在高压轻型直流输电（HVDC-Light）系统中应用的一种高压直流到交流变换的换流器，其特征在于：包括直流到直流变换（DC/DC）输入级和直流到交流变换（DC/AC）逆变级，所述的DC/DC输入级由谐振型软开关变换器构成，该变换器中的高频变压器次级有独立的N×3个绕组，各绕组的输出电压都经过整流和电容储能，共形成N×3个相互隔离的、等值的独立直流电源；其中DC/AC逆变级包括N×3个功率单元，每个功率单元都由单相全桥式逆变器构成，其直流输入端各连接到一个前述的独立直流电源上，每N个功率单元的交流输出端依次串联构成换流器交流输出的一相，三相按照星型（也称Y型）方式连接构成三相交流输出。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种半导体变流器的拓扑结构，尤其涉及一种应用于高压轻型直流输电(HVDC-Light)系统中，将高压直流电能转换为正弦交流电能的一种高压直流到交流变换的换流器的拓扑结构。
技术介绍
传统高压直流输电系统使用的直流到交流变换的换流器是基于晶闸管的电流源型换流器，其开关频率为工频，电流谐波频率低且含量高，需要大容量的滤波器来限制注入交流电网的电流谐波；而高压轻型直流输电技术，突出了全控型电力电子器件、电压源换流器和脉冲调制技术三大特点，相比于传统高压直流输电技术具有如下优点1、可以实现有功功率和无功功率的独立控制，无需额外的无功补偿；2、可以对无源交流系统进行供电；3、输出波形中的谐波处于I千赫兹以上且含量低，滤波器容易制作。 根据高压轻型直流输电技术的特点，在风力及分布式发电并网、交流系统的异步互联、城市配电网增容、孤岛及海上钻井平台供电等领域，获得了越来越多的应用。伴随着电力电子技术的快速发展以及大功率全控型器件性价比的不断提高，高压轻型直流输电正成为未来直流输电技术的发展方向，甚至在一定范围内取代传统高压直流输电。目前，高压轻型直流输电系统中，将高压直流电能转换为正弦交流电能的换流器的拓扑结构，主要是图I所示的两电平换流器，和图2所示的模块化多电平换流器，二者使用的功率开关器件都是绝缘栅双极晶体管IGBT，或其它场控器件。其中，图I所示的两电平换流器，存在如下不足1、输出为脉宽调制的两电平波形，有非常高的电压时间变化率dv/dt，需要使用滤波器才能还原出正弦波及抑制高的电压时间变化率；2、目前，高压轻型直流输电系统中IGBT的开关频率在I千赫兹至3千赫兹之间，且工作在硬开关的工作状态下。为将串联应用的每个IGBT的集射(集电极、发射极)两端电压限制在安全的范围内(通常为其耐压限值的70%以内)，每个IGBT两端并联有动静态均压吸收电路(按其功能来说，也称限压电路)。在千赫兹级的开关频率和硬开关的工作状态下，限压电路的设计和制作难度较大，功耗也较大。例如，在现有技术的两电平换流器中，换流阀中串联的IGBT在当前工频负载电流瞬时值的条件下实现截止到导通、和导通到截止的转换，其转换期间电流的周期平均值为IoX2 占A，其中Io为负载电流有效值，^为圆周率3. 14，在串联的IGBT开关不同步的时间(如I微秒)内，负载电流流进动静态均压吸收电路，并需要在一个开关周期内消耗掉该流入的能量，以防止电压累积上升。若动静态均压限制电压值Vc为1000伏，负载电流Io有效值为1000安，IGBT开关频率Fs为1500赫兹，IGBT开关不同步的时间Td为I微秒，则动静态均压吸收电路的周期平均损耗Pc = VcXIoX2 % 2 /τι XTdXFs =1350瓦。对于批量制造的产品，功率开关不同步出现的位置是随机的，所以每个IGBT两端并联的动静态均压吸收电路都要按此功耗来设计。图2所示的模块化多电平换流器，需要采取措施将各个子模块SM中电容电压维持在相同定值，才能输出失真度低的波形和保证各个模块的安全，这极大地增加了控制电路的设计难度，是实际应用中的技术瓶颈(参见中国版图书ISBN978-7-5083-8953-0，《基于电压源换流器的高压直流输电技术》第71页，中国电力出版社，2009年)。图I所示的两电平换流器和图2所示的模块化多电平换流器，在需要电气隔离，或者输入电压和输出电压之间不匹配(如输入100千伏直流、输出10千伏交流)的情况下，需要使用体积大的工频变压器，才能实现电平匹配和获得较好的器件工况。