雙向潮流控制的多電平互平衡固態(tài)變壓器及其實(shí)現(xiàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種雙向潮流控制的多電平互平衡固態(tài)變壓器及其實(shí)現(xiàn)方法。固態(tài)變壓器為利用互平衡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的三相固態(tài)變壓器，采用AC-DC-AC的三階式變換結(jié)構(gòu)，包括高壓級(jí)、隔離級(jí)和低壓級(jí)，高壓級(jí)和隔離級(jí)為三相結(jié)構(gòu)相同的變壓器；均由子單元構(gòu)成；低壓級(jí)為單獨(dú)整體模塊實(shí)現(xiàn)自動(dòng)互平衡結(jié)構(gòu)；所述高壓級(jí)三相子單元按星形方式連接，低壓級(jí)為三相四線接線方式的交流輸出端；固態(tài)變壓器能夠?qū)崿F(xiàn)功率雙向流動(dòng)。整個(gè)三相系統(tǒng)采用獨(dú)立結(jié)構(gòu)方便三相的獨(dú)立控制和模塊化生產(chǎn)，低壓級(jí)直流母線并聯(lián)模塊使得其兼具了三相電能自動(dòng)互平衡功能，從而解決了固態(tài)變壓器的實(shí)用化問題。
【專利說明】雙向潮流控制的多電平互平衡固態(tài)變壓器及其實(shí)現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電力電子變壓器，具體講涉及一種雙向潮流控制的多電平互平衡固態(tài)變壓器及其實(shí)現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]固態(tài)變壓器又稱為電力電子變壓器或柔性變壓器，它是以電力電子變換技術(shù)和電磁感應(yīng)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型變壓器，它徹底的改變了傳統(tǒng)變壓器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，是下一代智能電網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵裝備。然而由于受電力電子器件發(fā)展水平的限制，適應(yīng)于電網(wǎng)需求的高壓、大功率、大電流的固態(tài)變壓器離實(shí)用化還相距甚遠(yuǎn)。
[0003]固態(tài)變壓器是近年來隨著大功率電力電子技術(shù)的發(fā)展而逐步發(fā)展起來的新型電力變壓器。它在實(shí)現(xiàn)常規(guī)電力變壓器電壓等級(jí)變換、電氣隔離和能量傳遞等基本功能的基礎(chǔ)上，還可以實(shí)現(xiàn)潮流控制、電能質(zhì)量控制等許多額外功能，這是因?yàn)樗梢詫?shí)際控制包括對電壓(或電流)的幅值、相位、頻率、相數(shù)、相序和波形等電能參數(shù)，在結(jié)構(gòu)上，它包含兩個(gè)基本要素:電力電子變換器和中(高)頻變壓器。電力電子變換器主要包括電力電子器件、控制器、濾波器以及輔助設(shè)備，主要完成保護(hù)和電能的變換及控制等功能；高頻變壓器的功能是隔離及電壓等級(jí)變換，頻率通常工作在千赫茲(kHz)級(jí)別，高頻的目的主要是大幅縮小變壓器的體積、減輕重量、減少散熱以及提高容量與效率等。
[0004]固態(tài)變壓器的具體實(shí)現(xiàn)方案分兩種形式:一是，在變換中不含直流環(huán)節(jié)，即直接AC/AC變換；二是，在變換中引入直流環(huán)節(jié):在變壓器高壓側(cè)進(jìn)行AC/DC變換，再將直流調(diào)制為高頻方波信號(hào)經(jīng)高頻變壓器實(shí)現(xiàn)電磁耦合，并重新將耦合后的高頻方波信號(hào)還原為DC(隔離級(jí))，進(jìn)而在低壓側(cè)進(jìn)行DC/AC變換，實(shí)現(xiàn)對負(fù)載的供電。該結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)高壓級(jí)功率因數(shù)校正，同時(shí)可以擬制諧波的雙向流動(dòng)。比較兩種方案，后者控制特性良好，通過PWM調(diào)制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)變壓器高壓低壓側(cè)電壓、電流和功率的靈活控制，已逐步成為固態(tài)變壓器今后主要的發(fā)展方向。
