CN113346764A - 一种基于高频磁耦合模块的中压变流器拓扑结构 - Google Patents

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CN113346764A CN202110524475.0A CN202110524475A CN113346764A CN 113346764 A CN113346764 A CN 113346764A CN 202110524475 A CN202110524475 A CN 202110524475A CN 113346764 A CN113346764 A CN 113346764A
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刘进军
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Abstract

本发明公开一种基于高频磁耦合模块的中压变流器拓扑结构，包括一个或多个磁耦合模块；所述磁耦合模块的核心电路包括一个单相/多相多绕组高频变压器、与各绕组串联的LC谐振支路和对各绕组供电的单相/多相方波电压源；各绕组上方波变流器的直流输入端外加直流或交流接口电路，使其形成能够封装的多端口磁耦合子模块；所述多个磁耦合模块是多个同种或不同种磁耦合模块通过端口串联或并联连接形成。本发明大幅度减小变压器和电容器等核心无源元件的体积和重量，同时有效地整合不同形式的功率，一体化解决功率密度、容量和交直流多端口混合方面的技术难题。

Description

一种基于高频磁耦合模块的中压变流器拓扑结构
技术领域
本发明属于电力电子电能变换技术领域，涉及一种基于高频磁耦合模块的中压变流器拓扑结构。
背景技术
新能源、智能电网及中压电机拖动行业的快速发展给电能变换技术带来了新的挑战，核心电力设备的性能亟需提升。一方面，中压电机拖动***巨大的体积和重量给装备的生产、运输、安装和维护带来一系列困难，减少其体积和重量对电机拖动技术发展至关重要，其小型化和轻量化技术成为业界关注的焦点。另一方面，新能源发电、输电设备尤其是海上设备有高昂的场地成本，均在小型化、轻量化方面提出了极为严苛的指标，其高功率密度技术成为研究的热点和难点。除此之外，智能电网和新能源设备还涉及交直流混联电网中的高低压、交直流、单三相电能变换问题，在整合多种形式的电能以及构造多种类型的端口方面提出了新的挑战，相关技术已成为研究的难点。由此可见，大容量、多端口和高功率密度变流器拓扑构造成为新能源、智能电网和中压电机拖动领域的共性关键科学问题。
在中压电机拖动领域，串联H桥和MMC因其模块化结构伴随的低损耗、低成本、高性能和高可靠性等优良特性成为主流的中压电机驱动变流器。然而，两者的子模块能量波动幅度与电机转速呈倒数关系，需配备大型电解电容以缓冲因低速大转矩运行带来的超额能量波动，导致驱动***体积和重量巨大，同时还伴随有短寿命等严重缺陷。除此之外，串联H桥还需额外配备昂贵的移相变压器作为前级整流电路的分立电源，该器件进一步增加了电机驱动***的体积和重量。因此，中压电机拖动领域迫切需要开发具有较小电容容值和变压器尺寸的新一代高功率密度中压变流器拓扑。
在新能源和智能电网领域，交直、直直变流器等可再生电能捕获、存储和传输环节的核心电力设备尚处于初级发展阶段，亟需从高功率密度、大容量、交直流多端口混合等方面取得技术突破。高功率密度技术的核心载体是高频变压器和软开关技术，但仍缺乏基于两者的一体化数学分析模型和电路构造理论。大容量技术依赖高压大电流的全控开关器件，然而目前市场可用的开关器件依然受限于耐压和耐流。虽然开关器件串联或并联可显著地扩充容量，但又带来严重的动静态均压和均流问题。交直流多端口混合技术主要通过混频调制或母线耦合的方式整合不同形式的功率。然而，混频调制倍增了变流器的电压和电流应力，母线耦合又复杂化了电路设计。因此，新能源和智能电网领域迫切需要开发出能统一解决高功率密度、大容量和交直流多端口混合问题的新型变流器拓扑。
发明内容
针对以上核心共性技术问题，本发明提供一种基于高频磁耦合模块的中压变流器拓扑结构。是基于高频磁耦合模块的中压大功率变流器拓扑系列，目的在于打破现有变流器的技术瓶颈，大幅度减小变压器和电容器等核心无源元件的体积和重量，同时有效地整合不同形式的功率，一体化解决功率密度、容量和交直流多端口混合方面的技术难题。
为了实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案。
一种基于高频磁耦合模块的中压变流器拓扑结构，包括一个或多个磁耦合模块；
所述磁耦合模块的核心电路包括一个单相/多相多绕组高频变压器、与各绕组串联的LC谐振支路和对各绕组供电的单相/多相方波电压源；
