CN105991042A - 一种单相电力电子变压器及其应用系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单相电力电子变压器及其应用系统，属于电力电子电能变换领域，主要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。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。同时，通过单相电力电子变压器的组合可实现三相AC/AC型电力电子变压器和三相AC/DC型电力电子变压器。单相电力电子变压器及其应用系统基于模块化设计，具有结构简单、使用和维护方便、效率高、成本低、可靠性好，可方便扩展到高压应用场合等特点，可广泛应用于电力变压器、隔离的整流器和逆变器。
Description
技术领域
本发明涉及一种单相电力电子变压器及其应用系统，属于电力电子电能变换技术领域，特别是实现交流到交流的隔离调压变换、交流到直流的隔离调压变换、直流到交流隔离调压调频变换，尤其适用于电力变压器、整流器和逆变器系统。
背景技术
传统电力变压器以其结构简单、成本低、效率高、可靠性好等优势，仍然是目前实现电能变换的主要措施。然而，随着电网中谐波电流、无功电流和不平衡电流等问题的不断恶化，传统电力变压器的运行损耗突出，变压器故障率明显提升。另外，传统电力变压器因其体积大、功能单一，无法满足未来大量分布式能源的接入和电动汽车充电的更高要求。
随着电力电子技术的飞速发展，上世纪70年代，实现电能变换的另一种方式——电力电子变压器（PET）或者固态变压器（SST）的概念被提出来。经历了40多年的发展，电力电子变压器的研究不断深入，现阶段电力电子变压器的拓扑分为单级结构、两级结构和三级结构，级联的级数越多，功能越丰富。但现有电力电子变压器存在着可靠性低、效率低、控制复杂和成本高等问题，而且现有方案实现高压应用也非常复杂。
发明内容
本发明的目的在于解决以上问题并提供一种高效率的单相电力电子变压器及其应用系统。该单相电力电子变压器及其应用系统主要基于高效率的高频隔离DC/DC变换器实现，满足交流到交流的隔离调压变换、交流到直流的隔离调压变换、直流到交流隔离调压调频变换。
本发明采用如下技术方案。
一种单相电力电子变压器，包括2个相同的高频隔离DC/DC模块，其特征在于，2个高频隔离DC/DC模块的原边一对同极性的直流端子连接在一起形成原边中心端子，其另一对同极性的直流端子作为单相电力电子变压器的原边交流端子；2个高频隔离DC/DC模块的副边一对同极性的直流端子连接在一起形成副边中心端子，其另一对同极性的直流端子作为单相电力电子变压器的副边交流端子。
如上所述的单相电力电子变压器，其特征在于，所述的高频隔离DC/DC模块包括M个相同的高频隔离DC/DC子模块，且每个高频隔离DC/DC子模块的原边直流侧和副边直流侧均并联有二极管；M个高频隔离DC/DC子模块的连接方式为原边直流侧并联副边直流侧串联或者原边直流侧串联副边直流侧并联；高频隔离DC/DC子模块由N个高频隔离DC/DC变换器并联构成，即N个高频隔离DC/DC变换器的原边直流侧并联，同时其副边直流侧并联。
如上所述的的单相电力电子变压器，其特征在于，所述的高频隔离DC/DC变换器包括半桥电路、高频变压器、高频电感和电容；高频变压器m个原边绕组和n个副边绕组绕制在一个磁芯上，并共用一个磁路；高频变压器每个原边绕组一端经高频电感LSp与其对应半桥电路中点连接，原边绕组的电容CHp和CLp串联后并联在对应的原边半桥电路直流母线上，其串联中点与该原边绕组另一端连接；高频变压器的每个副边绕组一端经高频电感LSs与其对应的半桥电路中点连接，副边绕组的电容CHs和CLs串联后并联在对应的副边半桥电路直流母线上，其串联中点与该副边绕组另一端连接；高频变压器原边m个半桥电路直流母线按照正负极依次串联，高频变压器副边n个半桥电路直流母线按照正负极依次串联。
如上所述的单相电力电子变压器，其特征在于，还包括2个单相交流滤波器和单相变流器；单相电力电子变压器的原边交流端子和副边交流端子分别与原边和副边的单相交流滤波器的相连；同时单相变流器的交流端子与单相电力电子变压器的副边交流端子相连。
