[实用新型]一种模块化的电力电子变压器

说明书

技术领域

本实用新型涉及电力系统的电能变换装置，具体涉及一种模块化的电力电子变压器。

背景技术

国外对电力电子变压器的研究较早，在十多年前就提出了电力电子变压器的概念，先后有多家公司和多所高校提出了不同的电力电子变压器拓扑和相关的控制算法，对AC/AC型和AC/DC/AC型电力电子变压器进行了理论分析和实验室样机制作，但限于大功率电力电子器件的发展水平和相关设计方案的缺陷，上述理论研究成果和实验方案都无法进入实用化阶段，其中主要原因有：

1、电力电子变压器的主电路拓扑没有采用标准化设计，结构不紧凑，体积大；

2、由于实验室方案的主要设计目的是验证原理的正确性和方案的可行性，对装置的可靠性要求较少，且接线方式不符合相关标准，所以所设计方案可靠性较差，不适合工业化应用；

3、实验室样机一般都采用非标器件，包括：开关管、变压器等，所需器件属于定制件，所以装置的总体成本较高，得不到市场认可；

4、由于电力电子变压器采用开关器件对电压、电流波形质量进行控制，开关器件、变压器自身存在损耗，所以装置整体效率较普通的电力变压器效率低；

5、维护、扩容困难，功率回路寄生参数较大。

因此，电力电子变压器的研究还处于实验室样机阶段，还无法满足工业化需求。模块化技术是电力电子变压器实现市场化的关键技术，模块化可以提高电力电子变压器的运行可靠性和可维护性，可以实现变压器的在线维护和在线扩容。

发明内容

本实用新型的目的是提出一种模块化的电力电子变压器，旨在解决电力电子变压器成本高、结构不紧凑、不方便维护、可靠性差和扩容困难等问题。

本实用新型提出了一种模块化电力电子变压器，包含多相输入、各相独立、且结构相同的高压级、隔离级和低压级，所述高压级、隔离级和低压级构成三级结构，该变压器的高压级和低压级既可以作为输入级，也可以作为输出级，即：该电力电子变压器可以实现能量的双向流动；所述电力电子变压器的高压级、隔离级和低压级都是采用功率模块串、并联结构来解决电压等级、功率等级和用户需求等问题；

所述电力电子变压器的高压级包括功率模块、电抗器和电容器，所述高压级的单相桥臂由N级串联功率模组、2只电抗器和N只电容器组成(N为自然数)，每一串联功率模组由两个半桥功率模块构成，形成全控桥模块，每一半桥功率模块直流侧的两个端线直接相连，而每一串联功率模组的交流侧的两个端线依次串联，在首尾串联功率模组的交流端分别串接入一只电抗器，且在单相交流输入端或多相交流输入端之间并接一组电容器组，该电容器组由N只电容器串联而成；

所述电力电子变压器的隔离级包括中、高频变压器和功率模块，功率模块(或功率模组)的数量由高压级串联功率模组的数量决定，中、高频变压器的功率等级和数量由装置的功率等级和隔离级功率模块的数量决定，功率模块(或功率模组)完成对直流电压的方波调制和方波解调，中、高频变压器完成电压等级的变换、电气隔离和电能的传送，中、高频变压器可以是双绕组结构，也可以是三绕组结构；

所述电力电子变压器的低压级包括功率模块(或功率模组)和滤波器模块，功率模块(或功率模组)完成对直流电压的正弦调制和电压等级变换，滤波器模块完成低通滤波功能。

所述电力电子变压器，其特征在于所述高压级、隔离级和输出级的各功率模组(或功率模块)都是由半桥拓扑构成，该半桥拓扑包括两只带续流二极管的可关断开关管器件和两只电容器，具体连接方式为：带有反并联二极管的两只可关断开关管串联后再与两只串联的电容器相并联；同时，该模组提供4个带有反并联二极管的功率接口：接口1是两串联开关管的中点，接口2、3是模块直流母线，接口4是串联电容中点；该模组提供多个信号接口，包括电容电压信号接口，交流电流检测接口、公共接地点和通信接口；其特征在于构成高压级、隔离级和输出级的功率模块(或模组)均采用集中-分散控制模式，即：一台电力电子变压器包含一套集中-分散控制系统，集中-分散控制系统包括集中控制单元、分散控制单元(控制子系统)和监控单元。

所述电力电子变压器，其特征在于各功率模块(或功率模组)都具有单独的控制子系统，即分散控制单元，分别对直流母线电压、直流母线电流、交流侧电流、模块(或模组)内部工作温度进行监控，并判断模块是否存在过压、过流、过温，同时启动相关的保护动作；其特征在于各功率模块或功率模组都具有通信功能，并能适时将各功率模块(或模组)的状态信息传递到集中控制单元。