各绕组上方波变流器的直流输入端外加直流或交流接口电路，使其形成能够封装的多端口磁耦合子模块；
所述多个磁耦合模块是多个同种或不同种磁耦合模块通过端口串联或并联连接形成。
作为本发明的进一步改进，所述磁耦合模块的核心电路为一个或并联的多个。
作为本发明的进一步改进，接口电路是方波电压源的直流输入端口，或是硅、碳化硅或其他开关器件构建的两电平、三电平或多电平的单相半桥、单相全桥、多相半桥、多相全桥变流器，或是DC-DC或AC-DC变流器。
作为本发明的进一步改进，磁耦合模块的不同端口是同一种接口电路，或是两种或多种接口电路混合使用。
作为本发明的进一步改进，所述多绕组变压器的频率是几百赫兹至几百千赫兹范围内的任一频率；多绕组高频变压器的相数是单相、两相、至m相，每相依次相移360°/m，每个绕组构成各相的线圈是双端开放，星形、三角形或其他形式的连接；多绕组变压器的绕组数是三绕组、四绕组、至n绕组；各绕组均通过LC谐振支路与一个m相方波电压源连接，方波电压源的各相依次相移360°/m。
作为本发明的进一步改进，所述方波电压源由硅、碳化硅或其他开关器件构建的m相半桥、m相全桥变流器充当，变流器是两电平、三电平、或者多电平。
作为本发明的进一步改进，每个所述磁耦合子模块的核心电路包括1个m相n绕组高频变压器、m*n条LC谐振支路、n个m相方波电压源半桥/全桥变流器；每个变压器的m相绕组端子分别串联一个LC支路，LC支路的另一端连接m相方波电压源半桥/全桥变流器。
作为本发明的进一步改进，所述m相是单相、两相或多相，n绕组是双绕组、三绕组或多绕组；
若m是单相且变流器为半桥，则每个绕组单相半桥变流器的直流侧负极连接绕组的另一个接线端子。
作为本发明的进一步改进，所述多个磁耦合模块形成三相交流-三相交流变流器、单相交流-三相交流变流器、单相交流-单相交流变流器、直流-三相交流变流器、直流-单相交流变流器和直流-直流的两端口变流器拓扑和兼具三种以上端口的系列化变流器拓扑。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
与现有同类变流器相比，本发明提出的变流器拓扑系列，由一个单相/多相多绕组高频变压器、与各绕组串联的LC谐振支路和对各绕组供电的单相/多相方波电压源构成磁耦合模块的核心电路，结构上大幅度减小变压器和电容器等核心无源元件的体积和重量，同时有效地整合不同形式的功率，一体化解决功率密度、容量和交直流多端口混合方面的技术难题。技术优势是高功率密度，高效率和多端口。高功率密度体现在：变流器子模块中的高频变压器具有比同规格工频变压器小得多的体积和重量；在此基础上，三相交流的2倍频波动功率在高频变压器处相抵消，促使模块电容容值的大幅度减小，进一步降低了装备的体积和重量。高效率体现在：变流器模块中的每个功率通道均串联了LC谐振支路，可实现软开关操作或迫使硬开通和硬关断时刻的电流接近于零值，降低了能量通道的功率损耗；与此同时，串联或并联的接口电路采用移相调制，在确保总体频谱质量的同时极大程度地降低了开关损耗。多端口体现在：高频变压器通过磁路将多个绕组对应的输入/输出端口进行耦合，实现不同形式功率的一体化整合和任意端口间的磁隔离，极大地简化了电路拓扑结构。
附图说明
在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。在附图中：
图1为单相多绕组核心电路。其中，(a)为单相n绕组核心电路示意图；(b)为单相半桥结构的方波电压生成电路；(c)为单相全桥结构的方波电压生成电路；(d)为m相半桥结构的方波电压生成电路；(e)为三电平单相半桥结构的方波电压生成电路；(f)为三电平单相全桥结构的方波电压生成电路；(g)为多电平单相全桥结构的方波电压生成电路。
图2为以单相6绕组变压器为例，按绕组变比折算后的核心电路的T型等效电路绘制图。
图3给出了部分可能的接口电路和与核心电路可能的组合方式。其中，(a)为无接口电路；(b)为单相半桥结构的接口电路；(c)为单相全桥结构的接口电路；(d)为三电平单相全桥结构的接口电路；(e)为DC/DC结构的接口电路；(f)为AC/AC结构的接口电路；(g)为核心电路拓扑图。
图4所示的混合端口电路为例示意图。
图5为多个磁耦合模块构成的三相中压-三相中压交流拓扑图。其中，(a)为三相中压-三相中压交流变流器拓扑的磁耦合模块；(b)为由多个磁耦合模块构成的三相中压-三相中压交流拓扑，多个模块的端口按照输入侧的A、B、C相和输出侧的a、b、c相分别串联连接，并在输入侧进行星形或三角形连接，输出侧进行三相四线制连接，形成中压-中压三相交流变流器拓扑。
图6为三相低压交流变流器拓扑的磁耦合子模块图，其中，(a)为三相中压-三相低压交流变流器拓扑的磁耦合子模块；(b)为由多个磁耦合模块构成的三相中压-三相低压交流拓扑。
