CN112332683A - 一种基于方波变换器的电力电子变压器 - Google Patents

一种基于方波变换器的电力电子变压器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于方波变换器的电力电子变压器，包括A、B、C三相电路,其中，各相电路包含1个交流滤波电感和X个模组，用于将高压交流电转换为低压直流电。每个模组包含Y个级联H桥模块和1个方波变换器，每个方波变换器包含Y个高压模块、1个共用磁芯式变压器和Y个低压模块。本发明模块化程度高，易于自动化生产，有利于提高***可靠性，同时，在模块故障时，***可冗余度高，具有较高的控制灵活性，便于进一步的推广使用。

Description

一种基于方波变换器的电力电子变压器
技术领域
本发明涉及高压电力电子变压器技术领域，尤其涉及一种基于方波变换器的电力电子变压器。
背景技术
随着我国经济和社会的不断发展，对整个交流电网的稳定、安全运行的要求逐渐变高。传统变压器作为交流电网的重要组成部分，其体积较大，且空载损耗和负载损耗较大，仅具备交流电压转化的功能。而电力电子变压器作为智能电网的重要组成部分，具有较好的发展前景。它由电力电子变换器拓扑以及高频变压器组成，可以实现交流高电压到直流低电压的快速转换供给各种直流负载，同时可以根据需要在直流侧加入逆变设备产生220V的交流低电压，同时具有无功补偿以及谐波补偿的多种优点。
电力电子变压器可以分为输入级、隔离级、输出级，输入级对应AC/DC电路，隔离级对应DC/DC电路，输出级对应相关逆变设备、直流转换设备。隔离级作为电力电子变压器的重要组成部分，将功率由输入级传输至输出级。电力电子变压器输入为高交流电压，所以整个***需要划分为多个模组进行分压来降低开关管应力。
当前电力电子变压器功率器件常选用高功率开关管，以IGBT为主，其耐压通流能力高，可以应用于大功率场合，同时一般以功率模块的形式对2或4个开关管进行封装，不利于自动化生产。而且其适用开关频率较低，与之相对应，中高频变压器磁芯一般选用纳米晶材料，同样对自动化生产的工艺提出极高的要求，相应变换器体积大，可靠性较差。同时，高功率开关管在同等电压等级下模组数量较少，在模组发生故障时模组的冗余数量受到限制。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足和缺陷，提供了一种基于方波变换器的电力电子变压器，选用相对较低功率的开关管，与高功率开关管组成的功率单元相对比，较低功率的开关管可以选用直插式器件，开关频率的选择范围更大，对自动化生产的工艺要求大大降低，可靠性得以提高。同一模组内根据电压等级分为多个模块，多个模块之间共用一个共用磁芯式变压器，相比于多个独立磁芯式变压器节省大量成本，磁芯材料可以选用铁氧体，其高频特性更好，并且利于进行自动化生产。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于方波变换器的电力电子变压器，将高压交流电转换为低压直流电，包括A、B、C三相电路。
A、B、C三相电路的各相电路包含1个交流滤波电感和X个模组，其中，每个交流滤波电感一端连接高压交流电网，另一端连接各相第一个模组的进线，各相的X个模组输入侧串联连接，且各相第X个模组出线以星型连接方式进行连接，同时所有模组输出侧并联接入直流输出母线；
模组，用于将交流电压转换为直流电压，包含Y个级联H桥模块和1个方波变换器，其中Y个级联H桥模块的输入侧串联连接，输出侧连接至方波变换器输入侧；
方波变换器具有多组输入，在部分高压模块故障时，可以冗余相应高压模块及其对应的级联H桥模块，由同模组内其他高压模块传输能量，可以实现少入多出的功能，支撑输出电压。Y个低压模块输出串联后与其他模组并联，在低压模块故障时，通过将各个输出节点并联，其他模组可以支撑输出电压，从而达到稳定输出电压的效果。
