[發(fā)明專利]一種全范圍自動平衡不對稱負(fù)載的三相電力電子變壓器

有效

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• 申請日: 2013-12-27
• 公開（公告）號: CN103746393A
• 公開（公告）日: 2014-04-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉進(jìn)軍;王新宇;歐陽少迪;孟飛
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號: H02J3/26
• 分類號: H02J3/26
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 陸萬壽

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電力電子變壓器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種全范圍自動平衡不對稱負(fù)載的三相電力電子變壓器。

背景技術(shù)

在電力系統(tǒng)中，主要起變壓和隔離作用的傳統(tǒng)電力變壓器被廣泛應(yīng)用。一方面，傳統(tǒng)電力變壓器具有效率高、成本低、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點；另一方面，它也具有明顯的缺點，笨重、體積大、空載損耗大，功能單一，使用變壓器油對環(huán)境構(gòu)成威脅，帶非線性負(fù)載時畸變電流會污染電網(wǎng)，電網(wǎng)有波動時又會影響負(fù)載等等。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，尤其是分布式發(fā)電系統(tǒng)及新能源的發(fā)展，迫切需要一種新的電能轉(zhuǎn)換裝置除了實現(xiàn)電氣隔離和變壓功能之外還能實現(xiàn)負(fù)載側(cè)調(diào)壓、功率因素校正、輸入輸出兩側(cè)諧波抑制等等功能，同時體積小、重量輕、空載損耗小。顯然，傳統(tǒng)電力變壓器無法滿足這些應(yīng)用要求。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子變壓器（PET—Power?electronic?transformer）或固態(tài)變壓器（SST—Solid-state?transformer）的概念被提出用來解決這些傳統(tǒng)電力變壓器無法解決的問題。PET自上世紀(jì)70年代初被提出之后，經(jīng)歷了40年斷斷續(xù)續(xù)的發(fā)展，許多拓?fù)浔惶岢觥＿@些拓?fù)鋸募壜?lián)級數(shù)角度，可分為單級結(jié)構(gòu)、兩級結(jié)構(gòu)和三級結(jié)構(gòu)；從模塊化角度可分為基于全橋結(jié)構(gòu)和基于二極管鉗位或飛跨電容結(jié)構(gòu)兩類。從級聯(lián)級數(shù)角度看，級聯(lián)的級數(shù)越多，PET能夠?qū)崿F(xiàn)的功能就越多，因而現(xiàn)在主要基于三級結(jié)構(gòu)；從模塊化角度看，對于大功率高電壓電壓應(yīng)用場合，基于全橋結(jié)構(gòu)比基于二極管鉗位或飛跨電容結(jié)構(gòu)有更大的優(yōu)勢，因而也是現(xiàn)在研究的主流。

目前，由于現(xiàn)有電力電子器件成本相對來說比較高，電力電子變壓器總體成本上相對于傳統(tǒng)電力變壓器要高很多。隨著電力電子器件水平和高頻變壓器材料的發(fā)展，電力電子變壓器將會逐步替代傳統(tǒng)電力變壓器在電力系統(tǒng)中的位置。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明解決的問題在于提供一種全范圍自動平衡不對稱負(fù)載的三相電力電子變壓器，實現(xiàn)傳統(tǒng)變壓器電壓變換、電氣隔離和能量雙向傳遞的功能，而且能夠?qū)崿F(xiàn)三相電力電子變壓器負(fù)荷允許范圍內(nèi)的全范圍自動平衡調(diào)節(jié)。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種可平衡不對稱負(fù)載的三相電力電子變壓器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括輸入級、隔離級、輸出級，每級的功率變換器均包括兩個輸入端和兩個輸出端；

輸入級的三相中，每相包括N個相同的串聯(lián)的輸入級功率變換器，N為自然數(shù)，每個輸入級功率變換器的兩個輸出端之間并聯(lián)有直流儲能電容；每相串聯(lián)的輸入級功率變換器總的交流側(cè)連接有電抗器，再與輸入電網(wǎng)的一相相連接，相與相之間三角形連接或星形連接；

隔離級的三相中，每相包括3N個通過高頻變壓器相連接的高頻DC/AC環(huán)節(jié)功率變換器和高頻AC/DC環(huán)節(jié)的功率變換器；每相的3個高頻DC/AC環(huán)節(jié)功率變換器的輸入端并聯(lián)后與輸入級的對應(yīng)相的一個輸入級功率變換器對應(yīng)連接；

輸出級的三相中，每相的輸出級功率變換器與高頻AC/DC環(huán)節(jié)的功率變換器一一對應(yīng)連接，每個輸出級功率變換器的兩個輸入端之間并聯(lián)有輸出級直流儲能電容，交流側(cè)連接有LC濾波器；

輸出級每相3N個功率變換器中均有1/3的輸出級功率變換器的一個輸出端通過LC濾波器分別交叉連接匯集于u、v相和w相，并且每相的1/3的輸出級功率變換器均一一對應(yīng)于相應(yīng)的輸入級功率變換器，所有輸出級功率變換器的另一個輸出端匯集于n點。

所述的輸入級功率變換器、高頻DC/AC環(huán)節(jié)功率變換器、高頻AC/DC環(huán)節(jié)的功率變換器和輸出級功率變換器均采用全控型單相全橋變換器。

所述的輸入級功率變換器輸出端與高頻DC/AC環(huán)節(jié)功率變換器的輸入端相連接；

高頻DC/AC環(huán)節(jié)功率變換器的輸出端接高頻變壓器的原邊，高頻變壓器的副邊接高頻AC/DC環(huán)節(jié)的功率變換器的輸入端；

高頻AC/DC環(huán)節(jié)的功率變換器的輸出端與輸出級功率變換器的輸入端相連接；輸出級功率變換器的輸出端連接LC濾波器的輸入端，LC濾波器接三相供電網(wǎng)絡(luò)。

所述從輸入級、隔離級到輸出級，交流、直流的變化依次為：

輸入級中，輸入電網(wǎng)交流輸入經(jīng)過輸入級功率變換器轉(zhuǎn)換成直流，并通過直流儲能電容傳遞給隔離級；

隔離級中，直流輸入通過隔離級高頻DC/AC環(huán)節(jié)功率變換器轉(zhuǎn)換成交流，并通過高頻變壓器傳遞給高頻AC/DC環(huán)節(jié)的功率變換器，再通過高頻AC/DC環(huán)節(jié)的功率變換器轉(zhuǎn)換成直流，并通過直流儲能電容傳遞給輸出級；

輸出級中，直流輸入通過輸出級功率變換器轉(zhuǎn)換成交流，并通過LC濾波器傳遞給三相供電網(wǎng)絡(luò)。