图7为单相中压-三相中压变流器拓扑。其中，(a)为单相中压-三相中压变流器的磁耦合模块；(b)为由多个磁耦合模块构成的单相中压-三相中压交流拓扑。
图8为单相低压-三相中压变流器拓扑。其中，(a)为单相低压-三相中压变流器的磁耦合模块；(b)为由多个磁耦合模块构成的单相低压-三相中压交流拓扑。
图9为单相中压-三相低压变流器拓扑。其中，(a)为单相中压-三相低压变流器的磁耦合模块；(b)为由多个磁耦合模块构成的单相中压-三相低压交流拓扑。
图10为单相中压-单相中压变流器拓扑，其中，(a)为单相中压-单相中压变流器的磁耦合模块；(b)为由多个磁耦合模块构成的单相中压-单相中压交流拓扑。
图11为单相中压-单相低压变流器拓扑，其中，(a)为单相中压-单相低压变流器的磁耦合模块；(b)为由多个磁耦合模块构成的单相中压-单相低压交流拓扑。
图12为直流中压-三相中压变流器拓扑。其中，(a)为直流中压-三相中压变流器的磁耦合模块；(b)为由多个磁耦合模块构成的直流中压-三相中压交流拓扑。
图13为直流低压-三相中压变流器拓扑。其中，(a)为直流低压-三相中压变流器的磁耦合模块；(b)为由多个磁耦合模块构成的直流低压-三相中压交流拓扑。
图14为直流中压-三相低压变流器拓扑。其中，(a)为直流中压-三相低压变流器的磁耦合模块；(b)为由多个磁耦合模块构成的直流中压-三相低压交流拓扑。
图15为直流中压-单相中压变流器拓扑。其中，(a)为直流中压-单相中压变流器的磁耦合模块；(b)为由多个磁耦合模块构成的直流中压-单相中压交流拓扑。
图16为直流低压-单相中压变流器拓扑。其中，(a)为直流低压-单相中压变流器的磁耦合模块；(b)为由多个磁耦合模块构成的直流低压-单相中压交流拓扑。
图17为直流中压-单相低压变流器拓扑。其中，(a)为直流中压-单相低压变流器的磁耦合模块；图17(b)为由多个磁耦合模块构成的直流中压-单相低压交流拓扑。
图18为直流中压-直流中压变流器拓扑。其中，(a)为直流中压-直流中压变流器的磁耦合模块；(b)为由多个磁耦合模块构成的直流中压-直流中压交流拓扑。
图19为直流中压-直流低压变流器拓扑。其中，(a)为直流中压-直流低压变流器的磁耦合模块；(b)为由多个磁耦合模块构成的直流中压-直流低压交流拓扑。
图20所示的四端口中低压交直流混合变流器电路为例进行说明。
图21为基于磁耦合模块构建的中压三相交流-中压三相交流变流器
图22为Matlab/Simulink中压三相交流-中压三相交流变流器仿真模型完全达到了预期设计目标并实现了控制功能的仿真波形图。其中，(a)为三相电网电压；(b)为三相电网电流；(c)为机侧调制电压；(d)为机侧电流；(e)为网侧电容电压；(f)为机侧电容电压。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施例。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
基于高频磁耦合模块的中压变流器拓扑系列，包含多绕组高频变压器及LC谐振腔构成的核心电路；核心电路添加交直流、单三相接口电路形成的磁耦合模块；多个磁耦合模块通过端口串联或并联形成的变流器拓扑系列。
以下进行详细说明：
一、核心电路及基本原理
所述核心电路包括一个单相/多相多绕组高频变压器、与各绕组串联的LC谐振支路和对各绕组供电的单相/多相方波电压源。多绕组变压器的频率可以是几百赫兹至几百千赫兹范围内的任一频率。多绕组高频变压器的相数不受限定，可以是单相、两相、至m相，每相依次相移(360°/m)，每个绕组构成各相的线圈可以是双端开放，也可以是星形、三角形或其他形式的连接。多绕组变压器的绕组数也不受限定，可以是三绕组、四绕组、至n绕组，绕组间的变比可根据需要任意设定。多绕组变压器每个绕组中各相的接线端子均串联一个LC谐振支路，各LC支路的谐振频率均为接近变压器频率的同一值，LC谐振支路的作用是协助方波电压源中的开关器件实现软开关或迫使硬开关或硬关断时刻的电流值接近于零值，同时阻断可能进入绕组的直流电流。各绕组均通过LC谐振支路与一个m相方波电压源连接，方波电压源的各相依次相移(360°/m)，方波电压源可由硅、碳化硅或其他开关器件构建的m相半桥、m相全桥变流器充当，变流器可以是两电平、三电平、或者多电平。