如上所述的单相电力电子变压器，其特征在于，单相电力电子变压器的副边交流端子连接在一起，与副边中心端子一起构成单相电力电子变压器的副边直流侧端子。
如上所述所述的单相电力电子变压器，其特征在于，还包括单相交流滤波器和直流滤波器；单相交流滤波器与单相电力电子变压器的原边交流端子相连；直流滤波器与单相电力电子变压器的副边直流端子相连。
一种三相AC/AC型电力电子变压器应用系统，包括三相交流滤波器和△/Y连接选择器，其特征在于，还包括如上所述的单相电力电子变压器；3个单相电力电子变压器的原边交流端子经串联的原边△/Y连接选择器与原边三相交滤波器相连；3个单相电力电子变压器的副边交流端子经串联的副边△/Y连接选择器与副边三相交滤波器的相连。
如上所述的三相AC/AC型电力电子变压器应用系统，其特征在于，还包括三相变流器；三相变流器并联在三相交滤波器与△/Y连接选择器连接线上。
一种三相AC/DC型电力电子变压器应用系统，包括三相交流滤波器和△/Y连接选择器，其特征在于，还包括如上所述的单相电力电子变压器；3个单相电力电子变压器的原边交流端子经串联的△/Y连接选择器与三相交流滤波器相连；3个单相电力电子变压器的副边直流端子一对一直接并联；副边直流端子与直流滤波器相连。
一种用于单相电力电子变压器的级联方法，其特征在于，多个单相电力电子变压器的原边交流端子串联，且副边的交流端子和中心端子一对一并联；或者，多个单相电力电子变压器的原边的交流端子和中心端子一对一并联，且副边的交流端子串联。
本发明结构简单，基于模块化设计，使用和维护方便，效率高，成本低，可靠性好，可方便扩展到高压应用场合。
附图说明
图1是本发明所示的一种单相电力电子变压器。
图2是本发明所示的一种高频隔离DC/DC模块。
图3是本发明所示的一种高频隔离DC/DC子模块。
图4是本发明所示的一种高频隔离DC/DC变换器。
图5是本发明所示的一种带滤波器的单相电力电子变压器。
图6是本发明所示的一种AC/DC单相电力电子变压器。
图7是本发明所示的一种带滤波器的AC/DC单相电力电子变压器。
图8是本发明所示的一种带滤波器的AC/AC三相电力电子变压器应用系统。
图9是本发明所示的一种带滤波器的AC/DC三相电力电子变压器应用系统。
图10是本发明所示的一种原边并联副边串联的单相电力电子变压器级联方法。
图11是本发明所示的一种原边串联副边并联的单相电力电子变压器级联方法。
图12是本发明所示的△/Y连接选择器的△型连接结构。
图13是本发明所示的△/Y连接选择器的Y型连接结构。
具体实施方式
以下通过具体实施方式，结合附图对本发明作进一步说明。
图1所示的一种单相电力电子变压器，包括2个相同的高频隔离DC/DC模块No.1和No.2，2个高频隔离DC/DC模块的一对原边正极性的直流端子连接在一起形成原边中心端子Op，其另一对原边负极性的直流端子作为单相电力电子变压器的原边交流端子Ap和Np；2个高频隔离DC/DC模块的副边一对负极性的直流端子连接在一起形成副边中心端子Os，其另一对正极性的直流端子作为单相电力电子变压器的副边交流端子As和Ns。
图2所示的一种高频隔离DC/DC模块，包括M个相同的高频隔离DC/DC子模块，M个高频隔离DC/DC子模块的原边直流侧串联，即原边直流侧k的负极与原边直流侧k+1的正极连接在一起，k从1变到M－1，原边直流侧1的正极和原边直流侧M的负极构成高频隔离DC/DC模块的原边直流端子；M个高频隔离DC/DC子模块的副边直流侧并联，即M个相同的高频隔离DC/DC子模块副边直流侧的正极连接在一起，且M个相同的高频隔离DC/DC子模块副边直流侧的负极极连接在一起，并构成高频隔离DC/DC模块的副边直流端子。
图3所示的一种高频隔离DC/DC子模块，包括N个并联的高频隔离DC/DC变换器和2个二极管，即N个高频隔离DC/DC变换器的原边直流侧并联构成高频隔离DC/DC子模块的原边直流端子，同时副边直流侧也并联构成高频隔离DC/DC子模块的副边直流端子；高频隔离DC/DC子模块的原边和副边的直流端子各并联一个二极管，二极管的阳极与其负极性直流端子连接，二极管的阴极与其正极性直流端子连接。
