CN107659196A - 三端口电力电子变压器 - Google Patents

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徐晓轶
程亮
王生强
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Abstract

一种三端口电力电子变压器，所述三端口电力电子变压器包括高频变压器、一个第一低压变流模块以及N个高压变流模块，N为自然数，且N≥2，其中：所述N个高压变流模块的直流端串联于所述三端口电力电子变压器的高压直流供电端；所述高频变压器的原边包括N个原边线圈，每个所述原边线圈与所述N个高压变流模块的交流端一一对应连接；所述高频变压器的副边包括一个副边线圈，所述副边线圈与所述第一低压变流模块的交流端连接。本发明提供的三端口电力电子变压器可以降低副边端口数量，解决原有多个高频变压器之间高低压端口的绝缘问题，有效减小高频变压器体积，提升三端口电力电子变压器的功率密度。

Description

三端口电力电子变压器
技术领域
本发明涉及一种三端口电力电子变压器领域，具体地涉及一种三端口电力电子变压器。
背景技术
随着大量的分布式可再生能源装置及储能设备接入电网，电网对其配套设备的要求也在逐渐提升。其中，能够对能量进行主动控制及分配的配套设备是日后发展的重中之重。包含高频变压器的电力电子能量变换装置作为其中的代表得到了业界的广泛关注。例如，电力电子变换装置作为传统变压器的替代品，在传统变压器原有的电气隔离，电压调节功能的基础上，添加了新能源接入、无功补偿、直流电源接口、变频输出、改善电能质量、故障检测及恢复、实时监测和联网通讯等功能。因此，电力电子变换装置有望成为未来能源互联网中的核心设备。
但是电力电子变换装置的制造技术目前尚未成熟，在该装置中包含若干个大功率高频变压器，高频变压器的体积问题及彼此之间的绝缘设计成为现有电力电子变换装置设计的难点。
发明内容
本发明的目的在于提出一种三端口电力电子变压器，以解决原有多个高频变压器之间高低压端口的绝缘问题，减小高频变压器体积。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种三端口电力电子变压器，所述三端口电力电子变压器包括高频变压器、第一低压变流模块、第二低压变流模块以及N个高压变流模块，N为自然数，且N≥2，其中：所述N个高压变流模块的直流端串联于所述三端口电力电子变压器的高压直流供电端；所述高频变压器的原边包括N个原边线圈，每个所述原边线圈与所述N个高压变流模块的交流端一一对应连接；所述高频变压器的副边包括一个副边线圈，所述副边线圈与所述第一低压变流模块的交流端连接；所述第一低压变流模块的两个直流端与所述第一低压变流模块的两个直流端对应连接。
上述方案中，所述N个原边线圈绕制在不同的磁芯上，所述副边线圈均匀分散绕制在所述不同的磁芯上。
上述方案中，所述第一低压变流模块为双向变流模块；和/或，所述高压变流模块为双向变流模块；和/或，所述第二低压变流模块为双向变流模块。
上述方案中，所述高压变流模块和/或所述第一低压变流模块和/或所述第二电压变流模块包括全桥电路，所述全桥电路的每个桥臂包括一个功率器件以及与所述功率器件反并联的二极管，所述功率器件全控型功率器件。上述方案中，所述功率器件包括以下任一种：场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管、晶闸管、三极管或可控硅。
上述方案中，所述第一高压变流模块和所述第一低压变流模块为直流-高频交流变流模块。
上述方案中，所述第一低压变流模块为整流模块，所述高压变流模块为逆变模块，所述第二低压变流模块为逆变模块；或者，所述第一低压变流模块为逆变模块，所述高压变流模块为整流模块，所述第二低压变流模块为整流模块。
本发明提供的三端口电力电子变压器将高频变压器的副边线圈减少为一个，相比较现有技术，可以降低副边端口数量，解决原有多个高频变压器之间高低压端口的绝缘问题，有效减小高频变压器体积，提升三端口电力电子变压器的功率密度。
附图说明
图1是本发明实施例三端口电力电子变压器的结构示意图；
图2是本发明实施例中的全桥电路的结构示意图；
图3是本发明实施例中的三端口电力电子变压器的第一工作模式示意图；
图4是本发明实施例中的三端口电力电子变压器的第二工作模式示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
如图1所示，本发明实施例提供一种三端口电力电子变压器，该三端口电力电子变压器包括高频变压器110、一个第一低压变流模块以及N个高压变流模块，N为自然数，且N≥2，其中：N个高压变流模块的直流端P1，P2，P3…Pn串联于三端口电力电子变压器的高压直流供电端；高频变压器的原边包括N个原边线圈，每个原边线圈与N个高压变流模块的交流端S1，S2，S3…Sn一一对应连接；高频变压器的副边包括一个副边线圈，副边线圈与第一低压变流模块的交流端连接。
在现有技术中的一种电力电子变压器中，M个高压变流模块的直流端串联在高压直流母线上，高压逆变模块将高压直流母线上的直流电压转换为高频交流电压，M个低压整流模块的直流端串联在该电力电子变压器的低压直流输出端，低压整流模块将高频交流电压转换为直流电压。其中，M个原边线圈分别与这M个高压逆变模块的交流端一一对应连接，M个副边线圈分别与M个低压整流模块的交流端一一对应连接，同时，这M个原边线圈与M个副边线圈一一对应，组成M个高频变压器。其中，M为自然数，且M≥2。这时，多个高频变压器的低压端的端口数量为2M个。因为高频变压器的低压端的端口与高压端的端口具有距离上的绝缘设计要求，因此，共有2M个低压端口需要设计与高压端口之间的绝缘距离，该设计要求使得高频变压器的体积较大，难以满足当前对电力电子变压器功率密度的需求。