为解释本发明的工作原理，以图1所示的单相多绕组核心电路为例进行说明。应当理解，该结构并不用于限定本发明。各绕组的方波电压源由变流器充当，图1(c)中单相全桥的开关(S1，S4)导通时，变流器产生正值电压；当开关(S2，S3)导通时，变流器输出负值电压；两个电路状态(S1，S4)和(S2，S3)以50％占空比交替进行便产生了以直流侧电压为幅值的方波电压；需要指出的是图1(b)中单相半桥产生附带直流偏置的方波电压，其偏置电压被谐振腔电容阻断后可等效为全桥电路方波电压的二分之一；三电平或多电平变流器可产生与两电平变流器相似的方波电压，但电压幅值更高。当某一绕组施加与谐振频率相近的方波电压时，由于LC支路的带通特性，该绕组中便产生与方波电压同频率的准正弦波电流；部分电流流经励磁电感便在其余绕组感应出同频率的电压；各绕组的感应电压与各自方波电压的差值施加于自身的LC支路，便产生同频率的准正弦波电流；各绕组的准正弦波电流与施加的方波电压相互作用便是该绕组的输入功率；各绕组遵循功率守恒原则，通过调节方波电压的移相角实现有功功率在绕组间自由转移。在功率转移过程中，由于各绕组的方波电压与准正弦电流存在一定的相角差，电力半导体器件可实现软开关或实现硬开通和硬关断时刻的电流接近于零值，保证了核心电路的电能转换效率。
为了便于构造闭环控制，本发明依据核心电路的等效电路对各绕组方波电压相移角与转移有功功率的数学关系开展详细推导。以单相6绕组变压器为例，核心电路按各绕组变比折算后的T型等效电路绘制如图2所示。其中，(Xm,Rm)为多绕组变压器的励磁电抗和等效电阻；(Xi,Ri)为考虑各绕组漏感、谐振电感、谐振电容后的等效稳态电抗和等效电阻(即
Figure BDA0003065243900000081
)，可通过适当设计外加电感令该组值在各绕组间均相等(即Xi＝X，Ri＝R)；(vi)为各绕组方波电压(Vi)的基波分量；(vo)为励磁电压，列写该点的结点电压方程后，其表达式可写为：
Figure BDA0003065243900000082
该电压与各绕组方波电压中的基波成分做差，并于各支路的等效电抗相除便可计算流过各绕组的电流：
Figure BDA0003065243900000091
该电流的共轭与方波电压的基波成分相乘便可获取各绕组的视在功率(Si)，考虑到参与计算的电压和电流成分均为幅值而非有效值，功率表达式需乘以系数0.5，可写为：
Figure BDA0003065243900000095
为了便于表征各绕组方波电压基波分量的相移角，各电压变量可用复数形式表达，即(vi＝Vdi+jVqi)。将该电压表达式代入视在功率方程式并提取有功功率成分，可得：
Figure BDA0003065243900000092
其中，
Figure BDA0003065243900000093
考虑到各绕组等效电抗远大于等效电阻(X＞＞R≈0)，并且各绕组基波电压Q轴分量之和近似为零(V∑q≈0),则各绕组有功功率近似计算为：
Figure BDA0003065243900000094
在实际工程中，D轴分量之和(V∑d)为几乎不随功率变化的常数值，因此各绕组有功功率与自身方波电压Q轴分量近似为线性关系，该表达式可用于设计控制策略。该计算方法随多绕组变压器的结构不同而不同，但均属于本发明保护的范畴。
二、磁耦合模块及构造方法
所述磁耦合模块是在核心电路各绕组方波变流器的直流输入端外加直流或交流接口电路，使其形成一个能够封装在一起的多端口磁耦合子模块。考虑到单个高频变压器的容量限制，磁耦合模块内的核心电路可以是一个，也可以是并联的多个。接口电路可以直接是方波电压源的直流输入端口(即不加任何电路)，也可以是硅、碳化硅或其他开关器件构建的两电平、三电平或多电平的单相半桥、单相全桥、多相半桥、多相全桥变流器，还可以是其他形式的DC-DC或AC-DC变流器。磁耦合模块的不同端口可以是同一种接口电路，也可以是两种或多种接口电路混合使用。图3给出了部分可能的接口电路和与核心电路可能的组合方式，但这些接口电路和组合方式并不用于限定本发明。
为解释本发明的电路构造，以图4所示的混合端口电路为例进行说明。应当理解，该结构并不用于限定本发明。该混合多端口模块的核心电路采用依实际需要恰当设定变比的6绕组高频变压器，方波电压源均选用单相全桥电路，6个方波电压源的直流输入端口分别外加单相两电平全桥、单相两电平全桥、单相两电平半桥、单相两电平全桥、三相两电平半桥和单相两电平半桥。该模块提供了丰富的交直流、单三相接口，并且实现了端口之间的磁隔离；可以单独使用，也可以多个模块通过端口串联或并联使用。当单独使用时可用作家用电能路由器，例如端口1接入户单相主电、端口2接光伏电板、端口3接蓄电池、端口4为家用电器提供高质量单相电能、端口5为家用电器提供高质量三相电能、端口6为家用电器提供自适应直流电能。
三、基于磁耦合模块的变流器拓扑系列
所述变流器拓扑系列是多个同种或不同种磁耦合模块通过端口串联或并联连接形成三相交流-三相交流、单相交流-三相交流、单相交流-单相交流、直流-三相交流、直流-单相交流和直流-直流的两端口变流器拓扑和兼具三种以上端口的系列化变流器拓扑。该拓扑系列的优势是三相之间波动的功率可以通过耦合的磁路进行部分或全部抵消以大幅度减少模块内用于缓存波动功率的电容器的容值，进而可用薄膜电容器替代传统的电解电容，既减小了体积和重量又克服了寿命方面的缺陷。与此同时，高频变压器和谐振技术又进一步大幅度减少了磁元件的体积和重量，确保了变流器整体上的高功率密度和高效率。接下来按照端口类型分别介绍该系列化变流器拓扑：
