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1、(10)申请公布号 CN 102820666 A (43)申请公布日 2012.12.12 C N 1 0 2 8 2 0 6 6 6 A *CN102820666A* (21)申请号 201210315989.6 (22)申请日 2012.08.30 H02J 3/26(2006.01) (71)申请人西安交通大学 地址 710049 陕西省西安市咸宁西路28号 (72)发明人刘进军 王新宇 徐涛涛 王晓剑 (74)专利代理机构西安通大专利代理有限责任 公司 61200 代理人陆万寿 (54) 发明名称 一种可平衡不对称负载的三相电力电子变压 器 (57) 摘要 本发明公开了一种可平衡不对称。
2、负载的三相 电力电子变压器，分为三级：输入级、隔离级和输 出级。输入级功率变换器输出端与高频DC/AC环 节功率变换器的输入端相连接；高频DC/AC环节 功率变换器的输出端接高频变压器的原边，高频 变压器的副边接高频AC/DC环节的功率变换器的 输入端；高频AC/DC环节的功率变换器的输出端 与输出级功率变换器的输入端相连接；输出级功 率变换器的输出端连接LC滤波器的输入端，LC滤 波器接三相供电网络。本发明可以实现传统电力 变压器的变压、隔离、能量传递等等基本功能，面 对不同等级的输入电压，只需要计算对应输入级 串联模块数，按照对应模块数串联便可承受对应 电压。 (51)Int.Cl. 权利。
3、要求书2页 说明书5页 附图2页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 2 页 1/2页 2 1.一种可平衡不对称负载的三相电力电子变压器，其特征在于，其拓扑结构包括输入 级、隔离级、输出级，每级的功率变换器均包括两个输入端和两个输出端； 输入级的三相中，每相包括3N个相同的串联的输入级功率变换器（2），N为自然数，每 个输入级功率变换器（2）的两个输出端之间并联有直流储能电容（3）；每相串联的输入级功 率变换器总的交流侧连接有电抗器（1），再与输入电网的一相相连接，相与相之间三角形连 接或星形连接； 隔离级的三相中，每相包括3N。
4、个通过高频变压器（5）连接的高频DC/AC环节功率变换 器（4）和高频AC/DC环节的功率变换器（6）；每相的每个高频DC/AC环节功率变换器（4）与 输入级的对应相的输入级功率变换器（2）一一对应连接； 输出级的三相中，每相的输出级功率变换器（8）与高频AC/DC环节的功率变换器（6） 一一对应连接，3N个中的每个输出级功率变换器（8）的两个输入端之间并联有输出级直流 储能电容（7），交流侧连接有LC滤波器（9）； 每相中均有1/3的输出级功率变换器（8）的一个输出端通过LC滤波器（9）分别交叉连 接汇集于a相、b相和c相，所有输出级功率变换器（8）的另一个输出端汇集于n点。 2.如权利要求。
5、1所述的可平衡不对称负载的三相电力电子变压器，其特征在于，所述 的输入级功率变换器（2）、高频DC/AC环节功率变换器（4）、高频AC/DC环节的功率变换器 （6）和输出级功率变换器（8）均采用全控型单相全桥功率变换器。 3.如权利要求1所述的可平衡不对称负载的三相电力电子变压器，其特征在于，所述 的输入级功率变换器（2）输出端与高频DC/AC环节功率变换器（4）的输入端相连接； 高频DC/AC环节功率变换器（4）的输出端接高频变压器（5）的原边，高频变压器（5）的 副边接高频AC/DC环节的功率变换器（6）的输入端； 高频AC/DC环节的功率变换器（6）的输出端与输出级功率变换器（8）的输入。
