專利名稱：電子電力變壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及電子電力變壓器。
背景技術(shù)：
電力變壓器是電力系統(tǒng)最基本的組成設(shè)備，在輸電系統(tǒng)中起著十分重要的作用。 目前，電力系統(tǒng)的電力變壓器常用是采用鐵心浸油式電力變壓器。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性 高，制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。但是它也存在下述缺點(diǎn)，第一變壓器體積大，重量重；第二 不能 維持變壓器副方電壓恒定；第三由于鐵磁元件的非線性特征，當(dāng)變壓器鐵心出現(xiàn)磁飽和 時(shí)，會(huì)造成系統(tǒng)中電壓電流的波形畸變，產(chǎn)生諧波污染；第四由于變壓器副方電壓波形和 原方電壓波形的緊密耦合以及原方電流決定于負(fù)載電流，因此電網(wǎng)側(cè)和負(fù)荷側(cè)的電能質(zhì)量 問(wèn)題會(huì)相互傳播；第五對(duì)電壓的調(diào)節(jié)和控制能力有限。
近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多技術(shù)人員投入到對(duì)電子電力變壓器的研究，電子電力變 壓器是一種采用了電力電子變換技術(shù)的電能變換和傳輸設(shè)備，它的基本原理是采用大功率 電力電子變流技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)中的電壓變換。它具有下述優(yōu)點(diǎn)1、相對(duì)于鐵心浸油式 電力變壓器來(lái)說(shuō)電子電力變壓器體積小，重量輕，無(wú)環(huán)境污染，易維護(hù)；2、變壓器運(yùn)行時(shí)可 保持副方輸出電壓幅值和頻率恒定，不隨負(fù)載變化；3、變壓器具有高度可控性，可在有載條 件下實(shí)現(xiàn)對(duì)幅值及頻率的平滑調(diào)節(jié)。
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，這些實(shí)現(xiàn)方案具有各 自的優(yōu)點(diǎn)，但在應(yīng)用于高電壓大功率場(chǎng)合時(shí)，對(duì)電力電子器件有較高的要求，為了實(shí)現(xiàn)有功 功率和無(wú)功功率的雙向流動(dòng)控制，一般的電子電力變壓器結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度加大，可 擴(kuò)展性差。發(fā)明內(nèi)容
基于此，有必要針對(duì)現(xiàn)有電子電力變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問(wèn)題，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可 擴(kuò)展性強(qiáng)且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)有功功率和無(wú)功功率的雙向流動(dòng)控制的電子電力變壓器。
一種電子電力變壓器，包括模塊化多電平整流器、隔離級(jí)和逆變器，所述模塊化多 電平整流器的交流端與電網(wǎng)連接，所述模塊化多電平整流器的直流端與所述隔離級(jí)的高壓 側(cè)端口連接，所述逆變器的直流端與所述隔離級(jí)的低壓側(cè)端口連接，所述逆變器的交流端 與輸電線路或負(fù)荷連接；
所述模塊化多電平整流器為三相三橋臂電路結(jié)構(gòu)，所述三橋臂結(jié)構(gòu)中每相橋臂均 包括上橋臂和下橋臂，所述上橋臂和所述下橋臂包括多個(gè)子模塊，所述多個(gè)子模塊串聯(lián)，所 述子模塊包括半橋電路和電容，所述半橋電路與所述電容并聯(lián)；
所述逆變器包括三個(gè)單相電路，所述三個(gè)單相電路按三相四線制連接，所述三個(gè) 單相電路包括多個(gè)功率變換模塊，所述多個(gè)功率變換模塊交流側(cè)相互并聯(lián)連接，所述功率 變換模塊為全控整流橋。
在其中一個(gè)實(shí)施例中，模塊化多電平整流器的所述上橋臂和所述下橋臂還分別包括緩沖電感，所述緩沖電感與所述多個(gè)子模塊串聯(lián)。
