[发明专利]混合级联多电平电子电力变压器

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子技术在电力系统中的应用，具体涉及一种混合级联多电平电子电力变压器。

背景技术

电子电力变压器是一种采用了电力电子变换技术的电能变换和传输设备，是一种新型的电力变压器。到目前为止，国内外研究者已提出了多种具体的实现方案。如：Holger Wrede，Volker Staudt，Andreas Steimel.Design of an Electronic Power Transformer.IEEE 200228th Annual Conference of the IECON。Scott D.Sudhoff，Steven F.Glover，Dudley.Galloway.Application of Power Electronics to the Distribution Transformer.Applied Power  Electronics  Conference  and Exposition，2000。以及发明专利ZL 02139030.4。这些方案都有各自的优点，但是都有一个问题，即装置中所有功率变换子单元的母线电压是相同的。这样使得输出电压的电平数量受到了限制，无助于抑制输出电压的谐波；且开关器件的开关频率也相同，也使可选开关器件受到了限制；因此在抑制谐波，提高功率因素减小滤波器容量与体积以及降低损耗方面并无优势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种混合级联多电平电子电力变压器，通过扩展输出电压的电平数提高电能质量，并且其使用的开关器件无需受频率相同的限制，降低了开关及滤波器损耗。

混合级联多电平电子电力变压器，包括结构相同的A、B和C相电能变换单元，所述电能变换单元由M个电子电力变压器子单元级联而成，M≥2；所述电子电力变压器子单元包括高压级、隔离级和低压级串接构成的三级结构；所述高压级包括PWM整流器，PWM整流器与同一相中其它子单元的PWM整流器级联，所述隔离级包括隔离型DC-DC变换器，所述低压级为电压源逆变器，电压源逆变器与同一相中其它子单元的电压源逆变器级联；所述PWM整流器的交流输入端和电压源逆变器的直流输出端分别串联一电抗器。

进一步地，所述PWM整流器由全桥并联电容构成或者由半桥并联电容构成。

进一步地，所述隔离型DC-DC变换器由逆变器、中频变压器和整流器构成，逆变器连接中频变压器的原边，整流器连接中频变压器的副边。

进一步地，所述电压源逆变器由全桥并联电容构成或者半桥并联电容构成。

进一步地，M个子单元的母线电压比为2^M-1∶2^M-2∶…∶2¹∶2⁰。

本发明除具有通常电子电力变压器的优点之外，相对于现有技术，还具有以下优点：

(1)多电平(若应用2的n次幂比例，即8∶4∶2∶1时可输出31电平)阶梯波输出在没有滤波器的情况下可使THD(总谐波失真)降至5％以下，功率因素则为99.9％以上，为负载提供高质量电能；

(2)混合级联方法中会使用到成比例电压等级的母线，可同时应用IGCT，IGBT以及Power Mosfet或其他开关器件作为不同电压等级的子单元的开关器件，发挥每种开关器件各自的特性优势。例如IGCT耐高压且额定工作状态的开关频率偏低，IGBT适中，Power Mosfet无法耐高压但适于高开关频率场合且损耗最小。本混合级联方法中，电压等级最高的级联子单元的开关频率最低，电压等级最低的级联子单元的开关频率最高；即开关频率按电压等级的高低从低到高排列。如在电压等级最高的子单元中应用IGCT做开关器件，因为IGCT额定工作开关频率最低，同时耐压最高；在电压等级最低的级联子单元中应用Power Mosfet作为开关器件，因为Power Mosfet额定工作开关频率最高，耐压最低。而在中间电压等级的子单元中可使用IGBT作为开关器件，因其额定工作开关频率以及耐压都适中，即按照电压比例的反比例分配。依此方法可以降低开关管的开关损耗，且可最大限度发挥开关器件在其最适应工作状态中工作。

(3)多电平组成的阶梯波能非常接近理想正弦波，电平越多则越接近。减小谐波含量可大幅减小滤波器的的体积和容量，且降低滤波器上的损耗；

(4)由于电子电力变压器的子单元采用不同的母线电压混合级联，因此每相所需要配置的级联电路数量比常规且同等级电子电力变压器少，降低了电路的复杂程度；