CN109194147A - 一种具有冗余功能的智能微网用电力电子变压器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有冗余功能的智能微网用电力电子变压器，包括若干个级联的整流器，每个整流器的输出端分别连接至不同的冗余单元模块的输入端，每个冗余单元模块的输出端分别连接至不同的逆变器输入端；其中，所有的冗余单元模块级联，冗余单元模块中包括两个并联的高频变压器T1和高频变压器T2，当高频变压器T1或T2的原边损坏，并不会对另一个高频变压器的副边产生影响，另一个高频变压器可继续工作，具有冗余功能，不会影响电路的正常运行。

Description

一种具有冗余功能的智能微网用电力电子变压器
技术领域
本发明属于电力电子变压器技术领域，具体涉及一种具有冗余功能的智能微网用电力电子变压器。
背景技术
电力电子变压器是近年来随着电力电子技术的发展而引起人们关注的新型智能微网配电变压装置。电力电子变压器除了具备常规变压器的变压、隔离、能量传递等功能外，还具备电网互联、新能源并网等功能。目前，电力电子变压器按照中间有没有DC-DC变换环节，可以分为两大类：无DC-DC变换环节的AC-AC型电力电子变压器和有DC-DC变换环节的AC-DC-AC型电力电子变压器，原理如图1所示。其基本工作原理是：输入级整流器把工频交流电变换为直流后，直流电被变压器原边的逆变电路调制成为高频方波信号，然后该高频方波经变压器副边电路解调为直流电压后再逆变为所需交流输出。
图2是一种目前最具代表性的三极式电力电子变压器结构示意图，它的工作原理是：输入端的工频交流电通过H桥整流器变换为直流电，得到的直流电经过逆变器逆变成高频方波之后，通过高频变压器由一次绕组耦合到二次绕组，然后高频方波通过H桥整流器变换为直流，再通过逆变器逆变为负载侧所需的交流电能输出。这种结构具有以下优点：可以实现输入端在单位功率运行；可以抑制输入侧与负载侧之间谐波的波动；结构简单，功率器件数相对较少。但该结构中只有一个变压器，当电路中的变压器损坏时，整个三极式电力电子变压器无法正常工作，运行风险大。
发明内容
本发明提供了一种具有冗余功能的智能微网用电力电子变压器，解决了现有技术中存在的问题，可应用于智能微网。
为达到上述目的，本发明所述一种具有冗余功能的智能微网用电力电子变压器，冗余单元模块中包括两个并联的变压器，提高了整个电力电子变压器运行可靠性。
一种具有冗余功能的智能微网用电力电子变压器，包括若干个级联的整流器，每个整流器的输出端分别连接至不同的冗余单元模块的输入端，每个冗余单元模块的输出端分别连接至不同的逆变器输入端；其中，所有的冗余单元模块级联，冗余单元模块中包括两个并联的变压器。
进一步的，冗余单元模块包括依次连接的全桥逆变电路、高频变压器T1、高频变压器T2、第一和第二整流单元以及第一和第二滤波支路，其中，高频变压器T1和高频变压器T2的原边连接至同一个全桥逆变电路，高频变压器T1和高频变压器T2的副边分别与第一整流单元和第二整流单元的输入端连接，第一整流单元和第二整流单元的输出端分别与第一滤波支路和第二滤波支路连接，第一整流单元和第二整流单元的输出端，第一整流单元和第二整流单元并联。
进一步的，全桥逆变电路包括并联的超前桥臂和滞后桥臂，超前桥臂包括MOS管Q5，MOS管Q5的S极与MOS管Q6的D极连接，MOS管Q6的S极与MOS管Q7的D极连接，MOS管Q7的S极与MOS管Q8的D极连接；滞后桥臂包括MOS管Q1，MOS管Q1的S极与MOS管Q2的D极连接，MOS管Q2的S极与MOS管Q3的D极连接，MOS管Q3的S极与MOS管Q4的D极连接。
