專利名稱：混合級(jí)聯(lián)多電平電子電力變壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電カ電子技術(shù)在電カ系統(tǒng)中的應(yīng)用，具體涉及ー種混合級(jí)聯(lián)多電平電子電カ變壓器。
背景技術(shù)：
電子電カ變壓器是一種采用了電カ電子變換技術(shù)的電能變換和傳輸設(shè)備，是ー種新型的電カ變壓器。到目前為止，國(guó)內(nèi)外研究者已提出了多種具體的實(shí)現(xiàn)方案。如=Holger Wrede，Voiker Staudt,Andreas Steimel. Design of an Electronic Power Transformer.IEEE 200228th Annual Conference of the IECON0 Scott D.Sudhoff， StevenF. Glover, Dudley. Ga丄丄oway. Application of Power Electronics to the DistributionTransformer. Applied Power Electronics Conference and Exposition，2000。以及發(fā)明專利ZL 02139030. 4。這些方案都有各自的優(yōu)點(diǎn)，但是都有ー個(gè)問(wèn)題，即裝置中所有功率變換子単元的母線電壓是相同的。這樣使得輸出電壓的電平數(shù)量受到了限制，無(wú)助于抑制輸出電壓的諧波；且開關(guān)器件的開關(guān)頻率也相同，也使可選開關(guān)器件受到了限制；因此在抑制諧波，提高功率因素減小濾波器容量與體積以及降低損耗方面并無(wú)優(yōu)勢(shì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供ー種混合級(jí)聯(lián)多電平電子電カ變壓器，通過(guò)擴(kuò)展輸出電壓的電平數(shù)提高電能質(zhì)量，并且其使用的開關(guān)器件無(wú)需受頻率相同的限制，降低了開關(guān)及濾波器損耗。混合級(jí)聯(lián)多電平電子電カ變壓器，包括結(jié)構(gòu)相同的A、B和C相電能變換單元，所述電能變換單元由M個(gè)電子電カ變壓器子単元級(jí)聯(lián)而成，M > 2 ;所述電子電カ變壓器子單元包括高壓級(jí)、隔離級(jí)和低壓級(jí)串接構(gòu)成的三級(jí)結(jié)構(gòu)；所述高壓級(jí)包括PWM整流器，PWM整流器與同一相中其它子單元的PWM整流器級(jí)聯(lián)，所述隔離級(jí)包括隔離型DC-DC變換器，所述低壓級(jí)為電壓源逆變器，電壓源逆變器與同一相中其它子單元的電壓源逆變器級(jí)聯(lián)；所述PWM整流器的交流輸入端和電壓源逆變器的直流輸出端分別串聯(lián)ー電抗器。進(jìn)ー步地，所述PWM整流器由全橋并聯(lián)電容構(gòu)成或者由半橋并聯(lián)電容構(gòu)成。進(jìn)ー步地，所述隔離型DC-DC變換器由逆變器、中頻變壓器和整流器構(gòu)成，逆變器連接中頻變壓器的原邊，整流器連接中頻變壓器的副邊。進(jìn)ー步地，所述電壓源逆變器由全橋并聯(lián)電容構(gòu)成或者半橋并聯(lián)電容構(gòu)成。進(jìn)ー步地，M個(gè)子單元的母線電壓比為2.1 2m_2こ…21 2°。本發(fā)明除具有通常電子電力變壓器的優(yōu)點(diǎn)之外，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，還具有以下優(yōu)點(diǎn)(I)多電平(若應(yīng)用2的η次冪比例，即8 : 4 : 2 : I時(shí)可輸出31電平)階梯波輸出在沒(méi)有濾波器的情況下可使THD (總諧波失真)降至5%以下，功率因素則為99. 9%以上，為負(fù)載提供聞質(zhì)量電能；
