一种模块化高压电力电子变压器及工作方法

技术领域

本发明属于电力系统技术领域，具体涉及一种模块化高压电力电子变压器及工作方法。

背景技术

电力系统是由发电、供电（输电、变电、配电）、用电设施以及为保障其正常运行所需的的调节控制及继电保护和安全自动装置、计量装置、调度自动化、电力通信等二次设施构成的统一整体。在电力系统中电压互感器（简称PT）是隔离高电压，供继电保护、自动装置和测量仪表获取一次电压信息的传感器。PT会把高电压按比例关系变成100V或100/3V标准二次电压，供给计量、仪表装置和继电保护使用，同时使用PT还可以将高电压与电气工作人员隔离，起到保证设备和人身安全的作用。传统的PT价格昂贵、重量和噪声大、绝缘要求高、难以配合且容易产生谐振的缺点，限制了PT的进一步扩大应用的重要因素，且随着城市经济的快速发展，使得电能的需求不断增大，在电网电压从高压运输到低压使用的变换中，一般使用重量大，体积大的电力变压器来实现，输出电压直接受输入电压的影响，使得电压波动较大，稳定性较差，严重影响了电力传输的效率与稳定性，因此输电系统中高压降压的优化是当今电力传输系统领域的关键之一。

目前已有由Mr. Espelage于1977年提出的可变高频环节逆变技术新概念，该技术在电网电力传输中的高压降压环节，利用高频变压器和电力电子器件代替传统工频变压器来改善电网质量，减小电网变压器体积的研究目标与方向，该系统是由一个并联逆变器和十二个晶闸管组成的周波变换器构成，具有简单的自适应换流、高频电气隔离、独立的有功能量和无功能量控制、固有的四象限工作能力等优点，虽然该系统用高频变压器替代传统低频环节逆变技术中的工频变压器，克服了低频环节逆变技术的缺点，显著提高了逆变器的特性，但该系统极易受当时半导体器件的限制，且谐振储能电路工作频率局限在2K～4KHz范围，未完全体现高频环节逆变技术的优越性。

现阶段已实现通过单相电力电子变压器的组合解决现有电力电子变压器电能变换级数多、效率低、可靠性差和实现高压应用困难等不足，如中国专利文献公告号CN105991042A，公开日2016年10月05日，公开了一种单相电力电子变压器及其应用系统，文中提出“该单相电力电子变压器包括2个高频隔离DC/DC模块，通过电气互连可实现单相隔离AC/AC变换和隔离AC/DC变换。”此现有技术是通过单相电力电子变压器的组合实现三相AC/AC型电力电子变压器和三相AC/DC 型电力电子变压器，虽能解决现有电力电子变压器电能变换级数多、效率低、可靠性差和实现高压应用困难等不足，但由于在高压大功率电路中，如柔性交流输电系统、高压直流输电、高压变频器等都离不开大功率电力变压器，而电气设备受到材料等因素的限制，使得此现有技术承受的最高电压等级无法实现跨越式提升，且此现有技术的输出端的输出电压很难在一定范围内进行调节，使得输出电压依然受到输入电压的影响，导致电网电压的稳定性得不到有效地提升。为此，需要一种新的技术方案来解决上述技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模块化高压电力电子变压器及工作方法，以解决上述背景技术中提出的现阶段电力电子变压器的组合设置，承受的最高电压等级无法实现跨越式提升，且输出端的输出电压很难在一定范围内进行调节，使得输出电压依然受到输入电压的影响，导致电网电压的稳定性得不到有效地提升的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种模块化高压电力电子变压器，包括多个变压器子模块，每个所述变压器子模块包括输入周波变换模块、高频变压器模块、及输出周波变换模块，所述输入周波变换模块的输入端作为变压器子模块的输入端，所述输入周波变换模块的输出端与高频变压器模块的输入端连接，所述高频变压器模块的输出端与输出周波变换模块的输入端连接，所述输出周波变换模块的输出端作为变压器子模块的输出端，所述变压器子模块的输出端连接有输出滤波模块。

进一步的，所述高频变压器模块包括高频变压器，所述高频变压器的一次侧绕组与输入周波变换模块的输出端连接，所述高频变压器的二次侧绕组与输出周波变换模块的输入端连接。

进一步的，所述输入周波变换模块与输出周波变换模块的结构相同，所述输入周波变换模块或输出周波变换模块均包括全桥式交流电路，所述全桥式交流电路的包括四个结构相同的开关单元，每个所述开关单元均包括两个互相连接的开关管，所述四个开关单元的两个开关管分别设置为第一开关管和第二开关管、第三开关管和第四开关管、第五开关管和第六开关管、及第七开关管和第八开关管。