图4所示的一种高频隔离DC/DC变换器，包括半桥电路、高频变压器、高频电感和电容；高频变压器Tx的m个原边绕组和n个副边绕组绕制在一个磁芯上，并共用一个磁路。高频变压器每个原边绕组一端经高频电感LSp与其对应半桥电路中点A连接，原边绕组的电容CHp和CLp串联后并联在对应的原边半桥电路直流母线上，其串联中点B与该原边绕组另一端连接；高频变压器的每个副边绕组一端经高频电感LSs与其对应的半桥电路中点a连接，副边绕组的电容CHs和CLs串联后并联在对应的副边半桥电路直流母线上，其串联中点b与该副边绕组另一端连接；高频变压器原边m个半桥电路直流母线按照正负极依次串联，高频变压器副边n个半桥电路直流母线按照正负极依次串联。
高频隔离DC/DC变换器可以是正激变换器、反激变换器、谐振变换器和移相全桥变换器，以及其它实现隔离直流转换的高频隔离DC/DC变换器。
图5所示的一种带滤波器的单相电力电子变压器，包括2个单相交流滤波器、单相变流器和图1所示的单相电力电子变压器；单相电力电子变压器的原边交流端子和副边交流端子分别与原边和副边的单相交流滤波器的相连；同时单相变流器的交流端子与单相电力电子变压器的副边交流端子相连。单相变流器主要实现谐波治理、无功补偿功能和储能移峰填谷等功能，也可在单相变流器直流侧接入储能、光伏和风力发电等。
图6所示的一种AC/DC单相电力电子变压器，为图1所示的单相电力电子变压器将其副边交流端子As和Ns连接在一起，与副边中心端子Os一起构成单相电力电子变压器的副边直流端子。
图7所示的一种带滤波器的AC/DC单相电力电子变压器，包括图6所示的AC/DC单相电力电子变压器、单相交流滤波器和直流滤波器；单相交流滤波器与单相电力电子变压器的原边交流端子相连；直流滤波器与单相电力电子变压器的副边直流端子相连。
图8所示的一种带滤波器的AC/AC三相电力电子变压器应用系统，包括三相交流滤波器、△/Y连接选择器、三相变流器和如图1所示的单相电力电子变压器。3个单相电力电子变压器的原边交流端子经串联的原边△/Y连接选择器与原边三相交滤波器相连，此时原边△/Y连接选择器处于△型连接；3个单相电力电子变压器的副边交流端子经串联的副边△/Y连接选择器与副边三相交滤波器的相连，此时副边△/Y连接选择器处于Y型连接；三相变流器为三相四线，且并联在副边三相交滤波器与副边△/Y连接选择器之间的连线上。三相变流器主要实现谐波治理、无功补偿功能和储能移峰填谷等功能，也可在三相变流器直流侧接入储能、光伏和风力发电等。
图9所示的一种带滤波器的AC/DC三相电力电子变压器应用系统，包括三相交流滤波器、△/Y连接选择器、直流滤波器以及图6所示的单相电力电子变压器。3个单相电力电子变压器的原边交流端子经串联的△/Y连接选择器与三相交流滤波器相连，此时△/Y连接选择器处于Y型连接；3个单相电力电子变压器的副边直流端子一对一直接并联，即As1、As2和As3连接在一起，副边直流端子Os1、Os2和Os3连接在一起；副边直流端子与直流滤波器相连。
图10所示的一种原边并联副边串联的单相电力电子变压器级联方法，该单相电力电子变压器实现AC/DC变换。单相电力电子变压器的原边交流端子一对一直接并联，即原边端子Ap1至Apm连接在一起，原边端子Op1至Opm连接在一起，原边端子Np1至Npm连接在一起。同时，副边直流端子依次串联，即端子Osk与As(k+1)连接在一起，k从1变到m－1。
图11所示的一种原边串联副边并联的单相电力电子变压器级联方法，该单相电力电子变压器实现AC/AC变换。单相电力电子变压器的副边交流端子一对一直接并联，即副边端子As1至Asm连接在一起，副边端子Os1至Osm连接在一起，副边端子Ns1至Nsm连接在一起。同时，原边交流端子依次串联，即端子Npk与Ap (k+1)连接在一起，k从1变到m－1。