(2)混合級(jí)聯(lián)方法中會(huì)使用到成比例電壓等級(jí)的母線，可同時(shí)應(yīng)用IGCT，IGBT以及Power Mosfet或其他開關(guān)器件作為不同電壓等級(jí)的子単元的開關(guān)器件，發(fā)揮每種開關(guān)器件各自的特性優(yōu)勢(shì)。例如IGCT耐高壓且額定工作狀態(tài)的開關(guān)頻率偏低，IGBT適中，PowerMosfet無(wú)法耐高壓但適于高開關(guān)頻率場(chǎng)合且損耗最小。本混合級(jí)聯(lián)方法中，電壓等級(jí)最高的級(jí)聯(lián)子単元的開關(guān)頻率最低，電壓等級(jí)最低的級(jí)聯(lián)子単元的開關(guān)頻率最高；即開關(guān)頻率按電壓等級(jí)的高低從低到高排列。如在電壓等級(jí)最高的子単元中應(yīng)用IGCT做開關(guān)器件，因?yàn)镮GCT額定工作開關(guān)頻率最低，同時(shí)耐壓最高；在電壓等級(jí)最低的級(jí)聯(lián)子単元中應(yīng)用Power Mosfet作為開關(guān)器件，因?yàn)镻ower Mosfet額定工作開關(guān)頻率最高,耐壓最低。而在中間電壓等級(jí)的子単元中可使用IGBT作為開關(guān)器件，因其額定工作開關(guān)頻率以及耐壓都適中，即按照電壓比例的反比例分配。依此方法可以降低開關(guān)管的開關(guān)損耗，且可最大限度發(fā)揮開關(guān)器件在其最適應(yīng)工作狀態(tài)中工作(3)多電平組成的階梯波能非常接近理想正弦波，電平越多則越接近。減小諧波含量可大幅減小濾波器的的體積和容量，且降低濾波器上的損耗；(4)由于電子電カ變壓器的子單元采用不同的母線電壓混合級(jí)聯(lián)，因此每相所需要配置的級(jí)聯(lián)電路數(shù)量比常規(guī)且同等級(jí)電子電カ變壓器少，降低了電路的復(fù)雜程度；(5)由于開關(guān)損耗以及濾波器損耗的降低，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的電子電カ變壓器的效率會(huì)比常規(guī)且同等級(jí)電子電カ變壓器高。


圖I為本發(fā)明混合級(jí)聯(lián)多電平電子電カ變壓器的ー種具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明混合級(jí)聯(lián)多電平電子電カ變壓器的另ー種具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步詳細(xì)說(shuō)明。為了更好的說(shuō)明本發(fā)明，在下文的具體實(shí)施方式
中給出了眾多的具體細(xì)節(jié)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，沒(méi)有這些具體細(xì)節(jié)，本發(fā)明同樣可以實(shí)施。在另外ー些實(shí)例中，對(duì)于大家熟知的方法、手續(xù)、兀件和電路未作詳細(xì)描述，以便于凸顯本發(fā)明的主旨。本發(fā)明提供的混合級(jí)聯(lián)多電平電子電カ變壓器，每相由M個(gè)電子電カ變壓器子單元級(jí)聯(lián)而成，M ^ 2 ;每個(gè)電子電カ變壓器子単元的主回路由高壓級(jí)、隔離級(jí)和低壓級(jí)串接構(gòu)成三級(jí)結(jié)構(gòu)。高壓級(jí)由PWM整流器構(gòu)成，且與這一相其他子單元的高壓級(jí)級(jí)聯(lián)在一起，PWM整流器由四只帶續(xù)流ニ極管的開關(guān)器件組成的全橋并聯(lián)電容構(gòu)成或者由兩只帶續(xù)流ニ極管的開關(guān)器件組成的半橋并聯(lián)電容構(gòu)成，全橋與半橋相比，電壓利用率更高；隔離級(jí)由相互獨(dú)立的隔離型DC-DC變換器構(gòu)成，每個(gè)DC-DC變換器由逆變器、中頻變壓器和整流器構(gòu)成，逆變器連接中頻變壓器的原邊，整流器連接中頻變壓器的副邊；逆變器和整流器可采用全橋或半橋。低壓級(jí)由電壓源逆變器構(gòu)成，并與這一相其他子単元的低壓級(jí)級(jí)聯(lián)在一起。電壓源逆變器采用全橋并聯(lián)電容構(gòu)成或者半橋并聯(lián)電容構(gòu)成。