[0005]采用全控型復(fù)合電力電子器件IGBT，可以實(shí)現(xiàn)固態(tài)變壓器的靈活控制，方便其能在四象限運(yùn)行。然而目前該種器件的最高耐受電壓低于6.5千伏，而目前的配電網(wǎng)低電壓配電變壓器也在10千伏以上，如果采用器件串聯(lián)均壓的方式，還必須另外加裝均壓電路和控制方法，即使是采用功率器件直接串聯(lián)的兩電平結(jié)構(gòu)，也存在動(dòng)、靜均壓問題，并且dv/dt較大，會(huì)產(chǎn)生難以處理的電磁干擾問題，存在著功率器件失效甚至擊穿等隱患。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種雙向潮流控制的模塊化多電平互平衡固態(tài)變壓器，另一目的是提供一種雙向潮流控制的模塊化多電平互平衡固態(tài)變壓器的實(shí)現(xiàn)方法，本發(fā)明提供的固態(tài)變壓器基于互平衡技術(shù)，采用的主結(jié)構(gòu)為AC-DC-AC三階方式，具備高壓級(jí)、隔離級(jí)和低壓級(jí)。主電路拓?fù)涓邏杭?jí)采用了二極管箝位型多電平結(jié)構(gòu)變換器，多電平結(jié)構(gòu)可以使輸出電壓諧波含量更低，器件開關(guān)頻率低，開關(guān)損耗小，器件應(yīng)力小，無需動(dòng)態(tài)均壓，從而使固態(tài)變壓器適應(yīng)更高的電壓等級(jí)。整個(gè)三相系統(tǒng)采用獨(dú)立結(jié)構(gòu)方便三相的獨(dú)立控制和模塊化生產(chǎn)，并且設(shè)計(jì)的電路拓?fù)浔旧韽慕Y(jié)構(gòu)上兼具了三相電能自動(dòng)互平衡功能，從而解決了固態(tài)變壓器的實(shí)用化問題。
[0007]本發(fā)明的目的是采用下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0008]本發(fā)明提供一種雙向潮流控制的多電平互平衡固態(tài)變壓器，其改進(jìn)之處在于，所述固態(tài)變壓器為利用互平衡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的三相固態(tài)變壓器，采用AC-DC-AC的三階式變換結(jié)構(gòu)，包括高壓級(jí)、隔離級(jí)和低壓級(jí)，所述高壓級(jí)和隔離級(jí)三相結(jié)構(gòu)相同的變壓器；高壓級(jí)和隔離級(jí)均由子單元構(gòu)成；低壓級(jí)為單獨(dú)整體模塊實(shí)現(xiàn)自動(dòng)互平衡結(jié)構(gòu)；
[0009]所述高壓級(jí)三相子單元按星形方式連接，低壓級(jí)為三相四線接線方式的交流輸出端;
[0010]在供電模式時(shí)，所述高壓級(jí)為輸入端，低壓級(jí)為三相四線接線方式的輸出端；在并網(wǎng)模式時(shí)，所述高壓級(jí)為輸出級(jí)，低壓級(jí)直流母線為輸入級(jí)；
[0011]所述固態(tài)變壓器能夠?qū)崿F(xiàn)功率雙向流動(dòng)。
[0012]進(jìn)一步地，高壓級(jí)子單元采用二極管箝位型多電平單相全橋模塊；所述多電平單相全橋模塊的電平數(shù)量根據(jù)固態(tài)變壓器高壓側(cè)額定電壓和電力電子器件的耐壓水平設(shè)定;
[0013]所述多電平單相全橋模塊在供電模式時(shí)，采用SVPWM整流運(yùn)行方式；在并網(wǎng)模式時(shí)，采用SVPWM逆變運(yùn)行方式。
[0014]進(jìn)一步地，所述多電平單相全橋模塊，包括兩相四橋臂，每相的上下兩橋臂通過箝位二極管串聯(lián)支路連接；每個(gè)橋臂由IGBT器件串聯(lián)構(gòu)成；所述二極管串聯(lián)支路由二極管串聯(lián)組成；
[0015]兩相四橋臂均與高壓級(jí)直流母線并聯(lián)，所述高壓級(jí)直流母線由兩組電容串聯(lián)構(gòu)成；高壓級(jí)直流母線的中點(diǎn)分別與每相上下兩橋臂中箝位二極管串聯(lián)支路的中點(diǎn)相連。
[0016]進(jìn)一步地，所述隔離級(jí)子單元包括二極管箝位型多電平單相半橋模塊、高頻變壓器和單相H橋；
[0017]所述二極管箝位型多電平單相半橋模塊與高壓級(jí)的二極管箝位型多電平單相全橋模塊通過高壓級(jí)直流母線背靠背連接，通過高壓級(jí)直流母線中點(diǎn)分別與二極管箝位型多電平單相半橋模塊和高頻變壓器高壓側(cè)的I路輸入端連接；
[0018]高頻變壓器為I入3出結(jié)構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)高壓側(cè)和低壓側(cè)高頻方波電壓等級(jí)變換和電氣隔離；
[0019]所述單相H橋的個(gè)數(shù)為3，3個(gè)單相H橋?qū)?yīng)與高頻變壓器的3個(gè)輸出端連接，3個(gè)單相H橋?qū)?yīng)的3路輸出接入低壓級(jí)直流母線并聯(lián)模塊。