图12所示的△/Y连接选择器的△型连接结构，3个单相电力电子变压器的6个交流端子按下列方式连接：端子A、端子A1与端子N3连接在一起，端子B、端子N1和端子A2连接在一起，端子C、端子N2和端子A3连接在一起。图13所示的△/Y连接选择器的Y型连接结构，3个单相电力电子变压器的6个交流端子按下列方式连接：端子A与端子A1连接在一起，端子B与端子A2连接在一起，端子C与端子A3连接在一起，端子N、端子N1、端子N2与端子N3连接在一起。
Claims (10)
1.一种单相电力电子变压器，包括2个相同的高频隔离DC/DC模块，其特征在于，2个高频隔离DC/DC模块的原边一对同极性的直流端子连接在一起形成原边中心端子，其另一对同极性的直流端子作为单相电力电子变压器的原边交流端子；2个高频隔离DC/DC模块的副边一对同极性的直流端子连接在一起形成副边中心端子，其另一对同极性的直流端子作为单相电力电子变压器的副边交流端子。
2.根据权利要求1所述的单相电力电子变压器，其特征在于，所述的高频隔离DC/DC模块包括M个相同的高频隔离DC/DC子模块，且每个高频隔离DC/DC子模块的原边直流侧和副边直流侧均并联有二极管；M个高频隔离DC/DC子模块的连接方式为原边直流侧并联副边直流侧串联或者原边直流侧串联副边直流侧并联；高频隔离DC/DC子模块由N个高频隔离DC/DC变换器并联构成，即N个高频隔离DC/DC变换器的原边直流侧并联，同时其副边直流侧并联。
3.根据权利要求2所述的单相电力电子变压器，其特征在于，所述的高频隔离DC/DC变换器包括半桥电路、高频变压器、高频电感和电容；高频变压器m个原边绕组和n个副边绕组绕制在一个磁芯上，并共用一个磁路；高频变压器每个原边绕组一端经高频电感LSp与其对应半桥电路中点连接，原边绕组的电容CHp和CLp串联后并联在对应的原边半桥电路直流母线上，其串联中点与该原边绕组另一端连接；高频变压器的每个副边绕组一端经高频电感LSs与其对应的半桥电路中点连接，副边绕组的电容CHs和CLs串联后并联在对应的副边半桥电路直流母线上，其串联中点与该副边绕组另一端连接；高频变压器原边m个半桥电路直流母线按照正负极依次串联，高频变压器副边n个半桥电路直流母线按照正负极依次串联。
4.根据权利要求1和权利要求2所述的单相电力电子变压器，其特征在于，还包括2个单相交流滤波器和单相变流器；单相电力电子变压器的原边交流端子和副边交流端子分别与原边和副边的单相交流滤波器的相连；同时单相变流器的交流端子与单相电力电子变压器的副边交流端子相连。
5.根据权利要求1和权利要求2所述的单相电力电子变压器，其特征在于，单相电力电子变压器的副边交流端子连接在一起，与副边中心端子一起构成单相电力电子变压器的副边直流侧端子。
6.根据权利要求5所述的单相电力电子变压器，其特征在于，还包括单相交流滤波器和直流滤波器；单相交流滤波器与单相电力电子变压器的原边交流端子相连；直流滤波器与单相电力电子变压器的副边直流端子相连。
7.一种三相AC/AC型电力电子变压器应用系统，包括三相交流滤波器和△/Y连接选择器，其特征在于，还包括如权利要求1或者权利要求2所述的单相电力电子变压器；3个单相电力电子变压器的原边交流端子经串联的原边△/Y连接选择器与原边三相交滤波器相连；3个单相电力电子变压器的副边交流端子经串联的副边△/Y连接选择器与副边三相交滤波器的相连。
8.根据权利要求7所述的三相AC/AC型电力电子变压器应用系统，其特征在于，还包括三相变流器；三相变流器并联在三相交滤波器与△/Y连接选择器连接线上。
9.一种三相AC/DC型电力电子变压器应用系统，包括三相交流滤波器和△/Y连接选择器，其特征在于，还包括如权利要求5所述的单相电力电子变压器；3个单相电力电子变压器的原边交流端子经串联的△/Y连接选择器与三相交流滤波器相连；3个单相电力电子变压器的副边直流端子一对一直接并联；副边直流端子与直流滤波器相连。
10.一种用于单相电力电子变压器的级联方法，其特征在于，多个单相电力电子变压器的原边交流端子串联，且副边的交流端子和中心端子一对一并联；或者，多个单相电力电子变压器的原边的交流端子和中心端子一对一并联，且副边的交流端子串联。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |