5.6 双有源桥式变换器在交流电力电子变压器系统中的应用（下）在线视频

大家好

今天我们将介绍

交流电力电子变压器

在高压领域当中的应用相关内容

受到电力电子开关器件耐压水平

和电流容量的限制

电力电子变压器仍然需要通过

电路拓扑的组合即串联、并联

来匹配高电压和大功率的应用需求

在中高压应用场合

常见的

电路拓扑结构包括

级联H桥式

模块化多电平变流器

中性点钳位多电平变流器

首先

我们介绍一下级联H桥式的一个特点

下图所示为

单相H桥级联结构

AC/AC电子变压器拓扑结构

从图中

我们可以看出

在前级

采用整流器级联的结构

从而使系统能够在高压

和大功率领域进行应用

级联整流器后级分别与

双有源桥DC/DC变换器相连

形成并联输出的一个结构

可以在低压端实现更大电流的一个输出

以适应在低压大电流领域当中的应用

比如直流微电网

最后一级为DC/AC逆变器

直接将双有源桥式变压器输出的直流

逆变为交流连接

交流负载或者是低压交流网

在三相H桥式级联结构

AC/AC电力电子变压器当中

由于拓扑高压侧直流母线分立

所以往往采用三套单向的电力电子变压器

星形连接或者角型连接如下图所示

由于级联H桥拓扑高度模块化

所以它易于扩展

当选择的级联数合适时

可以在较高电压的应用场合

选择较低耐压的电力电子器件

对于H桥结构的控制

相对来说已经很成熟

无需额外的复杂算法

同时

级联结构输出电平数较多

因而谐波特性较好

然而

由于级联结构各个子模块流过相同的电流

各级联模块输出直流电压存在耦合

从而导致直流母线电压不均衡

需要增加额外的电压平衡控制算法

来进行控制

由于高压侧直流母线分立

采用三个单相整流系统

需要三套隔离级和逆变级的装置

在输入端单位功率因数的条件下

每项直流母线还会存在二倍频电压波动

因而需要较多的器件和

较大的滤波电容来平复电压的一个波动

接下来

我们介绍一下模块化多电平结构

也就是简称MMC

我们可以看到

MMC拓扑在作为

整流及连接高压交流电网时

通过整流得到高压直流母线

连接高压直流电网时同时拓扑

它是易于扩展

相对来说比较简单

使用电压等级的器件进行多模块级联

能够增加电平和等效开关频率

减小谐波

降低滤波要求

在高压直流输电方面

因而有着较为广泛的一个应用

基于MMC型高压电力电子变压器由

高压交流侧MMC

中间级输入串联输出并联的

隔离型DC-DC变换器

以及低压侧逆变器构成如下图所示

其中MMC的作用是

将高压侧三相交流电压变换为高压直流

由于MMC中功率模块串联连接

因此拓扑便于在不同的电压等级下

进行拓展

中间的隔离型DC-DC变流器的

主要功能是将MMC变换得到的

高压直流电转换为低压直流电压

以供给后侧的三相逆变器进行使用

同时

中间的DC-DC变换器也实现了

高压侧与低压侧的电气隔离

低压侧逆变器的主要功能是

将低压直流电压逆变为

三相四线的交流电压连接

交流电网或者是弓给负载

如果低压侧的应用需求不同

如只需要单向交流

或者是只需要直流电

则我们相应地将低压侧的三相逆变器

替换为相应功能的变流器

或直接连接直流负载即可

因而MMC型的电力电子变压器的特点

可以概括为高压侧采用MMC三相变流器

三相之间具有共同的高压直流母线

第二

由于三相瞬时功率的二倍频分量相互抵消

因此直流母线不存在低频波动

所以无需二倍频滤波器就可以

输出较高的直流电

另外

它的一个特点是可以

显著减少高频变压器的使用

可以减少大约40%的高频变压器的数量

为提升电力电子变压器的功率密度

减小造价提供了更大的一个可能性

此外

它还可以减少

电力电子开关器件的一个用量

其次

我们来介绍一下钳位型多电平拓扑

下图所示为采用二极管前卫的

NPC整流器的电力电子变压器

整流级采用四电平二极管钳位电路的

单相电力电子变压器拓扑

获得了单一的高压直流母线

之后连接输入串联输出并联结构的

双有源桥式变换器

该拓扑可以扩展为三相结构

同时

根据器件的耐压水平和高压侧电压等级

对电路的电平数可进行改变

NPC拓扑作为整流及时

不需要隔离的直流母线

隔离及变压器数量较少

且三相结构的母线上不存在

二倍频的一个波动

但是由于钳位型拓扑需要大量的钳位器件

在电平增加时

钳位器件的数量相应增加

电平扩展相对较困难

同时难以实现冗余

在控制上流入NPC变换器

各母线电容的电流不同

导致电容电压不均衡

且桥臂内外开关管工作时间不一致

会导致发热不均

仅能通过改变电路拓扑来解决这一问题

此外

它的电平扩张所带来的诸多困难

使得NPC拓扑只能通过器件串联

或应用SiC等新型电力电子器件

实现在中高压等级的一个应用

然而

在低电压等级下

相较于H桥级联拓扑

三电平NPC在各个开关管承受的电压

以及电压应力上仅为前者的一半

同时输出电平数多

输出滤波器要求低

对电力电子变压器低压侧的逆变

具有明显的一个应用优势

以上是我们关于电力电子变压器

在高压AC-AC系统当中的应用的介绍