一种高功率密度的多端口电力电子变压器拓扑制造技术

本发明专利技术公开了一种高功率密度的多端口电力电子变压器拓扑，包括高压侧的模块化多电平换流器，中间侧的谐振型高频变换器和低压侧的直流母线；模块化多电平换流器的正负直流母线分别与高频变换器的两个隔直谐振电容连接，模块化多电平换流器的交流母线与高频变换器的交流谐振电容连接，从而形成上下两个谐振回路；模块化多电平换流器的上下桥臂输出反相高频交流，将能量以高频形式经谐振回路传递至低压侧。相比已有的兼有高压交流、高压直流和低压直流母线的多端口电力电子变压器，本发明专利技术拓扑能大大减少高频变压器、子模块、电容和开关器件的数量，且无需直流母线的高频陷波器，极大降低了装置的体积和成本，提高了装置的效率与功率密度。

【技术实现步骤摘要】
一种高功率密度的多端口电力电子变压器拓扑
本专利技术属于电力电子
，特别地涉及一种高功率密度的多端口电力电子变压器拓扑。
技术介绍
电力电子变压器是具有电压变换、无功补偿、不平衡控制、电能质量治理等功能的电力电子装置。其中，具有高压交流、高压直流和低压直流的多端口电力电子变压器，适用于交直流混合电网，便于可再生能源的接入与消纳，也有助于提高电网的运行效率与可靠性。多端口电力电子变压器在能源互联网中具有电能路由器的功能。电力电子变压器结构种类繁多，其中AC/DC/DC型结构便于形成高压交流、高压直流和低压直流母线，因此多端口电力电子变压器常采用这种结构。在中高压场合，受制于功率开关器件的耐压能力不足，电力电子变压器需采用模块化结构，这种情况下，一方面由于AC/DC/DC型电力电子变压器变换级数较多，造成子模块众多；另一方面，现有AC/DC/DC型电力电子变压器的DC/DC高频变换隔离环节，其高压侧子模块或连接于高压直流母线，需耐受较高的直流电压造成子模块众多，或连接于AC/DC环节子模块的直流侧，两种子模块一一对应，子模块数亦众多。子模块数众多极大地增加了装置的体积、成本与控制复杂度，降低了装置效率与功率密度，不利于电力电子变压器的推广应用。因此，减少多端口电力电子变压器的变换级数、降低高频变换隔离环节的耐受电压，从而减少子模块数、降低装置成本、提高装置的效率与功率密度，对推动多端口电力电子变压器的推广与应用具有重要意义。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提出一种高功率密度的多端口电力电子变压器拓扑，减少多端口电力电子变压器变换级数、降低高频变换隔离环节的耐受电压，从而减少子模块、功率开关器件和高频变压器数，降低装置成本，提高装置的效率与功率密度。本专利技术具体技术方案如下：一种高功率密度的多端口电力电子变压器拓扑，包括高压侧模块化多电平换流器、中间侧高频变换器和低压直流母线，所述高压侧模块化多电平换流器包括高压交流电源、滤波电感、上、下桥臂电感和上、下级联子模块，高压交流电源经滤波电感后分别连接上、下桥臂电感，上、下桥臂电感连接到上、下级联子模块的输入端，上、下级联子模块的输出端并联，形成高压直流正母线与负母线；其特征在于：所述中间侧高频变换器包括两个隔直谐振电容、交流谐振电容、中性点谐振电容、两台高频变压器和两个低压全桥，两个隔直谐振电容的一端分别与高压直流母线的正母线和负母线连接，另一端分别与上侧和下侧的高频变压器原边绕组的一端连接，位于上侧和下侧的高频变压器原边绕组的另一端彼此连接，形成中间点，交流谐振电容的一端与滤波电感连接，另一端与中性点谐振电容连接，中性点谐振电容的另一端连接至中间点，高频变压器的副边绕组连接至低压全桥的输入端；所述低压直流母线由低压全桥的输出端形成，低压直流母线上并联低压直流滤波电容。