一种集成滤波变压器的大功率模块化高压直流变换器制造技术

本发明专利技术公开了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；所述三个单相三绕组变压器一次侧各与一个相单元上、下桥臂的输出端相连；所述单相三绕组变压器的二次侧分别与整流器的输入端连接，实现三相交流电的整流。本发明专利技术具有高变比，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。

【技术实现步骤摘要】
一种集成滤波变压器的大功率模块化高压直流变换器
本专利技术涉及电力电子领域，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。
技术介绍
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(HighVoltageDirectCurrent，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(ModularMultilevelConverter，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(ModularMultilevelConverterbasedHighVoltageDirectCurrent，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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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Udc/N，其中Udc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，本专利技术所具有的有益效果为：本专利技术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；图3为模块化多电平换流器的子模块结构图；图4为模块化多电平换流器的相单元结构图；图5为单相三绕组换流器结构图。具体实施方式参见图1，为集成滤波变压器的大功率模块化高压直流变换器，由模块化多电平换流器、单相三绕组变压器和整流器三部分组成。所述模块化多电平换流器由半桥子模块串联而成，可实现高压直流逆变；所述单相三绕组变压器一次侧分别与各相上下桥臂的输出端相连，可实现高变比、宽范围的电压输出；所述整流器的输入端与三个单相三绕组变压器依次连接并实现三相交流电的整流，得到后级所需电压等级的直流电源。图2为该系统模块化多电平换流器整体结构图，每个相单元的上、下桥臂由数量相等的半桥子模块串联而成，上、下桥臂的输入端分别与直流母线正负端相连，输出端分别与单相三绕组变压器一次侧相连。图3为子模块的拓扑结构图，T1和T2表示可关断器件IGBT，D1和D2表示反并联在IGBT上的二极管，C0表示子模块电容，uc表示电容电压，ic表示电容充电电流，usm表示子模块输出电压，ism表示流入子模块的电流。按照开关器件通断状态可将子模块工作状态分为三种：(1)T1和T2均关断；(2)T1开通和T2关断；(3)T1关断和T2开通。(1)T1和T2均关断：一般将这种工作状态称为非正常工作状态，此时当电流ism为正方向(以图3中所注方向为参考方向)时，电流通过D1对电容器进行充电,电流ism为负方向时，电流通过D2将电容器旁路。可见，这种状态下电容器只能被充电而不能放电，这种工作状态可用于系统启动时对子模块进行不可控充电，MMC正常工作时，不允许出现该状态，否则将判断为子模块出现故障；(2)T1开通和T2关断：可将该状态称为投入模式，此时，如果电流ism方向为正，将对电容器充电，电流ism方向为负，将对电容器放电，该状态下子模块电容器被直接接入主电路中，并进行充电和放电，子模块输出电容电压uc；(3)T1关断和T2开通：可将该状态称为切除模式，此时，无论电流ism方向为正还是负，子模块电容器都将被旁路，电容器无法进行充放电，电容电压保持不变，相当于子模块输出电压为零。子模块电容的投入与否与投入数量由系统调制方法决定，当按照正弦规律依次投入时，可实现逼近正弦波的电压输出，桥臂串联的模块数越多则约逼近正弦波。参见图4，其为大功率模块化高压直流变换器的相单元结构图，其中的单相三绕组变压器双一次侧分别与模块化多电平换流器输出端连接，二次侧分别与整流器的各相相连接。图5为单相三绕组隔离变压器具体结构图，右图可见，因变压器自身存在漏感，因而可以取代传统模块化多电平换流器的上、下桥臂电感与输出滤波电感，并实现高变比、宽范围的电压输出。与传统的模块化多电平换流器相比，本专利技术因引入的单相三绕组变压器具有与传统电抗相同的滤波、抑制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种集成滤波变压器的大功率模块化高压直流变换器，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种集成滤波变压器的大功率模块化高压直流变换器，其特征在于，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。2....

【专利技术属性】
技术研发人员：罗安，徐千鸣，洪乐荣，陈燕东，何志兴，岳雨霏，黄旭程，郭鹏，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43