[发明专利]一种新型的交流电力电子变压器拓扑结构

说明书

本发明提出了一种新型的交流电力电子变压器拓扑结构。根据不同的应用场合，本发明提出的交流电力电子变压器基本拓扑结构可分为两种，包括应用于高速动车组牵引传动系统的新型电力电子牵引变压器拓扑结构、应用于互联三相中/高压交流电网与低压直流电网的新型三相交流电力电子变压器拓扑结构。本发明所提出的基本拓扑结构能够实现对DC/DC变换单元中的任意故障变换器的自切除，无需采用直流旁路接触器。在基本拓扑结构的基础上，可以通过共用均压变换器和级联型隔离式DC/DC变换器的半桥桥臂、任意减少但至少保留一组DC/DC变换单元中的双向隔离式DC/DC变换器，从而减少中/高频变压器和低压开关器件的数量，进而降低交流电力电子变压器的体积、重量和成本。

技术领域

本发明涉及一种新型的交流电力电子变压器拓扑结构，适用于互联中/高压交流电网与低压直流电网，也适用于高速动车组的牵引传动系统。

背景技术

电力电子变压器是一种具备高频链路环节、能够实现变压变流与电气隔离的电能变换装置，在动车组的牵引传动系统、交直流互联电力系统中具有广泛的应用前景。根据电力电子变压器的输入、输出电压制式，大体可将其分为两类：1、直流电力电子变压器，其输入、输出电压均为直流；2、交流电力电子变压器，其输入电压为交流，输出电压为直流。

直流电力电子变压器可应用于高速动车组辅助供电系统、双源动车组动力电池充电机、中/高压多端直流电网的互联网关装置、中/高压直流电网与低压直流电网的互联变换装置。发明专利“一种具有故障自切除能力的新型直流电力电子变压器拓扑”提出一种模块化程度高、具备故障自切除能力、可大幅减少中/高频变压器和开关器件数量的新型直流电力电子变压器电路拓扑结构。基于所提出的这种电路结构，直流电力电子变压器的可靠性将得到大幅地提高，其成本、体积、重量也将得到大幅地降低。然而，所提出的这种电路结构无法直接应用于交流电力电子变压器。因为交流电力电子变压器通常不具有中/高压直流中间变换环节。

交流电力电子变压器可应用于高速动车组牵引传动系统、中/高压交流电网与低压直流电网的互联变换装置。其中，应用于高速动车组牵引传动系统的交流电力电子变压器也被称为电力电子牵引变压器，旨在替代现有高速动车组牵引传动系统上的工频牵引变压器和四象限整流器。为了提高电力电子牵引变压器装置的功率密度、并降低其制造成本，发明专利“一种新型电力电子牵引变压器拓扑结构及其控制方法”提出了一种新型的电力电子牵引变压器电路拓扑结构。所提出的这种电路结构中，电力电子牵引变压器由若干个模块组成，每个模块由AC/DC变换单元和DC/DC变换单元两部分组成。AC/DC变换单元基于高压开关器件(如6.5kV Si IGBT、15kV SiC IGBT)，采用H桥电路结构；DC/DC变换单元基于低压开关器件(如1.2kV Si IGBT、1.7kV Si IGBT、1.7kV SiC MOSFET)，采用多个DC/DC变换器输入串联-输出串联的电路结构。相比于现有的电力电子牵引变压器电路结构，所提出的这种电路结构可大幅降低装置的体积、重量和成本。然而，这种电路结构存在以下几个问题：1、中/高频变压器和低压开关器件的数量较多；2、由于每个中/高频变压器都需按照同等的高压绝缘等级进行设计，高压绝缘限制了中/高频变压器体积的进一步减小，在这种情况下，中/高频变压器数量较多，不利于电力电子牵引变压器整机体积的进一步降低；3、DC/DC变换单元由多个DC/DC变换器输入串联-输出串联而成，任意DC/DC变换器故障时，该故障变换器难以被有效隔离，DC/DC变换单元的可靠性不高。

为了有效解决上述问题，本发明专利结合发明专利“一种具有故障自切除能力的新型直流电力电子变压器拓扑”，提出一种应用于高速动车组牵引传动系统的新型单相交流电力电子变压器电路拓扑结构。在此基础上，针对互联中/高压交流电网与低压直流电网的应用场合，又提出一种新型的三相交流电力电子变压器电路拓扑结构。

发明内容

本发明的目的在于提高交流电力电子变压器装置的功率密度和可靠性、并降低其制造成本，提出了一种新型的交流电力电子变压器拓扑结构。