6、端相连接； 输出级功率变换器（8）的输出端连接LC滤波器（9）的输入端，LC滤波器（9）接三相供电网 络。 4.如权利要求1所述的可平衡不对称负载的三相电力电子变压器，其特征在于，从输 入级、隔离级到输出级，交流、直流的变化依次为： 输入级中，输入电网交流输入经过输入级功率变换器（2）转换成直流，并通过直流储能 电容（3）传递给隔离级； 隔离级中，直流输入通过隔离级高频DC/AC环节功率变换器（4）转换成交流，并通过高 频变压器（5）传递给高频AC/DC环节的功率变换器（6），再通过高频AC/DC环节的功率变换 器（6）转换成直流，并通过直流储能电容（7）传递给输出级； 输出级中，直流输入通过。
7、输出级功率变换器（8）转换成交流，并通过LC滤波器传递给 三相供电网络。 5.如权利要求1所述的可平衡不对称负载的三相电力电子变压器，其特征在于，所述 的输出级直流储能电容（7）两侧还可以通过功率变换器连接太阳能或风能的发电网络。 6.一种可平衡不对称负载的三相电力电子变压器，其特征在于，其拓扑结构包括输入 级、隔离级、输出级，每级的功率变换器均包括两个输入端和两个输出端； 输入级的三相中，每相包括6N个相同的级串联的输入级功率变换器（2），N为自然数， 每个输入级功率变换器（2）的两个输出端之间并联有直流储能电容（3）；每相串联的输入级 权 利 要 求 书CN 102820666 A 2/2。
8、页 3 功率变换器总的交流侧连接有电抗器（1），再与输入电网的一相相连接，相与相之间三角形 连接或星形连接； 隔离级的三相中，每相包括6N个通过高频变压器（5）连接的高频DC/AC环节功率变换 器（4）和高频AC/DC环节的功率变换器（6）；每相的每个高频DC/AC环节功率变换器（4）与 输入级的对应相的输入级功率变换器（2）一一对应连接；高频AC/DC环节的功率变换器（6） 的输出端之间并联有输出级直流储能电容（7）； 输出级的三相中，每相设有2N个输出级功率变换器（8），三相中每相的一个，三相总共 三个高频AC/DC环节的功率变换器（6）的输出端交叉连接汇集后与一个输出级功率变换器 （8）。
9、的输入端相连接，其输出端连接有LC滤波器（9），每相的输出级功率变换器（8）的一个 输出端通过LC滤波器（9）汇集，三相分别汇集于a相、b相和c相，所有输出级功率变换器 （8）的另一个输出端汇集于n点。 7.如权利要求6所述的可平衡不对称负载的三相电力电子变压器，其特征在于，从输 入级对应的每相6N个高频AC/DC环节的功率变换器（6）中抽取一个，三相共三个以并联的 方式连接，然后再连接输出级的功率变换器（8），以同样的方式组合连接每相的其余6N-1 个高频AC/DC环节的功率变换器（6），再将每相内2N组输出级的LC滤波器（9）的滤波电感 的输出端采用并联的方式连接后连接LC滤波器（9）的滤。
10、波电容，从而形成输出级总的一相 输出。 8.如权利要求6所述的可平衡不对称负载的三相电力电子变压器，其特征在于，所述 的输入级功率变换器（2）、高频DC/AC环节功率变换器（4）、高频AC/DC环节的功率变换器 （6）和输出级功率变换器（8）均采用全控型单相全桥功率变换器。 9.如权利要求6所述的可平衡不对称负载的三相电力电子变压器，其特征在于，所述 的输入级功率变换器（2）输出端与高频DC/AC环节功率变换器（4）的输入端相连接； 高频DC/AC环节功率变换器（4）的输出端接高频变压器（5）的原边，高频变压器（5）的 副边接高频AC/DC环节的功率变换器（6）的输入端； 高频AC/DC环节的。
11、功率变换器（6）的输出端与输出级功率变换器（8）的输入端相连接； 输出级功率变换器（8）的输出端连接LC滤波器（9）的输入端，LC滤波器（9）接三相供电网 络。 权 利 要 求 书CN 102820666 A 1/5页 4 一种可平衡不对称负载的三相电力电子变压器 技术领域 0001 本发明属于电力电子变压器技术领域，涉及一种基于多级多模块级联结构的可平 衡不对称负载的三相电力电子变压器。 背景技术 0002 在电力系统中，主要起变压和隔离作用的传统电力变压器被广泛应用。一方面，传 统电力变压器具有效率高、成本低、可靠性高、结构简单等优点；另一方面，它也具有明显的 缺点，笨重、体积大、空载损耗。
