[发明专利]一种基于混合型模块化多电平变换器的电力电子变压器

说明书

本发明公开了一种基于混合型模块化多电平变换器的电力电子变压器，属于发电、变电或配电的技术领域。电力电子变压器包括输入级、传输级与输出级。传输级为多个DC/DC功率单元的输入并联与输出串联结构，低压侧并联接电力电子变压器系统的低压直流母线，高压侧通过旁路电路串联，接电力电子变压器系统的高压直流母线。根据电力电子变压器系统的实时功率传输大小，通过传输级的旁路电路改变DC/DC功率单元的串联数量，实现高压直流母线电压的主动调节，输出级的模块化多电平变换器为混合子模块结构，实现输出级的超调运行。本发明能够减小电力电子变压器系统的体积与重量、提高功率传输效率与提高系统可靠性。

技术领域

本发明涉及在新能源并网中应用的电力电子技术，更具体地，涉及一种基于混合型模块化多电平变换器的电力电子变换器结构与相应控制，属于发电、变电或配电的技术领域。

背景技术

近数十年来，全球面临着资源枯竭和环境污染的双重压力，世界各国相继将大力发展可再生能源等替代能源作为缓解能源危机的突破口，全球性的风力发电规模由此呈现不断扩大的趋势。

目前，风电机组通过并网变流器和工频变压器升压后并入电网。随着超大功率风电机组的推出，并网变流器电压、容量和制造成本不断增大。传统风机并网结构中，工频变压器功能单一，只能实现不同等级交流电压之间的变换和电气隔离，不能有效隔离负荷侧故障，而且体积大、重量重。此外，变压器内的绝缘油需定期维护，一旦泄漏会污染周围环境。

相比之下，电力电子变压器是一种结合电力电子变换器和高频变压器的电能传输设备，其不仅可以显著减小系统磁性材料的用量，而且集电气隔离、电压变换、功率传输、无功补偿、电能质量治理等功能于一身，可实现可再生能源发电设备、储能设备以及负载的有效管理，被认为是未来能源互联网的核心技术。在此技术背景下，风电场35kV集电系统中采用电力电子变压器技术复合大型风电机组的并网变流器和集电升压变压器，已经具备一定的技术经济优势。应用于风电场的电力电子变压器不仅可以实现大容量风电机组的灵活并网控制，而且可以同时满足电网对风电场无功补偿、调频、电能质量治理和潮流调节等方面的需求。通过在电力电子变压器的输出级引入模块化多电平变流器，可以实现电力电子变压器直接与中高压集电侧相连。

目前，风机并网中，基于模块化多电平变换器的电力电子变压器在应用中还面临着诸多瓶颈，比如模块化多电平变换器内部子模块的电容电压体积与重量较大，降低了系统的功率密度；另外，系统传输级中的双有源桥式变换器单元需要一直投入工作，即使是风速很低，系统传输功率很小的情况下，多个双有源桥式变换器都工作在轻载状态下，减小了传输级的系统工作效率；同时，当传输级单元发生故障时需要旁路，此时，为了维持高压直流母线电压与系统正常运行，需要配置足够的冗余变换器单元，增加了系统成本。因此，为了进一步提升基于模块化多电平变换器的电力电子变压器在风机并网中的工程优势，需要对传统结构进行一定的改进。本发明旨在通过引入混合型模块化多电平变换器，提出一种根据电力电子变压器实施功率传输要求灵活投入传输级功率模块的运行方法以及输出级超调调制策略。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种基于混合型模块化多电平变换器的电力电子变换器，通过减小输出级子模块电容总体积减小了电力电子变压器系统整体体积，通过灵活控制传输级变换器单元的投入数量，降低了传输级的运行损耗与故障情况下对冗余单元的要求，有效提高风机并网电力电子变压器的功率密度，提升了风机并网电力电子变压器的功率传输效率与运行可靠性，解决了现有风机并网用电力电子变压器传输级工作效率低、系统功率密度低的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：