[发明专利]一种集成滤波变压器的大功率模块化高压直流变换器

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子领域，特别是一种集成滤波变压器的大功率模块化高压直流变换器。

背景技术

随着电力电子开关器件电压等级和功率等级的大幅提升，高压直流输电(High Voltage Direct Current，HVDC)在国内外均得到迅猛发展。目前，HVDC在连接非同步运行的交流电网、远距离大功率输电以及海底电缆送电等领域中均得到了广泛应用。

目前，基于电压源型换流器的高压直流输电(VSC-HVDC)与传统的电流源型换流器高压直流输电相比存在诸多的优势，其工程化应用在世界范围内呈现出快速发展的趋势。VSC-HVDC系统中最核心的部件是电压源型换流器，目前已存在多种拓扑结构，其中基于两电平的电压源型换流器结构最为简单，为了使换流阀承受高电压，单个阀采用大量可关断器件直接串联，必然带来器件静态，动态均压问题以及器件将承受很高的阶跃电压，对开关器件的一致性和可靠性要求较高；为得到较好的动态性能和输出电流谐波特性，需采用较高开关频率，由此产生很大的器件开关损耗。三电平电压源换流器拓扑结构多为二极管箝位型结构，相比于两电平结构，具有较好的输出特性，但需要较多的箝位二极管，不利于模块化设计。因此，这些因素制约了两电平和三电平结构换流器在高压直流输电领域的工程应用。

近年来，模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)开始被运用到高压直流输电工程中，基于模块化多电平换流器的高压直流输电(Modular Multilevel Converter based High Voltage Direct Current，MMC-HVDC)技术极大MMC采用子模块的串联构成换流阀，非常易于拓展其电平数，当其子模块个数较多时，可显著减小交流输出电压的谐波含量，并且电平数越高，MMC桥臂上功率器件所需的开关频率会越低，开关损耗越小。基于MMC结构的诸多优势，MMC-HVDC在向孤岛或无源网络供电，分布式发电并网，电网互联，城市中心供电，海上风电联网等领域具有非常广阔的应用前景。

目前，国内已有多个MMC-HVDC实际工程项目建成投入运行或在建设之中。MMC拓扑结构作为高压直流输电领域应用的新型拓扑结构，具有诸多优势，但目前世界上已建成投运或在建设中的MMC-HVDC工程，容量仍然较低，而传统直流输电最大容量已接近8000MW；此外，传统MMC每个相单元的输出都需要接入体积较大的扼流、滤波电感，这一定程度上限制了MMC的高度模块化。随着以柔性直流输电为基础的直流电网建设快速发展，直流电网与交流电网并驾齐驱甚至在某些领域取代交流电网将成为现实。MMC-HVDC技术仍处于工程应用的初期阶段，许多相关技术并不够完善，仍需要进一步深入研究，对于促进MMC-HVDC的工程应用具有重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种集成滤波变压器的大功率模块化高压直流变换器。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种集成滤波变压器的大功率模块化高压直流变换器，包括模块化多电平换流器、三个单相三绕组变压器和整流器；所述模块化多电平换流器每个相单元的上、下桥臂包括数量相等的串联的半桥子模块；每个相单元上、下桥臂的输入端分别与直流母线正、负端连接；所述单相三绕组变压器的一次侧各自与每相单元的上、下桥臂的输出端相连；所述单相三绕组变压器的二次侧依次与整流器的输入端连接，实现三相交流电的整流。

所述半桥子模块包括一个储能电容、两个串联的IGBT；两个IGBT各与一个二极管反向并联；所述储能电容与两个串联的IGBT并联；当半桥子模块上端IGBT开通则电容投入，半桥子子模块输出电压为U_dc/N，其中U_dc表示直流母线电压，N表示桥臂串连的半桥子模块数；当半桥子模块下端IGBT开通则电容旁路，半桥子子模块输出电压为0。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明引入的单相三绕组变压器具有与传统电抗相同的滤波、抑制环流的功能，因而三相上、下桥臂的扼流电抗和三相输出滤波电抗可以省去，从而减小了设备体积，降低了设备复杂度和成本，利于模块化设计，同时可实现高变比、宽范围的电压输出。综上，该系统具有高变比，高电能转换效率，宽调压范围，且易于拓展，易于维修，适用于高 压、大容量直流供电的应用场合。

附图说明

图1为集成滤波变压器的大功率模块化高压直流变换器结构图；

图2为模块化多电平换流器整体结构图；