在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述隔離級(jí)包括高頻調(diào)制部分、高頻變壓器組部分和高頻 還原部分，所述高頻調(diào)制部分為所述隔離級(jí)的高壓側(cè)，所述高頻還原部分為所述隔離級(jí)的 低壓側(cè)，所述高頻變壓器組部分位于所述高頻調(diào)制部分和所述高頻還原部分的之間，且與 所述高頻調(diào)制部分、所述高頻還原部分連接。
在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述高頻調(diào)制部分包括3P個(gè)所述功率變換模塊，其中P為 正整數(shù)，P個(gè)所述功率變換模塊依次串聯(lián)，串聯(lián)后P個(gè)所述功率變換模塊的直流端口形成隔 離級(jí)高壓側(cè)端口，所述隔離級(jí)高壓側(cè)端口與所述模塊化多電平整流器相連，P個(gè)所述功率變 換模塊的交流端口與所述高頻變壓器組部分的高壓側(cè)繞組相連。
在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述高頻變壓器組部分包括3個(gè)高頻變壓器，每個(gè)所述高 頻變壓器的高壓側(cè)均為單個(gè)繞組，低壓側(cè)均為Q個(gè)所述繞組，其中Q為正整數(shù)，所述高頻還 原部分包括3Q個(gè)所述功率變換模塊，3Q個(gè)所述功率變換模塊交流端分別與3個(gè)所述高變頻 器的低壓側(cè)的Q個(gè)繞組相連，3Q個(gè)所述功率變換模塊的直流端形成隔離級(jí)低壓側(cè)端口，所 述隔離級(jí)低壓側(cè)端口與所述逆變器相連；
所述逆變器中三個(gè)所述單相電路分別包括Q個(gè)功率變換模塊，Q個(gè)所述功率變換 模塊交流端相互并聯(lián)連接，3Q個(gè)所述功率變換模塊直流端與所述隔離級(jí)低壓側(cè)端口相連。
在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述高頻變壓器組部分包括3P個(gè)所述高頻變壓器，其中P 為正整數(shù)，每個(gè)所述高頻變壓器高壓側(cè)和低壓側(cè)均為單個(gè)繞組，所述高頻還原部分包括3P 個(gè)功率變換模塊，3P個(gè)所述功率變換模塊交流側(cè)分別與3P個(gè)雙繞組高頻變壓器的低壓側(cè) 繞組相連，3P個(gè)所述功率變換模塊的直流端形成隔離級(jí)低壓側(cè)端口，所述隔離級(jí)低壓側(cè)端 口與所述逆變器相連；
所述逆變器中三個(gè)所述單相電路分別包括P個(gè)所述功率變換模塊，P個(gè)所述功率 變換模塊的交流端相互并聯(lián)連接，3P個(gè)所述功率變換模塊的直流端口與隔離級(jí)低壓側(cè)端口 相連。
輸入本發(fā)明電子電力變壓器的交流電通過(guò)三相三橋臂結(jié)構(gòu)的模塊化多電平整流 器變換為直流，再通過(guò)逆變電路被調(diào)制成為高頻方波后加載至高頻變壓器，耦合到變壓器 二次側(cè)后，高頻方波被整流成直流電壓，再逆變?yōu)樗璧慕涣麟娸敵?，由于模塊化多電平變 流器的每相橋臂包括多個(gè)相同子模塊，逆變器中包括多個(gè)相同的功率變換模塊組成，因而 具有良好的可擴(kuò)展性，可以根據(jù)應(yīng)用的需要，方便地?cái)U(kuò)展到很高的電壓等級(jí)和功率水平，另 外，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)靈活地控制有功功率和無(wú)功功率的雙向流動(dòng)，并能保證兩側(cè)系統(tǒng)具有 良好的電能質(zhì)量。所以本發(fā)明電子電力變壓器是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、擴(kuò)展性強(qiáng)且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)有 功功率和無(wú)功功率的雙向流動(dòng)控制的電力變壓器。


圖1為本發(fā)明電子電力變壓器其中一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明電子電力變壓器中隔離級(jí)的第一種結(jié)構(gòu)示意圖3為本發(fā)明電子電力變壓器中隔離級(jí)的第二種結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下根據(jù)附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施僅僅用以解釋本發(fā)明，并不 限定本發(fā)明。
如圖1所示，一種電子電力變壓器，包括模塊化多電平整流器100、隔離級(jí)200和 逆變器300，所述模塊化多電平整流器100的交流端與電網(wǎng)連接，所述模塊化多電平整流器 100的直流端與所述隔離級(jí)200的高壓側(cè)端口連接，所述逆變器300的直流端與所述隔離級(jí) 200的低壓側(cè)端口連接，所述逆變器300的交流端與輸電線路或負(fù)荷連接；