12、大，功能单一，使用变压器油对环境构成威胁，带非线性负载 时畸变电流会污染电网，电网有波动时又会影响负载等等。随着电力系统的发展，尤其是分 布式发电系统及新能源的发展，迫切需要一种新的电能转换装置除了实现电气隔离和变压 功能之外还能实现负载侧调压、功率因素校正、输入输出两侧谐波抑制等等功能，同时体积 小、重量轻、空载损耗小。显然，传统电力变压器无法满足这些应用要求。 0003 随着电力电子技术的发展，电力电子变压器（PET Power electronic transformer）或固态变压器（SST Solid-state transformer）的概念被提出用来解决这 些传统电力变压器无法解。
13、决的问题。PET自上世纪70年代初被提出之后，经历了40年断断 续续的发展，许多拓扑被提出。这些拓扑从级联的级数角度，可分为单级结构、两级结构和 三级结构；从模块化角度可分为基于全桥结构和基于二极管钳位或飞跨电容结构两类。从 级联的级数角度看，级联的级数越多，PET能够实现的功能就越多，因而现在主要基于三级 结构；从模块化角度看，对于大功率高电压电压应用场合，基于全桥结构比基于二极管钳位 或飞跨电容结构有更大的优势，因而也是现在研究的主流。 0004 目前，由于现有电力电子器件成本相对来说比较高，电力电子变压器总体成本上 相对于传统电力变压器要高很多。随着电力电子器件水平和高频变压器材料的发展。
14、，电力 电子变压器将会逐步替代传统电力变压器在电力系统中的位置。 发明内容 0005 本发明解决的问题在于提供一种基于多级多模块级联结构的可平衡不对称负载 的三相电力电子变压器，不仅能够实现传统变压器电压变换、电气隔离和能量双向传递的 功能，而且便于生产、调试和维护。 0006 本发明是通过以下技术方案来实现： 0007 首先提出第一种拓扑结构： 0008 一种可平衡不对称负载的三相电力电子变压器，其特征在于，其拓扑结构包括输 入级、隔离级、输出级，每级的功率变换器均包括两个输入端和两个输出端； 0009 输入级的三相中，每相包括3N个相同的串联的输入级功率变换器，N为自然数，每 个输入级功率。
15、变换器的两个输出端之间并联有直流储能电容；每相串联的输入级功率变换 器总的交流侧连接有电抗器，再与输入电网的一相相连接，相与相之间三角形连接或星形 连接； 说 明 书CN 102820666 A 2/5页 5 0010 隔离级的三相中，每相包括3N个通过高频变压器连接的高频DC/AC环节功率变换 器和高频AC/DC环节的功率变换器；每相的每个高频DC/AC环节功率变换器与输入级的对 应相的输入级功率变换器一一对应连接； 0011 输出级的三相中，每相的输出级功率变换器与高频AC/DC环节的功率变换器一一 对应连接，3N个中的每个输出级功率变换器的两个输入端之间并联有输出级直流储能电 容，交流侧。
16、连接有LC滤波器； 0012 每相中均有1/3的输出级功率变换器的一个输出端通过LC滤波器分别交叉连接 汇集于a相、b相和c相，所有输出级功率变换器的另一个输出端汇集于n点。 0013 所述的输入级功率变换器、高频DC/AC环节功率变换器、高频AC/DC环节的功率变 换器和输出级功率变换器均采用全控型单相全桥功率变换器。 0014 所述的输入级功率变换器输出端与高频DC/AC环节功率变换器的输入端相连接； 0015 高频DC/AC环节功率变换器的输出端接高频变压器的原边，高频变压器的副边接 高频AC/DC环节的功率变换器的输入端； 0016 高频AC/DC环节的功率变换器的输出端与输出级功率变。
