流器引入电力电子变压器的拓扑中，采用子模块数量相解耦的降压型AC-DC换流器和中频隔离型DC-DC换流器来构建电力电子变压器，其中降压型AC-DC换流器用来降低电力电子变压器中第一直流端口的电压等级，以此来减小中频隔离型DC-DC换流器中的子模块数量，DC-DC换流器采用中频隔离和高压器件进行构建以实现紧凑化设计，也可采用具有多绕组隔离变压器进行构建以实现多端口或双极运行，进而可以显著地降低***的成本和体积，提高功率密度和运行效率；同时，该电力电子变压器具有多种类型的交直流端口，便于实现“源-网-荷-储”***的能量一体化管理。
附图说明
图1为本发明基于降压型AC-DC和中频隔离型DC-DC换流器的电力电子变压器结构示意图；
图2为全桥降压型MMC拓扑结构；
图3为混合降压型MMC拓扑结构；
图4为输入串联输出并联型DC-DC拓扑结构；
图5为器件串联型DC-DC拓扑结构；
图6为MMC型DC-DC拓扑结构；
图7为五电平MMC拓扑结构；
图8为通过多绕组隔离变压器来构造第二直流端口为多端口的中频隔离型DC-DC换流器。
其中的附图标记为：降压型AC-DC换流器1、中频隔离型DC-DC换流器2。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。以下实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图1所示，本发明提供了一种基于降压型AC-DC和中频隔离型DC-DC的电力电子变压器，包括降压型AC-DC换流器1和中频隔离型DC-DC换流器2；降压型AC-DC换流器1的交流侧用于接入交流电网/交流电源，降压型AC-DC换流器1的直流侧通过第一直流端口与中频隔离型DC-DC换流器2相连；而中频隔离型DC-DC换流器2的第二直流端口可以进一步连接储能***或逆变器***；且降压型AC-DC换流器1与中频隔离型DC-DC换流器2的子模块数量相解耦，即降压型AC-DC换流器1的子模块数量仅根据直流端口电压确定，而与中频隔离型DC-DC换流器2的子模块数量无关，相较于传统的级联H桥型电力电子变压器中，级联H桥的子模块数量必须与DC-DC换流器的子模块数量相同，本***的设计无一定约束性。
其中，降压型AC-DC换流器1的交流侧电压Vacp和直流侧电压Vdc满足：Vacp≤Vdc，即交流侧电压的峰值应小于直流侧电压；降压型AC-DC换流器1的拓扑结构采用全桥型模块化多电平换流器(MMC)结构(如图2所示)或混合型模块化多电平换流器结构(如图3所示)或其他能实现降压功能的AC-DC换流器，用于降低第一直流端口的电压等级，从而减小后级中频隔离型DC-DC换流器2的子模块数量，降低***成本，提高功率密度。
其中，全桥型模块化多电平换流器(MMC)即每一个子模块均为全桥的MMC换流器，而混合型模块化多电平换流器则是指所采用的子模块中既包含全桥也包含半桥的MMC换流器。
对基于全桥子模块的三相MMC，由于其相比半桥子模块额外多了负电平输出的能力，可以通过合适的调制方式使其在保证其直流电压恒定的前提下实现降压运行。在降压情况下，随着负投入子模块个数增加，交流电压峰值增高，端口电平数也会增加，使得输出波形质量更好，控制更为灵活。
为更直观地说明三相全桥MMC换流器降压原理，以如图7(a)所示的单桥臂四模块，即五电平MMC拓扑结构来分析。
额定情况下，交流侧的输出电压uva在一个MMC工频周期内需经历八个不同的工作状态，如图7(b)所示。假设直流侧电压Udc的中点电位为电压参考点，则会出现五种电平状态。降压N0为2的情况下，交流侧的输出电压uva在一个MMC工频周期内需经历十二个不同的工作状态，如图7(c)所示。最多负投入两个子模块，uva的峰峰值也较额定情况升高1.5倍，其电平数由额定的五电平升至七电平。因为MMC的电平数直接影响到其输出交流电压的波形质量，所以此时交流侧的输出电压uva波形质量较额定运行时有所提高。可以看出，通过调制作用使得其能够在保持直流电压恒定的情况下，输出交流相电压峰值略高于单极电流电压，可有效降低输入换流器的电流，进而降低换流器的运行损耗。
其中，中频隔离型DC-DC换流器2的拓扑结构采用模块化组合型(例如：输入串联输出并联，如图4所示)、器件串联型(如图5所示)或MMC型(如图6所示)，也可以采用具有多绕组隔离变压器进行构建，以实现多端口或双极运行；