进一步的，还包括电容C1和电容C2，电容C1一端和MOS管Q5及MOS管Q1的D极连接，另一端和MOS管Q6及MOS管Q2的S极连接，电容C2一端和MOS管Q7及MOS管Q3的D极连接，另一端和MOS管Q8及MOS管Q4的S极连接。5、根据权利要求2所述的一种具有冗余功能的智能微网用电力电子变压器，其特征在于，第一整流单元包括三组并联的二极管，每组包括两个串联的二极管，第一组包括二极管D1和D4，第二组包括二极管D2和D5，第三组包括二极管D3和D6；第二整流单元包括三组并联的二极管，每组包括两个串联的二极管，第一组包括二极管D7和D10，第二组包括二极管D8和D11，第三组包括二极管D9和D12。
进一步的，还包括MOS管Q9、MOS管Q10、MOS管Q11和MOS管Q12，MOS管Q9的S极和二极管D1的负极连接，D极和二极管D2的负极连接；MOS管Q10的S极和二极管D4的负极连接，D极和二极管D1的正极连接；MOS管Q11的S极和二极管D7的负极连接，D极和二极管D8的负极连接；MOS管Q12的S极和二极管D10的负极连接，D极和二极管D7的正极连接。
进一步的，高频变压器T2的副边同名端与高频变压器T1的中性点、二极管D7的正极以及MOS管Q12的D极连接，高频变压器T2的中性点与高频变压器T1的副边的非同名端连接、D8的正极以及二极管D11的负极连接，高频变压器T2的副边另一端与二极管D9的正极以及二极管D12的负极连接；
高频变压器T1的副边同名端与二极管D1的正极以及MOS管Q10的D极连接，高频变压器T1的中性点与二极管D2的正极以及二极管D5的负极连接，高频变压器T1副边另一端与二极管D3的正极以及二极管D6的负极连接。
进一步的，还包括电容Ci1和电容Ci2，电容Ci1的一端与MOS管Q1的S极连接，另一端与高频变压器T1原边的同名端连接，高频变压器T1原边另一端与MOS管Q3的S极连接，电容Ci2的一端与MOS管Q5的S极连接，另一端与高频变压器T2原边的同名端连接，高频变压器T2原边另一端与MOS管Q7的S极连接；
进一步的，第一滤波支路包括电感L1、电容C01和电阻R1，电容C01和电阻R1并联后一端与电感L1的输出端以及滤波电路的正向输出端Vout+连接，另一端与二极管D4、D5和D6的正极以及滤波电路的负向输出端Vout-连接，电感L1的输入端与MOS管Q9的D极、二极管D2的负极以及二极管D2的负极连接；
第二滤波支路包括电感L2、电容C02和电阻R2，电容C02和电阻R2并联后一端与电感L2的输出端以及Vout+连接，另一端与二极管D10、D11和D12的正极以及滤波电路的负向输出端Vout-连接，电感L2的输入端与MOS管Q11的D极、二极管D8的负极以及二极管D9的负极连接。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果，设有两个并联的高频变压器，当高频变压器T1或T2的原边损坏，并不会对另一个高频变压器的副边产生影响，另一个高频变压器可继续工作，具有冗余功能，不需要额外的切换装置就可以实现后级电路的运行，不会影响电路的正常运行。
另外，电路结构简单，与其他电路拓扑结构相比，用两个串联的MOS管代替原来的一个MOS管实现高压变换，不需要额外的均压器件，如二极管，在传输相同功率时，MOS管所承受的电压应力更小，这种结构上的优势可以使它的输入电源电压等级较高，使电力电子变压器的容量得到提高，变换效率也相对可以更高；采用多模块级联，能够提升输入电压等级和功率等级。
再者，两个高频变压器T1和T2同时运行时，MOS管和输入电容的电压应力比较小，远小于用两个串联的MOS管代替原来的一个MOS管，在传输相同功率时，MOS管所承受的电压应力；此外，由于两个变压器T1和T2同时错相运行时，具体运行方式为，要么电容C1,C2和Ci2充电，电容Ci1储能，要么电容C1,C2和Ci1充电，电容Ci2储能，正是因为这种错相导通方式，所以可以减小输入电流谐波；由于输出电压是三电平的，所以可以减小输出电压的谐波。
