一种基于半桥级联型三电平的模块化固态变压器制造技术

本发明专利技术提出了一种基于半桥级联型三电平的模块化固态变压器，其中，MMC的子模块单元和DAB单元互联，MMC子模块和DAB输入端均采用半桥级联三电平的结构，以减少所需的模块数量及高频变压器数量，DAB交流侧串接电容以隔离三电平输出电压中的直流分量，而DAB输出端变换器采用全桥结构，其通过多个DAB输出端并联形成低压直流母线，三相全桥逆变器接在低压直流母线上，并形成低压交流端口。通过本发明专利技术拓扑的应用，可实现多电压等级及多种交直流形态的配电网互联，为未来智能配电网的构建打下装备基础。

A Modular Solid State Transformer Based on Half-bridge Cascaded Three-level

A modular solid-state transformer based on half-bridge cascade three-level is proposed in this paper. The MMC sub-module unit and DAB unit are interconnected. The MMC sub-module and DAB input terminal adopt half-bridge cascade three-level structure to reduce the number of required modules and high frequency transformers. The DAB AC side capacitor is connected in series to isolate the DC component of the three-level output voltage while the DAB output voltage. The end-to-end converter adopts full-bridge structure, which forms low-voltage DC bus through parallel connection of multiple DAB output terminals, and three-phase full-bridge inverter is connected to low-voltage DC bus, and forms low-voltage AC port. The application of the topology of the invention can realize the interconnection of distribution networks with multiple voltage levels and various AC and DC forms, and lay the equipment foundation for the construction of future intelligent distribution networks.