其中，模块化组合型DC-DC换流器是通过多个中频隔离型DC-DC换流器2在两侧的直流端口进行串并联组合而成，以提高换流器的电压和电流容量等级。其中，两端的直流端口的连接方式可以为串联连接或并联连接，图4给出了模块化组合型DC-DC换流器是在输入侧进行串联连接构造出第一直流端口，而在输出侧进行并联连接构造出第二直流端口。模块化组合型DC-DC换流器避免了开关器件的直接串联，不仅实现了高低压等级的变换，还实现了高低压直流母线的电气隔离以及功率的双向流动。
器件串联型DC-DC换流器是指采用功率器件直接串联的方式来构造满足中高压大容量的DC-DC换流器，即在每一个桥臂中直接串联一定数量的开关管，如图5所示。该方案具有较好的经济性和较高的功率密度，但是该技术方案对于***回路的杂散电感具有较高的要求。
MMC型DC-DC换流器是基于模块化多电平的思想进行构造的，如图6所示。相比于器件串联型的DC-DC换流器，MMC型DC-DC换流器通过将一系列的子模块进行串并联组合以支撑较高的电压等级，该技术方案可以有效减少器件串联的难度和可靠性，但是器件数量增加了一倍。
图8给出了通过多绕组隔离变压器来构造第二直流端口为多端口的中频隔离型DC-DC换流器2，通过引入多绕组隔离变压器，可以在第二端口处构造出离散的多直流端口，或通过合适的连接实现双极运行。
进一步地，中频隔离型DC-DC换流器2的工作频率小于2kHz；中频隔离型DC-DC换流器2采用高压器件(额定电压等级≥3.3kV)以降低子模块数量，高压器件类型可以是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或集成门极换流晶闸管(IGCT)。
本发明通过采用降压型AC-DC换流器1和中频隔离型DC-DC换流器2来构建电力电子变压器，可以显著地降低***的成本和体积，提高功率密度和运行效率；同时，该电力电子变压器具有多种类型的交直流端口，便于实现“源-网-荷-储”***的能量一体化管理。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于降压型AC-DC和中频隔离型DC-DC的电力电子变压器，其特征在于，所述电力电子变压器包括降压型AC-DC换流器(1)和中频隔离型DC-DC换流器(2)，所述降压型AC-DC换流器(1)与中频隔离型DC-DC换流器(2)通过直流端口相连接，且降压型AC-DC换流器(1)与中频隔离型DC-DC换流器(2)的子模块数量相解耦。
2.根据权利要求1所述的基于降压型AC-DC和中频隔离型DC-DC的电力电子变压器，其特征在于：所述降压型AC-DC换流器(1)的交流侧接入交流电网或交流电源，所述降压型AC-DC换流器(1)的直流侧通过第一直流端口与中频隔离型DC-DC换流器(2)相连；所述中频隔离型DC-DC换流器(2)的第二直流端口连接储能***或逆变器***。
3.根据权利要求1所述的基于降压型AC-DC和中频隔离型DC-DC的电力电子变压器，其特征在于：所述降压型AC-DC换流器(1)的交流侧电压Vacp和直流侧电压Vdc满足：Vacp≤Vdc。
4.根据权利要求1所述的基于降压型AC-DC和中频隔离型DC-DC的电力电子变压器，其特征在于：所述降压型AC-DC换流器(1)的拓扑结构采用全桥型模块化多电平换流器结构或混合型模块化多电平换流器结构。
5.根据权利要求1所述的基于降压型AC-DC和中频隔离型DC-DC的电力电子变压器，其特征在于：所述降压型AC-DC换流器(1)用于降低第一直流端口的电压等级，以减小后级中频隔离型DC-DC换流器(2)的子模块数量。
6.根据权利要求1所述的基于降压型AC-DC和中频隔离型DC-DC的电力电子变压器，其特征在于：所述中频隔离型DC-DC换流器(2)的工作频率小于2kHz。
7.根据权利要求1所述的基于降压型AC-DC和中频隔离型DC-DC的电力电子变压器，其特征在于：所述中频隔离型DC-DC换流器(2)采用额定电压等级≥3.3kV的高压器件。
8.根据权利要求7所述的基于降压型AC-DC和中频隔离型DC-DC的电力电子变压器，其特征在于：所述高压器件的类型为绝缘栅双极型晶体管或集成门极换流晶闸管。
9.根据权利要求1所述的基于降压型AC-DC和中频隔离型DC-DC的电力电子变压器，其特征在于：所述中频隔离型DC-DC换流器(2)的拓扑结构采用模块化组合型、器件串联型或模块化多电平换流器型。
10.根据权利要求1所述的基于降压型AC-DC和中频隔离型DC-DC的电力电子变压器，其特征在于：所述中频隔离型DC-DC换流器(2)的拓扑结构采用具有多绕组隔离变压器进行构建，以实现多端口或双极运行。
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