附图说明
图1是有DC-DC变换环节的AC-DC-AC型电力电子变压器工作原理图；
图2是一种目前最具代表性的三极式电力电子变压器结构示意图；
图3是本发明整体示意图；
图4是冗余单元模块示意图；
图5是各开关管的导通时序图；
图6是t0～t1的工作状态图；
图7是t1～t2的工作状态图；
图8是t2～t3的工作状态图；
图9是t3～t4的工作状态图。
图4以及图6至图9中，各结点用数字1～37分别表示。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
参照图3，一种具有冗余功能的智能微网用电力电子变压器的整体示意图，包括若干级联冗余单元模块，其中冗余单元模块可以为一个或者多个，根据电压等级选择级联模块的多少，多个模块级联连接，可以提升变压器的容量等级；具体连接方式为：输入的工频高压交流电经过H桥整流器转换为直流电，H桥整流器的输出电压作为冗余单元模块的输入电压，然后接入冗余单元模块，然后经过冗余单元模块输出直流电，冗余单元模块输出端与逆变器的输入端连接。冗余单元模块的输入和输出都是直流，所以可以用它代替三极式电力电子变压器中的DC-DC环节，将冗余单元模块应用于三极式电力电子变压器，根据输入的电压等级级联相应数量的冗余单元模块。
参照图4，冗余单元模块包括依次连接的全桥逆变电路、变压器、整流电路和滤波电路，其中，高频变压器T1和高频变压器T2(高频变压器T1和T2均为降压变压器)的原边连接全桥逆变电路，高频变压器T1和T2的副边连接的是整流电路，然后经过滤波电路得到输出电压。
全桥逆变电路包括并联的超前桥臂和滞后桥臂，超前桥臂包括串联的MOS管Q5，MOS管Q5的S极与MOS管Q6的D极连接，MOS管Q6的S极与MOS管Q7的D极连接，MOS管Q7的S极与MOS管Q8的D极连接；
滞后桥臂包括串联的MOS管Q1，MOS管Q1的S极与MOS管Q2的D极连接，MOS管Q2的S极与MOS管Q3的D极连接，MOS管Q3的S极与MOS管Q4的D极连接；
电容C1一端和MOS管Q5及MOS管Q1的D极连接，另一端和MOS管Q6及MOS管Q2的S极连接，电容C2一端和MOS管Q7及MOS管Q3的D极连接，另一端和MOS管Q8及MOS管Q4的S极连接；
电容Ci1的一端与MOS管Q1的S极连接，另一端与高频变压器T1原边的同名端连接，高频变压器T1原边另一端与MOS管Q3的S极连接，电容Ci2的一端与MOS管Q5的S极连接，另一端与高频变压器T2原边的同名端连接，高频变压器T2原边另一端与MOS管Q7的S极连接；
高频变压器T2的副边同名端与高频变压器T1的中性点、二极管D7的正极以及MOS管Q12的D极连接，高频变压器T2的中性点与高频变压器T1的副边非同名端、二极管D8的正极以及二极管D11的负极连接，高频变压器T2的副边另一端与二极管D9的正极以及二极管D12的负极连接；
高频变压器T1的副边同名端与二极管D1的正极以及MOS管Q10的D极连接，高频变压器T1的中性点与二极管D2的正极以及二极管D5的负极连接，高频变压器T1副边另一端与二极管D3的正极以及二极管D6的负极连接；
整流电路包括并联的第一整流单元和第二整流单元，第一整流单元包括三组并联的二极管，每组包括两个串联的二极管，第一组包括二极管D1和D4，第二组包括二极管D2和D5，第三组包括二极管D3和D6，MOS管Q9的S极和二极管D1的负极连接，D极和二极管D2的负极连接，MOS管Q10的S极和二极管D4的负极连接，D极和二极管D1的正极连接，第一整流单元的输出端与第一滤波支路的输入端连接。