【技术实现步骤摘要】
一种基于半桥级联型三电平的模块化固态变压器
本专利技术涉及电力系统中智能配电网技术、电力电子技术等领域，具体地，涉及一种采用半桥级联型三电平子模块的新型模块化固态变压器拓扑，可应用于实现多电压等级多交直流形态的配电网互联。
技术介绍
可再生能源往往以分布式电源的形式接入配电网，转化为电能供给终端用户。然而，传统配电网的运行模式基本是以供方主导、单向辐射状供电为主，其配电一次控制设备(有载调压器、联络开关等)调控能力欠缺，难以满足可再生能源和负荷频繁波动时配电网的高精度实时运行优化需求，且在配网的规划设计阶段和运行管理中，均未考虑分布式电源的接入。随着分布式电源接入量的不断增加，更有电动汽车的快速普及，储能和可控负荷的持续增多，现有配电网架构已很难满足新能源消纳、灵活调控及用户对环境保护、供电可靠性、电能质量和优质服务的要求。因此，随着电力电子技术的发展，未来配电系统将通过电力电子变压器形成网状的多电压等级交直流混合配电架构。电力电子变压器位于多类型配电网络的中心节点处，将取代传统的配电变压器，需要满足多端口、高变比、多电压形态、故障隔离、高效电能传输等基本需求，并实现多向功率可控、提供多种即插即用接口等高级功能。经检索，李子欣等发表的“面向中高压智能配电网的电力电子变压器研究”，《电网技术》(2013)，提出了一种基于模块化多电平换流器(MMC)和双有源桥(DAB)的电力电子变压器拓扑结构，实现多种交直流配电网的互联。但该拓扑的中压网络和低压网络间需通过中压直流母线实现功率传递，导致MMC开关器件的电流应力较大。此外，中压直流母线上需额外串联电容以实现MMC和DAB，增加了装置成本。该拓扑存在较大的优化空间。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提出一种采用半桥级联型三电平子模块的新型模块化固态变压器，采用MMC的子模块单元和DAB单元互联以实现中低压配电网间的功率传递，并提供中压直流，中压交流，低压直流，低压交流四类端口，以适用于多电压等级多形态交直流混合配电网互联。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种基于半桥级联型三电平的模块化固态变压器，包括模块化多电平换流器(MMC)、多个隔离型双有源桥变换器(DAB)以及三相全桥逆变器，其中，所述模块化多电平换流器(MMC)的子模块和所述隔离型双有源桥变换器(DAB)互联，所述模块化多电平换流器(MMC)的子模块和所述隔离型双有源桥变换器(DAB)输入端均采用半桥级联三电平的结构，所述隔离型双有源桥变换器(DAB)交流侧串接电容以隔离三电平输出电压中的直流分量，而所述隔离型双有源桥变换器(DAB)的输出端变换器采用全桥结构，通过多个所述隔离型双有源桥变换器(DAB)输出端并联形成低压直流母线，所述三相全桥逆变器接在低压直流母线上，并形成低压交流端口。较佳的，所述模块化多电平换流器(MMC)的子模块采用两个半桥级联的方式，实现三电平结构，以减少模块数量以及后级隔离型双有源桥变换器(DAB)数量。较佳的，所述模块化多电平换流器(MMC)的交流端口与中压交流配电网相连，中压直流端口与中压直流配电网相连。较佳的，所述隔离型双有源桥变换器(DAB)的输入级采用半桥级联三电平结构，以匹配MMC子模块的电压等级，而在隔离型双有源桥变换器(DAB)中频交流侧串联电容以隔离电压中的直流分量，中间级为中频隔离变压器，以实现故障隔离和变压功能，输出级采用全桥结构，且输出端口为多个隔离型双有源桥变换器(DAB)并联形成的低压直流端口，可与低压直流配电网相连。较佳的，所述低压直流母线可通过三相全桥逆变器，使所述模块化固态变压器提供低压交流端口，该端口可与低压交流配电网相连。与现有拓扑相比，本专利技术具有以下有益效果：1、现有的基于模块化多电平换流器(MMC)的电力电子变压器拓扑通过中压直流母线进行中低压网络间的功率传递，而本专利技术通过子模块直流侧进行中低压网络间的功率传递，MMC的桥臂电流直流分量显著下降，降低了MMC开关器件的电流应力。2、现有拓扑为实现MMC和DAB单元的互联，需在中压直流侧额外增加多个串联电容，而本专利技术则直接采用MMC子模块电容实现MMC和DAB单元互联，减少了装置成本。3、本专利技术的MMC子模块和DAB单元的输入级均采用级联半桥三电平结构，，相比于现有的MMC半桥子模块和DAB全桥单元，提高了模块的电压等级，从而减少了子模块数量与中频隔离变压器数量。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1a为本专利技术一实施例的基本配置示意图；图1b为本专利技术一实施例的模块化多电平换流器子模块和隔离型双有源桥变换器连接示意图；图1c为本专利技术一实施例的三相全桥逆变器示意图；图2为本专利技术一实施例中中压交流电源有功功率输出曲线；图3为本专利技术一实施例中MMC子模块电容电压曲线；图4为本专利技术一实施例中MMC桥臂电流曲线；图5为本专利技术一实施例中中压直流侧电压曲线；图6为本专利技术一实施例中中压直流侧电流曲线；图7为本专利技术一实施例中低压直流侧电流平均值曲线；图8为本专利技术一实施例中三相逆变器交流输出相电压曲线。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。如图1a、1b所示，为本专利技术基于半桥级联型三电平的模块化固态变压器的一实施例配置图，其中：所述模块化固态变压器由模块化多电平换流器(MMC)、多个隔离型双有源桥变换器(DAB)以及三相全桥逆变器构成，其中，模块化多电平换流器(MMC)的子模块(SM)和隔离型双有源桥变换器(DAB)互联，模块化多电平换流器(MMC)的子模块和隔离型双有源桥变换器(DAB)输入端均采用半桥级联三电平的结构，以减少所需的模块数量及高频变压器数量，隔离型双有源桥变换器(DAB)交流侧串接电容以隔离三电平输出电压中的直流分量，而隔离型双有源桥变换器(DAB)输出端变换器采用全桥结构，通过多个隔离型双有源桥变换器(DAB)输出端并联形成低压直流母线，三相全桥逆变器接在低压直流母线上，并形成低压交流端口。如图1b中的细节图所示，基于半桥级联型三电平的模块拓扑中：半桥级联型三电平结构通过MMC的半桥子模块级联组合而成，其交流端口可输出三电平交流电压，而直流端口则可以输出两倍电容电压，在本专利技术中，半桥级联型三电平结构用于MMC子模块与DAB输入侧，两者可通过该拓扑的直流端口实现互联，而为了隔离直流分量，DAB输入侧的半桥级联型三电平结构的出口将串接电容。如图1c中的细节图所示，为本专利技术一实施例中的三相全桥逆变器拓扑。本专利技术上述实施例中的模块化固态变压器拓扑，首先通过模块化多电平换流器(MMC)实现中压交流配电网和中压直流配电网的互联，其次通过模块化多电平换流器(MMC)的子模块单元和隔离型双有源桥变换器(DAB)连接，实现中压网络和低压直流配电网的互联，最后通过三相全桥逆变器，实现低压直流配电网和低压交流配电网的互联。通过本专利技术拓扑的应用，可实现多电压等级及多种交直流形态的配电网互联，为未来智本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于半桥级联型三电平的模块化固态变压器，其特征在于：包括模块化多电平换流器(MMC)、多个隔离型双有源桥变换器(DAB)以及三相全桥逆变器，所述模块化多电平换流器(MMC)的子模块和所述隔离型双有源桥变换器(DAB)互联，其中，所述模块化多电平换流器(MMC)的子模块和所述隔离型双有源桥变换器(DAB)输入端均采用半桥级联三电平结构；所述隔离型双有源桥变换器(DAB)交流侧串接电容以隔离三电平输出电压中的直流分量；所述隔离型双有源桥变换器(DAB)的输出端采用全桥结构，通过多个所述隔离型双有源桥变换器(DAB)输出端并联形成低压直流母线；所述三相全桥逆变器接在所述低压直流母线上，并形成低压交流端口。

