[发明专利]基于多级多模块级联结构的三相电力电子变压器

说明书

技术领域

本发明属于电力电子变压器技术领域，涉及基于多级多模块级联结构的三相电力电子变压器。

背景技术

在电力系统中，主要起变压和隔离作用的传统电力变压器被广泛应用。一方面，传统电力变压器具有效率高、成本低、可靠性高、结构简单等优点；另一方面，它也具有明显的缺点，笨重、体积大、空载损耗大，功能单一，使用变压器油对环境构成威胁，带非线性负载时畸变电流会污染电网，电网有波动时又会影响负载等等。随着电力系统的发展，尤其是分布式发电系统及新能源的发展，迫切需要一种新的电能转换装置除了实现电气隔离和变压功能之外还能实现负载侧调压、功率因素校正、输入输出两侧谐波抑制等等功能，同时体积小、重量轻、空载损耗小。显然，传统电力变压器无法满足这些应用要求。

随着电力电子技术的发展，电力电子变压器（PET—Power electronic transformer）或固态变压器（SST—Solid-state transformer）的概念被提出用来解决这些传统电力变压器无法解决的问题。PET自上世纪70年代初被提出之后，经历了40年断断续续的发展，许多拓扑被提出。这些拓扑从级联的级数角度，可分为单级结构、两级结构和三级结构；从模块化角度可分为基于全桥结构和基于二极管钳位或飞跨电容结构两类。从级联的级数角度看，级联的级数越多，PET能够实现的功能就越多，因而现在主要基于三级结构；从模块化角度看，对于大功率高电压电压应用场合，基于全桥结构比基于二极管钳位或飞跨电容结构有更大的优势，因而也是现在研究的主流。

目前，由于现有电力电子器件成本相对来说比较高，电力电子变压器总体成本上相对于传统电力变压器要高很多。随着电力电子器件水平和高频变压器材料的发展，电力电子变压器将会逐步替代传统电力变压器在电力系统中的位置。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种基于多级多模块级联结构的三相电力电子变压器，不仅能够实现传统变压器电压变换、电气隔离和能量双向传递的功能，而且便于生产、调试和维护。

本发明是通过以下技术方案来实现：

第一种基于多级多模块级联结构的三相电力电子变压器，其拓扑结构包括输入级、隔离级、输出级，每级的功率变换器均包括两个输入端和两个输出端；

输入级的三相中，每相包括N个相同的串联的输入级功率变换器，N为自然数，每个输入级功率变换器的两个输出端之间并联有直流储能电容；每相串联的输入级功率变换器总的交流侧连接有电抗器，再与输入电网的一相相连接，相与相之间三角形连接或星形连接；

隔离级的三相中，每相包括N个通过高频变压器连接的高频DC/AC环节功率变换器和高频AC/DC环节的功率变换器；每相的每个高频DC/AC环节功率变换器与输入级的对应相的输入级功率变换器一一对应连接；

输出级的三相中，每相的输出级功率变换器与高频AC/DC环节的功率变换器一一对应连接，N个中的每个输出级功率变换器的两个输入端之间并联有输出级直流储能电容，交流侧连接有LC滤波器；

各相的输出级功率变换器的一个输出端连接LC后并联后分别汇集成a相、b相和c相，所有输出级功率变换器的另一个输出端汇集于n点。

所述的输入级功率变换器、高频DC/AC环节功率变换器、高频AC/DC环节的功率变换器和输出级功率变换器均采用全控型单相全桥功率变换器。

所述的输入级功率变换器输出端与高频DC/AC环节功率变换器的输入端相连接；

高频DC/AC环节功率变换器的输出端接高频变压器的原边，高频变压器的副边接高频AC/DC环节的功率变换器的输入端；

高频AC/DC环节的功率变换器的输出端与输出级功率变换器的输入端相连接；输出级功率变换器的输出端连接LC滤波器的输入端，LC滤波器接三相供电网络。

第二种基于多级多模块级联结构的三相电力电子变压器，其拓扑结构包括输入级、隔离级、输出级，输入级、隔离级的功率变换器均包括两个输入端和两个输出端；输出级的功率变换器包括两个输入端和三个输出端；

输入级的三相中，每相包括N个相同的串联的输入级功率变换器，N为自然数，每个输入级功率变换器的两个输出端之间并联有直流储能电容；每相串联的输入级功率变换器总的交流侧连接有电抗器，再与输入电网的一相相连接，相与相之间三角形连接或星形连接；

隔离级的三相中，每相包括N个通过高频变压器连接的高频DC/AC环节功率变换器和高频AC/DC环节的功率变换器；每相的每个高频DC/AC环节功率变换器与输入级的对应相的输入级功率变换器一一对应连接；