1.两端口三相交流-三相交流变流器
所述三相交流-三相交流变流器根据电压等级不同可分为中压-中压和中压-低压两类，均由多个磁耦合模块通过端口串联或并联组成。中压-中压变流器的磁耦合模块可根据功率需要选用单相半桥、单相全桥或两者混用的方波电压生成电路，并配备恰当变比的6绕组变压器和与各绕组对应的单相全桥接口电路，其中的三个单相全桥接口标记为输入侧的A、B、C相端口，另外三个单相全桥接口标记为输出侧的a、b、c相接口，如图5(a)；多个模块的端口按照输入侧的A、B、C相和输出侧的a、b、c相分别串联连接，并在输入侧和输出侧进行星形或三角形连接，形成中压-中压三相交流变流器拓扑，如图5(b)。中压-低压变流器可选用与中压-中压变流器相似的磁耦合模块并保持输入侧连接关系不变，但各模块在输出侧端口按照a、b、c相通过电抗器分别进行并联连接，并最终连接成星形或三角形；还可选用与中压-中压三相变流器相似但在输出侧配备三相半桥电路接口的磁耦合子模块，各模块在输出侧端口通过电抗器进行并联连接，形成中压-低压三相交流变流器拓扑。
图5和图6分别给出了中压-中压、中压-低压三相交流变流器拓扑。应当理解，图中所示结构并不用于限定本发明。本发明中的三相交流-三相交流变流器可工作在工频、变频模式，当频率从低频到额定频率变化时，三相波动的功率在耦合的变压器处抵消，并不引起模块内电容电压剧烈波动。在电网正常工作时，本拓扑中的直流侧电容容值相较于传统串联H桥可减少90％以上，在电网发生单相接地故障时，电容容值可减少60％以上。
2.两端口单相交流-三相交流变流器
所述单相交流-三相交流变流器根据电压等级不同可分为单相中压-三相中压、单相低压-三相中压和单相中压-三相低压三类，均由多个磁耦合模块通过端口串联或并联组成。单相中压-三相中压变流器的磁耦合模块可根据功率需要选用单相半桥、单相全桥或两者混用的方波电压生成电路，以配备恰当变比的6绕组变压器和与各绕组对应的单相全桥接口电路为例，原边直流电容并联后与单相全桥接口电路相连，单相全桥接口标记为输入侧的I端口，副边配备与各绕组对应的单相全桥接口电路，三个单相全桥接口标记为输出侧的A、B、C相接口，如图7(a)；多个模块的端口按照A、B、C相和I相分别串联连接，并将串联后的I相作为中压单相接口，同时将串联后的A、B、C相连接成星形或三角形作中压三相接口，形成单相中压-三相中压变流器拓扑，如图7(b)。单相低压-三相中压变流器可选用与单相中压-三相中压变流器相似的磁耦合模块并保持三相侧连接关系不变，但单相侧需根据电压和功率需求拼组成不同的串并联阵列(并联连接需要电感)以形成单相低压端口，最终形成单相低压-三相中压变流器拓扑。单相中压-三相低压变流器可选用与单相中压-三相中压变流器相似的磁耦合模块并保持单相侧连接关系不变，但三相侧端口按照A、B、C相通过电抗器分别进行并联连接，并最终连接成星形或三角形；还可选用与单相中压-三相中压变流器相似但在输出侧配备三相半桥电路接口的磁耦合子模块，各模块在输出侧端口通过电抗器进行并联连接，形成单相中压-三相低压变流器拓扑。
图7、图8和图9分别给出了单相中压-三相中压、单相低压-三相中压和单相中压-三相低压变流器拓扑。应当理解，图中所示结构并不用于限定本发明。本发明中的变流器三相侧可工作在工频、低频或变频模式，当频率从低频到额定频率变化时，三相波动的功率在耦合的变压器处抵消，并不引起模块内电容电压剧烈波动。本拓扑中的直流侧电容容值相较于传统串联H桥可减少30％以上。
3.两端口单相交流-单相交流变流器
所述单相交流-单相交流变流器根据电压等级不同可分为单相中压-单相中压和单相中压-单相低压两类，均由多个磁耦合模块通过端口串联或并联组成。单相中压-单相中压变流器的磁耦合模块可根据功率需要选用单相半桥、单相全桥或两者混用的方波电压生成电路，以配备恰当变比的6绕组变压器和与各绕组对应的单相全桥接口电路为例，其中的三个单相全桥接口串联后标记为输入侧的I端口，另外三个单相全桥接口串联后标记为输出侧的O接口，如图10(a)；多个模块的端口按照I相和O相分别串联连接，并将串联后的I相作为中压单相接口，同时将串联后的O相作中压单相接口，形成单相中压-单相中压变流器拓扑，如图10(b)。单相中压-单相低压变流器可选用与单相中压-单相中压变流器相似的磁耦合模块并保持一侧连接关系不变，但另一侧需根据电压和功率需求拼组成不同的串并联阵列(并联连接需要电感)以形成单相低压端口，最终形成单相中压-单相低压变流器拓扑。
图10和图11分别给出了单相中压-单相中压和单相中压-单相低压变流器拓扑。应当理解，图中所示结构并不用于限定本发明。