方波变换器包含Y个高压模块、1个共用磁芯式变压器和Y个低压模块，其中，Y个高压模块的输入侧作为方波变换器的输入侧分别于Y个级联H桥模块连接，输出侧则连接共用磁芯式变压器的输入绕组，共用磁芯式变压器的输出侧连接Y个低压模块的输入侧，Y个抵押模块的输出侧串联连接，且具有Y-1个连接节点，以大写字母表示，不同模组间的此节点相互连接。
进一步地，级联H桥模块，包含开关管S1、S2、S3、S4和电容Cin，其中：
S1、S3的源极连接至S2、S4的漏极，两个输入端口分别连接至开关管S1、S2的桥臂中点和S3、S4的桥臂中点，S1、S3的漏极连接至电容Cin的正极，S2、S4的源极连接至电容Cin的负极。
进一步地，共用磁芯式变压器包含共用磁芯、Y个输入绕组和Y个输出绕组。
进一步地，高压模块，用于将直流电压转换为高频交流方波电压，包含开关管S5、S6、S7、S8，其中：
开关管S5、S7的漏极连接至级联H桥模块中电容Cin的正极，S6、S8的源极连接至级联H桥模块中电容Cin的负极，S5、S7的源极连接至S6、S8的漏极，S5、S6的桥臂中点和S7、S8的桥臂中点分别连接至共用磁芯式变压器的输入绕组。
进一步地，低压模块，用于将高频交流电压转换为直流电压，包括开关管Q1、Q2、Q3、Q4和电容Cout，其中：
开关管Q1、Q2的桥臂中点和Q3、Q4的桥臂中点分别连接共用磁芯式变压器的任一输出绕组两端，Q1、Q3的漏极连接至电容Cout的正极,Q2、Q4的源极连接至电容Cout的负极。
进一步地，电力电子变压器中的开关管可以采用多个开关管并联的形式降低导通损耗。
本发明的有益技术效果：
1.与传统地电力电子变压器相对比，本发明模块数多，降低开关管电压应力，且开关频率高，磁芯材料选用铁氧体，可以更好地实现电力电子变压器的自动化生产，提高整体***的可靠性；
2.同等电压等级下，该方案模块数更多，以共用磁芯式变压器代替多个独立磁芯变压器，成本更低；
3.当高压模块或者低压模块发生故障时，借助于共用磁芯式变压器以及输出节点并联的方案，本发明可冗余度更高，更具灵活性。
附图说明
图1是本发明基于方波变换器的电力电子变压器的主电路结构示意图。
图2是本发明基于方波变换器的电力电子变压器的模组结构示意图。
图3是本发明基于方波变换器的电力电子变压器的级联H桥模块结构示意图。
图4是本发明基于方波变换器的电力电子变压器的方波变换器结构示意图。
图5是本发明基于方波变换器的电力电子变压器的共用磁芯式变压器结构示意图。
图6是本发明基于方波变换器的电力电子变压器的高压模块结构示意图。
图7是本发明基于方波变换器的电力电子变压器的低压模块结构示意图。
图8是本发明基于方波变换器的电力电子变压器的高压模块冗余时各模块电流波形图。
图9是本发明基于方波变换器的电力电子变压器的高压模块冗余时输出电压波形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定本发明。
如图1所示，一种基于方波变换器的电力电子变压器包括A、B、C三相电路，A、B、C三相电路的各相电路包含1个交流滤波电感和X个模组，其中，每个交流滤波电感一端连接高压交流电网，另一端连接各相第一个模组的进线，各相的X个模组输入侧串联连接，且各相第X个模组出线以星型连接方式进行连接，同时所有模组输出侧并联接入直流输出母线。
如图2所示，模组包含Y个级联H桥(cascaded H-bridge，CHB)模块和1个方波变换器，其中Y个级联H桥模块的输入侧串联连接，输出侧连接至方波变换器输入侧。
