專利名稱：電力電子變壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)的電壓變換裝置，特別是配電系統(tǒng)中10KV及以下的電壓變換裝置。
國外在十多年前首先提出了電力電子變壓器的概念。最初是美國海軍的一個研究計劃，提出了一種由交流變交流的降壓變換器構(gòu)成的電力電子變壓器；在這之后，在1995年由美國電力科學(xué)研究院贊助的一個研究項目也研制出了一種固態(tài)變壓器。它們的基本原理是采用大功率電力電子變流技術(shù)來實現(xiàn)電力系統(tǒng)中的電壓變換。它具有以下優(yōu)點1.變壓器體積小，重量輕，無環(huán)境污染，易維護；2.變壓器運行時可保持副方輸出電壓幅值和頻率恒定，不隨負載變化；3.不論變壓器副方電流或原方電壓波形如何，始終保證原方電流和副方電壓為正弦波形，并且原方電流與原方電壓波形同相位，實現(xiàn)功率因數(shù)始終接近于1.0；4.變壓器具有高度可控性，可在有載條件下實現(xiàn)對副方電壓幅值及頻率的平滑調(diào)節(jié)；5.電力電子變壓器的控制特性將使其具有保護功能，可以不需要常規(guī)的變壓器繼電保護裝置。
但是，由于當(dāng)時大功率電力電子器件的發(fā)展水平還比較低，同時設(shè)計方案本身存在著缺陷，包括在變壓器原副方之間缺少必要的隔離以及變壓器本身會產(chǎn)生較大的諧波，因而這些研究成果都未能進入實用化。最近幾年，國外在電力電子變壓器的研究領(lǐng)域中出現(xiàn)了一些新的進展，在可用于實際輸電系統(tǒng)的電力電子變壓器的研究方面，提出了一些新的技術(shù)方案，并且已有方案在實驗室樣機上得到了實現(xiàn)。已有文獻提出了由多個功率模塊構(gòu)成的設(shè)計方案，見Ronan，E.R.，Jr.；Sudhoff，S.D.；Glover，S.F.；Galloway，D.L.Application of power electronics to the distributiontransformer.Applied Power Electronics Conference and Exposition，2000。這種方案功率因數(shù)可調(diào)，可保證低壓側(cè)較好的電能質(zhì)量；但是存在以下一些缺點功率不能雙向流動；主回路拓撲結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開關(guān)器件數(shù)過多；低壓級并聯(lián)存在均流問題；因此，不適用于高壓大功率應(yīng)用場合。
本發(fā)明的一種電力電子變壓器，包含1-4相，各相獨立且結(jié)構(gòu)相同，即各依次由高壓級，隔離級和低壓級三級結(jié)構(gòu)組成，高壓級由2～30級相同的功率變換模塊串聯(lián)而成，每一功率變換模塊交流側(cè)的兩個端線之間并接兩個相同的串聯(lián)電容器、直流側(cè)的兩個端線之間亦并接兩個相同的串聯(lián)電容器，該兩組串聯(lián)電容器的中點相接；隔離級包括高頻調(diào)制/還原部分，高頻變壓器和還原/高頻調(diào)制部分；低壓級由一個功率變換模塊構(gòu)成，其直流側(cè)的兩個端線與隔離級輸出端線對應(yīng)相接，其交流側(cè)的兩個端線之間并接兩個相同的串聯(lián)電容器，其特征在于隔離級靠高壓級側(cè)為高頻調(diào)制/還原部分，由與高壓級相同數(shù)量的功率變換模塊組成，每個功率變換模塊靠高壓級側(cè)的兩個端線與對應(yīng)高壓級的功率變換模塊的端線相接；隔離級靠低壓級側(cè)為還原/高頻調(diào)制部分，由一個功率變換模塊構(gòu)成，其直流側(cè)的兩個端線間并接兩個相同串聯(lián)電容器；隔離級中間部分為高頻變壓器，其靠近高壓級方由多個分離繞組構(gòu)成，繞組數(shù)與高頻調(diào)制/還原部分功率變換模塊數(shù)量相同并與其相接，各繞組的中點有一抽頭與對應(yīng)高壓級各功率變換模塊的兩組串聯(lián)電容器的中點相接，高頻變壓器靠近低壓級方為一個繞組，繞組與隔離級靠低壓級側(cè)的功率變換模塊相接，繞組中點抽頭與該側(cè)功率變換模塊直流側(cè)兩端線間并接的串聯(lián)電容器中點相接并與低壓級交流側(cè)兩端線間并接的串聯(lián)電容器中點相接。
所述的電力電子變壓器，高壓級、隔離級和低壓級的各功率變換模塊均可以由四只帶續(xù)流二極管的開關(guān)器件組成單相全控橋構(gòu)成，高壓級中每一級單相全控橋的交流側(cè)兩個端線上各串聯(lián)一個相同的電抗器；低壓級的單相全控橋交流側(cè)兩個端線中也各串聯(lián)一個相同的電抗器。
所述的電力電子變壓器，當(dāng)其作為降壓變壓器使用時，高壓級各功率變換模塊可以是由四只整流二極管組成單相整流橋，其直流側(cè)的上端線上串聯(lián)一個電抗器，再在直流側(cè)兩個端線間并接一個開關(guān)器件，隨后在直流側(cè)的上端線上再串聯(lián)一個二極管構(gòu)成；隔離級和低壓級各功率變換模塊由四只帶續(xù)流二極管的開關(guān)器件組成單相全控橋構(gòu)成，低壓級的單相全控橋交流側(cè)兩個端線中各串聯(lián)一個相同的電抗器。
所述的電力電子變壓器，當(dāng)其作為升壓變壓器使用時，高壓級和隔離級各功率變換模塊均由四只帶續(xù)流二極管的開關(guān)器件組成單相全控橋構(gòu)成，高壓級中每一級單相全控橋的交流側(cè)兩個端線上各串聯(lián)一個相同的電抗器；低壓級的功率變換模塊是由四支整流二極管組成單相整流橋，在其直流側(cè)的上端線上串聯(lián)一個電抗器，再在直流側(cè)的兩個端線間并接一個開關(guān)器件，隨后在直流側(cè)的上端線上再串聯(lián)一個二極管構(gòu)成。
本發(fā)明的技術(shù)方案，除具有通常電力電子變壓器的優(yōu)點之外，相對于國外目前所提出的設(shè)計方案，還具有以下優(yōu)點1.本電力電子變壓器可以實現(xiàn)功率的雙向流動，功率既可以從高壓級流向低壓級，即作為降壓變壓器使用，也可以從低壓級流向高壓級，即作為升壓變壓器使用。
2.在同樣規(guī)橋下，本方案的開關(guān)器件數(shù)相對于國外方案減少1/3，成本大為降低。
3.本方案在高壓級和低壓級均可采用全控變換橋，可使得輸入輸出電流諧波大為減少。
4.本方案在隔離級靠低壓級側(cè)只使用了單個功率變換模塊，解決了多模塊并聯(lián)所帶來的均流問題。
5.本方案在高壓級每一級單相全控橋的交流側(cè)的兩個端線之間并接了兩個相同的串聯(lián)電容器，可有效起到均壓作用。
圖2表示本發(fā)明作為降壓變壓器使用時，高壓級功率變換模塊的一種備選方案。
圖3表示本發(fā)明作為升壓變壓器使用時，低壓級功率變換模塊的備選方案。
電力電子變壓器的隔離級可分為三個部分，分別為高頻調(diào)制/還原部分，高頻變壓器，還原/高頻調(diào)制部分，高頻調(diào)制部分將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換為5～10k赫茲高頻方波信號，還原部分則將高頻方波信號被還原為直流電壓信號。高頻變壓器按高頻方波信號的頻率進行設(shè)計，它有兩個作用高低壓電位隔離作用以及變壓作用。由于變壓器鐵芯體積與其工作頻率成反比，因此，高頻變壓器的體積和重量都很小。電力電子變壓器隔離級靠高壓級側(cè)部分由與高壓級數(shù)量相同數(shù)量的模塊組成，每個模塊均為由四只帶續(xù)流二極管的開關(guān)器件組成的單相全控橋，各個模塊靠高壓級側(cè)的兩個端線與對應(yīng)高壓級模塊的端線相接；隔離級靠低壓級側(cè)部分由一個功率模塊構(gòu)成，也是由四只帶續(xù)流二極管的開關(guān)器件組成的單相全控橋，該單相全控橋直流側(cè)的兩個端線間并接兩個相同的串聯(lián)電容器；隔離級中間部分是一個高頻變壓器，該高頻變壓器靠近高壓級方由多個分離繞組構(gòu)成，繞組數(shù)與高壓級模塊數(shù)量相同，各繞組的中點有一抽頭與對應(yīng)高壓級各模塊的兩個電容器的中點相接。高頻變壓器靠近低壓級方為一個繞組，繞組的中點有一抽頭與隔離級靠低壓級的兩個電容器的中點相接。
電力電子變壓器的低壓級由一個功率變換模塊構(gòu)成，由四只帶續(xù)流二極管的開關(guān)器件組成單相全控橋，單相全控橋直流側(cè)的兩條端線與隔離級靠低壓級側(cè)端線對應(yīng)相接，單相全控橋交流側(cè)的兩個端線中各串聯(lián)一個電抗器，并且在兩個端線之間并接兩個相同的串聯(lián)電容器，這兩個電容器的中點與隔離級模塊的兩個電容器的中點相接。當(dāng)電力電子變壓器作為升壓變壓器使用時，功率模塊的構(gòu)成還可如圖3所示，由四只整流二極管組成單相整流橋，在單相整流橋的直流側(cè)的上端線上串聯(lián)一個電抗器，接著在兩個端線間并接一個開關(guān)器件，隨后在直流側(cè)的上端線上再串聯(lián)一個二極管，即構(gòu)成了一個升壓變換器，起到功率因數(shù)校正和諧波抑制的作用，單相整流橋交流側(cè)的兩個端線之間并接兩個相同的串聯(lián)電容器，這兩個電容器的中點與隔離級模塊的兩個電容器的中點相接。
下面，對本發(fā)明的具體實施方式
舉兩個例子進行說明。
例一100kVA，6300V/380V，降壓變壓器，變壓器每相高壓級由12級功率變換模塊組成，每個模塊由兩個1200V/105A的兩單元IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)模塊構(gòu)成；隔離級靠高壓級側(cè)部分為高頻調(diào)制部分，也由相應(yīng)級數(shù)的功率變換模塊組成，每個模塊同樣由兩個1200V/105A的兩單元IGBT模塊構(gòu)成，通過這一級，直流電壓被調(diào)制成為6k赫茲的高頻方波；每相高頻變壓器按40kVA，開關(guān)頻率6k赫茲設(shè)計，隔離級靠低壓級側(cè)部分為還原部分，由四個1200V/400A的一單元IGBT模塊構(gòu)成，通過這一級，高頻方波被還原為直流電壓；低壓級模塊也由四個1200V/400A的一單元IGBT模塊構(gòu)成。
例二100kVA，380V/10000V，升壓變壓器變壓器每相低壓級模塊由四個1200V/400A的一單元IGBT模塊構(gòu)成。隔離級靠低壓級側(cè)部分為高頻調(diào)制部分，由四個1200V/400A的一單元IGBT模塊構(gòu)成，通過這一級，直流電壓被調(diào)制成為5k赫茲的高頻方波；每相高頻變壓器按40kVA，開關(guān)頻率5k赫茲設(shè)計，隔離級靠高壓級側(cè)部分為還原部分，也由相應(yīng)級數(shù)的功率變換模塊組成，每個模塊同樣由兩個1200V/105A的兩單元IGBT模塊構(gòu)成，通過這一級，高頻方波被還原為直流電壓；變壓器每相高壓級由18級功率變換模塊組成，每個模塊由兩個1200V/10SA的兩單元1GBT模塊構(gòu)成。
權(quán)利要求
1.一種電力電子變壓器，包含1-4相，各相獨立且結(jié)構(gòu)相同，即各依次由高壓級，隔離級和低壓級三級結(jié)構(gòu)組成，高壓級由2～30級相同的功率變換模塊串聯(lián)而成，每一功率變換模塊交流側(cè)的兩個端線之間并接兩個相同的串聯(lián)電容器、直流側(cè)的兩個端線之間亦并接兩個相同的串聯(lián)電容器，該兩組串聯(lián)電容器的中點相接；隔離級包括高頻調(diào)制/還原部分，高頻變壓器和還原/高頻調(diào)制部分；低壓級由一個功率變換模塊構(gòu)成，其直流側(cè)的兩個端線與隔離級輸出端線對應(yīng)相接，其交流側(cè)的兩個端線之間并接兩個相同的串聯(lián)電容器，其特征在于隔離級靠高壓級側(cè)為高頻調(diào)制/還原部分，由與高壓級相同數(shù)量的功率變換模塊組成，每個功率變換模塊靠高壓級側(cè)的兩個端線與對應(yīng)高壓級的功率變換模塊的端線相接；隔離級靠低壓級側(cè)為還原/高頻調(diào)制部分，由一個功率變換模塊構(gòu)成，其直流側(cè)的兩個端線間并接兩個相同串聯(lián)電容器；隔離級中間部分為高頻變壓器，其靠近高壓級方由多個分離繞組構(gòu)成，繞組數(shù)與高頻調(diào)制/還原部分功率變換模塊數(shù)量相同并與其相接，各繞組的中點有一抽頭與對應(yīng)高壓級各功率變換模塊的兩組串聯(lián)電容器的中點相接，高頻變壓器靠近低壓級方為一個繞組，繞組與隔離級靠低壓級側(cè)的功率變換模塊相接，繞組中點抽頭與該側(cè)功率變換模塊直流側(cè)兩端線間并接的串聯(lián)電容器中點相接并與低壓級交流側(cè)兩端線間并接的串聯(lián)電容器中點相接。
2.如權(quán)利要求1所述的電力電子變壓器，其特征在于高壓級、隔離級和低壓級的各功率變換模塊均由四只帶續(xù)流二極管的開關(guān)器件組成單相全控橋構(gòu)成，高壓級中每一級單相全控橋的交流側(cè)兩個端線上各串聯(lián)一個相同的電抗器；低壓級的單相全控橋交流側(cè)兩個端線中也各串聯(lián)一個相同的電抗器。
3.如權(quán)利要求1所述的電力電子變壓器，其特征在于當(dāng)其作為降壓變壓器使用時，高壓級各功率變換模塊是由四只整流二極管組成單相整流橋，其直流側(cè)的上端線上串聯(lián)一個電抗器，再在直流側(cè)兩個端線間并接一個開關(guān)器件，隨后在直流側(cè)的上端線上再串聯(lián)一個二極管構(gòu)成；隔離級和低壓級各功率變換模塊由四只帶續(xù)流二極管的開關(guān)器件組成單相全控橋構(gòu)成，低壓級的單相全控橋交流側(cè)兩個端線中各串聯(lián)一個相同的電抗器。
4.如權(quán)利要求1所述的電力電子變壓器，其特征在于當(dāng)其作為升壓變壓器使用時，高壓級和隔離級各功率變換模塊均由四只帶續(xù)流二極管的開關(guān)器件組成的單相全控橋構(gòu)成，高壓級中每一級單相全控橋的交流側(cè)兩個端線上各串聯(lián)一個相同的電抗器；低壓級的功率變換模塊是由四支整流二極管組成單相整流橋，在其直流側(cè)的上端線上串聯(lián)一個電抗器，再在直流側(cè)的兩個端線間并接一個開關(guān)器件，隨后在直流側(cè)的上端線上再串聯(lián)一個二極管構(gòu)成。
全文摘要
一種電力電子變壓器，涉及電力系統(tǒng)的電壓變換裝置，旨在簡化回路結(jié)構(gòu)，節(jié)省開關(guān)器件，解決功率雙向流動和低壓級均流問題。它包括1－4相，各相獨立且結(jié)構(gòu)相同，各依次由高壓級、隔離級和低壓級三級結(jié)構(gòu)組成，高壓級由2～30級相同的功率變換模塊串聯(lián)而成；隔離級包括高頻調(diào)制/還原部分、高頻變壓器和還原/高頻調(diào)制部分；低壓級由一個功率變換模塊構(gòu)成，它可以實現(xiàn)功率的雙向流動，開關(guān)器件數(shù)相對于國外方案減少三分之一，成本大為降低，隔離級靠低壓級側(cè)只使用了單個功率變換模塊，解決了多模塊并聯(lián)帶來的均流問題，高壓級功率變換模塊交流側(cè)并接的串聯(lián)電容器，可有效起到均壓作用。
文檔編號H02M5/44GK1402421SQ02139030
公開日2003年3月12日 申請日期2002年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月11日
發(fā)明者毛承雄, 陸繼明, 范澍, 方華亮 申請人:華中科技大學(xué)