17、换器的输入端相连接；输 出级功率变换器的输出端连接LC滤波器的输入端，LC滤波器接三相供电网络。 0017 所述从输入级、隔离级到输出级，交流、直流的变化依次为： 0018 输入级中，输入电网交流输入经过输入级功率变换器转换成直流，并通过直流储 能电容传递给隔离级； 0019 隔离级中，直流输入通过隔离级高频DC/AC环节功率变换器转换成交流，并通过 高频变压器传递给高频AC/DC环节的功率变换器，再通过高频AC/DC环节的功率变换器转 换成直流，并通过直流储能电容传递给输出级； 0020 输出级中，直流输入通过输出级功率变换器转换成交流，并通过LC滤波器传递给 三相供电网络。 0021 所述。
18、的输出级直流储能电容两侧还可以通过功率变换器连接太阳能或风能的发 电网络。 0022 本发明进一步提出第二种拓扑结构： 0023 一种基于多级多模块级联结构可平衡不对称负载的三相电力电子变压器，其拓扑 结构包括输入级、隔离级、输出级，每级的功率变换器均包括两个输入端和两个输出端； 0024 输入级的三相中，每相包括6N个相同的级串联的输入级功率变换器，N为自然数， 每个输入级功率变换器的两个输出端之间并联有直流储能电容；每相串联的输入级功率变 换器总的交流侧连接有电抗器，再与输入电网的一相相连接，相与相之间三角形连接或星 形连接； 0025 隔离级的三相中，每相包括6N个通过高频变压器连接的高。
19、频DC/AC环节功率变换 器和高频AC/DC环节的功率变换器；每相的每个高频DC/AC环节功率变换器与输入级的对 应相的输入级功率变换器一一对应连接；高频AC/DC环节的功率变换器的输出端之间并联 有输出级直流储能电容； 0026 输出级的三相中，每相设有2N个输出级功率变换器，三相中每相的一个，三相总 共三个高频AC/DC环节的功率变换器的输出端交叉连接汇集后与一个输出级功率变换器 的输入端相连接，其输出端连接有LC滤波器，每相的输出级功率变换器的一个输出端通过 说 明 书CN 102820666 A 3/5页 6 LC滤波器汇集，三相分别汇集于a相、b相和c相，所有输出级功率变换器的另一个。
20、输出端 汇集于n点。 0027 所述的基于多级多模块级联结构可平衡不对称负载的三相电力电子变压器中，从 输入级对应的每相6N个高频AC/DC环节的功率变换器中抽取一个，三相共三个以并联的方 式连接，然后再连接输出级的功率变换器，以同样的方式组合连接每相内其他的6N-1个高 频AC/DC环节的功率变换器，再将每相内2N组输出级的滤波电感的输出端采用并联的方式 连接后连接LC滤波器的滤波电容，从而形成输出级总的一相输出。 0028 与现有技术相比，本发明提供的基于多级多模块级联结构可平衡不对称负载的三 相电力电子变压器具有以下有益的技术效果： 0029 1、可以实现传统电力变压器的变压、隔离、能量。
21、传递等等基本功能； 0030 2、输入级采用三相结构的级联式模块化功率变换器，面对不同等级的输入电压， 只需要计算对应输入级串联模块数，按照对应模块数串联便可承受对应电压； 0031 3、本发明可全部模块化，便于生产、调试和维护； 0032 4、本发明可以实现负载与供电系统的隔离，对负载提供保护作用，可以根据需要 为电网侧提供无功补偿或者有源滤波功能，提高电网电能质量和运行可靠性； 0033 5、本发明可以自动调节输出级的供电电压、电流的幅值和相位，解决电网电压暂 降、暂升、波动与闪变等电能质量问题； 0034 6、本发明可以很好地应对不对称负载，将负载侧的不对称通过拓扑的连接自然转 变成网侧。