进一步，高压侧模块化多电平换流器的各个桥臂均包含级联的Nh个半桥子模块和Nf个全桥子模块。进一步，高压侧模块化多电平换流器的上、下桥臂输出相位相反、幅值相同的高频正弦或方波信号。进一步，高压侧模块化多电平换流器的全桥子模块和半桥子模块同时或交替输出工频正弦信号与高频正弦或方波信号，此外，所述半桥子模块还同时输出直流信号。进一步，高频变压器为双绕组变压器，且高频变压器的漏感部分代替高频谐振所需电感。进一步，中间侧高频变换器采用开环控制时，桥臂电感、隔直谐振电容、高频变压器漏感、中性点谐振电容和交流谐振电容构成串联谐振回路；所述中间侧高频变换器采用闭环控制时，桥臂电感、隔直谐振电容、中性点谐振电容和交流谐振电容构成串联谐振回路。进一步，低压全桥包含四个全控型功率开关器件或四个不可控型功率开关器件。进一步，中间侧高频变换器为上下对称结构，上侧和下侧各含有一个高频变换单元或多个并联的高频变换单元。进一步，高频变换单元的每一个由一台高频变压器或多台并联的高频变压器和一个低压全桥或多个并联的低压全桥组成。进一步，各个低压全桥的输出端彼此不连接，形成独立的低压直流母线，或所述各个低压全桥输出端彼此并联或串联，形成一条或多条低压直流母线。有益效果本专利技术提出了一种高功率密度的多端口电力电子变压器拓扑，该拓扑具有高压交流、高压直流和低压直流母线，亦可在低压直流母线上设置逆变器实现低压交流输出，通过隔直谐振电容能够将高压直流母线的直流电压和高频变换器的交流输入电压分离，避免高频变换单元承受较高的直流电压，从而降低对高频变换器的耐压要求，减少高频变换单元数；若需要增加低压直流端口数，则可将高频变换单元并联，而无需串联，如此既不影响高压直流母线电压，也无串联均压问题，由于各个低压直流端口彼此隔离，并联的高频变换单元间无环流问题，上述优势有利于可再生能源的即插即用；通过交流谐振电容形成中性点，中性点连接有中性点谐振电容，这一结构可防止正序的工频交流信号流入谐振回路，串联的中性点谐振电容使得交流谐振电容的容值可配置较大，从而降低各相交流谐振电容容值的差异对谐振频率的影响和为高压侧工频交流输出带来的谐波，通过中性点谐振电容引出中间点，中间点连接着上侧和下侧的高频变换器，形成了上、下两条高频谐振通路，两条谐振通路可独立运行、互为热冗余，提高了装置的可靠性，同时中间点可直接接地或经电阻、电抗接地，能够降低高频变压器稳态运行时的耐受电压，降低对高频变压器绝缘的要求；高压侧模块化多电平能换流器的上、下桥臂分别输出相位相反、幅值相同的高频交流信号，高频交流信号在高压直流母线上相互抵消，无需在高压直流母线设置高频陷波器；所提拓扑具有直流环节，够实有功功率和无功功率的完全结构，也对各个端口间的电能质量问题具有一定隔离作用；所提拓扑采用半全混合，全桥模块不输出直流信号，因此具有较高的直流电压利用率，采用半全混合结构亦能够阻断直流双极短路故障。本专利技术的主要优势是能够有效减少多端口电力电子变压器的子模块数、功率开关器件数和高频变压器数，降低多端口电力电子变压器的成本，提高其效率与功率密度。附图说明图1为本专利技术的一种高功率密度的多端口电力电子变压器拓扑图；图2为本专利技术的一种高功率密度的多端口电力电子变压器拓扑中全桥子模块结构图；图3为本专利技术的一种高功率密度的多端口电力电子变压器拓扑中半桥子模块结构图；图4为现有技术的基于模块化多电平换流器的电力电子变压器拓扑图。其中：滤波电感Lf，桥臂电感Larm,,漏感Ld1和Ld2，隔直谐振电容Cdcr，交流谐振电容Cacr,中性点谐振电容CNr，低压直流滤波电容CdcL，高频变压器Tr1、Tr2，功率开关器件T1、T2、T3、T4，全桥子模块FBSM，半桥子模块HBSM，半桥子模块直流电容Chbsm，全桥子模块直流电容Cfbsm。