第二整流单元包括三组并联的二极管，每组包括两个串联的二极管，第一组包括二极管D7和D10，第二组包括二极管D8和D11，第三组包括二极管D9和D12，MOS管Q11的S极和二极管D7的负极连接，D极和二极管D8的负极连接，MOS管Q12的S极和二极管D10的负极连接，D极和二极管D7的正极连接，第二整流单元的输出端与第二滤波支路的输入端连接。
滤波电路包括并联的第一滤波支路和第二滤波支路，第一滤波支路的输入端与第一整流单元的输出端连接，第一滤波支路包括电感L1、电容C01和电阻R1，电容C01和电阻R1并联后一端与电感L1的输出端以及滤波电路的正向输出端Vout+连接，另一端与二极管D4、D5和D6的正极以及滤波电路的负向输出端Vout-连接，电感L1的输入端与MOS管Q9的D极、二极管D2的负极以及二极管D2的负极连接；
第二滤波支路的输入端与第二整流单元的输出端连接，第二滤波支路包括电感L2、电容C02和电阻R2，电容C02和电阻R2并联后一端与电感L2的输出端以及滤波电路的正向输出端Vout+连接，另一端与二极管D10、D11和D12的正极以及滤波电路的负向输出端Vout-连接，电感L2的输入端与MOS管Q11的D极、二极管D8的负极以及二极管D9的负极连接。
图5是各开关管的导通时序图，根据各开关管的导通时序图可以获得图6～图9四种不同的工作状态；其中，MOS管Q1、MOS管Q4、MOS管Q6、MOS管Q7同时导通，MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q5、MOS管Q8同时导通，MOS管Q9、MOS管Q12同时导通，MOS管Q10、MOS管Q11同时导通，MOS管Q9、MOS管Q12和MOS管Q10、MOS管Q11具有移相的作用，并且他们是互补导通的；MOS管Q1、MOS管Q4、MOS管Q6、MOS管Q7和MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q5、MOS管Q8也是互补导通。
图6是t0～t1的工作状态图，在t0～t1时间段内，高频变压器T1原边开关管Q1、Q4、Q6、Q7和副边开关管Q10、Q11同时导通，高频变压器T1的原边电流从电压Vin的正极出发，依次流过开关管Q1、电容Ci1、高频变压器T1的原边和开关管Q4，回到电压源负极；高频变压器T1的副边电流从副边依次流经二级管D3，电感L1，负载R1，二级管D4和开关管Q10，最后从变压器的同名端流回到高频变压器T1的副边；高频变压器T2的原边电流依次流经电容Ci2、开关管Q6、Q7和高频变压器T2的原边，再回到电容Ci2；高频变压器T2的副边电流从副边依次流经二级管D7，开关管Q11，电感L2，负载R2，二级管D12，最后从变压器的异名端流回到高频变压器T2的副边。开关管Q2、Q3、Q5、Q8和Q9、Q12处于断开状态，没有电流流过。
图7是t1～t2的工作状态图，在t1～t2时间段内，原边开关管Q1、Q4、Q6、Q7和副边开关管Q9、Q12同时导通，高频变压器T1的原边电流从电压Vin的正极出发，依次流过开关管Q1、电容Ci1、高频变压器T1的原边和开关管Q4，回到电压源负极；高频变压器T1的副边电流从副边同名端依次流经二级管D1，开关管9，电感L1，负载R1和二级管D6，最后从变压器的异名端流回到高频变压器T1的副边；高频变压器T2的原边电流依次流经电容Ci2、开关管Q6、Q7和高频变压器T2的原边，再回到电容Ci2；高频变压器T2的副边电流从副边异名端依次流经二级管D9，电感L2，负载R2，二级管D10和开关管Q12，最后从变压器的同名端流回到高频变压器T2的副边。开关管Q2、Q3、Q5、Q8和Q10、Q11处于断开状态，没有电流流过。
