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CN113193760A - 一种带储能装置的电力电子变压器 - Google Patents

一种带储能装置的电力电子变压器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种带储能装置的电力电子变压器。该电力电子变压器包括：电力电子变压器高压侧接10kV配电网，电力电子变压器低压侧接400V等级配电网，三相10kV交流电压通过A相电路、B相电路和C相电路进行分压与隔离变换，将高压交流电变换为直流电，均连接直流母线P和N，直流母线P和N电性连接储能型Quasi‑Z源逆变器将直流电变换为三相400V等级交流电接低压配电网。本发明提出的电力电子变压器减少了高频变压器与子模块数量，提高了电力电子变压器的功率密度，能有效地抑制电力电子变压器给上级配电网带来的谐波，在保证电能质量的情况下，维持低压配电网稳定，还能参与上级配电网的电压/频率调节，并具有一定的惯性与阻尼。

Description

一种带储能装置的电力电子变压器
技术领域
本发明涉及电气工程技术领域，特别是涉及一种带储能装置的电力电子变压器。
背景技术
电力电子变压器是一种将电力电子器件和高频变压器相结合、通过电力电子变流技术实现电能变换的变压器，除具有电压转换、电气隔离、能量传递等基本功能外，还具有可控性高，可以实现对波形、潮流、电能质量控制以及自动保护控制等优点，是配电网理想的配电设备。在电力机车牵引用的车载变流器系统、智能电网/能源互联网和分布式可再生能源发电并网系统中得到广泛的应用。
常规电力电子变压器输出端采用常规逆变器，为防止同一逆变桥臂上下开关管同时导通造成逆变器损坏，往往在桥臂开关管的开关信号中加入死区时间，这反而使输出交流电压波形发生畸变。另外，拓扑不具有模块化结构，且随着电平数的增加，使电路拓扑变得极其复杂，所以，就需要一种带储能装置的电力电子变压器。
发明内容
本发明的目的是提供一种带储能装置的电力电子变压器，用以解决现有技术中存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种带储能装置的电力电子变压器，所述电力电子变压器的高压侧接10kV配电网，所述电力电子变压器的低压侧接400V等级配电网；所述电力电子变压器包括：A相电路、B相电路、C相电路和储能型Quasi-Z源逆变器；
所述A相电路的末端x和所述B相电路的末端y均与所述C相电路的末端z电性连接成公共点o；
所述A相电路、所述B相电路和所述C相电路均用于将三相10kV交流电压进行分压与隔离变换，得到直流电，并输入直流母线线；
所述储能型Quasi-Z源逆变器与所述直流母线P和N电性连接；所述储能型Quasi-Z源逆变器用于将10kV交流电降为400V等级交流电；所述储能型Quasi-Z源逆变器还用于将连接在电容C3的分布式直流电变换为三相400V等级交流电，并输入低压配电网；所述储能型Quasi-Z源逆变器还用于将直流负载联接在蓄电池B1处，对直流负载进行供电。
可选地，所述A相电路的结构与所述B相电路的结构和所述C相电路的结构均相同。
可选地，所述A相电路包括输入级和隔离变换级；
所述输入级包括：9个级联的H桥联接模块；
所述隔离变换级包括：3个级联的单元模块。
可选地，所述单元模块：3个原边多绕组和一个副边单绕组。
可选地，所述H桥联接模块包括：四个全控型开关器件SAi，SAi+1，SAi+2，SAi+3和电容CAm；
所述全控型开关器件SAi的集电极与所述全控型开关器件SAi+1的集电极相连并均连接在所述电容CAm的一端；
所述全控型开关器件SAi+2的发射极与所述全控型开关器件SAi+3的发射极相连并均连接在所述电容CAm的另一端；
所述全控型开关器件SAi的发射极与所述全控型开关器件SAi+2的集电极连接作为一个接线端子；所述全控型开关器件SAi+1的发射极与所述全控型开关器件SAi+3的集电极连接作为一个接线端子。
可选地，所述储能型Quasi-Z源逆变器包括：电感L1、全控型开关器件S7和电容C2；
所述电感L1的一端连接直流母线P，所述电感L1的另一端连接全控型开关器件S7的发射极，所述全控型开关器件S7的集电极串联电感L2和电容C2后连接所述全控型开关器件S7的发射极，所述全控型开关器件S7的集电极并联电容C1和蓄电池B1后连接直流母线N，在所述电感L2和所述电容C2之间连接全控型开关器件S1、S3和S5的集电极，所述直流母线N连接全控型开关器件S4、S6和S2的发射极，所述全控型开关器件S1的发射极和所述全控型开关器件S4的集电极连接作为输出端a，所述全控型开关器件S3的发射极和所述全控型开关器件S6的集电极连接作为输出端b，所述全控型开关器件S5的发射极和所述全控型开关器件S2的集电极连接作为输出端c。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明所提供的一种带储能装置的电力电子变压器，具有高压侧高电压、小电流与低压侧低电压、大电流的特点，减少了变压器与子模块数量，提高了电力电子变压器的功率密度。