所述模塊化多電平整流器100為三相三橋臂電路結(jié)構(gòu)，所述三橋臂結(jié)構(gòu)中每相橋 臂均包括上橋臂和下橋臂，所述上橋臂和所述下橋臂均包括多個(gè)相同的子模塊，所述多個(gè) 子模塊串聯(lián)，所述子模塊包括半橋電路和電容，所述半橋電路與所述電容并聯(lián)；
所述逆變器300包括三個(gè)單相電路，所述三個(gè)單相電路按三相四線制連接，所述 三個(gè)單相電路包括多個(gè)相同功率變換模塊，所述多個(gè)功率變換模塊交流側(cè)相互并聯(lián)連接， 所述功率變換模塊為全控整流橋。
在這里所述的多個(gè)指的是2個(gè)或2個(gè)以上的個(gè)數(shù)。
輸入本發(fā)明電子電力變壓器的交流電通過(guò)三相三橋臂結(jié)構(gòu)的模塊化多電平整流 器變換為直流，再通過(guò)逆變電路被調(diào)制成為高頻方波后加載至高頻變壓器，耦合到變壓器二次側(cè)后，高頻方波被整流成直流電壓，再逆變?yōu)樗璧慕涣鬏敵?，由于模塊化多電平變流 器的每相橋臂由多個(gè)子模塊組成，逆變器中有包括多個(gè)功率模塊，因而具有良好的可擴(kuò)展 性，可以根據(jù)應(yīng)用的需要，方便地?cái)U(kuò)展到很高的電壓等級(jí)和功率水平，可以實(shí)現(xiàn)靈活地控制 有功功率和無(wú)功功率的雙向流動(dòng)，并能保證電子電力變壓器一、二次側(cè)良好的電能質(zhì)量。所 以本發(fā)明電子電力變壓器是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、擴(kuò)展性強(qiáng)且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)有功功率和無(wú)功功率的 雙向流動(dòng)控制的電子電力變壓器。
另外由于模塊化多電平整流器的模塊化設(shè)計(jì)，能獲得較高的電平數(shù)，從而減少了 交直流諧波分量，相應(yīng)的濾波裝置容量和體積也會(huì)減小，從而更進(jìn)一步簡(jiǎn)化了本發(fā)明電子 電力變壓器的結(jié)構(gòu)。
在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述上橋臂和所述下橋臂還分別包括緩沖電感，所述緩沖 電感與所述多個(gè)子模塊串聯(lián)。
在這里將緩沖電感與多個(gè)子模塊串聯(lián)是一個(gè)濾波的作用，一般來(lái)說(shuō)這里只需要將 一個(gè)緩沖電感與多個(gè)子模塊串聯(lián)就可以達(dá)到良好的濾波效果。
在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述隔離級(jí)包括高頻調(diào)制部分、高頻變壓器組部分和高頻 還原部分，所述高頻調(diào)制部分為所述隔離級(jí)的高壓側(cè)，所述高頻還原部分為所述隔離級(jí)的 低壓側(cè)，所述高頻變壓器組部分位于所述高頻調(diào)制部分和所述高頻還原部分的之間，且與 所述高頻調(diào)制部分、所述高頻還原部分連接。
進(jìn)入隔離級(jí)的電流依次經(jīng)過(guò)高頻調(diào)制部分、高頻變壓器組部分和高頻還原部分的 處理傳輸?shù)侥孀兤髦小?br> 隔離級(jí)分為三個(gè)不同功能的部分，可以將本發(fā)明電子電力變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)模塊 化、功能化，這樣可以簡(jiǎn)化本發(fā)明電子電力變壓器結(jié)構(gòu)。
在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述高頻調(diào)制部分包括3P個(gè)所述功率變換模塊，其中P為 正整數(shù)，P個(gè)所述功率變換模塊依次串聯(lián)，串聯(lián)后P個(gè)所述功率變換模塊的直流端口形成隔離級(jí)高壓側(cè)端口，所述隔離級(jí)高壓側(cè)端口與所述模塊化多電平整流器相連，P個(gè)所述功率變 換模塊的交流端口與所述高頻變壓器組部分的高壓側(cè)繞組相連。
在這里3P個(gè)功率變換模塊指的是3個(gè)P組次功率變換模塊，高頻調(diào)制部分包括3P 個(gè)功率變換模塊具有良好的擴(kuò)展性，可以根據(jù)實(shí)際使用的需要決定P的大小。