22、对称；三相负载侧功率最大不平衡度可通过下式计算； 0035 假设输出级三相供电功率为（aP，bP，cP），其中P为额定功率，a、b、c为供电系数， 且a、b、c都为大于等于0小于等于1，其中a大于等于b和c。 0036 0037 其中V Grid 为电网电压，m为输入级功率变换器调制度，为电网角度频率，L为电 抗器电感值，I Grid 为额定电流，V dc 为输入级直流电能储存电容电压，u unbalance 为其他两相功 率最大不平衡度。 0038 7、本发明的直流侧可接入太阳能、风能等新能源系统； 0039 8、本发明的两种拓扑结构可以根据不同的功率等级及控制目地而灵活应用。 附图说明 0。
23、040 图1为基于多级多模块级联结构的三相电力电子变压器的拓扑整体结构框图之 一； 0041 图2为基于多级多模块级联结构的三相电力电子变压器的拓扑整体结构框图之 二； 0042 图3为全桥功率变换器单元的电路结构图； 0043 其中，1为电抗器、2为输入级功率变换器、3为输入级直流储能电容、4为高频DC/ AC环节功率变换器、5为高频变压器、6为高频AC/DC环节功率变换器、7为输出级直流储能 电容、8为输出级功率变换器、9为LC滤波器； 0044 11为第一输入端、12为第二输入端、13为第一输出端、14为第二输出端。 说 明 书CN 102820666 A 4/5页 7 具体实施方式 0。
24、045 本发明提供的基于多级多模块级联结构可平衡不对称负载的三相电力电子变压 器，采用高压侧串联、低压侧并联的技术方案，三相结构相同且独立。所有的两种拓扑整体 结构分为三级：输入级、隔离级和输出级。下面结合具体的实施例和附图对本发明做进一步 的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。 0046 实施例1 0047 基于多级多模块级联结构可平衡不对称负载的三相电力电子变压器，采用如图1 所述的拓扑结构，包括输入级、隔离级、输出级，每级的功率变换器均包括两个输入端和两 个输出端； 0048 具体的每个功率变换器为四只全控型器件组成的全控型单相全桥功率变换器，其 结构如图3所示为Sub代表的全控型。
25、单相全桥功率变换器。每一相串联的功率变换器交流 侧总的串联一个电抗器以实现交流侧谐波抑制。单相全控桥功率变换器的直流侧的连个端 线之间并联一定容量的电容器组。 0049 输入级的三相中，每相包括3N个相同的串联的输入级功率变换器2，N为自然数， 每个输入级功率变换器2的两个输出端之间并联有直流储能电容3；每相串联的输入级功 率变换器总的交流侧连接有电抗器1，再与输入电网的一相相连接，相与相之间三角形连接 或星形连接； 0050 输入级的功率变换器的串联数目由输入电压等级和所选用的电力电子器件水平 所决定（如：输入电压为11kV，选用开关器件1.7kV/400A的IGBT并设定直流侧为1kV时，。
26、 每相需要18个变换器串联）。 0051 隔离级的三相中，分为三个组成部分：作为高频DC/AC环节功率变换器4、高频变 压器5和高频AC/DC环节的功率变换器6；高频DC/AC环节功率变换器4将输入的直流电压 调制成1kHz以上的高频信号（具体要根据DC/AC环节和AC/DC环节功率变换器所采用的开 关器件确定），并通过高频变压器5传递到高频AC/DC环节变换器6交流端，高频AC/DC环 节变换器6则将高频变压器输出的高频交流信号还原为直流。高频变压器5主要起到电压 变换和电气隔离的作用。 0052 隔离级的三相中，每相包括3N个通过高频变压器5连接的高频DC/AC环节功率变 换器4和高频AC。
27、/DC环节的功率变换器6；每相的每个高频DC/AC环节功率变换器4与输 入级的对应相的输入级功率变换器2一一对应连接； 0053 具体的，隔离级靠近输入级部分由与输入级串数目相同的全控型单相全桥功率变 换器组成，每个变换器均为由四个全控型开关器件组成的全控型单相全桥功率变换器，其 两端接线和输入级的相应端线连接；隔离级靠近输出级部分的变换器也为由四个全控型开 关器件组成的全控型单相全桥功率变换器，其数目也和输入级串联的全控型单相全桥功率 变换器数目相同，该全控型单相全桥功率变换器的直流侧输出连接输出级直流储能电容。 0054 靠近输出级直流侧的隔离级AC/DC功率变换器直流侧输出连接输出级直流。