本发明在电能变换以及能量波动过程中，上级配电网侧并网点电流THD足够小，能有效地抑制电力电子变压器给上级配电网带来的谐波。
本发明所提出的电力电子变压器具有良好的功率跟踪性能，在保证电能质量的情况下，维持低压配电网稳定，还能参与上级配电网的电压/频率调节，并具有一定的惯性与阻尼。
本发明所提出的电力电子变压器可方便地实现光伏电池板、蓄电池等分布式直流电源并网，还能给直流负载提供相应的直流电源用于充电或驱动直流电动机等。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的一种带储能装置的电力电子变压器结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种带储能装置的电力电子变压器的每相电路图；
图3为本发明实施例提供的一种带储能装置的电力电子变压器的H桥联接模块的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种带储能装置的电力电子变压器，在维持低压配电网稳定的同时还能实现对上级配电网的友好支撑，针对高渗透率分布式电源发电的间歇性和功率波动性引起的配电网电压/频率不稳定问题。
本发明提出的电力电子变压器可通过直流接口获得功率缓冲，从而在PET维持低压配电网功率消耗的同时，还具有参与上级配电网电压/频率调节的能力。
本发明专利针对现有技术中存在的缺点，在隔离变换级中，高频变压器采用固定数目的原边多绕组与副边单绕组耦合的单元模块级联而成，结构简单，便于扩展。输出端采用独特的阻抗网络从而允许同一桥臂上下开关管同时导通，使其具备一定的升降压功能。由于直通状态为Z源逆变器的工作常态，因此在换流过程中无需插入死区时间。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1，本发明提供了一种带储能装置的电力电子变压器，包括：A相电路、B相电路、C相电路和储能型Quasi-Z源逆变器，电力电子变压器高压侧接10kV配电网，接线端子为A、B、C，所述A相电路的末端x和所述B相电路的末端y均与所述C相电路的末端z电性连接成公共点o，所述电力电子变压器低压侧接400V等级配电网，接线端子为a、b、c；
三相10kV交流电压通过所述A相电路、所述B相电路和所述C相电路进行分压与隔离变换，将高压交流电变换为直流电，均连接直流母线P和N，所述直流母线P和N电性连接储能型Quasi-Z源逆变器将直流电变换为三相400V等级交流电接低压配电网。
所述储能型Quasi-Z源逆变器包括：电感L1、全控型开关器件S7和电容C2，所述电感L1的一端连接直流母线P，所述电感L1的另一端连接全控型开关器件S7的发射极，所述全控型开关器件S7的集电极串联电感L2和电容C2后连接所述全控型开关器件S7的发射极，所述全控型开关器件S7的集电极并联电容C1和蓄电池B1后连接直流母线N，在所述电感L2和所述电容C2之间连接全控型开关器件S1、S3和S5的集电极，所述直流母线N连接全控型开关器件S4、S6和S2的发射极，所述全控型开关器件S1的发射极和所述全控型开关器件S4的集电极连接作为输出端a，所述全控型开关器件S3的发射极和所述全控型开关器件S6的集电极连接作为输出端b，所述全控型开关器件S5的发射极和所述全控型开关器件S2的集电极连接作为输出端c。
这种独特的结构允许同一桥臂上的开关管瞬时直通，提高了系统的安全性和可靠性；此外，通过引入直通量灵活地控制系统的升降压功能，因而也克服了传统电压型逆变器只能降压的缺点；进一步，相比传统的单级式、两级式逆变器，以单级功率变换形式实现了升降压与逆变功能。另外，由于电感L1的作用，使得流入到输出级的电流连续恒定，而且由于分压作用，电容C2上的电压要小，器件承受的电压应力小。
参照图2，所述A相电路包括输入级和隔离变换级，所述输入级采用级联H桥多电平拓扑，由9个H桥联接模块级联组成，从而降低分担到每个开关管上的的电压；
所述隔离变换级采用多主动桥拓扑，控制能量双向流动，由3个单元模块级联组成，所述单元模块由3个原边多绕组和一个副边单绕组耦合而成，前级分别与H桥联接模块的直流电容相连，后级并联组成直流母线，正极接P直流母线，负极接N直流母线；所述A相电路结构与所述B相电路结构和所述C相电路结构均相同，每一相由多个单元模块组合而成，结构简单，便于扩展。
