[19]
中华人民共和国国家知识产权局
[12]发明专利申请公开说明书
[11]公开号CN 1402421A [43]公开日2003年3月12日
[21]申请号02139030.4[21]申请号02139030.4
[22]申请日2002.09.11[71]申请人华中科技大学
地址430074湖北省武汉市洪山区珞喻路1037号
[72]发明人毛承雄 陆继明 范澍 方华亮 [74]专利代理机构华中科技大学专利中心代理人方放
[51]Int.CI 7H02M 5/00H02M 5/44
权利要求书 2 页 说明书 9 页 附图 2 页
[54]发明名称
[57]摘要
换装置，旨在简化回路结构，节省开关器件，解决
各相独立且结构相同，各依次由高压级、隔离级和
低压级三级结构组成，高压级由2～30级相同的功
部分、高频变压器和还原/高频调制部分；低压级
由一个功率变换模块构成，它可以实现功率的双向
流动，开关器件数相对于国外方案减少三分之一，
成本大为降低，隔离级靠低压级侧只使用了单个功
率变换模块，解决了多模块并联带来的均流问题，
高压级功率变换模块交流侧并接的串联电容器，可
有效起到均压作用。
02139030.4权 利 要 求 书第1/2页 1.一种电力电子变压器，包含1-4相，各相独立且结构相同，即各依次由高压级，隔离级和低压级三级结构组成，高压级由2～30级相同的功率变换模块串联而成，每一功率变换模块交流侧的两个端线之间并接两个相同的串联电容器、直流侧的两个端线之间亦并接两个相同
的串联电容器，该两组串联电容器的中点相接；隔离级包括高频调制/还原部分，高频变压器和还原/高频调制部分；低压级由一个功率变换模块构成，其直流侧的两个端线与隔离级输出端线对应相接，其交流侧的两个端线之间并接两个相同的串联电容器，其特征在于：隔离级靠高压级侧为高频调制/还原部分，由与高压级相同数量的功率变换模块组成，每个功率变换模块靠高压级侧的两个端线与对应高压级的功率变换模块的端线相接；隔离级靠低压级侧为还原/高频调制部分，由一个功率变换模块构成，其直流侧的两个端线间并接两个相同串联电容器；隔离级中间部分为高频变压器，其靠近高压级方由多个分离绕组构成，绕组数与高频调制/还原部分功率变换模块数量相同并与其相接，各绕组的中点有一抽头与对应高压级各功率变换模块的两组串联电容器的中点相接，高频变压器靠近低压级方为一个绕组，绕组与隔离级靠低压级侧的功率变换模块相接，绕组中点抽头与该侧功率变换模块直流侧两端线间并接的串联电容器中点相接并与
02139030.4权 利 要 求 书 第2/2页
低压级交流侧两端线间并接的串联电容器中点相接。
2.如权利要求1所述的电力电子变压器，其特征在于高压级、隔离级和低压级的各功率变换模块均由四只带续流二极管的开关器件组成单
相全控桥构成，高压级中每一级单相全控桥的交流侧两个端线上各串
联一个相同的电抗器；低压级的单相全控桥交流侧两个端线中也各串
联一个相同的电抗器。
3.如权利要求1所述的电力电子变压器，其特征在于当其作为降压变压器使用时，高压级各功率变换模块是由四只整流二极管组成单相整流桥，其直流侧的上端线上串联一个电抗器，再在直流侧两个端线间并
接一个开关器件，随后在直流侧的上端线上再串联一个二极管构成；
隔离级和低压级各功率变换模块由四只带续流二极管的开关器件组
成单相全控桥构成，低压级的单相全控桥交流侧两个端线中各串联一
个相同的电抗器。
4.如权利要求1所述的电力电子变压器，其特征在于当其作为升压变压器使用时，高压级和隔离级各功率变换模块均由四只带续流二极管的
开关器件组成的单相全控桥构成，高压级中每一级单相全控桥的交流
侧两个端线上各串联一个相同的电抗器；低压级的功率变换模块是由
四支整流二极管组成单相整流桥，在其直流侧的上端线上串联一个电
抗器，再在直流侧的两个端线间并接一个开关器件，随后在直流侧的
上端线上再串联一个二极管构成。
02139030.4说 明 书第1/9页
电力电子变压器
技术领域
本发明涉及电力系统的电压变换装置，特别是配电系统中10K V及以下的电压变换装置。
背景技术
电力变压器是电力系统最基本的组成设备，在输电系统中起着十分重要的作用。目前，电力系统中的电压变换装置通常是采用铁芯浸油式电力变压器。它具有结构简单，可靠性高，制造成本低等优点。但是，它也存在以下一些缺点：
1.变压器体积大、重量重，变压器中使用的矿物油会带来环境问题，同时也不易维护；
2.不能维持变压器副方电压恒定。随着负载的增大，其副方电压将下降；
3.由于铁磁元件的非线性特征，当变压器铁芯出现磁饱和时，会造成系统中电压电流的波形畸变，产生谐波污染；
4.由于变压器副方电压波形和原方电压波形的紧密耦合以及原方电流决定于负载电流，因此电网侧和负荷侧的电能质量问题会相互传播；
5.对电压的调节和控制功能有限。
02139030.4说 明 书 第2/9页 国外在十多年前首先提出了电力电子变压器的概念。最初是美国海军的一个研究计划，提出了一种由交流变交流的降压变换器构成的电力电子变压器；在这之后，在1995年由美国电力科学研究院赞助的一个研究项目也研制出了一种固态变压器。它们的基本原理是采用大功率电力电子变流技术来实现电力系统中的电压变换。它具有以下优点：
1.变压器体积小，重量轻，无环境污染，易维护；
2.变压器运行时可保持副方输出电压幅值和频率恒定，不随负载变化；
3.不论变压器副方电流或原方电压波形如何，始终保证原方电流和副方电压为正弦波形，并且原方电流与原方电压波形同相位，实现功率因数始终接近于1.0；
4.变压器具有高度可控性，可在有载条件下实现对副方电压幅值及频率的平滑调节；
5.电力电子变压器的控制特性将使其具有保护功能，可以不需要常规的变压器继电保护装置。
但是，由于当时大功率电力电子器件的发展水平还比较低，同时设计方案本身存在着缺陷，包括在变压器原副方之间缺少必要的隔离以及变压器本身会产生较大的谐波，因而这些研究成果都未能进入实用化。最近几年，国外在电力电子变压器的研究领域中出现了一些新的进展，在
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