[发明专利]基于级联模块化多电平的电力电子变压器

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子器件和变压器领域，具体涉及一种基于模块化多电平的电力电子变压器。

背景技术

电子电力变压器(Electronic Power Transformer，EPT)又被称为电力电子变压器(Power Electronic Transformer，PET)或固态变压器(Solid State Transformer，SST)，其是一种将电力电子变换技术和基于电磁感应原理的电能变换技术相结合，实现将一种电力特征的电能转变为另一种电力特征的电能的新型智能变压器。相对于传统变压器而言，电力电子变压器具有如下优点：(1)体积小，重量轻，环境污染小；(2)运行时二次侧输出电压幅值恒定，不随负载变化，且平滑可调；(3)一次、二次侧电压为正弦波形，功率因数可调；(4)一次、二次侧电压、电流和功率均高度可控；(5)本身具有断路器的功能，无需传统的变压器继电保护装置。电力电子变压器是集电力电子、电力系统、计算机、数字信号处理以及自动控制理论等领域为一体的电力系统前沿研究课题，也是解决电能质量问题，建设“绿色电网”、“数字电网”的可行途径之一。目前在国内外，关于电力电子变压器有很多相关的研究和开发。

模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)是一种适用于中高压应用场合的新型变换器。这种结构具有很大的优势，与目前主要的二极管钳位型、飞跨电容型多电平拓扑相比，MMC具有损耗小、冗余性好、开关频率低、输出谐波少等特点。与级联H桥多电平拓扑相比，MMC具有公用直流母线以及良好的四象限工作性能等特点。MMC的每个子模块结构相对简单，控制容易，可以无限扩展，特别适用于高压大容量领域。将MMC取代级联H桥作为PET的高压侧变换器得到高压直流母线。中间的DC-DC变换器则实现高压侧和低压侧隔离功能。这种基于MMC的PET具有如下的特点和优势：1)为三相结构，可提高直流输出电压质量。2)可以显著减少高频变压器的用量。3)可以减少电力电子开关器件的用量。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种高压直流侧电容电压波动小，控制灵活，可靠性好的基于级联模块化多电平的电力电子变压器。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于级联模块化多电平的电力电子变压器，包括按电路依次连接的高压直流侧的模块化多电平整流器MMC、DC/DC变压器单元以及低压直流侧的低压逆变器；所述模块化多电平整流器的交流侧连接三相高压交流电网，且所述模块化多电平整流器MMC与DC/DC变压器单元通过高压直流母线连接，而所述低压逆变器与DC/DC变压器单元通过低压直流母线连接；所述模块化多电平整流器MMC由三相组成，每相由上下两个桥臂组成，每个桥臂由多个SM子模块串联而成；三相高压交流电网的每相连接到每相上下桥臂的中点，三相桥臂并联在高压直流电网正负极两端；所述DC/DC变压器单元包括一个以上的模块化多电平逆变器、一个以上的中频变压器以及一个以上的第一整流器，且所述模块化多电平逆变器、中频变压器以及第一整流器一一对应，且每一个中频变压器的原边均连接在对应的模块化多电平逆变器的交流侧，而所述中频变压器的副边连接在对应的第一整流器的交流侧；而相邻的模块化多电平逆变器的直流侧之间通过第一电容相互并联在一起与高压直流母线连接，第一整流器的直流侧相互并联在一起与低压直流母线连接。

优选的：所述DC/DC变压器单元的模块化多电平逆变器为单相结构或双相结构：单相结构中，模块化多电平逆变器的直流侧由两个第二电容并联组成，相的输出连接中频变压器的一端，另一端接两串联电容的中点；双相结构中，模块化多电平逆变器的直流侧由一个第二电容组成，每相的输出端接中频变压器的一端。

优选的：所述第一整流器可以采用二极管不控整流电路，或采用全控整流电路。

优选的：所述SM子模块包括半桥电路和第三电容，所述半桥电路和第三电容并联在一起。

优选的：所述的半桥结构由两组绝缘栅双极型晶闸管和续流二极管组成，续流二极管反并联在绝缘栅双极型晶闸管两端；而两组半桥结构组成全控整流电路。

本发明提供的一种基于级联模块化多电平的电力电子变压器，相比现有技术，具有以下有益效果：

1.高压侧整流电路由模块化多电平整流电路组成，采用三相三桥臂结构，三相高压分别连接模块化多电平，三相并联于高压直流侧。因此采用本发明的拓扑结构可以通过子模块的扩展达到高电压、大容量，减小了谐波，提高了电能质量。