【技术特征摘要】
1.一种基于半桥级联型三电平的模块化固态变压器，其特征在于：包括模块化多电平换流器(MMC)、多个隔离型双有源桥变换器(DAB)以及三相全桥逆变器，所述模块化多电平换流器(MMC)的子模块和所述隔离型双有源桥变换器(DAB)互联，其中，所述模块化多电平换流器(MMC)的子模块和所述隔离型双有源桥变换器(DAB)输入端均采用半桥级联三电平结构；所述隔离型双有源桥变换器(DAB)交流侧串接电容以隔离三电平输出电压中的直流分量；所述隔离型双有源桥变换器(DAB)的输出端采用全桥结构，通过多个所述隔离型双有源桥变换器(DAB)输出端并联形成低压直流母线；所述三相全桥逆变器接在所述低压直流母线上，并形成低压交流端口。2.根据权利要求1所述的基于半桥级联型三电平的模块化固态变压器，其特征在于：所述模块化多电平换流器(MMC)的子模块采用两个半桥级联的方式，实现半桥级联三电平结构，以减少模块数量以及后级隔离型双有源桥变换器(DAB)数量。3.根据权利要求1所述的基于半桥级联型三电平的模块化固态变压器，其特征在于：所述模块化多电平换流器(MMC)的交流端口与中压交流配电网相连，中压直流端口与中压直流配电网相连。4.根据权利要求1所述的基于半桥级联型三电平的模块化固态变压器，其特征在于：所述隔离型双有源桥变换器(DAB)的输入级采用半桥级联三电平结构，以匹配所述模块化多电平换流器(MMC)的子模块的电压等级，在所述隔离型双有源桥变换器(DAB)中频交流侧串联电容以...

【专利技术属性】
技术研发人员：张建文，周剑桥，施刚，蔡旭，陈伟，罗乃好，黄超，姚旭，饶芳权，
申请(专利权)人：上海交通大学，海南金盘智能科技股份有限公司，海南金盘电气研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31