[0020]進(jìn)一步地，當(dāng)功率由固態(tài)變壓器的高壓級(jí)向低壓級(jí)流動(dòng)時(shí)，隔離級(jí)前置的二極管箝位型多電平單相半橋模塊將直流變換成高頻方波，由高頻變壓器磁耦合到低壓級(jí)，再由后置的3個(gè)單相H橋重新整流成直流；
[0021]當(dāng)功率由固態(tài)變壓器的低壓級(jí)向高壓級(jí)流動(dòng)時(shí)，后置的3個(gè)單相H橋進(jìn)行直流逆變，前置的二極管箝位型多電平單相半橋模塊用于整流；
[0022]三相隔離級(jí)的子單元，組合在一起構(gòu)成三相固態(tài)變壓器的隔離級(jí)。
[0023]進(jìn)一步地，所述二極管箝位型多電平單相半橋模塊，包括:帶箝位二極管串聯(lián)支路的半橋；半橋包括上下兩橋臂，每個(gè)橋臂由IGBT器件串聯(lián)構(gòu)成；所述二極管串聯(lián)支路由二極管串聯(lián)組成；二極管箝位多電平單相半橋模塊與高壓級(jí)直流母線并聯(lián)，所述高壓級(jí)直流母線由上下兩組電容構(gòu)成；箝位二極管串聯(lián)支路的中點(diǎn)與高壓級(jí)直流母線的中點(diǎn)相連。
[0024]進(jìn)一步地，所述三相固態(tài)變壓器的低壓級(jí)用于實(shí)現(xiàn)將從隔離級(jí)來的直流變換成所需要的交流；所述低壓級(jí)包括低壓級(jí)直流母線并聯(lián)模塊、3個(gè)單相全橋逆變模塊和3個(gè)LC濾波器；
[0025]進(jìn)一步地，所述低壓級(jí)直流母線并聯(lián)模塊將隔離級(jí)3個(gè)子單元形成的直流輸出DCA1、DCB1、DCci對應(yīng)地并聯(lián)在一起，組成三相固態(tài)變壓器低壓級(jí)3個(gè)單相全橋逆變模塊的低壓級(jí)直流母線DCa、DCb、DC。，三條低壓級(jí)直流母線的直流輸出分別與3個(gè)單相全橋逆變模塊連接。
[0026]進(jìn)一步地，所述3個(gè)單相全橋逆變模塊結(jié)構(gòu)相同，每個(gè)單相全橋逆變模塊包括兩相四橋臂，每相的上下兩橋臂通過I個(gè)LC濾波器連接，所述3個(gè)LC濾波器分別為第一濾波器、第二濾波器和第三濾波器；
[0027]所述3個(gè)LC濾波器均由濾波電感和濾波電容組成，第一濾波器的濾波電感連接在單相全橋逆變模塊其中一相的上下兩橋臂之間作為輸出端，其濾波電容連接在另一相的上下兩橋臂之間，再分別與第二濾波器和第三濾波器的濾波電容并聯(lián)作為第四輸出端；第二濾波器的濾波電感作為第二個(gè)輸出端，第三濾波器的濾波電感作為第三輸出端，
[0028]上述四個(gè)輸出端形成三相四接線方式固態(tài)變壓器的輸出端。
[0029]本發(fā)明基于另一目的提供的一種雙向潮流控制的多電平互平衡固態(tài)變壓器的實(shí)現(xiàn)方法，其改進(jìn)之處在于，所述方法采用模塊化多電平固態(tài)變壓器實(shí)現(xiàn)，在供電模式下包括下述步驟:
[0030]A、將電網(wǎng)工頻正弦波交流電輸入到固態(tài)變壓器的高壓級(jí)，所述工頻正弦波交流電經(jīng)高壓級(jí)變換模塊以SVPWM調(diào)制控制方式整流為直流，并保持直流電壓恒定，功率因數(shù)單位運(yùn)行，輸入到固態(tài)變壓器的隔離級(jí)；
[0031]B、隔離級(jí)前置的二極管箝位型多電平單相半橋模塊將直流電變換成高頻方波，由I入3出的高頻變壓器磁耦合到低壓，再由后置的3個(gè)單相H橋重新整流成直流后輸入到固態(tài)變壓器的低壓級(jí)；
[0032]C、低壓級(jí)的低壓直流母線并聯(lián)模塊將隔離級(jí)3個(gè)子單元形成的直流輸出DCA1、DCB1、DCci對應(yīng)地并聯(lián)在一起，組成三相固態(tài)變壓器低壓級(jí)3個(gè)單相全橋逆變模塊的低壓級(jí)直流母線DCa、DCb、DC。(這種連接方式使發(fā)明自動(dòng)具備了三相互平衡的功能，不用再進(jìn)行其他控制措施，從結(jié)構(gòu)上解決了高低壓側(cè)系統(tǒng)不平衡的相互影響)，三條低壓級(jí)直流母線的直流輸出到3個(gè)單相全橋逆變模塊；3個(gè)單相全橋逆變模塊經(jīng)LC濾波器通過逆變控制輸出所需要的低壓交流。
[0033]進(jìn)一步地，所述方法采用模塊化多電平固態(tài)變壓器實(shí)現(xiàn)，在并網(wǎng)模式下包括下述步驟:
[0034]①將直流電輸入到低壓級(jí)三條低壓級(jí)直流母線，三條低壓級(jí)直流母線的直流輸出到3個(gè)單相全橋逆變模塊；3個(gè)單相全橋逆變模塊經(jīng)LC濾波器，通過逆變控制輸出所需要的低壓交流；
