[发明专利]一种配电用三相电力电子变压器

说明书

技术领域

本发明涉及一种三相电力电子变压器。

背景技术

传统的电力变压器是电力系统的基本组成设备，其突出优点是制作工艺简单、可靠性高、价格低廉。但是传统的电力变压器仅能实现单一的电压等级变换、电能的隔离传递。另外，由于铁磁元件的非线性造成了电网电压和电流的畸变产生了谐波污染，而且不能维持次级电压恒定，不具备对电压、电流的连续调节和综合控制能力，不能实现与电网其他设备的互动，不能满足未来智能电网的要求。电力电子变压器是随着电力电子的技术进步而出现的一种新型智能化的可用于电力系统电能变换和传递的电力设备。

1970年，美国GE公司首先提出了一种具有高频链接的AC/AC变换电路。1996年，日本九州电力公司的Koosuke Harada等人在其基础上研制了一台单相3kVA的样机，并将其命名为智能变压器(Intelligent Transformer)。在同一年，瑞士洛桑理工大学的A.C.Rufer等人提出了采用中频变压器的单相四象限多电平机车牵引变流器。2001年，ABB公司的Philip C.等人提出了一种基于三相中频变压器的单相AC/AC变流器，用于机车牵引变流器。同一年，法国Institut de Recherche De L’Ecole Navale的C.Chabert提出了一种采用单相中频变压器隔离的两级结构变流器。2002年，受ABB公司的支持，美国密苏里大学的Edward R.Ronan等提出了一种三级结构的电力电子配电变压器。美国电力科学研究院在2001年提出智能电网(Intelligrid)的概念后，就已开始研究智能电网所需的智能配电设备技术。经过深入调研，将基于现代电力电子技术的智能通用变压器(Intelligent Universal Transformer，IUT)作为其智能配电网中的重要研发工作之一，于2005年提出了基于二极管钳位式多电平变流器的一种IUT拓扑，并在2006年研制了输入电压2.4kV，容量为20kVA的单相实验样机。2007年，ABB公司基于C.Chabert的两级结构成功研制了一台输入电压15kV，容量为1.2MVA的机车牵引用单相电力电子变压器。同样是2007年，Bombardier Transportation公司基于三级结构成功研制了一台机车牵引用单相电力电子变压器。从2008年开始，美国电力科学研究院开始研制基于三级结构的由SGTO构成的单相IUT，输入电压为15kV，容量为100kVA。预计2009年底将进行现场运行测试。其目标就是研制和推广使用智能通用变压器，取代目前广泛使用传统的配电变压器，使其成为未来智能电网的关键设备和组成部分。上述关于电力电子变压器的各种拓扑结构均只研制了单相的样机，配电网用的三相电力电子变压器尚无实际应用的拓扑。

美国专利US 2006/0221653 A1和US 7050311 B2在高压输出侧采用了二极管箝位式的三电平结构，这一结构大大限制了其在电力系统配电网尤其是高压配电网的应用。美国专利US 2006/0028848 A1则在高压侧采用了三个多绕组工频变压器，大大增加了电力电子变压器的体积和重量。而美国专利US 005943229A、欧洲专利EP 0989016 A2、中国专利200910025824.3、200910184407.3、02139030.4、实用新型专利ZL02290343.7均采用了多个中频或高频变压器。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有配电用电力电子变压器的缺点，减小装置的体积和重量，提高电能转换效率。本发明不仅可以实现传统配电变压器的变压、隔离、能量传递等功能外，还能够根据需要为电网提供无功补偿，保证次级输出电压恒定，隔断高压侧电网与低压侧用户故障，具备对电压电流的连续调节和综合控制能力，当与新能源发电设备互连时可以实现用户侧不间断供电，实现与电网其他设备的互动等诸多优点。

本发明配电用三相电力电子变压器由输入级、隔离级和输出级三个部分组成。输入级为三相三线制，主电路为级联式模块化变流器；其输入与三相交流电网直接相连，实现AC-DC变换；级联式模块化变流器的输出与隔离级的双绕组中频或高频变压器原边相连接。隔离级的双绕组中频或高频变压器的副边与全控型H桥相连，实现DC-DC变换。输出级为一个或多个单相或三相的共用直流母线的逆变器，实现DC-AC变换。