进一步的，所述第一开关管的发射极与第二开关管的发射极连接，所述第一开关管的集电极与第五开关管的集电极连接，所述第一开关管与第五开关管的连接点作为变压器子模块的第一输入端，所述第五开关管的发射极与第六开关管的发射极连接，所述第六开关管的集电极与第七开关管的集电极连接，所述第六开关管与第七开关管的连接点作为变压器子模块的第二输出端，所述第七开关管的发射极与第八开关管的发射极连接，所述第八开关管的集电极与第四开关管的集电极连接，所述第八开关管与第四开关管的连接点作为变压器子模块的第二输入端，所述第四开关管的发射极与第三开关管的发射极连接，所述第三开关管的集电极与第二开关管的集电极连接，所述第三开关管与第二开关管的连接点作为变压器子模块的第一输出端。

进一步的，输入周波变换模块的所述全桥式交流电路的输入端作为变压器子模块的输入端，输入周波变换模块的所述全桥式交流电路的输出端与高频变压器模块的输入端连接，所述输入周波变换模块的全桥式交流电路包括第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、及第四开关单元，输出周波变换模块的所述全桥式交流电路的输出端作为变压器子模块的输出端，输出周波变换模块的所述全桥式交流电路的输入端与高频变压器模块的输出端连接，所述输出周波变换模块的全桥式交流电路包括第五开关单元、第六开关单元、第七开关单元、及第八开关单元。

进一步的，所述多个变压器子模块可任意分成若干组，每组中的每个所述变压器子模块的输入端串联设置，每组中的每个所述变压器子模块的输出端并联设置，其中，每组所述变压器子模块设为多变压器子模块，每组所述多变压器子模块的输入端和输出端有三种设置方式，其具体内容如下：

第一种设置方式：每组所述多变压器子模块的输入端串联设置，每组所述多变压器子模块的输出端串联设置，每组中的每个所述变压器子模块的工作方法均相同，不同组的所述多变压器子模块之间交错工作，输出端通过输出滤波模块后得到输出电压；

第二种设置方式：每组所述多变压器子模块的输入端并联设置，每组所述多变压器子模块的输出端并联设置，每组中的每个所述变压器子模块的工作方法和时序均相同，输出端通过输出滤波模块后得到较高功率的输出电压；

第三种设置方式：每组所述多变压器子模块的输入端并联设置，每组所述多变压器子模块的输出端串联设置，每组中的每个所述变压器子模块的工作方法均相同，且不同组的所述多变压器子模块之间交错工作，输出端通过输出滤波模块后得到输出电压。

进一步的，所述输出滤波模块包括电感，所述电感的一端与第一个变压器子模块的第一输出端连接，所述电感的另一端与最后一个变压器子模块的第二输出端之间连接有电容。

利用上述设置的模块化高压电力电子变压器，使其输出端得到可以在一定范围内调节的输出电压，从而使得输出电压不直接受输入电压的影响，从而达到提高了电网电压稳定性的目的，其工作方法有三种，具体的工作方法步骤如下：

第一种工作方法：利用模块化高压电力电子变压器得到与输入电压成最大比例的输出电压。具体内容如下：

S1、将电网中高压输入的工频电压接入模块化高压电力电子变压器的输入端，在多个变压器子模块中，先将调制波与载波比较后得到的信号A，此时信号A中的调制波大小为载波的最大值，再将信号A下降沿二分频得到第一开关单元的控制信号，而后反相互补得到第二开关单元的控制信号，再而后将调制波的反值信号与载波比较后得到信号B，然后将信号B再下降沿二分频得到第三开关单元的控制信号，再然后反相互补得到第四开关单元的控制信号，最后在输入周波变换模块的输出端得到高频交流脉冲电压；

S2、先将S1中得到的高频交流脉冲电压经由高频变压器模块的输入端输送至高频变压器模块的输出端，再由高频变压器模块的输出端输送至输出周波变换模块的输入端，而后在输出周波变换模块中，将载波下降沿二分频得到第五开关单元、第八开关单元的控制信号，再反相互补得到第六开关单元、第七开关单元的控制信号，最后通过输出滤波模块后得到与输入电压比例最大的输出电压。

第二种工作方法：利用模块化高压电力电子变压器得到输入电压成不同比例的输出电压。具体内容如下：

S1、将电网中高压输入的工频电压接入模块化高压电力电子变压器的输入端，在多个变压器子模块中，先将调制波与载波比较后得到的信号A，再将信号A下降沿二分频得到第一开关单元的控制信号，而后反相互补得到第二开关单元的控制信号，再而后将调制波的反值信号与载波比较后得到信号B，然后将信号B再下降沿二分频得到第三开关单元的控制信号，再然后反相互补得到第四开关单元的控制信号，最后在输入周波变换模块的输出端得到高频交流脉冲电压；