如圖2所示，在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述高頻變壓器組部分包括3個(gè)高頻變壓器， 每個(gè)所述高頻變壓器的高壓側(cè)均為單個(gè)繞組，低壓側(cè)均為Q個(gè)所述繞組，其中Q為正整數(shù)， 所述高頻還原部分包括3Q個(gè)所述功率變換模塊，3Q個(gè)所述功率變換模塊交流端分別與3個(gè) 所述高變頻器的低壓側(cè)的Q個(gè)繞組相連，30個(gè)所述功率變換模塊的直流端形成隔離級(jí)低壓 側(cè)端口，所述隔離級(jí)低壓側(cè)端口與所述逆變器相連；
所述逆變器中三個(gè)所述單相電路分別包括Q個(gè)功率變換模塊，Q個(gè)所述功率變換 模塊交流端相互并聯(lián)連接，3Q個(gè)所述功率變換模塊直流端與所述隔離級(jí)低壓側(cè)端口相連。
在本實(shí)施例中，所述電子電力變壓器隔離級(jí)中，高頻變壓器低壓側(cè)包括了 Q個(gè)繞 組，這種隔離級(jí)結(jié)構(gòu)的電子電力變壓器應(yīng)用于高壓大功率場(chǎng)合時(shí)，可以采用較少的高頻變 壓器。
如圖3所示，在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述高頻變壓器組部分包括3P個(gè)所述高頻變 壓器，其中P為正整數(shù)，每個(gè)所述高頻變壓器高壓側(cè)和低壓側(cè)均為單個(gè)繞組，所述高頻還原 部分包括3P個(gè)功率變換模塊，3P個(gè)所述功率變換模塊交流側(cè)分別與3P個(gè)雙繞組高頻變壓 器的低壓側(cè)繞組相連，3P個(gè)所述功率變換模塊的直流端形成隔離級(jí)低壓側(cè)端口，所述隔離 級(jí)低壓側(cè)端口與所述逆變器相連；
所述逆變器中三個(gè)所述單相電路分別包括P個(gè)所述功率變換模塊，P個(gè)所述功率 變換模塊的交流端相互并聯(lián)連接，3P個(gè)所述功率變換模塊的直流端口與隔離級(jí)低壓側(cè)端口 相連。
本實(shí)施例為本發(fā)明電子電力變壓器中隔離級(jí)的另一種結(jié)構(gòu)，在電子電力變壓器隔 離級(jí)中，高頻變壓器低壓側(cè)只包括一個(gè)繞組，這種隔離級(jí)結(jié)構(gòu)的電子電力變壓器應(yīng)用于高 壓大功率場(chǎng)合時(shí)，易于對(duì)功率變換模塊進(jìn)行擴(kuò)展。
下面，將以實(shí)例來(lái)解釋本發(fā)明的技術(shù)方案。
例10kV / 400V，降壓變壓器
模塊化多電平整流器每相由6級(jí)多電平功率變換模塊組成；隔離級(jí)靠高壓級(jí)側(cè) 的高頻調(diào)制部分也由相應(yīng)級(jí)數(shù)的功率變換模塊組成，每個(gè)模塊由兩個(gè)額定電壓為3300V的 IGBT模塊構(gòu)成，通過(guò)這一級(jí)，直流電壓被調(diào)制成高頻方波；隔離級(jí)靠低壓側(cè)的高頻還原部 分每相由I個(gè)額定電壓為3300V的IGBT模塊構(gòu)成，通過(guò)這一級(jí)，高頻方波被還原成直流電壓。
以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并 不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員 來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保 護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種電子電力變壓器，其特征在于，包括模塊化多電平整流器、隔離級(jí)和逆變器，所述模塊化多電平整流器的交流端與電網(wǎng)連接，所述模塊化多電平整流器的直流端與所述隔離級(jí)的高壓側(cè)端口連接，所述逆變器的直流端與所述隔離級(jí)的低壓側(cè)端口連接，所述逆變器的交流端與輸電線路或負(fù)荷連接； 所述模塊化多電平整流器為三相三橋臂電路結(jié)構(gòu)，所述三橋臂結(jié)構(gòu)中每相橋臂均包括上橋臂和下橋臂，所述上橋臂和所述下橋臂均包括多個(gè)子模塊，所述多個(gè)子模塊串聯(lián)，所述子模塊包括半橋電路和電容，所述半橋電路與所述電容并聯(lián)； 所述逆變器包括三個(gè)單相電路，所述三個(gè)單相電路按三相四線制連接，所述三個(gè)單相電路包括多個(gè)功率變換模塊，所述多個(gè)功率變換模塊相互并聯(lián)連接，所述功率變換模塊為全控整流橋。