面向交直流混合配电网的功率复合型模块化多电平固态变压器拓扑结构的制作方法

本发明属于高压大功率电力电子技术领域，主要涉及一种面向交直流混合配电网的功率复合型固态变压器拓扑结构。

背景技术：

在传统交流配电网中，电力变压器是实现电压等级变换和电气隔离的关键设备，但由于其功能较为单一、需要大量磁性材料和无法直接接入或处理直流形式电能等缺点，无法满足未来智能配电网的需求，因此，基于全控型电力电子器件的固态变压器应运而生。

固态变压器又称电力电子变压器、电子电力电压器或智能变压器，其在2011年被美国mit杂志评为最具潜力的十大技术之一，是未来配电网实现灵活能量路由的关键设备之一。与传统电力变压器相比，固态变压器具有五大优点：1)灵活、连续的输入电压/电流、输出电压/电流控制能力，功率传输双向可控；2)具有一体化的谐波/无功/不平衡补偿、动态电压恢复等电能质量治理能力；3)可直接接入、处理直流形式电能，更利于交直流混合系统的柔性互联；4)全电力电子化故障管理能力，故障处理时间短，无需额外的继电保护装置；5)磁性材料使用少，无需变压器油，更环保。

然而，现有固态变压器还不能完全替代传统电力变压器，其原因除了电力电子器件自身制造工艺引起的装置成本高外，还主要受制于功率密度低、传输效率低等关键问题。目前已有很多研究人员提出了固态变压器的拓扑，但一般都是高压侧采用模块化多电平变换器或级联h桥变换器，中间侧采用isop或独立的dab变换器进行dc-dc变换，其功率变换级数过多，整机装置体积大、效率低。发明专利cn106787861a公开了一种模块化多电平全桥谐振型电力电子变压器拓扑，其在星形连接的级联h桥各相桥臂构造高频传输路径，但其不具备高压直流接口，无法直接接入高压直流形式的电能；发明专利cn107623456a公开了一种基于mmc的多端口电力电子变压器拓扑及其控制方法，发明专利cn107612407a公开了一种高功率密度电力电子变压器拓扑结构及其控制方法，发明专利cn108832825a公开了一种高功率密度的多端口电力电子变压器拓扑，此三项发明专利都是通过构造高频功率流通路径引出高频功率，但它们都需要配置陷波器、高通滤波器等频率选择装置来引导高频与低频形式的功率按需流通，成本相对较高。

技术实现要素：

发明目的：针对现有固态变压器变换级数多、传输效率低，而现有功率复合型固态变压器依赖选频装置等问题，本发明提出一种面向交直流混合配电网的功率复合型模块化多电平固态变压器拓扑结构。

技术方案：本发明的面向交直流混合配电网的功率复合型模块化多电平固态变压器拓扑结构包括：位于高压侧的模块化多电平变换器、中间侧的高频ac-dc变换器和低压侧的逆变器；模块化多电平变换器和高频ac-dc变换器均为三相结构，且二者的各相一一对应；模块化多电平变换器的每一相具有上下两个桥臂，上下桥臂各自具有上下两个子桥臂，每一子桥臂包括串联连接的一个单元模块和一个滤波电感；所述单元模块包括级联的一或多个子模块，每一子模块为双半桥结构；在模块化多电平变换器的任一相中，上桥臂中上子桥臂的上端与高压直流电源输入端的正极相连，下桥臂中下子桥臂的下端与高压直流电源输入端的负极相连，上下桥臂的连接点与三相高压交流电源输入端的一相端口相连；高频ac-dc变换器的每一相包括一个隔直电容、一个高频变压器和一个h桥整流器；在高频ac-dc变换器的任一相中，高频变压器原边的正负极经由串联的隔直电容跨接至模块化多电平变换器中对应相的上下桥臂的两个中点，高频变压器副边的正负极跨接至h桥整流器左右桥臂的两个中点；高频ac-dc变换器各相中的h桥整流器上桥臂的中点和下桥臂的中点分别连接至所述逆变器的正极和负极。

进一步地，逆变器为三相四线制半桥结构，用于将低压直流信号变换成低压交流信号。

进一步地，低压侧还包括并联电容，所述并联电容的两端分别连接在所述逆变器的正极和负极上。

进一步地，在高压侧各相中，上、下桥臂内的两组子桥臂叠加高频分量幅值相同、相位相反，上桥臂中下子桥臂和下桥臂中上子桥臂叠加高频分量幅值、相位均相同。

进一步地，所述中间侧高频ac-dc变换器中的所述隔直电容不仅能防止直流形式的电能流入高频通路，而且能与各个子桥臂中的滤波电感组合构成lc谐振电路。

有益效果：与现有技术相比，本发明的主要特点是将高压侧模块化多电平变换器以及中间侧高频ac-dc变换器采用功率复合思想进行一体化功率变换，规划出了新的高频功率流通路径使得高压侧输入级和中间侧隔离级集成在一起，有效减少了功率变换级数，功率变换更为集成；同时其叠加的高频分量有效利用了共模和差模分量的组合特点，使得高频分量对其自身而言呈现共模性质，而对高压直流、高压基频交流端口而言呈现差模性质。

因此，本发明可以直接接入和处理直流形式的电能；新规划出的高频功率流通路径既不会影响高压直流端口，亦不会影响基频交流端口，无需额外的频率选择装置，成本更低；能有效减少功率变换级数，进而使得功率变换更为集成，功率密度进一步提高，功率传输效率进一步提高。

附图说明

图1是面向交直流混合配电网的功率复合型模块化多电平固态变压器拓扑结构图；

图2是高压侧模块化多电平单元模块结构图；

图3是高频调制分量叠加示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作具体解释说明。

如图1，本发明的功率复合型模块化多电平固态变压器拓扑结构包括：位于高压侧的模块化多电平变换器、中间侧的高频ac-dc变换器和低压侧的逆变器。模块化多电平变换器用于将高压三相交流或高压直流变换成高压高频交流。中间侧高频ac-dc变换器用于将模块化多电平变换器得到的高压高频交流变换为低压直流。逆变器为三相四线制半桥结构，用于将低压直流变换成三相四线低压交流。模块化多电平变换器和高频ac-dc变换器均为三相结构，且二者的各相一一对应。

高压侧模块化多电平变换器包括高压交流电压源输入端、多个单元模块和多个滤波电感。其中，模块化多电平变换器的每一相具有上下两个桥臂，上下桥臂又各自具有上下两个子桥臂，每一子桥臂包括串联连接的一个单元模块和一个滤波电感。单元模块包括级联的一或多个子模块，每一子模块为双半桥结构，如图2所示，双半桥子模块由两个半桥串联组成，上半桥的直流负极与下半桥的直流正极相连，两半桥的交流输出作为子模块的交流输出。由于双半桥结构增加了子模块电压输出范围，因此可以在不增加单元模块数量的条件下增加单元模块的电压输出能力，能够提供与基频电压幅值相当的高频电压。在模块化多电平变换器的任一相中，上桥臂中上子桥臂的上端与高压直流电源输入端的正极(即高压直流电源正母线)相连，下桥臂中下子桥臂的下端与高压直流电源输入端的负极(即高压直流电源正母线)相连，上下桥臂的连接点与三相高压交流电源输入端的一相端口相连。

中间侧高频ac-dc变换器包括三个隔直电容、三个单相高频变压器和三个单相h桥整流器。这三个隔直电容、三个单相高频变压器和三个单相h桥整流器分属于三相中，每一相包括一个隔直电容、一个单相高频变压器和一个单相h桥整流器。三个隔直电容一端与高压侧模块化多电平变换器三相上桥臂的中点(即三相的各上桥臂中上下两个子桥臂的连接点)相连，另一端与高频变压器原边的上端相连，三个高频变压器原边的下端与分别与高压侧模块化多电平变换器三相下桥臂的中点(即三相的各下桥臂中上下两个子桥臂的连接点)相连，形成高频功率流通路径，三个高频变压器的副边的上下端分别与三个单相h桥整流器左右桥臂的中点相连。在其他实施例中，也可以使三个隔直电容一端与高压侧模块化多电平变换器三相下桥臂的中点相连，另一端与高频变压器原边的下端相连，三个高频变压器原边的上端与分别与高压侧模块化多电平变换器三相上桥臂的中点相连，形成高频功率流通路径，三个高频变压器的副端分别与三个单相h桥整流器左右桥臂的中点相连。高频ac-dc变换器各相中的h桥整流器上桥臂的中点和下桥臂的中点分别连接至低压侧逆变器的正极和负极。

高压侧模块化多电平变换器以及中间侧高频ac-dc变换器采用功率复合思想进行一体化功率变换，通过构造新的高频功率流通路径(即从上下桥臂中点经隔直电容接入高频ac-dc变压器这一路径)，并同时在目标调制信号中叠加高频分量，将高压侧的能量以高频功率的形式经此高频流通路径引入高频ac-dc变压器并传送至低压侧，从而使得高压侧输入级和中间侧隔离级的传输功率复合在一起，有效减少了功率变换级数，功率变换更为集成。

此外，高压侧模块化多电平变换器三相对称相等，在高压侧各相中，上、下桥臂内的两组子桥臂叠加高频分量幅值相同、相位相反，上桥臂中下子桥臂和下桥臂中上子桥臂叠加高频分量幅值、相位均相同，如图3所示。这样一来，高压侧不需要额外的频率选择装置(如陷波器、低通滤波器等)来阻止高频交流进入高压基频交流和高压直流端口，使得传输的高频功率既不影响高压直流端口，亦不影响基频交流端口。

中间侧高频ac-dc变换器中的隔直电容不仅能防止直流形式的电能流入高频通路，而且能与子桥臂电感组合构成lc谐振电路。

低压侧除了逆变器外还包括并联电容，并联电容的两端分别连接在所述逆变器的正极和负极上，并联电容起直流稳压作用。

低压侧的逆变器用于将低压直流变换成低压交流，使得该拓扑具有高压交流、高压直流、低压交流和低压直流四种通用端口，适用于交直流混合型配电网。