4.两端口直流-三相交流变流器
所述直流-三相交流变流器根据电压等级不同可分为直流中压-三相中压、直流低压-三相中压和直流中压-三相低压三类，均由多个磁耦合模块通过端口串联或并联组成。直流中压-三相中压变流器的磁耦合模块可根据功率需要选用单相半桥、单相全桥或两者混用的方波电压生成电路，以配备恰当变比的5绕组变压器为例，原边无接口电路标记为输入侧的P、Q端口，副边配备与各绕组对应的单相全桥接口电路，三个单相全桥接口标记为输出侧的A、B、C相接口，如图12(a)；多个模块的端口按照A、B、C相和P、Q相分别串联连接，最终形成的P端口的负极与Q端口的正极相连，并将此连接点作为双极性直流母线的中性点N，同时将串联后的A、B、C相端口作中压三相接口，形成直流中压-三相中压变流器拓扑，如图12(b)。直流低压-三相中压变流器可选用与直流中压-三相中压变流器相似的磁耦合模块并保持三相侧连接关系不变，但直流侧需根据电压和功率需求拼组成不同的串并联阵列(并联无需要电感)以形成直流低压端口，最终形成直流低压-三相中压变流器拓扑。直流中压-三相低压变流器可选用与直流中压-三相中压变流器相似的磁耦合模块并保持直流侧连接关系不变，但三相侧端口按照A、B、C相通过电抗器分别进行并联连接，并最终连接成星形或三角形；还可选用与直流中压-三相中压变流器相似但在输出侧配备三相半桥电路接口的磁耦合子模块，各模块在输出侧端口通过电抗器进行并联连接，形成直流中压-三相低压变流器拓扑。
图12、图13和图14分别给出了直流中压-三相中压、直流低压-三相中压和直流中压-三相低压变流器拓扑。应当理解，图中所示结构并不用于限定本发明。本发明中的变流器三相侧可工作在工频、低频或变频模式，当频率从低频到额定频率变化时，三相波动的功率在耦合的变压器处抵消，并不引起模块内电容电压剧烈波动。当三相均衡时，本拓扑中的直流侧电容容值相较于传统串联H桥可减少90％以上；当三相不均衡且为工频时，本拓扑中的直流侧电容容值相较于传统串联H桥可减少60％以上。与传统的MMC相比，本发明所提出的中压直流-中压三相交流变换器可大幅度缩小变压器的体积和重量，并可将电容容值减少70％以上，装备功率密度更高，应用到海上直流输电将比MMC更具优势。
5.两端口直流-单相交流变流器
所述直流-单相交流变流器根据电压等级不同可分为直流中压-单相中压、直流低压-单相中压和直流中压-单相低压三类，均由多个磁耦合模块通过端口串联或并联组成。直流中压-单相中压变流器的磁耦合模块可根据功率需要选用单相半桥、单相全桥或两者混用的方波电压生成电路，以配备恰当变比的6绕组变压器为例，原边配备与各绕组对应的单相半桥方波电压生成电路，三个直流电容串联后标记为输入侧的P端口，副边配备与各绕组对应的单相全桥方波电压生成电路和单相全桥接口电路，三个单相全桥接口串联后标记为输出侧的O端口，如图15(a)；多个模块的端口按照P和O口分别串联连接，并将串联后的P接口作为中压直流端口，同时将串联后的O接口作为中压交流端口，形成直流中压-单相中压变流器拓扑，如图15(b)。直流低压-单相中压变流器可选用与直流中压-单相中压变流器相似的磁耦合模块并保持单相侧连接关系不变，但直流侧需根据电压和功率需求拼组成不同的串并联阵列以形成直流低压端口，最终形成直流低压-单相中压变流器拓扑。直流中压-单相低压变流器可选用与直流中压-单相中压变流器相似的磁耦合模块并保持直流侧连接关系不变，但单相侧接口通过电抗器并联连接形成单相低压端口；还可选用与直流中压-单相中压变流器相似但在输出侧配备三相半桥电路接口的磁耦合子模块，各模块在输出侧端口通过电抗器进行并联连接，形成直流中压-单相低压变流器拓扑。
图15、图16和图17分别给出了直流中压-单相中压、直流低压-单相中压和直流中压-单相低压变流器拓扑。应当理解，图中所示结构并不用于限定本发明。
6.两端口直流-直流变流器
所述直流-直流变流器根据电压等级不同可分为直流中压-直流中压、直流中压-直流低压两类，均由多个磁耦合模块通过端口串联或并联组成。直流中压-单相中压变流器的磁耦合模块可根据功率需要选用单相半桥、单相全桥或两者混用的方波电压生成电路，以配备恰当变比的4绕组变压器为例，各绕组配备单相全桥方波电压生成电路和对应的单相全桥接口电路，其中的两个单相全桥接口标记为输入侧的P、Q相端口，另外两个单相全桥接口标记为输出侧的t、s相接口，如图18(a)；多个模块的端口按照P、Q相和t、s相分别串联连接，最终形成的P端口的负极与Q端口的正极相连，并将此连接点作为双极性直流母线的中性点N，最终形成的t端口的负极与s端口的正极相连，并将此连接点作为双极性直流母线的中性点n，形成直流中压-直流中压变流器拓扑，如图18(b)。直流中压-直流低压变流器可选用与直流中压-直流中压变流器相似的磁耦合模块并保持中压侧连接关系不变，但低压侧需根据电压和功率需求拼组成不同的串并联阵列以形成直流低压端口，最终形成直流中压-直流低压变流器拓扑。