1个交流滤波电感和Y个级联H桥(cascaded H-bridge，CHB)模块作为电力电子变压器中的AC/DC部分，方波滤波器则作为电力电子变压器中的DC/DC部分。
如图3所示，级联H桥模块包含开关管S1、S2、S3、S4和电容Cin，其中，S1、S3的源极连接至S2、S4的漏极，两个输入端口分别连接至开关管S1、S2的桥臂中点和S3、S4的桥臂中点，S1、S3的漏极连接至电容Cin的正极，S2、S4的源极连接至电容Cin的负极。
级联H桥模块的作用是将高压侧的三相交流电压转换为多路直流电压，由于级联H桥模块为串联连接，可以适用于不同电压等级的扩展。本发明中的级联H桥模块与现有的技术并没有较大的差别，将模块数进一步增加，在模组的概念上进一步区分为模块。
Y个级联H桥模块输出连接至1个方波变换器，方波变换器结构如图4所示，包括Y个高压模块、1个共用磁芯式变压器、Y个低压模块。方波变换器多路输入，输出串联，可以实现能量的双向流动。
方波变换器可以将直流电压等级进一步转换，其中的共用磁芯式变压器可以实现不同绕组之间的均压功能，同时，共用磁芯式变压器可以实现高压侧和低压侧之间的电气隔离。
方波变换器将Y个低压模块输出侧串联连接，然后输出至直流母线，供给各类直流负载使用。直流母线同样可以挂接各类DC/DC变换器，供给不同电压等级的直流负载。同时，可以在直流母线上接入逆变器，将直流电转换为交流电供给日常生活中的交流用电设备。
如图5所示，共用磁芯式变压器包含共用磁芯、Y个输入绕组和Y个输出绕组。
在将模组细分为多模块的条件下，以共用磁芯式变压器代替多个独立磁芯式变压器，一方面更好的节省成本，另一方面可以实现不同绕组之间地自动均压。根据模块数将共用磁芯式变压器设计为多个输入绕组，多个输出绕组。
如图6所示，高压模块包含开关管S5、S6、S7、S8，其中，开关管S5、S7的漏极连接至级联H桥模块中电容Cin的正极，S6、S8的源极连接至级联H桥模块中电容Cin的负极，S5、S7的源极连接至S6、S8的漏极，S5、S6的桥臂中点和S7、S8的桥臂中点分别连接至共用磁芯式变压器的输入绕组。
如图7所示，低压模块包括开关管Q1、Q2、Q3、Q4和电容Cout，其中，开关管Q1、Q2的桥臂中点和Q3、Q4的桥臂中点分别连接共用磁芯式变压器的任一输出绕组两端，Q1、Q3的漏极连接至电容Cout的正极,Q2、Q4的源极连接至电容Cout的负极
在正常工况下，高压模块将直流电压转换为高频交流方波电压连接至共用磁芯式变压器的输入绕组，在多个输出绕组上感应出相同的交流输出电压输入至低压模块，低压模块将交流输出电压整流为直流电压，串联连接接入直流母线。将直流母线输出电压设为Vout，共用磁芯式变压器变比设为N，选用的开关管电压应力为Vf，k决定了开关管电压应力余量的多少，可以根据开关管封装以及电压等级确定，则模块数Y为
Figure BDA0002771025990000041
同时，将大功率开关管以多个小功率开关管代替，可以不再采用多个开关管组合的功率单元封装，直接选用独立直插式封装，方便进行自动化生产。较小功率的开关管器件支持的开关频率范围更高，在提高开关频率后，磁芯材料从纳米晶更换为铁氧体，可以依照不同磁性参数，来选择不同的材料和形状，有利于自动化生产。
方波变换器Y个低压模块在直流输出侧共有Y-1个节点，按照英文大写字母排序，所有模组之间相同字母的节点相互连接，保证输出电压稳定，在某一模组低压模块故障时，通过实时检测相应模块的电路运行状态，对应故障信息上传给模组控制单元，冗余掉相应的低压模块，其他模组可以支撑输出电压。