而在本发明实施例提供的三端口电力电子变压器中，如图1所示，N个原边线圈绕制在不同的磁芯上，副边线圈均匀分散绕制在这些不同的磁芯上，即把这些磁芯看作一个整体来绕制线圈。变压器副边的端口数目降低为两个，即与原边高压端口具有绝缘距离的要求的端口数量由2N个下降为2个，大大降低了绝缘距离设计要求。这种方法能够有效的减少高频变压器的体积，进而提高三端口电力电子变压器的功率密度。
其中，高压变流模块以及第一低压变流模块均为高频交流-直流转换模块。如图1所示，本发明实施例提供的电力电子转换器还包括第二低压变流模块，第二低压变流模块的直流端与副边线圈对应连接的第一低压变流模块的直流端连接。因而，如图1所示，该三端口电力电子变压器具有三个端口，分别是高压直流端口，低压直流端口和低压交流端口，是一种三端口三端口电力电子变压器。
如图2所示，高压变流模块、第一低压变流模块以及第二低压变流模块包括全桥逆变电路，全桥逆变电路的每个桥臂包括一个功率器件以及与功率器件反并联的二极管，该功率器件全控型功率器件，其种类可以为场效应管、晶闸管、三极管、绝缘栅双极型晶体管或可控硅，且并不局限于此。
进一步地，第二低压变流模块包括全桥电路，全桥电路的每个桥臂包括一个功率器件以及与功率器件反并联的二极管，功率器件种类可以为场效应管、晶闸管、三极管、绝缘栅双极型晶体管或可控硅，且并不局限于此。
如图3所示的第一工作模式中，能量流动方向为由高压变流模块至第一低压变流模块，此时，第一低压变流模块为整流模块，高压变流模块为逆变模块，第二低压变流模块为逆变模块，高压直流模块的直流端为高压直流输入端，第一低压变流模块的直流端为低压直流输出端，第二低压变流模块的交流端为低压交流输出端。
如图4所示的第二工作模式中，能量流动方向为由第一低压变流模块至高压变流模块，此时，第一低压变流模块为逆变模块，高压变流模块为整流模块，第二低压变流模块为整流模块，高压直流模块的直流端为高压直流输出端，第一低压变流模块的直流端为低压直流输入端，第二低压变流模块的交流端为低压交流输入端。
在本发明实施例中的三端口电力电子变压器应用于储能装置中时，第一低压变流模块为双向变流模块，高压变流模块为双向变流模块，第二低压变流模块为双向变流模块，高压直流电池与高压变流模块的高压直流端连接。
当储能装置处于充电状态时，高压变流模块作为整流模块使用，第一低压变流模块作为逆变模块，第一低压变流模块可以将储能装置外部的直流电源转换为低压交流电源，并通过高压变流模块为高压直流电池充电。此时，第二低压变流模块作为整流模块使用，可以将储能装置外部提供的低压交流电源转换为低压直流电源。
当储能装置处于放电状态时，高压变流模块作为逆变模块使用，第一低压变流模块作为整流模块，可以向储能装置外部提供低压直流电源，第二低压变流模块作为逆变模块使用，可以向储能装置外部提供低压交流电源。
本发明提供的三端口电力电子变压器将高频变压器的副边线圈减少为一个，相比较现有技术，可以降低副边端口数量，解决原有多个高频变压器之间高低压端口的绝缘问题，有效减小高频变压器体积，提升三端口电力电子变压器的功率密度。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种三端口电力电子变压器，其特征在于，所述三端口电力电子变压器包括高频变压器、第一低压变流模块、第二低压变流模块以及N个高压变流模块，N为自然数，且N≥2，其中：
所述N个高压变流模块的直流端串联于所述三端口电力电子变压器的高压直流供电端；
所述高频变压器的原边包括N个原边线圈，每个所述原边线圈与所述N个高压变流模块的交流端一一对应连接；
所述高频变压器的副边包括一个副边线圈，所述副边线圈与所述第一低压变流模块的交流端连接；
所述第二低压变流模块的两个直流端与所述第一低压变流模块的两个直流端对应连接。
2.根据权利要求1所述的三端口电力电子变压器，其特征在于，所述N个原边线圈绕制在不同的磁芯上，所述副边线圈均匀分散绕制在所述不同的磁芯上。
3.根据权利要求2所述的三端口电力电子变压器，其特征在于，所述第一低压变流模块为双向变流模块；和/或，所述高压变流模块为双向变流模块；和/或，所述第二低压变流模块为双向变流模块。
4.根据权利要求3所述的三端口电力电子变压器，其特征在于，所述高压变流模块和/或所述第一低压变流模块和/或所述第二低压变流模块包括全桥电路，所述全桥电路的每个桥臂包括一个功率器件以及与所述功率器件反并联的二极管，所述功率器件全控型功率器件。
5.根据权利要求4所述的三端口电力电子变压器，其特征在于，所述功率器件包括以下任一种：场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管、晶闸管、三极管或可控硅。
6.根据权利要求2所述的三端口电力电子变压器，其特征在于，所述高压变流模块和所述第一低压变流模块为直流-高频交流变流模块。
7.根据权利要求2所述的三端口电力电子变压器，其特征在于，所述第一低压变流模块为整流模块，所述高压变流模块为逆变模块，所述第二低压变流模块为逆变模块；
或者，所述第一低压变流模块为逆变模块，所述高压变流模块为整流模块，所述第二低压变流模块为整流模块。
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