图18和图19分别给出了直流中压-直流中压和直流中压-直流低压变流器拓扑。应当理解，图中所示结构并不用于限定本发明。
7.多端***直流混合变流器
所述多端***直流混合变流器具有3个或3个以上交流、直流或交直流混合端口，涵盖多个端口串联或并联的磁耦合子模块，拥有中低压、单多相和恒/变频操作能力。磁耦合模块可根据实际需要将变压器绕组数设置为3个或3个以上，并选配直流、单相交流或三相交流端口，并根据各端口电压和功率等级的需要与其他模块的同类端口进行串联或并联连接，最终形成一族多端***直流混合的变流器拓扑。
为解释本发明的电路构造，以图20所示的四端口中低压交直流混合变流器电路为例进行说明。应当理解，图20的电路结构并不用于限定本发明。该变流器由10个完全相同的磁耦合模块构成，每个磁耦合模块的变压器绕组数设定为10个，其中4个绕组直接用方波电压源的输入端口作直流接口，另外6个绕组配备两电平单相全桥作交流接口。每个磁耦合模块4个直流接口中的2个配备单相半桥方波电压生成电路，分别构成直流H接口、直流L接口，另外2个配备单相全桥方波电压生成电路，分别构成直流P接口、直流Q接口；6个交流接口中的3个标记为A、B、C相，另外3个标记为a、b、c相。10个磁耦合模块的H、L、P、Q端口分别串联，最终形成的H端口的正极和L端口的负极相连，并将此连接点引出作为双极性直流母线的中性点N，最终形成的P端口的正极和Q端口的负极相连，并将此连接点引出作为双极性直流母线的中性点M，A、B、C相接口分别串联后连接成星形构成中压三相交流端口，a、b、c相接口通过三相四线制连接成星形构成低压三相交流端口。该四端口变流器的4个端口之间均通过高频变压器实现了磁隔离，极大程度地减小了磁芯的体积和重量；与此同时，三相交流端口的功率波动在高频变压器处相抵消，又最大程度地降低了电容器的容值，使选用薄膜电容以大幅度延长装备寿命成为可能。该四端口变流器可用作中压电能路由器，连接中压交流、低压交流、中压直流和低压直流的有源或无源网络，进行一对一或一对多的功率潮流控制，并且在确保各端口电能质量的同时能够阻断故障蔓延。
传统隔离型中压大功率变流器采用的工频变压器具有较大的体积和重量。不仅如此工频变压器原边或副边的变流器单元在处理交流功率时将功率波动转移到直流侧，直流侧安装的用于缓冲波动功率的电容器阵列进一步加大了装置的体积和重量。针对隔离型变流器中核心的工频变压器和电容器阵列带来的严重的功率密度问题，本发明从提高变压器频率以减小磁芯尺寸和重量，以及从采用磁耦合方式抵消波动功率以减小电容容值两个方面入手，构建以多绕组高频变压器、LC谐振支路、方波电压源变流器和交直流接口变流器为核心电路的多端口磁耦合模块，通过多个磁耦合模块间端口的串联或并联连接形成两端口直流-直流、两端口直流-交流、两端***流-交流以及多端***直流混合变流器拓扑系列。该系列变流器拓扑的核心是磁耦合模块，本发明对磁耦合模块的工作原理展开了详细的数学论证，在建立多绕组高频变压器与LC谐振支路一体化数学模型的基础上了，重点分析了方波电压源移相角与各绕组转移有功功率的数学关系，在遵循变压器功率守恒并合理使用近似条件的前提下得到了各绕组有功功率与方波电压源Q轴基波分量(相移角的间接表征)的比例关系，据此证实了磁路抵消交流波动功率的可行性。基于Matlab/Simulink的仿真模型进一步印证了该系列拓扑的可行性，以及在功率密度和效率方面相较于传统变流器的显著优势。
以下结合具体实例对本发明进行详细说明。
实施例
图21为基于磁耦合模块构建的中压三相交流-中压三相交流变流器，用于中压电机四象限变频驱动。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。每个磁耦合子模块的核心电路由1个六绕组高频变流器、6条LC谐振支路、6个方波电压源单相半桥组成。核心电路中每个变压器绕组串联一个LC支路，LC支路的另一端连接方波电压源半桥，半桥的直流侧负极连接绕组的另一个接线端子。考虑到单个高频变压器容量限制，每个磁耦合子模块可根据实际功率需求选用单个核心电路或多个并联连接的复合核心电路。核心电路的每个方波电压源直流端再配备一个大功率两电平单相全桥接口便形成了完整的大功率高功率密度磁耦合子模块。多个模块之间按照6个单相全桥接口分别串联连接，然后选取其中3个单相串进行星形连接构成中压三相电网输入端口，再对其余3个单相串进行星形连接构成中压三相电机输出端口。两个中压端口分别通过两组单相分立电抗器(每组3个)与电网和中压电机连接，便构成了中压电机驱动***主电路。