S2、先将S1中得到的高频交流脉冲电压经由高频变压器模块的输入端输送至高频变压器模块的输出端，再由高频变压器模块的输出端输送至输出周波变换模块的输入端，而后在输出周波变换模块中，将载波下降沿二分频得到第五开关单元、第八开关单元的控制信号，再反相互补得到第六开关单元、第七开关单元的控制信号，最后通过改变调制波的值及输出滤波模块后得到与输入电压不同比例的输出电压。

第三种工作方法：利用模块化高压电力电子变压器得到稳定的输出电压。具体内容如下：

S1、将电网中高压输入的工频电压接入模块化高压电力电子变压器的输入端，在多个变压器子模块中，先通过输出电压采样电路得到反馈电压，反馈电压与基准电压比较放大后得到电压误差放大信号，电压误差放大信号与载波比较后得到信号C，再将信号C下降沿二分频得到第一开关单元的控制信号，而后反相互补得到第二开关单元的控制信号，再而后将电压误差放大信号的反值信号与载波比较后得到信号D，然后将信号D再下降沿二分频得到第三开关单元的控制信号，再然后反相互补得到第四开关单元的控制信号，最后在输入周波变换模块的输出端得到高频交流脉冲电压；

S2、先将S1中得到的高频交流脉冲电压经由高频变压器模块的输入端输送至高频变压器模块的输出端，再由高频变压器模块的输出端输送至输出周波变换模块的输入端，而后在输出周波变换模块中，将载波下降沿二分频得到第五开关单元、第八开关单元的控制信号，再反相互补得到第六开关单元、第七开关单元的控制信号，最后通过输出滤波模块后得到稳定的输出电压。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明采用多个变压器子模块任意组合的模块化结构，使该高压电力电子变压器在高压大功率电路中不受电气设备材料等因素的限制，从而使其承受的最高电压等级实现了跨越式提升，通过输入周波变换模块将低频电压转换成高频交流脉冲电压，经过高频变压器和输出周波变换模块后转换成低频电压信号，克服了电力变压器和电力系统中电压互感器体积大，重量大，噪声污染严重，效率低的缺点，提高了电力传输的效率，减小了电网变压器的体积和成本，利用输入周波变换模块中的开关管信号，使变压器子模块输出端输出一定范围内可调的输出电压，从而使得输出电压不直接受输入电压的影响，提高了电网电压的稳定性；

2.本发明通过控制输入周波变换模块中的开关管信号，在变压器子模块的输出端得到可以在一定范围内调节的输出电压，使得输出电压不直接受输入电压的影响，从而有效地提高了电网电压的稳定性，采用四个结构相同单元的全桥式交流电路作为输入周波变换模块和输出周波变换模块，使该高压电力电子变压器实现了开关管的零电压开通和零电压关断，不仅有效地降低了电路损耗，而且提升了电路性能，保证了该高压电力电子变压器的可靠性及实用性；

3.本发明通过将多变压器子模块的输入端和输出端分成三种不同的设置方式，使该高压电力电子变压器的输出端能够得到不同的输出电压，从而使得输出电压不直接受输入电压的影响，保证了电网电压的稳定性；

4.本发明通过低耐压的开关器件设置，使该高压电力电子变压器实现了在高压环境工作下更易拓展电路，有效地提升了电路的移植性，从而使该高压电力电子变压器具有了良好的控制冗余，有效地提升了电路的可靠性，保证了该高压电力电子变压器维护的便捷性。

附图说明

图1为本发明的模块化高压电力电子变压器的拓扑图；

图2为图1中的变压器子模块结构示意图；

图3为图2中输入周波变换模块的全桥式交流电路的结构示意图； 图4为图2中输出周波变换模块的全桥式交流电路的结构示意图；

图5为本发明的实施例4的拓扑图；

图6为本发明的实施例5的拓扑图；

图7为本发明的实施例6的拓扑图；

图8为本发明的变压器子模块在工作时各开关管单元控制信号动作时序和输出电压波形图。

其中：1、变压器子模块；2、输入周波变换模块；3、高频变压器模块；4、输出周波变换模块；5、输出滤波模块；6、电感；7、电容；I

具体实施方式

以下实施例用来进一步说明本发明的内容，并不限制本发明的应用。

实施例1

请参阅图1-图4，本实施例所示的模块化高压电力电子变压器，通过将原电压接入模块化高压电力电子变压器的输入端，得到降压后可在一定范围内调节的输出电压。

请参阅图1-图4，一种模块化高压电力电子变压器包括多个变压器子模块1，一种模块化高压电力电子变压器，包括多个变压器子模块1，每个变压器子模块1包括输入周波变换模块2、高频变压器模块3、及输出周波变换模块4，输入周波变换模块2的输入端作为变压器子模块1的输入端，输入周波变换模块2的输出端与高频变压器模块3的输入端连接，高频变压器模块3的输出端与输出周波变换模块4的输入端连接，输出周波变换模块4的输出端作为变压器子模块1的输出端，变压器子模块1的输出端连接有用于得到输出电压的输出滤波模块5。