28、侧储 能电容之后分别连接对应的输出级功率变换器； 0055 输出级的三相中，每相的输出级功率变换器8与高频AC/DC环节的功率变换器6 一一对应连接，3N个中的每个输出级功率变换器8的两个输入端之间并联有输出级直流储 说 明 书CN 102820666 A 5/5页 8 能电容7，交流侧连接有LC滤波器9（交流侧串联LC滤波器的滤波电感一端）； 0056 每相中均有1/3的输出级功率变换器8的一个输出端通过LC滤波器9分别交叉 连接汇集于a相、b相和c相，所有输出级功率变换器8的另一个输出端汇集于n点。 0057 具体的，所述的输入级的三相分别为A相、B相、C相，在输出级中对应于A相、B相、 。
29、C相的三相中每相1/3的输出级功率变换器8一个输出端通过LC滤波器交叉连接汇集于a 相；对应于A相、B相、C相的三相中每相1/3的输出级功率变换器8一个输出端通过LC滤 波器交叉连接汇集于b相；对应于A相、B相、C相的三相中每相1/3的输出级功率变换器 8一个输出端通过LC滤波器交叉连接汇集于c相；所有输出级功率变换器8的另一个输出 端汇集于n点。 0058 或者，每相输入级级联模块对应的输出级功率变换器连接各自LC滤波器的滤波 电感一端之后，从三相中对称地选取等数目的与功率变换器相连的滤波电感的另一端并联 到一起并连接一个总的滤波电容，从而形成总的一相输出。 0059 实施例2 0060 基。
30、于多级多模块级联结构可平衡不对称负载的三相电力电子变压器，采用如图2 所示的第二种拓扑结构，包括输入级、隔离级、输出级，每级的功率变换器均包括两个输入 端和两个输出端； 0061 输入级、隔离级的连接与实施例1相同的连接方式并且将功率变换器的数目变化 为6N，所不同的是输出级的连接方式： 0062 输出级的三相中，每相设有2N个输出级功率变换器8，三相中每相的一个，三相总 共三个高频AC/DC环节的功率变换器6的输出端交叉连接汇集后与一个输出级功率变换器 8的输入端相连接，其输出端连接有LC滤波器9，每相的输出级功率变换器8的一个输出端 汇集，三相分别汇集于a相、b相和c相，所有输出级功率变换。
31、器8的另一个输出端汇集于n 点。 0063 隔离级的高频变压器为独立单相变压器，其数量和高压侧级联的全控型单相全桥 功率变换器数目相同。 0064 每相输入级功率变换器对应靠近低压直流侧的隔离级AC/DC功率变换器直流侧 输出按等数目均匀地分成几组，对称地从三相输入级功率变换器对应的AC/DC功率变换器 组中抽等数目的功率变换器并联到直流储能电容再连接输出级功率变换器的输入端。 0065 比如：输入级每相需要6个功率变换器级联，那么可以将对应的6个靠近低压直流 侧的隔离级AC/DC功率变换器均匀地分成两组每组各3个，或者可以将6个功率变换器分 成一组；输入级每相需要9个功率变换器级联，那么可以。
32、将对应的9个靠近低压直流侧的隔 离级AC/DC功率变换器均匀地分成三组每组各3个，或者可以将9个功率变换器分成一组。 0066 或者，将总的输出级功率变换器等分成三组，每组内的功率变换器连接各自LC滤 波器的滤波电感一端后，电感另一端一并联的方式连接再连接到总的LC滤波器的滤波电 容上，从而形成输出级的总的一相输出。 0067 实施例1和实施例2所述的两种拓扑结构都高度模块化，便于设计、生产、安装、调 试和维护，可以根据不同的功率等级及控制目地而灵活应用。 说 明 书CN 102820666 A 1/2页 9 图1 说 明 书 附 图CN 102820666 A 2/2页 10 图2 图3 说 明 书 附 图CN 102820666 A 10 。