正常工作时，每个模块输入侧的三个单相全桥分别产生接近电网三相电压N分之一(N为模块数)的PWM电压，用于将输入电流塑造为单位功率因数的正弦波，该正弦波电流经输入侧的单相全桥接口电路转换化后便形成了附带直流偏置和二倍频波动的功率流，基于该功率流和功率与方波电压相移角的线性关系，每个绕组的方波电压源半桥电路便产生具有特定相移角的方波电压，该方波电压根据LC谐振支路以及多绕组高频变压器的能量转换机制产生各绕组的准正弦波电流，鉴于输入侧三相功率的二倍频波动依次相差120°，它们在高频变压器的输入绕组中产生的波动磁链相互抵消，只将平均功率通过磁路传递至输出侧，输出侧接收到平均功率后将其平均分配给变压器的三个输出绕组，基于此每个绕组再叠加与三相输出端口互补波动功率对应的波动磁路形成每个输出绕组的总磁链，依据该磁链每个输出绕组感应出准正弦波电流，该电流经方波电压源半桥整流后还原为附带直流偏置的波动功率流并传递给输出逆变器桥，并最终传递给中压电机。需要说明的是每个绕组方波电压源产生的方波电压均与绕组准正弦波电流相差一定的角度，确保了方波电压源中开关器件的软开关操作。
以上述思路设计的磁耦合模块的参数汇集在表1中，据此构建的Matlab/Simulink中压三相交流-中压三相交流变流器仿真模型完全达到了预期设计目标并实现了控制功能。仿真波形汇集在图22中。当三相输出电流以恒定的幅值从0赫兹到50赫兹线性增加并且输出电压按照恒压频比原则对应增加时，输入侧和输出侧变流器在选用极小电容容值的情况下仍将电压波动幅值控制在4％以内。与传统串联H桥中压电机驱动***相比，本发明中的变流器将电容容值降低60％以上，同时将笨重的工频移相变压器替换为高频变压器，进一步大幅度降低了体积和重量。
表1变换器具体参数
Figure BDA0003065243900000181
Figure BDA0003065243900000191
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。

Claims (9)

1.一种基于高频磁耦合模块的中压变流器拓扑结构，其特征在于，包括一个或多个磁耦合模块；
所述磁耦合模块的核心电路包括一个单相/多相多绕组高频变压器、与各绕组串联的LC谐振支路和对各绕组供电的单相/多相方波电压源；
各绕组上方波变流器的直流输入端外加直流或交流接口电路，使其形成能够封装的多端口磁耦合子模块；
所述多个磁耦合模块是多个同种或不同种磁耦合模块通过端口串联或并联连接形成。
2.根据权利要求1所述的基于高频磁耦合模块的中压变流器拓扑结构，其特征在于，所述磁耦合模块的核心电路为一个或并联的多个。
3.根据权利要求1所述的基于高频磁耦合模块的中压变流器拓扑结构，其特征在于，接口电路是方波电压源的直流输入端口，或是硅、碳化硅或其他开关器件构建的两电平、三电平或多电平的单相半桥、单相全桥、多相半桥、多相全桥变流器，或是DC-DC或AC-DC变流器。
4.根据权利要求1所述的基于高频磁耦合模块的中压变流器拓扑结构，其特征在于，磁耦合模块的不同端口是同一种接口电路，或是两种或多种接口电路混合使用。
5.根据权利要求1所述的基于高频磁耦合模块的中压变流器拓扑结构，其特征在于，所述多绕组变压器的频率是几百赫兹至几百千赫兹范围内的任一频率；多绕组高频变压器的相数是单相、两相、至m相，每相依次相移360°/m，每个绕组构成各相的线圈是双端开放，星形、三角形或其他形式的连接；多绕组变压器的绕组数是三绕组、四绕组、至n绕组；各绕组均通过LC谐振支路与一个m相方波电压源连接，方波电压源的各相依次相移360°/m。
6.根据权利要求1所述的基于高频磁耦合模块的中压变流器拓扑结构，其特征在于，所述方波电压源由硅、碳化硅或其他开关器件构建的m相半桥、m相全桥变流器充当，变流器是两电平、三电平、或者多电平。
7.根据权利要求1所述的基于高频磁耦合模块的中压变流器拓扑结构，其特征在于，每个所述磁耦合子模块的核心电路包括1个m相n绕组高频变压器、m*n条LC谐振支路、n个m相方波电压源半桥/全桥变流器；每个变压器的m相绕组端子分别串联一个LC支路，LC支路的另一端连接m相方波电压源半桥/全桥变流器。
8.根据权利要求7所述的基于高频磁耦合模块的中压变流器拓扑结构，其特征在于，所述m相是单相、两相或多相，n绕组是双绕组、三绕组或多绕组；
若m是单相且变流器为半桥，则每个绕组单相半桥变流器的直流侧负极连接绕组的另一个接线端子。
9.根据权利要求1所述的基于高频磁耦合模块的中压变流器拓扑结构，其特征在于，所述多个磁耦合模块形成三相交流-三相交流变流器、单相交流-三相交流变流器、单相交流-单相交流变流器、直流-三相交流变流器、直流-单相交流变流器和直流-直流的两端口变流器拓扑和兼具三种以上端口的系列化变流器拓扑。
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