[實(shí)用新型]一種基于級聯(lián)多電平的電力電子變壓器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201720567964.3
• 申請日: 2017-05-19
• 公開（公告）號: CN207039464U
• 公開（公告）日: 2018-02-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 姚文熙
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號: H02M5/10
• 分類號: H02M5/10;H02M3/335
• 代理公司: 杭州天勤知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司33224
• 代理人: 王琛

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于級聯(lián)多電平的電力電子變壓器。

背景技術(shù)

隨著大量的分布式可再生能源裝置及儲能設(shè)備接入電網(wǎng)，電網(wǎng)對其配套設(shè)備的要求也在逐漸提升。其中，能夠?qū)δ芰窟M(jìn)行主動(dòng)控制及分配的配套設(shè)施是日后發(fā)展的重中之重，電力電子變壓器技術(shù)作為其中的代表得到了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。其作為傳統(tǒng)變壓器的替代品，在傳統(tǒng)變壓器原有電氣隔離，電壓調(diào)節(jié)功能的基礎(chǔ)上，能夠添加新能源接入、無功補(bǔ)償、直流電源接口、變頻輸出、改善電能質(zhì)量、故障檢測及恢復(fù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測和聯(lián)網(wǎng)通訊等功能。因此，該裝置有望成為未來能源互聯(lián)網(wǎng)中的核心設(shè)備，但是電力電子變壓器的制造技術(shù)目前尚未成熟，變流器拓?fù)鋸?fù)雜造成了成本高、可靠性和效率低和絕緣困難等問題。

電力電子變壓器主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能，一是根據(jù)要求實(shí)現(xiàn)對電壓和電流的控制，二是實(shí)現(xiàn)原副邊的電氣隔離。典型的結(jié)構(gòu)如圖1所示，在電網(wǎng)高壓側(cè)，通過高壓變流器將電網(wǎng)的高壓工頻交流電轉(zhuǎn)化為高壓高頻交流電，然后使用高頻變壓器降壓為低壓高頻交流電，再通過低壓變流器將低壓高頻交流電轉(zhuǎn)換為低壓工頻交流電。圖1中的設(shè)備兩端可以為三相交流或者單相交流，也可以是直流；高頻變壓器部分可以有各種不同的連接方式，如單繞組、多繞組、多磁芯或多個(gè)變壓器。

由于半導(dǎo)體器件的耐壓有限，遠(yuǎn)不能滿足電力電子變壓器高壓側(cè)變流器的電壓要求，高壓側(cè)變流器需要通過器件串聯(lián)或者拓?fù)浼壜?lián)的方式來實(shí)現(xiàn)。主流的級聯(lián)拓?fù)浼夹g(shù)有兩種，一種是模塊化多電平技術(shù)(MMC)，級聯(lián)的電路拓?fù)洳话ㄗ儔浩鳎傮w結(jié)構(gòu)仍如圖1所示，采用一個(gè)高頻變壓器；另一種是將變流器與高頻變壓器結(jié)合起來再級聯(lián)的方式，稱為級聯(lián)多電平技術(shù)(CHB)。

級聯(lián)多電平電路的結(jié)構(gòu)如圖2所示。相比MMC，CHB通過多個(gè)變壓器傳輸功率，功率流不需要流過所有串聯(lián)拓?fù)洌梢垣@得最佳的器件利用率。但是這種拓?fù)涞娜秉c(diǎn)是，過多的變壓器和變壓器繞組導(dǎo)致了非常困難的絕緣設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于上述，本實(shí)用新型提供了一種基于級聯(lián)多電平的電力電子變壓器，其通過減少高頻變壓器低壓側(cè)的繞組數(shù)量，能夠降低對絕緣設(shè)計(jì)的要求。

一種基于級聯(lián)多電平的電力電子變壓器，包括多個(gè)高壓變流模塊、一個(gè)高頻變壓器和一個(gè)低壓變流器；所述高頻變壓器為多磁芯結(jié)構(gòu)，其高壓側(cè)具有多個(gè)繞組，低壓側(cè)只有一個(gè)繞組，高壓側(cè)繞組繞置于對應(yīng)的磁芯上，低壓側(cè)繞組將所有磁芯并起來繞制后與低壓變流器的輸入端連接；所有高壓變流模塊通過輸入端級聯(lián)后承受高壓輸入，高壓變流模塊的輸出端則與對應(yīng)的高壓側(cè)繞組連接，低壓變流器的輸出端則實(shí)現(xiàn)低壓輸出。

若電力電子變壓器高壓側(cè)為直流電輸入，則高壓變流模塊采用DC/AC變流模塊；若電力電子變壓器高壓側(cè)為交流電輸入，則高壓變流模塊采用AC/AC變流模塊。

若電力電子變壓器低壓側(cè)為直流電輸出，則低壓變流器采用AC/DC變流器；若電力電子變壓器低壓側(cè)為交流電輸出，則低壓變流器采用AC/AC變流器。

由于高頻變壓器的低壓側(cè)繞組和高壓側(cè)繞組之間需要承受很高的電壓，這對低壓側(cè)繞組引線的絕緣設(shè)計(jì)，尤其是爬電距離的設(shè)計(jì)，提出了很高的要求，傳統(tǒng)的CHB電路中具有大量的低壓側(cè)繞組引線，絕緣設(shè)計(jì)困難，且不利于功率密度的提高。本實(shí)用新型中高頻變壓器的低壓側(cè)僅采用一個(gè)繞組，沒有中間引線，可以大幅簡化系統(tǒng)的絕緣設(shè)計(jì)，有利于提高電力電子變壓器的功率密度，為電力電子變壓器的實(shí)用化解決關(guān)鍵問題。

附圖說明

圖1為傳統(tǒng)電力電子變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為高壓側(cè)級聯(lián)的電力電子變壓器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本實(shí)用新型電力電子變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本實(shí)用新型高頻變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為高壓變流模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為低壓變流器的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為了更為具體地描述本實(shí)用新型，下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式對本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。

如圖3所示，本實(shí)用新型基于級聯(lián)多電平的電力電子變壓器，包括高壓變流器、低壓變流器和高頻變壓器。

高壓側(cè)變流器采用若干個(gè)變流模塊級聯(lián)組成，每個(gè)模塊包括兩個(gè)端口，分別如圖3中P端和S端，其中P端級聯(lián)起來承受高壓，S端接變壓器繞組。

變壓器采用多磁芯結(jié)構(gòu)，其高壓側(cè)有多個(gè)繞組，每個(gè)變流模塊對應(yīng)一個(gè)繞組，每個(gè)繞組對應(yīng)一個(gè)磁芯；低壓側(cè)為一個(gè)繞組，將所有磁芯并起來繞制，變壓器結(jié)構(gòu)如圖4所示。