当级联H桥模块或者高压模块故障时，需要将对应的级联H桥模块和高压模块冗余，此时同一模组内的其他级联H桥模块和高压模块承担传输功率的作用，相应的输入电流将会变大，可冗余的最大模块数量受到最大传输功率的限制，即要求保证剩余模块的输入电流不能超过开关管的载流能力。以模块数为6个为例，相应的各模块电流波形图如图8所示。在0.005s之前，6个高压模块均输出相同的电流，在0.005s时，两个模块发生故障，冗余掉其中两个高压模块及其对应的级联H桥模块，其输出电流为0，另外四个模块传输电流变大，但整体输出电压保持不变，输出电压波形图如图9所示。
除此之外，在方波变换器部分，整个***在拓扑方面还可以做进一步的延伸。比如，原先的模块全桥结构可以替换为三电平结构。高压模块中的拓扑可以更换为串联谐振变换器等DAB结构，这应当属于本发明的保护范围。
上述实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可做出各种变换和变化以得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应归入本发明的专利保护范围。

Claims (6)

1.一种基于方波变换器的电力电子变压器，用于将高压交流电转换为低压直流电，包括A、B、C三相电路，其特征在于：
A、B、C三相电路的各相电路包含1个交流滤波电感和X个模组，其中，每个交流滤波电感一端连接高压交流电网，另一端连接各相第一个模组的进线，各相的X个模组输入侧串联连接，且各相第X个模组出线以星型连接方式进行连接，同时所有模组输出侧并联接入直流输出母线；
模组，用于将交流电压转换为直流电压，包含Y个级联H桥模块和1个方波变换器，其中Y个级联H桥模块的输入侧串联连接，输出侧连接至方波变换器输入侧；
方波变换器，用于转换直流电压等级以及电气隔离，包含Y个高压模块、1个共用磁芯式变压器和Y个低压模块，其中，Y个高压模块的输入侧作为方波变换器的输入侧，分别与Y个级联H桥模块连接，输出侧则连接共用磁芯式变压器的输入绕组，共用磁芯式变压器的输出绕组连接Y个低压模块的输入侧，Y个低压模块的输出侧串联连接，且具有Y-1个连接节点，以大写字母表示，不同模组间的此节点相互连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于方波变换器的电力电子变压器，其特征在于，所述级联H桥模块，包含开关管S1、S2、S3、S4和电容Cin，其中：
S1、S3的源极连接至S2、S4的漏极，两个输入端口分别连接至开关管S1、S2的桥臂中点和S3、S4的桥臂中点，S1、S3的漏极连接至电容Cin的正极，S2、S4的源极连接至电容Cin的负极。
3.根据权利要求1所述的一种基于方波变换器的电力电子变压器，其特征在于，所述共用磁芯式变压器包含共用磁芯、Y个输入绕组和Y个输出绕组。
4.根据权利要求1所述的一种基于方波变换器的电力电子变压器，其特征在于，所述高压模块，用于将直流电压转换为高频交流方波电压，包含开关管S5、S6、S7、S8，其中：
开关管S5、S7的漏极连接至级联H桥模块中电容Cin的正极，S6、S8的源极连接至级联H桥模块中电容Cin的负极，S5、S7的源极连接至S6、S8的漏极，S5、S6的桥臂中点和S7、S8的桥臂中点分别连接至共用磁芯式变压器的输入绕组。
5.根据权利要求1所述的一种基于方波变换器的电力电子变压器，其特征在于，所述低压模块，用于将高频交流电压转换为直流电压，包括开关管Q1、Q2、Q3、Q4和电容Cout，其中：
开关管Q1、Q2的桥臂中点和Q3、Q4的桥臂中点分别连接共用磁芯式变压器的任一输出绕组两端，Q1、Q3的漏极连接至电容Cout的正极,Q2、Q4的源极连接至电容Cout的负极。
6.根据权利要求2或4或5所述的一种基于方波变换器的电力电子变压器，其特征在于，所述开关管可以采用多个开关管并联的形式降低导通损耗。
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