图8是t2～t3的工作状态图，在t2～t3时间段内，原边开关管Q2、Q3、Q5、Q8和副边开关管Q9、Q12同时导通，高频变压器T1的原边电流依次流过电容Ci1、开关管Q2和Q3、高频变压器T1的原边；高频变压器T1的副边电流从副边同名端依次流经二级管D1，开关管9，电感L1，负载R1和二级管D6，最后从变压器的异名端流回到高频变压器T1的副边；高频变压器T2的原边电流从电压Vin的正极出发，依次流经开关管Q5、电容Ci2、高频变压器T2的原边、开关管Q5，最后回到电压源的负极；高频变压器T2的副边电流从副边异名端依次流经二级管D9，电感L2，负载R2，二级管D10和开关管Q12，最后从变压器的同名端流回到高频变压器T2的副边。开关管Q1、Q4、Q6、Q7和Q10、Q11处于断开状态，没有电流流过。
图9是t3～t4的工作状态图，在t2～t3时间段内，原边开关管Q2、Q3、Q5、Q8和副边开关管Q10、Q11同时导通，高频变压器T1的原边电流依次流过电容Ci1、开关管Q2和Q3、高频变压器T1的原边；高频变压器T1的副边电流从副边依次流经二级管D3，电感L1，负载R1，二级管D4和开关管Q10，最后从变压器的同名端流回到高频变压器T1的副边；高频变压器T2的原边电流从电压Vin的正极出发，依次流经开关管Q5、电容Ci2、高频变压器T2的原边、开关管Q5，最后回到电压源的负极；高频变压器T2的副边电流从副边依次流经二级管D7，开关管Q11，电感L2，负载R2，二级管D12，最后从变压器的异名端流回到高频变压器T2的副边。开关管Q1、Q4、Q6、Q7和Q9、Q12处于断开状态，没有电流流过。
通过控制MOS管的导通与关断，分为四种开关模态，每一种开关模态对应的的输出电压是不同的，即每一种开关模态从冗余单元模块输出的电压不同，所以，经过逆变器再输出的低压交流侧的电压是不同的，即可以达到通过控制不同的开关模态达到控制输出低压交流侧电压的效果。
在充电状态，电容C1和电容C2是滤波电容，作用是滤除高次谐波，使直流电源供电更加平滑；在逆变状态，电容C1和电容C2是储能电容器，有助于减小电源内阻。
电容Ci1和电容Ci2是隔直电容，它将信号中的直流成分阻断，而让交流成分顺利传递到后级电路，简单来说就是隔直流通交流。
整流电路中，MOS管Q9、Q10、Q11和Q12有两个作用：一方面可以提高二极管的耐压值，另一方面可以通过导通时序来控制MOS管的开通与关断来控制整流桥的电流流通方向。
由于高频变压器T1和T2的副边是并联的，所以，当其中一个高频变压器T1或T2的原边损坏时，并不会对另一个变压器的副边产生影响，另一个变压器可继续正常工作。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有冗余功能的智能微网用电力电子变压器，其特征在于，包括若干个级联的整流器，每个整流器的输出端分别连接至不同的冗余单元模块的输入端，每个冗余单元模块的输出端分别连接至不同的逆变器输入端；其中，所有的冗余单元模块级联，冗余单元模块中包括并联的高频变压器T1和高频变压器T2。
2.根据权利要求1所述的一种具有冗余功能的智能微网用电力电子变压器，其特征在于，冗余单元模块包括依次连接的全桥逆变电路、高频变压器T1、高频变压器T2、第一和第二整流单元以及第一和第二滤波支路，其中，高频变压器T1和高频变压器T2的原边连接至同一个全桥逆变电路，高频变压器T1和高频变压器T2的副边分别与第一整流单元和第二整流单元的输入端连接，第一整流单元和第二整流单元的输出端分别与第一滤波支路和第二滤波支路连接，第一整流单元和第二整流单元的输出端，第一整流单元和第二整流单元并联。
