CN106981991A - 一种隔离型直流/直流固态变压器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种隔离型直流/直流固态变压器，所述隔离型直流/直流固态变压器为三相四线交流输入和直流输出，所述固态变压器包括A相子单元、B相子单元和C相子单元，各相子单元均能够完成带隔离的交流转直流电压变换。有效抑制电动车充电过程中产生的谐波对电网电能质量的影响，有效提高功率因数，从而实现节能降耗，并简化了供电系统及充电设备的结构。

Description

一种隔离型直流/直流固态变压器
技术领域
本发明涉及能源网络领域，具体涉及一种固态变压器。
背景技术
目前典型的电动汽车充电站供电系统如图1所示。变压器102连接于电网101得到380V三相交流电为电动汽车充电站的充电负载以及通信、照明等设备供电。低压开关柜103连接多个交流充电桩106及多个直流充电柜107，为充电负载提供电能。交流充电桩106可为电动汽车提供220V交流充电电压，用于交流慢速充电。直流充电柜107进一步将电能分配到多个直流充电桩108，直流充电桩108将380V三相交流电转化为400V及750V直流电压，可为电动汽车提供直流快速充电电压。另外，380V三相交流线路还连接补偿设备105，用于无功补偿以及提高功率因数，以符合接入电网的要求。
现有的电动汽车充电站供电系统采用传统的电力变压器和以380V三相交流电为主的供电线路，其不足之处在于：
(1)由于电动汽车充电为非线性负载，在充电过程中将同时向电网注入谐波电流导致电网电能质量下降、电网损耗增加及输变电设备正常容量占用。采用传统的电力变压器接入电网时并不能对产生的谐波进行隔离和治理，因此，在充电设备中需要加入谐波治理模块，以及在供电线路需要增设无功补偿设备，来提高接入电网节点的功率因数。然而，根据现有供电系统结构，每一个充电桩都需要设置谐波治理模块，若要取得较好的谐波治理效果，相应的充电桩的成本将会显著增加。另外，若要取得较好的无偿补偿效果以稳定节点电压，无功补偿设备的补偿容量也需要根据负载情况进行变动，相应的补偿设备控制复杂，设备造价也相应提高。
(2)电动汽车的充电特别是直流快速充电将给电网负荷带来大量的变动，不利于保持供电稳定。
(3)现有供电系统不便接入可再生能源。由于太阳能、风能这类可再生能源存在时变性、间歇性和难以预测等固有特点，现有供电系统使用的传统电力变压器不具备电压调整功能，难以控制接入电网的节点电压保持稳定。另外，由于采用以380V三相交流电为主的供电线路，太阳能、风能接入时需要逆变器将直流电逆变为交流电以并入供电线路，针对可再生能源的转化、储存和利用的控制将会非常复杂，难以进行实际应用。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种可隔离的固态变压器，以400V直流为主的供电线路以及通过交流/直流固态变压器接入电网，有效抑制电动车充电过程中产生的谐波对电网电能质量的影响，有效提高功率因数，从而实现节能降耗，并简化了供电系统及充电设备的结构，在此基础上，储能单元的应用可对电网负荷进行有效调控，有利于供电稳定，交流/直流固态变压器以及以400V直流为主的供电线路的设置也便于太阳能、风能等可再生能源的接入。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案为采用一种隔离型直流/直流固态变压器，所述隔离型直流/直流固态变压器为三相四线交流输入和直流输出，所述固态变压器包括A相子单元、B相子单元和C相子单元，各相子单元均能够完成带隔离的交流转直流电压变换；
优选的，所述A相子单元交流输入端口的第一端子连接电网A相，所述A相子单元交流输入端口的第二端子连接电网中性线。
优选的，所述B相子单元交流输入端口的第一端子连接电网B相，所述B相子单元交流输入端口的第二端子连接电网中性线。
优选的，所述C相子单元交流输入端口的第一端子连接电网C相，所述C相子单元交流输入端口的第二端子连接电网中性线；
优选的，所述A相子单元、所述B相子单元和所述C相子单元的直流输出端口并联。
优选的，所述A相子单元、所述B相子单元和所述C相子单元均包括整流模块、隔离型直流/直流变换模块、第一电容和第二电容；