高壓級(jí)的交流輸入端和低壓極的直流輸出端需要分別串聯(lián)一個(gè)電抗器。本發(fā)明用于實(shí)現(xiàn)高壓級(jí)與低壓級(jí)之間的電能變換。當(dāng)實(shí)現(xiàn)從高壓級(jí)向低壓級(jí)傳遞能量時(shí)，高壓級(jí)的每ー相電能中的每一路電能經(jīng)過(guò)高壓級(jí)調(diào)制成高頻信號(hào)后，傳遞給隔離級(jí)，并耦合到低壓級(jí)，并在低壓級(jí)輸出。反之，當(dāng)實(shí)現(xiàn)從低壓級(jí)向高壓級(jí)傳遞能量時(shí)，低壓級(jí)的每ー相電能經(jīng)過(guò)低壓級(jí)調(diào)制后，傳遞給隔離級(jí)，并耦合到高壓級(jí)，并在高壓級(jí)輸出。
每相中各子単元的母線電壓可相同或不同，通過(guò)理論論證，以2的冪為比例系數(shù)進(jìn)行電壓分配最優(yōu)，即M個(gè)子單元的母線電壓比為2.1 2m_2 :…21 2°。以M = 4為例，不同子單元的母線電壓比為8 4 2 1，不同子單元的輸出功率之比為電壓等級(jí)之比，即8 4 2 1，也即電壓等級(jí)越低的子単元可以選擇耐壓以及電流容量更小的開關(guān)器件。若不使用PWM技術(shù)而單純疊加不同的電壓獲得階梯波輸出，則子単元的開關(guān)頻率之比為電壓等級(jí)之比的反比，也即I : 2 : 4 : 8;也即電壓等級(jí)越高的子単元可以選擇開關(guān)頻率越低得開關(guān)器件，因此降低了開關(guān)損耗。圖I給出了 M= 5的實(shí)施例，為不對(duì)開關(guān)器件耐壓造成過(guò)高要求，將8 :4:2:1中的“8”拆分為“4+4”。即第一路到第五路子單元的電壓之比為4 : 4 : 4 : 2 : I。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)可理解，此拆分方式僅為說(shuō)明目的，并非本發(fā)明的限制。第一、第二以及第三路子單元的開關(guān)器件為IGCT(集成門極換流晶閘管)或IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)(僅為舉例說(shuō)明，并非局限于這ー種開關(guān)器件)，第四路開關(guān)器件為IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)但不局限于此開關(guān)器件，第五路開關(guān)器件為MOSFET(功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管)但不局限于此開關(guān)器件。高壓級(jí)的子單元采用級(jí)聯(lián)，使高壓級(jí)子単元流過(guò)電流相等，而子單元母線電壓為4 :4:4:2: 1，因此高壓級(jí)子單元模塊輸出功率之比也為 4 : 4 : 4 : 2 : I。由于子單元的母線電壓不同，因此將子単元的母線電壓疊加成正弦波時(shí)需要不同的組合。此組合中母線電壓越高的子単元出現(xiàn)的頻率越低，因?yàn)閮H在正弦波的峰值時(shí)需要高電壓子単元工作；例如在此實(shí)施例中，僅在峰值附近才需要第一、第二和第三路子單元エ作；之外，僅第一、第二和第三路子單元中任意一路即可與第四、第五路子單元混合工作，或第四、第五路子單元各自獨(dú)立工作在正弦電壓值較低的區(qū)間?？梢岳斫鉃殡妷狠^高的子単元(即第一、第二以及第三路子單元)工作在基波頻率或基波頻率倍數(shù)下(例如50Hz或50Hz的倍數(shù))，且輸出方波；而電壓較低子單元工作在較高頻率下，用以抵消高電壓子単元的方波輸出帶來(lái)的諧波，達(dá)到濾波以及完善基波的效果O高壓級(jí)直流母線將會(huì)通過(guò)隔離級(jí)耦合到低壓級(jí)，而本實(shí)施例低壓級(jí)直流母線電壓比例也為4 : 4 : 4 : 2 : I。此時(shí)低壓級(jí)為逆變器功能，通過(guò)低壓級(jí)的混合級(jí)聯(lián)，將不同的母線電壓疊加在一起可實(shí)現(xiàn)低壓級(jí)的31電平逆變輸出。通過(guò)對(duì)圖I中所示的五路子單元的通斷進(jìn)行控制，本實(shí)施例中高壓級(jí)可實(shí)現(xiàn)31階電平整流，將輸入交流電壓整流成高壓級(jí)的五個(gè)子單元的直流母線電壓；同時(shí)低壓級(jí)也可由表I實(shí)現(xiàn)31階電平逆變，輸出諧波很小的正弦電壓。由于第一、第二以及第三路子單元母線電壓相等，因此高壓級(jí)和低壓級(jí)的通斷存在冗余組合，可通過(guò)選擇不同的開關(guān)組合以降低開關(guān)器件的開關(guān)頻率，從而降低開關(guān)損耗。