3.根据权利要求2所述的一种具有冗余功能的智能微网用电力电子变压器，其特征在于，全桥逆变电路包括并联的超前桥臂和滞后桥臂，超前桥臂包括MOS管Q5，MOS管Q5的S极与MOS管Q6的D极连接，MOS管Q6的S极与MOS管Q7的D极连接，MOS管Q7的S极与MOS管Q8的D极连接；滞后桥臂包括MOS管Q1，MOS管Q1的S极与MOS管Q2的D极连接，MOS管Q2的S极与MOS管Q3的D极连接，MOS管Q3的S极与MOS管Q4的D极连接。
4.根据权利要求3所述的一种具有冗余功能的智能微网用电力电子变压器，其特征在于，还包括电容C1和电容C2，电容C1一端和MOS管Q5及MOS管Q1的D极连接，另一端和MOS管Q6及MOS管Q2的S极连接，电容C2一端和MOS管Q7及MOS管Q3的D极连接，另一端和MOS管Q8及MOS管Q4的S极连接。
5.根据权利要求2所述的一种具有冗余功能的智能微网用电力电子变压器，其特征在于，第一整流单元包括三组并联的二极管，每组包括两个串联的二极管，第一组包括二极管D1和D4，第二组包括二极管D2和D5，第三组包括二极管D3和D6；
第二整流单元包括三组并联的二极管，每组包括两个串联的二极管，第一组包括二极管D7和D10，第二组包括二极管D8和D11，第三组包括二极管D9和D12。
6.根据权利要求5所述的一种具有冗余功能的智能微网用电力电子变压器，其特征在于，还包括MOS管Q9、MOS管Q10、MOS管Q11和MOS管Q12，MOS管Q9的S极和二极管D1的负极连接，D极和二极管D2的负极连接；MOS管Q10的S极和二极管D4的负极连接，D极和二极管D1的正极连接；MOS管Q11的S极和二极管D7的负极连接，D极和二极管D8的负极连接；MOS管Q12的S极和二极管D10的负极连接，D极和二极管D7的正极连接。
7.根据权利要求5所述的一种具有冗余功能的智能微网用电力电子变压器，其特征在于，高频变压器T2的副边同名端与高频变压器T1的中性点、二极管D7的正极以及MOS管Q12的D极连接，高频变压器T2的中性点与高频变压器T1的副边的非同名端连接、D8的正极以及二极管D11的负极连接，高频变压器T2的副边另一端与二极管D9的正极以及二极管D12的负极连接；
高频变压器T1的副边同名端与二极管D1的正极以及MOS管Q10的D极连接，高频变压器T1的中性点与二极管D2的正极以及二极管D5的负极连接，高频变压器T1副边另一端与二极管D3的正极以及二极管D6的负极连接。
8.根据权利要求3所述的一种具有冗余功能的智能微网用电力电子变压器，其特征在于，还包括电容Ci1和电容Ci2，电容Ci1的一端与MOS管Q1的S极连接，另一端与高频变压器T1原边的同名端连接，高频变压器T1原边另一端与MOS管Q3的S极连接，电容Ci2的一端与MOS管Q5的S极连接，另一端与高频变压器T2原边的同名端连接，高频变压器T2原边另一端与MOS管Q7的S极连接。
9.根据权利要求2所述的一种具有冗余功能的智能微网用电力电子变压器，其特征在于，第一滤波支路包括电感L1、电容C01和电阻R1，电容C01和电阻R1并联后一端与电感L1的输出端以及滤波电路的正向输出端Vout+连接，另一端与二极管D4、D5和D6的正极以及滤波电路的负向输出端Vout-连接，电感L1的输入端与MOS管Q9的D极、二极管D2的负极以及二极管D2的负极连接；
第二滤波支路包括电感L2、电容C02和电阻R2，电容C02和电阻R2并联后一端与电感L2的输出端以及Vout+连接，另一端与二极管D10、D11和D12的正极以及滤波电路的负向输出端Vout-连接，电感L2的输入端与MOS管Q11的D极、二极管D8的负极以及二极管D9的负极连接。
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