[发明专利]一种模块化多电平结构的固态变压器

说明书

技术领域

本发明涉及一种电力电子变压器，具体涉及一种模块化多电平结构的固态变压器。

背景技术

随着经济社会的不断发展，电力系统的装机容量和年发电量不断地提高，电网规模不断扩大，电力系统的安全稳定运行问题成为一个突出的问题。而越来越多的非线性负荷接入电网中，严重影响了电网的电能质量，与此同时，电网中的许多敏感性负荷对于电能质量的要求越来越高，电能质量问题日益突出。传统的电力变压器作为最基本的输变电装置，功能较为单一，同时又有体积、重量大，输出电压随负载的波动而波动，变压器油等绝缘材料对环境有潜在的污染，铁芯饱和时产生谐波，可控性差等不足，已经越来越难以满足现代电力系统的要求。

固态变压器，又称为电力电子变压器，是一种在大功率电力电子变换技术的基础上发展起来的一种新型的智能变压器。除了传统电力变压器变压、隔离和能量转换的功能之外，它还具有谐波抑制、无功补偿、分布式能源接入和潮流控制的功能。固态变压器的雏形由美国GE公司于1970年率先提出，迄今，已经出现了很多种拓扑结构，最初的一级结构、二级结构和以及目前绝大部分固态变压器采用的三级结构。三级结构的固态变压器虽然增加了电路复杂程度和器件数量，但是其能够实现诸如无功补偿，潮流控制和分布式发电接入等更多的功能。本发明采用的就是三级结构的固态变压器。

发明内容

本发明的目的就是为了克服传统变压器的不足之处，提出一种体积小、重量轻，适用于110KV/10KV变换的固态变压器，除了传统电力变压器的变压、隔离和能量转换功能之外，还具有电能质量控制功能，当电网出现电压不稳定，三相不对称，谐波含量大等情况时，仍能够保证负荷侧的高电能质量。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种模块化多电平结构的固态变压器，其特征在于，基于模块化多电平结构,包括：

一输入级：为一个三相模块化多电平变流器，所述三相模块化多电平变流器的每一相分成上半桥臂和下半桥臂，上半桥臂和下半桥臂均由n个子模块以及一个桥臂电感级联而成，每一相桥臂的中间点通过一个电感与110KV配电网相连；

一隔离级：隔离级由k个子单元级联而成，每个子单元依次包括一个单相MMC逆变器、一个高频变压器和一个单相MMC整流器，隔离级通过高、低压直流母线分别与输入级、输出级相连；所述单相MMC逆变器和单相MMC整流器均有两个桥臂，每个桥臂均由子模块级联而成，在桥臂的中间串联两个相等的电感，单相MMC逆变器两桥臂的中点与对应高频变压器原边的两根引线相连，单相MMC整流器两桥臂中点与高频变压器副边两根引线相连;

一输出级：为一个三相模块化多电平变流器，所述三相模块化多电平变流器的每一相分成上半桥臂和下半桥臂，上半桥臂和下半桥臂均由m个子模块以及一个桥臂电感级联而成，每一相桥臂的中间点通过一个电感与10KV配电网相连；

在上述的一种模块化多电平结构的固态变压器，所述的子模块，由两个带有反并联二极管的全控型器件串联之后再与电容并联组成；全控型器件可以为IGBT或MOSFET或IGCT，器件材料可以为Si或SiC或GaN材料。在本发明不同的部分中，子模块中的器件可以选择不同的种类，比如在隔离级中子模块的带反并联二极管的全控型开关器件选择高频开关器件；而在输出级的电压较低，但电流较大，其带反并联二极管的全控型开关器件可以选择能承受较大电流的开关器件。

在上述的一种模块化多电平结构的固态变压器，如图2所示，所述的输入级中，子模块中的全控型器件能够是IGBT或MOSFET或IGCT；器件采用Si或SiC或GaN材料；通过控制子模块中的开关器件来控制电容的接入或旁路，正常工作时，每个时刻每一相都有n个电容串联接入电路，而这n个电容电压的和即为高压直流母线电压。

在上述的一种模块化多电平结构的固态变压器，所述的隔离级中的开关器件均为带有反并联二极管的全控型开关器件，且为高频开关器件；所述的子单元，包含单相MMC逆变器、高频变压器、单相MMC整流器，三者依次连接，k个子单元级联在直流母线上；每个单相MMC逆变器含有两个桥臂，每个桥臂由2x个子模块级联而成，在桥臂的中间串联两个相等的电感，单相MMC逆变器两桥臂的中点与对应高频变压器原边的两根引线相连；每个单相MMC整流器同样含有两个桥臂，每个桥臂有2y个子模块级联而成，在桥臂的中间同样串联两个相等的电感，单相MMC整流器两桥臂的中点与与高频变压器副边两根引线相连；每个高频变压器的变比相同，连接相应的单相MMC逆变器和单相MMC整流器。