参照图3，所述H桥联接模块包括四个全控型开关器件SAi，SAi+1，SAi+2，SAi+3和电容CAm，所述全控型开关器件SAi的集电极与所述全控型开关器件SAi+1的集电极相连并均连接在所述电容CAm的一端，所述全控型开关器件SAi+2的发射极与所述全控型开关器件SAi+3的发射极相连并均连接在所述电容CAm的另一端，所述全控型开关器件SAi的发射极与所述全控型开关器件SAi+2的集电极连接作为一个接线端子，所述全控型开关器件SAi+1的发射极与所述全控型开关器件SAi+3的集电极连接作为一个接线端子；将高压工频交流转换为数量为9的悬浮直流，级联多电平结构使得输入级功率器件能以较小的电压应力和开关频率应用于高压大功率。
综上所述，本发明提出的电力电子变压器具有高压侧高电压、小电流与低压侧低电压、大电流的特点，减少了变压器与子模块数量，提高了电力电子变压器的功率密度；本发明在电能变换以及能量波动过程中，上级配电网侧并网点电流THD足够小，能有效地抑制电力电子变压器给上级配电网带来的谐波；本发明所提出的电力电子变压器具有良好的功率跟踪性能，在保证电能质量的情况下，维持低压配电网稳定，还能参与上级配电网的电压/频率调节，并具有一定的惯性与阻尼。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种带储能装置的电力电子变压器，其特征在于，所述电力电子变压器的高压侧接10kV配电网，所述电力电子变压器的低压侧接400V等级配电网；所述电力电子变压器包括：A相电路、B相电路、C相电路和储能型Quasi-Z源逆变器；
所述A相电路的末端x和所述B相电路的末端y均与所述C相电路的末端z电性连接成公共点o；
所述A相电路、所述B相电路和所述C相电路均用于将三相10kV交流电压进行分压与隔离变换，得到直流电，并输入直流母线线；
所述储能型Quasi-Z源逆变器与所述直流母线P和N电性连接；所述储能型Quasi-Z源逆变器用于将10kV交流电降为400V等级交流电；所述储能型Quasi-Z源逆变器还用于将连接在电容C3的分布式直流电变换为三相400V等级交流电，并输入低压配电网；所述储能型Quasi-Z源逆变器还用于将直流负载联接在蓄电池B1处，对直流负载进行供电。
2.根据权利要求1所述的一种带储能装置的电力电子变压器，其特征在于，所述A相电路的结构与所述B相电路的结构和所述C相电路的结构均相同。
3.根据权利要求2所述的一种带储能装置的电力电子变压器，其特征在于，所述A相电路包括输入级和隔离变换级；
所述输入级包括：9个级联的H桥联接模块；
所述隔离变换级包括：3个级联的单元模块。
4.根据权利要求3所述的一种带储能装置的电力电子变压器，其特征在于，所述单元模块：3个原边多绕组和一个副边单绕组。
5.根据权利要求3所述的一种带储能装置的电力电子变压器，其特征在于，所述H桥联接模块包括：四个全控型开关器件SAi，SAi+1，SAi+2，SAi+3和电容CAm；
所述全控型开关器件SAi的集电极与所述全控型开关器件SAi+1的集电极相连并均连接在所述电容CAm的一端；
所述全控型开关器件SAi+2的发射极与所述全控型开关器件SAi+3的发射极相连并均连接在所述电容CAm的另一端；
所述全控型开关器件SAi的发射极与所述全控型开关器件SAi+2的集电极连接作为一个接线端子；所述全控型开关器件SAi+1的发射极与所述全控型开关器件SAi+3的集电极连接作为一个接线端子。
6.根据权利要求1所述的一种带储能装置的电力电子变压器，其特征在于，所述储能型Quasi-Z源逆变器包括：电感L1、全控型开关器件S7和电容C2；
所述电感L1的一端连接直流母线P，所述电感L1的另一端连接全控型开关器件S7的发射极，所述全控型开关器件S7的集电极串联电感L2和电容C2后连接所述全控型开关器件S7的发射极，所述全控型开关器件S7的集电极并联电容C1和蓄电池B1后连接直流母线N，在所述电感L2和所述电容C2之间连接全控型开关器件S1、S3和S5的集电极，所述直流母线N连接全控型开关器件S4、S6和S2的发射极，所述全控型开关器件S1的发射极和所述全控型开关器件S4的集电极连接作为输出端a，所述全控型开关器件S3的发射极和所述全控型开关器件S6的集电极连接作为输出端b，所述全控型开关器件S5的发射极和所述全控型开关器件S2的集电极连接作为输出端c。
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