请参阅图2-图3，输入周波变换模块2包括具有第一输入端I

高频变压器模块3包括具有输入端和输出端的高频变压器T

输出周波变换模块4包括具有第一输入端I

输出滤波模块5包括电感6，第一个变压器子模块1的第一输出端与电感6连接，电感6的另一端与最后一个变压器子模块1的第二输出端之间连接有电容7。

请参阅图1，两个相邻的变压器子模块1中，上一个变压器子模块1的第二输出端点和与其级联的下一个变压器子模块1的第一输出端点相连接，将第一个变压器子模块1的第一输出端点和最后一个变压器子模块1的第二输出端点作为模块化级联式多电平交流变换电路模块的两个输出端点，并将所有变压器子模块1的输出端相并联，即每个变压器子模块1的第一输出端连接，每个变压器子模块1的第二输出端连接，使得最终模块化高压电力电子变压器的输出端经过输出滤波模块5后得到降压后的相对稳定的输出电压，且每个变压器子模块1的结构相同，相对应的每个全桥式交流电路的结构也相同。

请参见图3，每个全桥式交流电路的具体结构为：每个全桥式交流电路包括依次连接的四个结构相同的开关单元，本实施例中，输入周波变换模块2中四个结构相同的开关单元被定义为第一开关单元S

为了便于区分，第一开关单元S

以第一开关单元S

请参见图4，输出周波变换模块4中的全桥式交流电路结构与输入周波变换模块2中的全桥式交流电路结构相同，为了以示区分，将输出周波变换模块4中四个结构相同的开关单元被定义为第五开关单元S

第五开关单元S

此外，以上全桥式交流电路所用的开关管均为IGBT（绝缘栅双极型晶体管）开关管，然而本发明并不仅限于使用IGBT开关管，还可以用MOSFET（金氧半场效晶体管）开关管等进行替换，以MOSFET开关管为例，此时，MOSFET开关管的源极对应IGBT开关管的发射极，MOSFET开关管的漏极对应IGBT开关管的集电极。

请参见图1，由上述设置的模块化高压电力电子变压器可知，每个变压器子模块1的结构均相同，且该模块化高压电力电子变压器共有m个变压器子模块1，分别标注为模块101、模块102、......、模块10m，其中m可以为5个、10个、15个等，根据实际情况进行限定，值得注意的是，本发明中未提到的数字并不代表不在本申请中的适用范围内，该m个变压器子模块1的输入电压分别设置为u

利用上述设置的模块化高压电力电子变压器得到与输入电压成最大比例的输出电压，其工作方法的具体步骤为：

将变压器子模块1中的输入周波变换模块2的输出端与高频变压器模块3的输入端连接，高频变压器模块3的输出端与输出周波变换模块4的输入端连接，多个变压器子模块1的输入端串联，输出端并联，输出端通过输出滤波模块5后得到与输入电压成固定比例的输出正弦基波电压。

请参见图8，由于每个变压器子模块1的工作方法均相同，为了方便分析，以模块101为例，本实施例中的每个变压器模块1中，先将调制波u

实施例2

参阅图1-图4，本实施例的模块化高压电力电子变压器设置与实施例1的设置一致，仅工作方法不一致，即：利用设置的模块化高压电力电子变压器得到与输入电压成不同比例的输出电压，其工作方法的具体步骤为：

将变压器子模块1中的输入周波变换模块2的输出端与高频变压器模块3的输入端连接，高频变压器模块3的输出端与输出周波变换模块4的输入端连接，多个变压器子模块1的输入端串联，输出端并联，输出端通过输出滤波模块5后得到与输入电压成一定比例且可调的输出正弦基波电压。

请参见图8，由于每个变压器子模块1的工作方法均相同，为了方便分析，以模块101为例，本实施例中的每个变压器模块1中，先通过调制波u

实施例3

请参阅图1-图4，本实施例中，本实施例的模块化高压电力电子变压器设置与实施例1的设置一致，仅工作方法不一致，即：利用设置的模块化高压电力电子变压器得到稳定的输出电压，其工作方法的具体步骤为：