具体实施方式本专利技术提出了一种高功率密度的多端口电力电子变压器拓扑。如图1所示，包括高压侧模块化多电平换流器、中间侧高频变换器和低压直流母线；高压侧模块化多电平换流器用于将工频交流电能变换为直流电能与高频交流电能；中间侧高频变换器用于电气隔离与将高频交流电能变换为直流电能；低压直流母线用于为低压直流负载供电或设置逆变器为低压交流负载供电；高压侧模块化多电平换流器包括高压交流电源、滤波电感、桥臂电感和级联子模块，高压交流电源经滤波电感后分别连接上、下桥臂电感，桥臂本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高功率密度的多端口电力电子变压器拓扑，包括高压侧模块化多电平换流器、中间侧高频变换器和低压直流母线，所述高压侧模块化多电平换流器包括高压交流电源、滤波电感、上、下桥臂电感和上、下级联子模块，高压交流电源经滤波电感后分别连接上、下桥臂电感，上、下桥臂电感连接到上、下级联子模块的输入端，上、下级联子模块的输出端并联，形成高压直流正母线与负母线；其特征在于：所述中间侧高频变换器包括两个隔直谐振电容、交流谐振电容、中性点谐振电容、两台高频变压器和两个低压全桥，两个隔直谐振电容的一端分别与高压直流母线的正母线和负母线连接，另一端分别与上侧和下侧的高频变压器原边绕组的一端连接，位于上侧和下侧的高频变压器原边绕组的另一端彼此连接，形成中间点，交流谐振电容的一端与滤波电感连接，另一端与中性点谐振电容连接，中性点谐振电容的另一端连接至中间点，高频变压器的副边绕组连接至低压全桥的输入端；所述低压直流母线由低压全桥的输出端形成，低压直流母线上并联低压直流滤波电容。

【技术特征摘要】
1.一种高功率密度的多端口电力电子变压器拓扑，包括高压侧模块化多电平换流器、中间侧高频变换器和低压直流母线，所述高压侧模块化多电平换流器包括高压交流电源、滤波电感、上、下桥臂电感和上、下级联子模块，高压交流电源经滤波电感后分别连接上、下桥臂电感，上、下桥臂电感连接到上、下级联子模块的输入端，上、下级联子模块的输出端并联，形成高压直流正母线与负母线；其特征在于：所述中间侧高频变换器包括两个隔直谐振电容、交流谐振电容、中性点谐振电容、两台高频变压器和两个低压全桥，两个隔直谐振电容的一端分别与高压直流母线的正母线和负母线连接，另一端分别与上侧和下侧的高频变压器原边绕组的一端连接，位于上侧和下侧的高频变压器原边绕组的另一端彼此连接，形成中间点，交流谐振电容的一端与滤波电感连接，另一端与中性点谐振电容连接，中性点谐振电容的另一端连接至中间点，高频变压器的副边绕组连接至低压全桥的输入端；所述低压直流母线由低压全桥的输出端形成，低压直流母线上并联低压直流滤波电容。2.根据权利要求1所述的一种高功率密度的多端口电力电子变压器拓扑，其特征在于：所述高压侧模块化多电平换流器的各个桥臂均包含级联的Nh个半桥子模块和Nf个全桥子模块。3.根据权利要求1所述的一种高功率密度的多端口电力电子变压器拓扑，其特征在于：所述高压侧模块化多电平换流器的上、下桥臂输出相位相反、幅值相同的高频正弦或方波信号。4.根据权利要求2所述的一种高功率密度的多端口电力电子变压器拓扑，其特征在于：所述高压侧模块...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐永海，张雪垠，徐少博，肖湘宁，袁敞，龙云波，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：北京,11