所述整流模块的交流输入端连接各相子单元来自电网的输入端，所述整流模块的直流输出端连接所述隔离型直流/直流变换模块的输入端，所述整流模块的直流输出端还并联第一电容，所述隔离型直流/直流变换模块的输出端连接各相子单元的直流输出端，所述隔离型直流/直流变换模块的输出端还并联第二电容。
优选的，所述A相子单元、所述B相子单元和所述C相子单元均包括多个隔离型交流/直流变换模块和滤波电感；
优选的，所述隔离型交流/直流变换模块包括第一H桥、第二H桥、第三H桥、第三电容、第四电容和高频变压器；
所述第一H桥、所述第二H桥、所述第三H桥均由4个IGBT模块构成，所述第一H桥第一桥臂和第二桥臂的中点构成所述隔离型交流/直流变换模块的输入端口，所述第一H桥的上下两端并联所述第三电容，所述第一H桥的上下两端与所述第二H桥的上下两端连接，所述第二H桥第一桥臂和第二桥臂的中点形成的端口与所述高频变压器的一次侧端口连接，所述高频变压器的二次侧端口与所述第三H桥第一桥臂和第二桥臂的中点形成的端口连接，所述第三H桥的上下两端并联所述第四电容，所述第三H桥的上下两端构成所述隔离型交流/直流变换模块的输出端口；
优选的，述滤波电感与多个所述隔离型交流/直流变换模块输入端口依次串联形成各相子单元的交流输入端口，多个所述隔离型交流/直流变换模块的输出端口并联形成各相子单元的直流输出端口。
本发明的首要改进之处为与现有技术比，本发明达到的有益效果是：
(1)固态变压器本身具有体积小、重量轻、无环境污染、易维护的优点，本发明使用的交流/直流固态变压器，一方面，可以实现电网侧电流和功率的灵活调节，保证始终保证电网侧电流为正弦波形，具有对电网侧功率因数调节的功能，可避免充电时产生的谐波以及功率因数下降的电能质量问题传播到电网侧，从而保障电网供电稳定并降低供电损耗；另一方面，电网通过交流/直流固态变压器向充电站内以400V直流为主的供电线路供电，交流/直流固态变压器可以保障充电站侧供电电压稳定；此外，由交流/直流固态变压器具有对电网侧功率因数调节以及谐波抑制的良好效果，在供电系统中可以不使用无功补偿设备，充电设备也可弱化对谐波抑制功能的要求，可有效简化供电系统及充电设备的结构，降低建设成本。
附图说明
图1为本发明提供的交流/直流固态变压器的实施方案；
图2为本发明提供的交流/直流固态变压器中A、B、C各相子单元的实施方案。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1为本发明提供的交流/直流固态变压器的一种实施方案。图1的方案中交流/直流固态变压器为三相四线交流输入和直流输出，包括A相子单元610、B相子单元620和C相子单元630，各相子单元均能够完成带隔离的交流转直流电压变换。
A相子单元610交流输入端口的第一端子连接电网A相，A相子单元610交流输入端口的第二端子连接电网中性线；B相子单元620交流输入端口的第一端子连接电网B相，B相子单元620交流输入端口的第二端子连接电网中性线；C相子单元630交流输入端口的第一端子连接电网C相，C相子单元630交流输入端口的第二端子连接电网中性线。A相子单元610、B相子单元620和C相子单元630的直流输出端口并联。
作为一种优选方案，A相子单元610、B相子单元620和C相子单元630均包括整流模块611612、隔离型直流/直流变换模块、第一电容C1和第二电容C2。整流模块611的交流输入端连接各相子单元来自电网的输入端，整流模块611的直流输出端连接隔离型直流/直流变换模块612的输入端，整流模块611的直流输出端还并联电容C1，隔离型直流/直流变换模块612的输出端连接各相子单元的直流输出端，隔离型直流/直流变换模块612的输出端还并联电容C2。
图1方案中的交流/直流固态变压器连接三相电网与直流供电线路，能够为电动汽车充电站提供电力，
在图1的基础上，图2为交流/直流固态变压器中A、B、C各相子单元的实施方案。
A、B、C各相子单元均包括多个隔离型交流/直流变换模块710和滤波电感L1。
隔离型交流/直流变换模块710包括由IGBT模块Q1-Q4构成的第一H桥、由IGBT模块Q5-Q8构成的第二H桥、由IGBT模块Q9-Q12构成的第三H桥、电容C3、电容C4和高频变压器T1。