将变压器子模块1中的输入周波变换模块2的输出端与高频变压器模块3的输入端连接，高频变压器模块3的输出端与输出周波变换模块4的输入端连接，多个变压器子模块1的输入端串联，输出端并联，输出端通过输出滤波模块5后得到降压后可在一定范围内调节的输出电压。

请参见图8，由于每个变压器子模块1的工作方法均相同，为了方便分析，以模块101为例，本实施例中的每个变压器模块1中，先通过输出电压u

本发明克服了工频变压器体积大，重量大，噪声污染严重，效率低的缺点，提高了电力传输的效率，减小了电网变压器的体积和成本；通过控制输入周波变换模块2中的开关管信号，在输出端得到可以在一定范围内调节的输出电压，使得输出电压不直接受输入电压影响，提高了电网电压的稳定性，实现开关管的零电压开通和零电压关断，降低了开关损耗，提升了电路性能；采用了模块化的结构，通过低耐压的开关器件设置，使该高压电力电子变压器实现了在高压环境工作下更易拓展电路，有效地提升了电路的移植性，从而使该高压电力电子变压器具有了良好的控制冗余，有效地提升了电路的可靠性，保证了该高压电力电子变压器维护的便捷性。

实施例4

请参阅图2-图5，本实施例的模块化高压电力电子变压器设置与实施例1的设置一致，仅分组后的每个变压器子模块1的连接方式不一致，即：模块化高压电力电子变压器有多个变压器子模块1，每个变压器子模块1的工作方法相同（实施例1-3中任选一种作为本实施例变压器子模块1的工作方法），将多个变压器子模块1分为多组，每组中的每个变压器子模块1的输入端串联，输出端并联，每组的变压器子模块1设为多变压器子模块（如图5所示，图5中Block1为第一个多变压器子模块，Block2代表第二个多变压器子模块，Block3代表第三个多变压器子模块，依次类推......），每组中的多变压器子模块的输入端串联，输出端串联（如图5所示的Block1、Block2、Block3......之间的连接设置），每组中的每个变压器子模块1的工作方法均相同，不同组的多变压器子模块之间交错工作。本实例中，只需采用低耐压开关器件和变压器二次侧绕组，可获得能够在高电压全范围内调节的多电平交流输出电压；该模块化的结构可以使得电路结构简单，扩展容易，电路的移植性好，便于维护，具有良好的控制灵活性和冗余，电路整体的可靠性高，且不同组的多变压器子模块交错工作，能够使得输出电压的等效开关频率增大、电压纹波减小、谐波含量少、输出波形质量好，从而输出滤波器件减小，并等效降低了开关器件的工作频率，减小了电路的开关损耗。

实施例5

请参阅图2-图4及图6，本实施例的模块化高压电力电子变压器设置与实施例1的设置一致，仅分组后的每个变压器子模块1的连接方式不一致，即：模块化高压电力电子变压器有多个变压器子模块1，每个变压器子模块1的工作方法相同（实施例1-3中任选一种作为本实施例变压器子模块1的工作方法），将多个变压器子模块1分为多组，每组中的每个变压器子模块1的输入端串联，输出端并联，每组的变压器子模块1设为多变压器子模块（如图6所示，图6中Block1为第一个多变压器子模块，Block2代表第二个多变压器子模块，Block3代表第三个多变压器子模块，依次类推......），每组中的多变压器子模块的输入端并联，输出端并联（如图6所示的Block1、Block2、Block3......之间的连接设置）。本实例中，每组中的每个变压器子模块1的工作方法和时序完全相同，输出端可以得到较高功率的输出电压。

实施例6

请参阅图2-图4及图7，本实施例的模块化高压电力电子变压器设置与实施例1的设置一致，仅分组后的每个变压器子模块1的连接方式不一致，即：模块化高压电力电子变压器有多个变压器子模块1，每个变压器子模块1的工作方法相同（实施例1-3中任选一种作为本实施例变压器子模块1的工作方法），将多个变压器子模块1分为多组，每组中的每个变压器子模块1的输入端串联，输出端并联，每组的变压器子模块1设为多变压器子模块（如图7所示，图7中Block1为第一个多变压器子模块，Block2代表第二个多变压器子模块，Block3代表第三个多变压器子模块，依次类推......），每组中的多变压器子模块1的输入端并联，输出端串联（如图7所示的Block1、Block2、Block3......之间的连接设置）。本实例中，不同组的多变压器子模块之间交错工作，输出端通过输出滤波模块5后得到输出电压。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。