[0035]②直流輸入通過低壓級(jí)直流母線并聯(lián)模塊經(jīng)隔離級(jí)后置的3個(gè)單相H橋進(jìn)行直流逆變，將直流變換為高頻交流方波，經(jīng)高頻變壓器升壓后輸入到前置的二極管箝位型多電平單相半橋模塊用于整流，將高頻交流方波整流為直流，經(jīng)高壓級(jí)直流母線輸入到高壓級(jí)；
[0036]③高壓級(jí)通過并網(wǎng)逆變控制將直流逆變?yōu)榉想娋W(wǎng)并網(wǎng)要求的工頻正弦波交流電，向電網(wǎng)送電。
[0037]與現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明達(dá)到的有益效果是:
[0038]1、本發(fā)明以全控型復(fù)合器件絕緣柵雙極性晶體管(Insulated Gate BipolarTransistor，IGBT)構(gòu)建三相多電平互平衡固態(tài)變壓器主電路拓?fù)?，既可以解決適應(yīng)電網(wǎng)需求的高電壓問題，還能從拓?fù)涔δ苌献詣?dòng)完成三相供電的互平衡功能，而且具備四象限運(yùn)行能力，方便雙向功率流控制，同時(shí)方便模塊化生產(chǎn)，從而解決研制面向?qū)嶋H應(yīng)用的商用性固態(tài)變壓器問題。
[0039]2、本發(fā)明的固態(tài)變壓器基于互平衡技術(shù)設(shè)計(jì)，采用的主結(jié)構(gòu)為AC-DC-AC方式，具備高壓級(jí)、隔離級(jí)和低壓級(jí)。主電路拓?fù)涓邏杭?jí)采用了二極管箝位型多電平結(jié)構(gòu)變換器，多電平結(jié)構(gòu)可以使輸出電壓諧波含量更低，器件開關(guān)頻率低，開關(guān)損耗小，器件應(yīng)力小，無需動(dòng)態(tài)均壓，從而使固態(tài)變壓器適應(yīng)更高的電壓等級(jí)。整個(gè)三相系統(tǒng)采用獨(dú)立結(jié)構(gòu)方便三相的獨(dú)立控制和模塊化生產(chǎn)，并且設(shè)計(jì)的電路拓?fù)浔旧砑婢吡巳嚯娔茏詣?dòng)互平衡功能，從而解決了固態(tài)變壓器的實(shí)用化問題。
[0040]3、本發(fā)明提供的固態(tài)變壓器采用二極管箝位多電平結(jié)構(gòu)，既可以降低器件使用數(shù)量又可以適應(yīng)較高電壓等級(jí)；采用三相子單元結(jié)構(gòu)，即方便三相獨(dú)立控制又可以實(shí)現(xiàn)模塊
化生產(chǎn)。
[0041]4、隔離級(jí)中的高頻變壓器采用I相變3相以及低壓級(jí)直流母線交錯(cuò)并聯(lián)的互平衡設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)蛪簜?cè)或高壓側(cè)系統(tǒng)發(fā)生三相不平衡時(shí)，不用采用特殊控制策略就能自動(dòng)維持整個(gè)系統(tǒng)原有的平衡狀態(tài)。隔離級(jí)中采用多電平單相半橋結(jié)構(gòu)，由于隔離級(jí)的電能控制要求不高僅僅只是電氣隔離和電壓等級(jí)變換，所以在滿足基本要求的情況下這種結(jié)構(gòu)有利于節(jié)省器件數(shù)量，降低能耗和成本。
[0042]5、低壓直流母線并聯(lián)模塊將隔離級(jí)3個(gè)單元形成的直流輸出對應(yīng)地并聯(lián)在一起，組成三相固態(tài)變壓器低壓級(jí)3個(gè)單相全橋逆變模塊的直流母線，在低壓母線直流側(cè)交錯(cuò)并聯(lián)，其最大優(yōu)點(diǎn)是從結(jié)構(gòu)上解決了固態(tài)變壓器高、低壓側(cè)系統(tǒng)不平衡的相互影響，而且自動(dòng)提高了供電可靠性，只要一個(gè)子模塊運(yùn)行正常就能保證基本用電，大大提高了運(yùn)行可靠性，結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，這也是實(shí)現(xiàn)該固態(tài)變壓器自動(dòng)互平衡的關(guān)鍵拓?fù)浼夹g(shù)。
[0043]6、本發(fā)明提供的固態(tài)變壓器能夠?qū)崿F(xiàn)功率雙向流動(dòng)。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0044]圖1是本發(fā)明提供的雙向潮流控制的模塊化多電平互平衡固態(tài)變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0045]圖2是本發(fā)明提供的雙向潮流控制的模塊化多電平互平衡固態(tài)變壓器的原理圖；
[0046]圖3是本發(fā)明提供的模塊化多電平互平衡固態(tài)變壓器的低壓級(jí)直流母線并聯(lián)模塊接線圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0047]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0048]本發(fā)明提供的雙向潮流控制的模塊化多電平互平衡固態(tài)變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示，采用AC-DC-AC的3階式變換結(jié)構(gòu)，即包括一個(gè)高壓級(jí)，一個(gè)隔離級(jí)和一個(gè)低壓級(jí)，一個(gè)應(yīng)用三相互平衡設(shè)計(jì)的固態(tài)變壓器的高壓級(jí)和隔離級(jí)由三個(gè)“一相變?nèi)唷弊訂卧獦?gòu)成。
[0049]1.高壓級(jí):
[0050]為符合實(shí)際電壓等級(jí)需求，高壓級(jí)子單元采用二極管箝位型多電平單相全橋模塊，單相全橋的電平數(shù)量取決于高壓側(cè)額定電壓和電力電子器件的耐壓水平，本發(fā)明提供的雙向潮流控制的模塊化多電平互平衡固態(tài)變壓器的原理圖如圖2所示，以三電平結(jié)構(gòu)為例，也可方便擴(kuò)展到更高電平。這種結(jié)構(gòu)使諧波含量少，開關(guān)損耗較小，效率高。為了保證高壓側(cè)系統(tǒng)的電流具有良好正弦波形和實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)靈活控制，單相全橋采用SVPWM整流運(yùn)行方式，雙向潮流控制時(shí)加入并網(wǎng)逆變控制功能。三相高壓級(jí)子單元的結(jié)成星形“Y”結(jié)構(gòu)形式，構(gòu)成三相固態(tài)變壓器的高壓級(jí)。
[0051]多電平單相全橋模塊包括兩相四橋臂，每相的上下兩橋臂通過箝位二極管串聯(lián)支路連接；每個(gè)橋臂由IGBT器件串聯(lián)構(gòu)成；所述二極管串聯(lián)支路由二極管串聯(lián)組成。兩相四橋臂均與高壓級(jí)直流母線并聯(lián)，所述高壓級(jí)直流母線由兩組電容串聯(lián)構(gòu)成；高壓級(jí)直流母線的中點(diǎn)分別與每相上下兩橋臂中箝位二極管串聯(lián)支路的中點(diǎn)相連。
[0052]2.隔離級(jí):
[0053]隔離級(jí)子單元由I個(gè)前置二極管箝位型多電平單相半橋模塊、I個(gè)I入3出高頻變壓器和3個(gè)后置H橋組成。后置H橋?yàn)閱蜗嘟Y(jié)構(gòu)。前置整流多電平單相半橋模塊與高壓級(jí)的單相多電平全橋模塊整流背靠背連接，完成DC/高頻方波變換，與高頻變壓器高壓側(cè)I路輸入連接，此處采用多電平單相半橋結(jié)構(gòu)是因?yàn)橛捎诟綦x級(jí)的電能控制要求不高僅僅只是電氣隔離和電壓等級(jí)變換，所以在滿足基本要求的情況下這種結(jié)構(gòu)有利于節(jié)省器件數(shù)量，降低能耗和成本。高頻變壓器I入3出，實(shí)現(xiàn)高壓側(cè)和低壓側(cè)高頻方波電壓等級(jí)變換和電氣隔離。后置3個(gè)單相H橋與高頻變壓器的3個(gè)輸出對應(yīng)連接，3路輸出接入低壓級(jí)直流母線并聯(lián)模塊，與其他兩相的子單元直流輸出交叉并聯(lián)。
[0054]當(dāng)功率由高壓級(jí)向低壓級(jí)流動(dòng)時(shí)，前置多電平單相半橋?qū)⒅绷髯儞Q成高頻方波，由高頻變壓器磁耦合到低壓，再由后置H橋重新整流成直流。
[0055]反之，后置H橋進(jìn)行直流逆變，前置多電平單相半橋模塊負(fù)責(zé)整流。三相隔離級(jí)的子單元，組合在一起構(gòu)成三相固態(tài)變壓器的隔離級(jí)。
[0056]所述二極管箝位型多電平單相半橋模塊包括帶箝位二極管串聯(lián)支路的半橋；半橋包括上下兩橋臂，每個(gè)橋臂由IGBT器件串聯(lián)構(gòu)成；所述二極管串聯(lián)支路由二極管串聯(lián)組成。
[0057]3.低壓級(jí):
[0058]整個(gè)三相低壓級(jí)主要實(shí)現(xiàn)將從隔離級(jí)來的直流變成所需要的交流。它包括低壓級(jí)直流母線并聯(lián)模塊、3個(gè)單相全橋逆變模塊和LC濾波器構(gòu)成。在構(gòu)成三相固態(tài)變壓器低壓級(jí)時(shí)，如圖3所示，低壓直流母線并聯(lián)模塊將隔離級(jí)3個(gè)單元形成的直流輸出DCA1、DCB1、DCM(i=l,2,3)對應(yīng)地并聯(lián)在一起，組成三相固態(tài)變壓器低壓級(jí)3個(gè)單相全橋逆變模塊的直流母線DCa、DCb、DC。。這種在低壓母線直流側(cè)交錯(cuò)并聯(lián)的最大優(yōu)點(diǎn)是從結(jié)構(gòu)上解決了固態(tài)變壓器高、低壓側(cè)系統(tǒng)不平衡的相互影響，而且自動(dòng)提高了供電可靠性，只要一個(gè)子模塊運(yùn)行正常就能保證基本用電，大大提高了運(yùn)行可靠性，結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，這也是實(shí)現(xiàn)該固態(tài)變壓器自動(dòng)互平衡的關(guān)鍵拓?fù)浼夹g(shù)。3個(gè)單相全橋逆變模塊經(jīng)LC濾波器輸出所需要的低壓交流，采用單相控制的電壓瞬時(shí)值和有效值雙閉環(huán)控制，保證電能質(zhì)量，最后形成三相四線接線方式的輸出。
[0059]3個(gè)單相全橋逆變模塊結(jié)構(gòu)相同，每個(gè)單相全橋逆變模塊包括兩相四橋臂，每相的上下兩橋臂通過I個(gè)LC濾波器連接，所述3個(gè)LC濾波器分別為第一濾波器、第二濾波器和第三濾波器；
[0060]所述3個(gè)LC濾波器均由濾波電感和濾波電容組成，第一濾波器的濾波電感連接在單相全橋逆變模塊其中一相的上下兩橋臂之間作為輸出端，其濾波電容連接在另一相的上下兩橋臂之間后，分別與第二濾波器和第三濾波器的濾波電容并聯(lián)作為第四輸出端；第二濾波器的濾波電感作為第二個(gè)輸出端，第三濾波器的濾波電感作為第三輸出端，
[0061]上述四個(gè)輸出端形成三相四接線方式固態(tài)變壓器的輸出端。
[0062]本發(fā)明還提供一種雙向潮流控制的模塊化多電平互平衡固態(tài)變壓器的實(shí)現(xiàn)方法，該方法采用模塊化多電平固態(tài)變壓器實(shí)現(xiàn)，供電模式下包括下述步驟:
[0063]A、將電網(wǎng)工頻正弦波交流電輸入到固態(tài)變壓器的高壓級(jí)，所述工頻正弦波交流電經(jīng)高壓級(jí)變換模塊以SVPWM調(diào)制控制方式整流為直流并保持直流電壓恒定，功率因數(shù)單位運(yùn)行，輸入到固態(tài)變壓器的隔離級(jí)；
[0064]B、隔離級(jí)前置的二極管箝位型多電平單相半橋模塊將直流電變換成高頻方波，由I入3出的高頻變壓器磁耦合到低壓，再由后置的3個(gè)單相H橋重新整流成直流后輸入到固態(tài)變壓器的低壓級(jí)；
[0065]C、低壓級(jí)的低壓直流母線并聯(lián)模塊將隔離級(jí)3個(gè)子單元形成的直流輸出DCA1、DCB1、DCci對應(yīng)地并聯(lián)在一起，組成三相固態(tài)變壓器低壓級(jí)3個(gè)單相全橋逆變模塊的低壓級(jí)直流母線DCa、DCb、DC。，這種連接方式使發(fā)明自動(dòng)具備了三相互平衡的功能，不用再進(jìn)行其他控制措施，從結(jié)構(gòu)上解決了高低壓側(cè)系統(tǒng)不平衡的相互影響。三條低壓級(jí)直流母線的直流輸出到3個(gè)單相全橋逆變模塊；3個(gè)單相全橋逆變模塊經(jīng)LC濾波器通過逆變控制輸出所需要的低壓交流。
[0066]本發(fā)明還提供一種雙向潮流控制的模塊化多電平互平衡固態(tài)變壓器的實(shí)現(xiàn)方法，所述方法采用模塊化多電平固態(tài)變壓器實(shí)現(xiàn)，并網(wǎng)模式下包括下述步驟:
[0067]①將直流電輸入到低壓級(jí)三條低壓級(jí)直流母線，三條低壓級(jí)直流母線的直流輸出到3個(gè)單相全橋逆變模塊；3個(gè)單相全橋逆變模塊經(jīng)LC濾波器，通過逆變控制輸出所需要的低壓交流；
[0068]②直流輸入通過低壓級(jí)直流母線并聯(lián)模塊經(jīng)隔離級(jí)后置的3個(gè)單相H橋進(jìn)行直流逆變，將直流變換為高頻交流方波，經(jīng)高頻變壓器升壓后輸入到前置的二極管箝位型多電平單相半橋模塊用于整流，將高頻交流方波整流為直流，經(jīng)高壓級(jí)直流母線輸入到高壓級(jí)；
[0069]③高壓級(jí)通過并網(wǎng)逆變控制將直流逆變?yōu)榉想娋W(wǎng)并網(wǎng)要求的工頻正弦波交流電，向電網(wǎng)送電。[0070]本發(fā)明的固態(tài)變壓器基于互平衡技術(shù)設(shè)計(jì)，采用的主結(jié)構(gòu)為AC-DC-AC方式，具備高壓級(jí)、隔離級(jí)和低壓級(jí)。主電路拓?fù)涓邏杭?jí)采用了二極管箝位型多電平結(jié)構(gòu)變換器，多電平結(jié)構(gòu)可以使輸出電壓諧波含量更低，器件開關(guān)頻率低，開關(guān)損耗小，器件應(yīng)力小，無需動(dòng)態(tài)均壓，從而使固態(tài)變壓器適應(yīng)更高的電壓等級(jí)。整個(gè)三相固態(tài)變壓器采用獨(dú)立結(jié)構(gòu)方便三相的獨(dú)立控制和模塊化生產(chǎn)，并且設(shè)計(jì)的電路拓?fù)浔旧砑婢吡巳嚯娔茏詣?dòng)互平衡功能，從而解決了固態(tài)變壓器的實(shí)用化問題。
[0071]最后應(yīng)當(dāng)說明的是:以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其限制，盡管參照上述實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:依然可以對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行修改或者等同替換，而未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.一種雙向潮流控制的多電平互平衡固態(tài)變壓器，其特征在于，所述固態(tài)變壓器為利用互平衡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的三相固態(tài)變壓器，采用AC-DC-AC的三階式變換結(jié)構(gòu)，包括高壓級(jí)、隔離級(jí)和低壓級(jí)，所述高壓級(jí)和隔離級(jí)三相結(jié)構(gòu)相同的變壓器；高壓級(jí)和隔離級(jí)均由子單元構(gòu)成；低壓級(jí)為單獨(dú)整體模塊實(shí)現(xiàn)自動(dòng)互平衡結(jié)構(gòu)； 所述高壓級(jí)三相子單元按星形方式連接，低壓級(jí)為三相四線接線方式的交流輸出端； 在供電模式時(shí)，所述高壓級(jí)為輸入端，低壓級(jí)為三相四線接線方式的輸出端；在并網(wǎng)模式時(shí)，所述高壓級(jí)為輸出級(jí)，低壓級(jí)直流母線為輸入級(jí)； 所述固態(tài)變壓器能夠?qū)崿F(xiàn)功率雙向流動(dòng)。
2.如權(quán)利要求1所述的多電平互平衡固態(tài)變壓器，其特征在于，高壓級(jí)子單元采用二極管箝位型多電平單相全橋模塊；所述多電平單相全橋模塊的電平數(shù)量根據(jù)固態(tài)變壓器高壓側(cè)額定電壓和電力電子器件的耐壓水平設(shè)定； 所述多電平單相全橋模塊在供電模式時(shí)，采用SVPWM整流運(yùn)行方式；在并網(wǎng)模式時(shí)，采用SVPWM逆變運(yùn)行方式。
3.如權(quán)利要求2所述的多電平互平衡固態(tài)變壓器，其特征在于，所述多電平單相全橋模塊，包括兩相四橋臂，每相的上下兩橋臂通過箝位二極管串聯(lián)支路連接；每個(gè)橋臂由IGBT器件串聯(lián)構(gòu)成；所述二極管串聯(lián)支路由二極管串聯(lián)組成； 兩相四橋臂均與高壓級(jí)直流母線并聯(lián)，所述高壓級(jí)直流母線由兩組電容串聯(lián)構(gòu)成；高壓級(jí)直流母線的中點(diǎn)分別與每相上下兩橋臂中箝位二極管串聯(lián)支路的中點(diǎn)相連。
4.如權(quán)利要求1所述的多電平互平衡固態(tài)變壓器，其特征在于，所述隔離級(jí)子單元包括二極管箝位型多電平單相半橋模塊、高頻變壓器和單相H橋； 所述二極管箝位型多電平單相半橋模塊與高壓級(jí)的二極管箝位型多電平單相全橋模塊通過高壓級(jí)直流母線背靠背連接，通過高壓級(jí)直流母線中點(diǎn)分別與二極管箝位型多電平單相半橋模塊和高頻變壓器高壓側(cè)的I路輸入端連接； 高頻變壓器為I入3出結(jié)構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)高壓側(cè)和低壓側(cè)高頻方波電壓等級(jí)變換和電氣隔離； 所述單相H橋的個(gè)數(shù)為3，3個(gè)單相H橋?qū)?yīng)與高頻變壓器的3個(gè)輸出端連接，3個(gè)單相H橋?qū)?yīng)的3路輸出接入低壓級(jí)直流母線并聯(lián)模塊。
5.如權(quán)利要求4所述的多電平互平衡固態(tài)變壓器，其特征在于，當(dāng)功率由固態(tài)變壓器的高壓級(jí)向低壓級(jí)流動(dòng)時(shí)，隔離級(jí)前置的二極管箝位型多電平單相半橋模塊將直流變換成高頻方波，由高頻變壓器磁耦合到低壓級(jí)，再由后置的3個(gè)單相H橋重新整流成直流； 當(dāng)功率由固態(tài)變壓器的低壓級(jí)向高壓級(jí)流動(dòng)時(shí)，后置的3個(gè)單相H橋進(jìn)行直流逆變，前置的二極管箝位型多電平單相半橋模塊用于整流； 三相隔離級(jí)的子單元，組合在一起構(gòu)成三相固態(tài)變壓器的隔離級(jí)。
6.如權(quán)利要求4所述的多電平互平衡固態(tài)變壓器，其特征在于，所述二極管箝位型多電平單相半橋模塊，包括:帶箝位二極管串聯(lián)支路的半橋；半橋包括上下兩橋臂，每個(gè)橋臂由IGBT器件串聯(lián)構(gòu)成；所述二極管串聯(lián)支路由二極管串聯(lián)組成；二極管箝位多電平單相半橋模塊與高壓級(jí)直流母線并聯(lián)，所述高壓級(jí)直流母線由上下兩組電容構(gòu)成；箝位二極管串聯(lián)支路的中點(diǎn)與高壓級(jí)直流母線的中點(diǎn)相連。
7.如權(quán)利要求1所述的多電平互平衡固態(tài)變壓器，其特征在于，所述三相固態(tài)變壓器的低壓級(jí)用于實(shí)現(xiàn)將從隔離級(jí)來的直流變換成所需要的交流；所述低壓級(jí)包括低壓級(jí)直流母線并聯(lián)模塊、3個(gè)單相全橋逆變模塊和3個(gè)LC濾波器。
8.如權(quán)利要求7所述的多電平互平衡固態(tài)變壓器，其特征在于，所述低壓級(jí)直流母線并聯(lián)模塊將隔離級(jí)3個(gè)子單元形成的直流輸出DCA1、DCB1、DCa對應(yīng)地并聯(lián)在一起，組成三相固態(tài)變壓器低壓級(jí)3個(gè)單相全橋逆變模塊的低壓級(jí)直流母線DCa、DCb、DC。，三條低壓級(jí)直流母線的直流輸出分別與3個(gè)單相全橋逆變模塊連接。
9.如權(quán)利要求7所述的多電平互平衡固態(tài)變壓器，其特征在于，所述3個(gè)單相全橋逆變模塊結(jié)構(gòu)相同，每個(gè)單相全橋逆變模塊包括兩相四橋臂，每相的上下兩橋臂通過I個(gè)LC濾波器連接，所述3個(gè)LC濾波器分別為第一濾波器、第二濾波器和第三濾波器； 所述3個(gè)LC濾波器均由濾波電感和濾波電容組成，第一濾波器的濾波電感連接在單相全橋逆變模塊其中一相的上下兩橋臂之間作為輸出端，其濾波電容連接在另一相的上下兩橋臂之間，再分別與第二濾波器和第三濾波器的濾波電容并聯(lián)作為第四輸出端；第二濾波器的濾波電感作為第二個(gè)輸出端，第三濾波器的濾波電感作為第三輸出端， 上述四個(gè)輸出端形成三相四接線方式固態(tài)變壓器的輸出端。
10.一種雙向潮 流控制的多電平互平衡固態(tài)變壓器的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，所述方法采用模塊化多電平固態(tài)變壓器實(shí)現(xiàn)，在供電模式下包括下述步驟: A、將電網(wǎng)工頻正弦波交流電輸入到固態(tài)變壓器的高壓級(jí)，所述工頻正弦波交流電經(jīng)高壓級(jí)變換模塊以SVPWM調(diào)制控制方式整流為直流，并保持直流電壓恒定，功率因數(shù)單位運(yùn)行，輸入到固態(tài)變壓器的隔離級(jí)； B、隔離級(jí)前置的二極管箝位型多電平單相半橋模塊將直流電變換成高頻方波，由I入3出的高頻變壓器磁耦合到低壓，再由后置的3個(gè)單相H橋重新整流成直流后輸入到固態(tài)變壓器的低壓級(jí)； C、低壓級(jí)的低壓直流母線并聯(lián)模塊將隔離級(jí)3個(gè)子單元形成的直流輸出DCA1、DCB1、DCM對應(yīng)地并聯(lián)在一起，組成三相固態(tài)變壓器低壓級(jí)3個(gè)單相全橋逆變模塊的低壓級(jí)直流母線DCa、DCb、DC。，三條低壓級(jí)直流母線的直流輸出到3個(gè)單相全橋逆變模塊；3個(gè)單相全橋逆變模塊經(jīng)LC濾波器通過逆變控制輸出所需要的低壓交流。
11.如權(quán)利要求10所述的雙向潮流控制的多電平互平衡固態(tài)變壓器的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，所述方法采用模塊化多電平固態(tài)變壓器實(shí)現(xiàn)，在并網(wǎng)模式下包括下述步驟: ①將直流電輸入到低壓級(jí)三條低壓級(jí)直流母線，三條低壓級(jí)直流母線的直流輸出到3個(gè)單相全橋逆變模塊；3個(gè)單相全橋逆變模塊經(jīng)LC濾波器，通過逆變控制輸出所需要的低壓交流； ②直流輸入通過低壓級(jí)直流母線并聯(lián)模塊經(jīng)隔離級(jí)后置的3個(gè)單相H橋進(jìn)行直流逆變，將直流變換為高頻交流方波，經(jīng)高頻變壓器升壓后輸入到前置的二極管箝位型多電平單相半橋模塊用于整流，將高頻交流方波整流為直流，經(jīng)高壓級(jí)直流母線輸入到高壓級(jí)； ③高壓級(jí)通過并網(wǎng)逆變控制將直流逆變?yōu)榉想娋W(wǎng)并網(wǎng)要求的工頻正弦波交流電，向電網(wǎng)送電。
【文檔編號(hào)】H02M5/458GK103516230SQ201310478476
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年10月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月14日
【發(fā)明者】段青, 盛萬興, 孫軍平, 孟曉麗, 宋曉輝, 史常凱 申請人:國家電網(wǎng)公司, 中國電力科學(xué)研究院