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子電力變壓器，其特征在于，所述上橋臂和所述下橋臂還分別包括緩沖電感，所述緩沖電感與所述多個(gè)子模塊串聯(lián)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電子電力變壓器，其特征在于，所述隔離級(jí)包括高頻調(diào)制部分、高頻變壓器組部分和高頻還原部分，所述高頻調(diào)制部分為所述隔離級(jí)的高壓側(cè)，所述高頻還原部分為所述隔離級(jí)的低壓側(cè)，所述高頻變壓器組部分位于所述高頻調(diào)制部分和所述高頻還原部分的之間，且與所述高頻調(diào)制部分、所述高頻還原部分連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電子電力變壓器，其特征在于，所述高頻調(diào)制部分包括3P個(gè)所述功率變換模塊，其中P為正整數(shù)，P個(gè)所述功率變換模塊依次串聯(lián)，串聯(lián)后P個(gè)所述功率變換模塊的直流端形成隔離級(jí)高壓側(cè)端口，所述隔離級(jí)高壓側(cè)端口與所述模塊化多電平整流器相連，P個(gè)所述功率變換模塊的交流端與所述高頻變壓器組部分的高壓側(cè)繞組相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電子電力變壓器，其特征在于，所述高頻變壓器組部分包括3個(gè)高頻變壓器，每個(gè)所述高頻變壓器的高壓側(cè)均為單個(gè)繞組，低壓側(cè)均為Q個(gè)所述繞組，其中Q為正整數(shù)，所述高頻還原部分包括3Q個(gè)所述功率變換模塊，3Q個(gè)所述功率變換模塊交流端分別與3個(gè)所述高變頻器的低壓側(cè)的Q個(gè)繞組相連，3Q個(gè)所述功率變換模塊的直流端形成隔離級(jí)低壓側(cè)端口，所述隔離級(jí)低壓側(cè)端口與所述逆變器相連； 所述逆變器中三個(gè)所述單相電路分別包括Q個(gè)功率變換模塊，Q個(gè)所述功率變換模塊交流端相互并聯(lián)連接，3Q個(gè)所述功率變換模塊直流端與所述隔離級(jí)低壓側(cè)端口相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電子電力變壓器，其特征在于，所述高頻變壓器組部分包括3P個(gè)所述高頻變壓器，其中P為正整數(shù)，每個(gè)所述高頻變壓器高壓側(cè)和低壓側(cè)均為單個(gè)繞組，所述高頻還原部分包括3P個(gè)功率變換模塊，3P個(gè)所述功率變換模塊交流側(cè)分別與3P個(gè)雙繞組高頻變壓器的低壓側(cè)繞組相連，3P個(gè)所述功率變換模塊的直流端形成隔離級(jí)低壓側(cè)端口，所述隔離級(jí)低壓側(cè)端口與所述逆變器相連； 所述逆變器中三個(gè)所述單相電路分別包括P個(gè)所述功率變換模塊，P個(gè)所述功率變換模塊的交流端相互并聯(lián)連接，3P個(gè)所述功率變換模塊的直流端與隔離級(jí)低壓側(cè)端口相連。
全文摘要
本發(fā)明提供一種電子電力變壓器，包括模塊化多電平整流器、隔離級(jí)和逆變器，模塊化多電平整流器包括多個(gè)子模塊，逆變器包括多個(gè)相互并聯(lián)連接的功率變換模塊，由于模塊化多電平變流器包括多個(gè)相同的子模塊，逆變器包括多個(gè)相同的功率變換模塊，因而本發(fā)明電子電力變壓器具有良好的可擴(kuò)展性，可以根據(jù)應(yīng)用的需要，方便地?cái)U(kuò)展到很高的電壓等級(jí)和功率水平，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)靈活控制有功功率和無(wú)功功率的雙向流動(dòng)，并能保證兩側(cè)系統(tǒng)具有良好的電能質(zhì)量，所以本發(fā)明電子電力變壓器是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、擴(kuò)展性強(qiáng)且能夠?qū)崿F(xiàn)有功功率和無(wú)功功率雙向流動(dòng)控制的電力變壓器。
文檔編號(hào)H02M5/458GK103036451SQ201310016540
公開(kāi)日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2013年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月16日
發(fā)明者張俊峰, 王丹, 毛承雄, 陳迅, 陸繼明, 王思聰, 樊華, 黃輝 申請(qǐng)人:廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院, 華中科技大學(xué)