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是规避模块化多电平换流器中的控制电路设计难度大的问题，解决两电平换流器中IGBT在硬开关工作状态下动静态均压吸收电路的设计和制作难度大、同时功耗也较大的问题，采用成熟的技术，将多种成熟可靠的功能拓扑进行新的组合，形成新的换流器拓扑结构，实现将高压直流电能转换为正弦交流电能的功能，降低换流器的制作难度和提高可靠性。同时，本专利技术还克服现有技术中，在需要电气隔离、或者输入 电压和输出电压之间不匹配的情况下，需要使用体积大的工频变压器等技术问题。本专利技术采用的技术方案是，一种高压直流到交流变换的换流器，包括直流到直流变换(DC/DC)输入级和直流到交流变换(DC/AC)逆变级，其特征在于所述的DC/DC输入级由谐振型软开关变换器构成，该变换器中的高频变压器次级有独立的NX 3个绕组，各绕组的输出电压都经过整流和电容储能，共形成NX3个相互隔离的、等值的独立直流电源；所述的DC/AC逆变级由NX 3个功率单元构成，每个功率单元都由单相全桥式逆变器构成，其直流输入端各连接一个所述的独立直流电源，每N个功率单元的交流输出端依次串联构成换流器交流输出的一相，三相按照星型(也称Y型)方式连接构成三相交流输出。本专利技术的第一种进一步技术方案是所述DC/DC输入级的谐振型软开关变换器，是LC串联谐振型零电流开关半桥变换器(或全桥变换器)，包括2个换流阀连接成半桥，其输出端依次串联谐振电感、高频变压器初级、谐振电容连接到高压直流的负端(或另外2个换流阀连接成半桥的输出端)，所述的换流阀构成的半桥的高、低电压端分别连接高压直流的正、负端。每个换流阀都由多个功率开关器件串联组成，每个功率开关器件的两端并联有由RCD (电阻、电容、二极管)构成的限压电路，以及反并联二极管。换流阀的开关周期大于谐振周期的2倍。其中的RCD限压电路(包括后续提到的)和反并联二极管的连接关系，是一致的，所述的RCD限压电路由放电电阻R、能量暂存电容C和箝位二极管D组成，其中所述的放电电阻、能量暂存电容并联后，一端连接反并联二极管的阳极，另一端连接箝位二极管的阴极，所述箝位二极管的阳极连接反并联二极管的阴极。本专利技术的第二种进一步技术方案，所述DC/DC输入级的谐振型软开关变换器，是LLC串联谐振型零电压开关半桥变换器(或全桥变换器)，包括2个换流阀连接成的半桥，其输出端依次串联谐振电感、高频变压器初级绕组、谐振电容连接到高压直流的负端(或另外2个换流阀连接成半桥的输出端)，所述的换流阀构成的半桥的高、低电压端分别连接高压直流的正、负端，还包括高频变压器初级绕组等效的励磁电感。每个换流阀由多个功率开关器件串联组成，每个功率开关器件的两端并联有吸收电容、由RCD构成的限压电路，以及反并联二极管。换流阀的开关频率稍高于谐振频率，也即开关周期短于谐振周期。本专利技术的第三种进一步技术方案，所述DC/DC输入级的谐振型软开关变换器，是带谐振电容电压箝位的LLC串联谐振型零电压开关半桥变换器，包括2个换流阀连接成的半桥，其输出端依次串联谐振电感、高频变压器初级、谐振电容连接到高压直流的负端，所述的换流阀构成的半桥的高、低电压端分别连接高压直流的正、负端，还包括高频变压器初级等效的励磁电感，由高频变压器所用的铁芯所开气隙的长度来调节电感量到需要的大小，还包括对谐振电容电压进行箝位的2个箝位二极管阀，其中所述的箝位二极管阀中的一个和谐振电容并联，其阳极端连接高压直流的负端，另一个箝位二极管阀的阴极端连接高压直流的正端，其阳极端连接前一个箝位二极管阀的阴极；所述的每个箝位二极管阀都由多个二极管同向连接而成；所述的每个换流阀都由·多个功本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种高压直流到交流变换的换流器，其特征在于：包括直流到直流变换（DC/DC）输入级和直流到交流变换（DC/AC）逆变级，其中DC/DC输入级由谐振型软开关变换器构成，该变换器中的高频变压器次级有独立的N×3个绕组，各绕组的输出电压都经过整流和电容储能，共形成？N×3个相互隔离的、等值的独立直流电源；其中DC/AC逆变级包括N×3个功率单元，每个功率单元都由单相全桥式逆变器构成，其直流输入端各连接一个所述的独立直流电源，每N个功率单元的交流输出端依次串联构成换流器交流输出的一相，三相按照星型（也称Y型）方式连接构成三相交流输出。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：范家闩，
申请(专利权)人：范家闩，
类型：发明
国别省市：
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