第一H桥中由IGBT模块Q1、Q3构成第一桥臂和由IGBT模块Q2、Q4构成的第二桥臂的中点构成隔离型交流/直流变换模块710的输入端口，第一H桥的上下两端并联电容C3，第一H桥的上下两端与第二H桥的上下两端连接，第二H桥中由IGBT模块Q5、Q7构成的第一桥臂和由IGBT模块Q6、Q8构成的第二桥臂的中点形成的端口与高频变压器T1的一次侧端口连接，高频变压器T2的二次侧端口与第三H桥中由IGBT模块Q9、Q11构成的第一桥臂和由IGBT模块Q10、Q12构成的第二桥臂的中点形成的端口连接，第三H桥的上下两端并联电容C4，第三H桥的上下两端构成隔离型交流/直流变换模块710的输出端口。
滤波电感L1与多个隔离型交流/直流变换模块710输入端口依次串联形成各相子单元的交流输入端口，多个隔离型交流/直流变换模块710的输出端口并联形成各相子单元的直流输出端口。
图2的方案对A、B、C各相子单元进行了改进，通过多个隔离型交流/直流变换模块710在输入侧串联分压，在输出侧并联，有效降低各个IGBT模块承受的电压，能够适应电网侧电压较高的应用场合。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种隔离型直流/直流固态变压器，其特征在于，所述隔离型直流/直流固态变压器为三相四线交流输入和直流输出，所述固态变压器包括A相子单元、B相子单元和C相子单元，各相子单元均能够完成带隔离的交流转直流电压变换。
2.根据权利要求1所述的隔离型直流/直流固态变压器，其特征在于，所述A相子单元交流输入端口的第一端子连接电网A相，所述A相子单元交流输入端口的第二端子连接电网中性线。
3.如权利要求1所述的隔离型直流/直流固态变压器，其特征在于，
所述B相子单元交流输入端口的第一端子连接电网B相，所述B相子单元交流输入端口的第二端子连接电网中性线。
4.如权利要求1所述的隔离型直流/直流固态变压器，其特征在于，
所述C相子单元交流输入端口的第一端子连接电网C相，所述C相子单元交流输入端口的第二端子连接电网中性线。
5.如权利要求2“4任意一条所述的隔离型直流/直流固态变压器，其特征在于，所述A相子单元、所述B相子单元和所述C相子单元的直流输出端口并联。
6.如权利要求1所述的隔离型直流/直流固态变压器，其特征在于，所述A相子单元、所述B相子单元和所述C相子单元均包括整流模块、隔离型直流/直流变换模块、第一电容和第二电容；
所述整流模块的交流输入端连接各相子单元来自电网的输入端，所述整流模块的直流输出端连接所述隔离型直流/直流变换模块的输入端，所述整流模块的直流输出端还并联第一电容，所述隔离型直流/直流变换模块的输出端连接各相子单元的直流输出端，所述隔离型直流/直流变换模块的输出端还并联第二电容。
7.如权利要求1所述的隔离型直流/直流固态变压器，其特征在于，所述A相子单元、所述B相子单元和所述C相子单元均包括多个隔离型交流/直流变换模块和滤波电感。
8.如权利要求7所述的隔离型交流/直流固态变压器，其特征在于，所述隔离型交流/直流变换模块包括第一H桥、第二H桥、第三H桥、第三电容、第四电容和高频变压器；
所述第一H桥、所述第二H桥、所述第三H桥均由4个IGBT模块构成，所述第一H桥第一桥臂和第二桥臂的中点构成所述隔离型交流/直流变换模块的输入端口，所述第一H桥的上下两端并联所述第三电容，所述第一H桥的上下两端与所述第二H桥的上下两端连接，所述第二H桥第一桥臂和第二桥臂的中点形成的端口与所述高频变压器的一次侧端口连接，所述高频变压器的二次侧端口与所述第三H桥第一桥臂和第二桥臂的中点形成的端口连接，所述第三H桥的上下两端并联所述第四电容，所述第三H桥的上下两端构成所述隔离型交流/直流变换模块的输出端口。
9.如权利要求8所述的隔离型交流/直流固态变压器，其特征在于，述滤波电感与多个所述隔离型交流/直流变换模块输入端口依次串联形成各相子单元的交流输入端口，多个所述隔离型交流/直流变换模块的输出端口并联形成各相子单元的直流输出端口。
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