表I為31階電平組合示意圖
權(quán)利要求
1.混合級(jí)聯(lián)多電平電子電力變壓器，包括結(jié)構(gòu)相同的A、B和C相電能變換單元，所述電能變換單元由M個(gè)電子電力變壓器子單元級(jí)聯(lián)而成，M ^ 2 ;所述電子電力變壓器子單元包括高壓級(jí)、隔離級(jí)和低壓級(jí)串接構(gòu)成的三級(jí)結(jié)構(gòu)；所述高壓級(jí)包括PWM整流器，PWM整流器與同一相中其它子單元的PWM整流器級(jí)聯(lián)，所述隔離級(jí)包括隔離型DC-DC變換器，所述低壓級(jí)為電壓源逆變器，電壓源逆變器與同一相中其它子單元的電壓源逆變器級(jí)聯(lián)；所述PWM整流器的交流輸入端和電壓源逆變器的直流輸出端分別串聯(lián)一電抗器。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的混合級(jí)聯(lián)多電平電子電力變壓器，其特征在于，所述PWM整流器由全橋并聯(lián)電容構(gòu)成或者由半橋并聯(lián)電容構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的混合級(jí)聯(lián)多電平電子電力變壓器，其特征在于，所述隔離型DC-DC變換器由逆變器、中頻變壓器和整流器構(gòu)成，逆變器連接中頻變壓器的原邊，整流器連接中頻變壓器的副邊。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的混合級(jí)聯(lián)多電平電子電力變壓器，其特征在于，所述電壓源逆變器由全橋并聯(lián)電容構(gòu)成或者半橋并聯(lián)電容構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的混合級(jí)聯(lián)多電平電子電力變壓器，其特征在于，M個(gè)子單元的母線電壓比為 2M_i 2m_2 ... : 21 : 2°。
全文摘要
本發(fā)明公開一種混合級(jí)聯(lián)多電平電子電力變壓器，包括結(jié)構(gòu)相同的A、B和C相電能變換單元，每相電能變換單元由M個(gè)電子電力變壓器子單元級(jí)聯(lián)而成，M≥2；每個(gè)電子電力變壓器子單元包括高壓級(jí)、隔離級(jí)和低壓級(jí)串接構(gòu)成的三級(jí)結(jié)構(gòu)；所述高壓級(jí)包括PWM整流器，PWM整流器與同一相中其它子單元的PWM整流器級(jí)聯(lián)，所述隔離級(jí)包括隔離型DC-DC變換器，所述低壓級(jí)為電壓源逆變器，電壓源逆變器與同一相中其它子單元的電壓源逆變器級(jí)聯(lián)；PWM整流器的交流輸入端和電壓源逆變器的直流輸出端分別串聯(lián)一個(gè)電抗器。本發(fā)明通過(guò)擴(kuò)展輸出電壓的電平數(shù)提高電能質(zhì)量，并且其使用的開關(guān)器件無(wú)需受頻率相同的限制，降低了開關(guān)及濾波器損耗。
文檔編號(hào)H02M5/458GK102638176SQ20121010584
公開日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2012年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月12日
發(fā)明者易楊, 楊嘉偉, 桑子夏, 毛承雄, 王丹, 田杰, 陸繼明, 黃輝 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)