CN111510007A - 混合隔离型单相电力电子变压器 - Google Patents

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Abstract

一种混合隔离型单相电力电子变压器，由电容隔离型变换器和高频变压器隔离型变换器组成。电容隔离型变换器由多个电容隔离型功率模块通过输入侧串联输出侧并联构成，可实现固定变比调压和电气隔离。高频变压器隔离型变换器采用多个高频隔离型功率模块通过输入侧串联输出侧并联构成，在实现电气隔离的同时亦可实现电压变比可配置。本发明可根据混合隔离型单相电力电子变压器所接入电网的电压等级，对两类隔离型变换器的数量及高频变压器原、副边线圈匝数比配置。与现有电容隔离型变换器拓扑相比，本发明可实现高低压侧电压等级变换的任意配置。本发明通过高频电容实现电力电子变压器高、低压侧电路的电气隔离，具有运行效率高、体积小等优点。

Description

混合隔离型单相电力电子变压器
技术领域
本发明涉及一种电力电子变压器，特别涉及一种混合隔离型单相电力电子变压器。
背景技术
电力电子变压器以高频化电力电子变换技术为基础，除了可以实现高压交流到低压交流或直流的电气隔离和电压等级变换功能，还可具备可再生能源接入、能量双向可控、电能质量治理等功能，在智能电网、能源互联网、轨道交通机车牵引等领域具有广泛的应用前景。
现有的技术的电力电子变压器大多数都是通过中高频变压器实现高、低压侧电路的电气隔离，而且通过配置中高频变压器的原副边线圈匝数比设计电力电子变压器的变比。但是，这些技术方案存在高压大容量中高频变压器运行效率难以提高、电-磁-热多物理场综合优化设计困难、系统电路拓扑复杂等问题，影响了电力电子变压器效率和功率密度的提高，也导致造价高，难以规模推广应用。另外一种方式是通过高频电容器实现高、低压侧电路的电气隔离，相比于采用中高频变压器的隔离方案，高频电容器的体积功率密度更高，可以减小电力电子变压器的体积。然而，采用高频电容器的技术方案存在着电压变换变比固定不可调节的问题。
发明专利CN201010287926、CN20102053675等均是采用高频电容实现电气隔离。发明专利CN201310016540、CN201410135384、CN201510129159、CN201610274288、CN201710079402、CN201711082371、CN201811171060等均是采用中高频变压器实现电气隔离。
发明内容
本发明的目的旨在克服现有电力电子变压器采用高频变压器实现电气隔离，存在电路拓扑复杂、效率低、体积大等缺点，而采用高频电容实现电气隔离存在电压变换变比固定不可调节的问题，提出一种混合隔离型单相电力电子变压器。
本发明混合隔离型单相电力电子变压器由电容隔离型变换器、高频隔离型变换器和滤波电感Lf组成。
所述的电容隔离型变换器由R个电容隔离功率模块CM-1、CM-2、……、CM-R级联连接构成，R为正整数。每个所述的电容隔离功率模块均含有Z1、Z2、Z3、Z4四个连接端子。所述电容隔离型变换器中的第k电容隔离功率模块CM-k连接端子Z2连接到第k+1电容隔离功率模块CM-(k+1)连接端子Z1，1≤k≤R-1；所述电容隔离型变换器中的第1电容隔离功率模块的CM-1连接端子Z1连接到M点；所述电容隔离型变换器中的第R电容隔离功率模块CM-R的连接端子Z2连接到G点。
所述的高频隔离型变换器由S个高频隔离型功率模块HM-1、HM-2、……、HM-S级联连接构成，S为正整数。每个所述的高频隔离型功率模块均含有Y1、Y2、Y3、Y4四个连接端子。所述高频变压隔离型变换器中的第k高频隔离型功率模块SM-k的连接端子Y2连接到第k+1高频隔离型功率模块SM-(k+1)的连接端子Y1，1≤k≤S-1；所述高频变压隔离型变换器的第1高频隔离型功率模块SM-1的连接端子Y1连接到G点；所述高频变压隔离型变换器的第S高频隔离型功率模块SM-S的连接端子Y2连接到N点。
所述滤波电感Lf的一端连接到M点，所述滤波电感Lf的另外一端连接到所述电容隔离功率模块CM-1连接端子Z1。
电容隔离型变换器中电容隔离功率模块个数R以及高频隔离型变换器中高频变压器原副边线圈匝数比Tf根据单相高压交流端口电压UAC和低压直流端口电压UDC配置。
电容隔离型变换器中电容隔离型功率模块不具备电压等级变换功能。电容隔离型变换器中级联连接的电容隔离型功率模块个数R最小可设置为1，最大可设置为：
Figure BDA0002459243480000031
其中，Rmax表示电容隔离型功率模块的最大数量，[]表示向下取整，dRC表示电容隔离型功率模块中交流输入侧的平均调制比，UDC表述示低压直流端口额定电压，UAC表示单相高压交流端口电压有效值。
高频隔离变换器中高频隔离型功率模块具备电压等级变换功能。高频变压隔离型变换器中级联连接的高频隔离型功率模块个数S可配置为任意正整数，此时高频变压器原副边线圈匝数比Tf应配置为：
Figure BDA0002459243480000032
其中，[]表示向下取整，dRH表示高频隔离型功率模块中交流输入侧的平均调制比，R表示级联连接的电容隔离型功率模块的数量。
附图说明
图1为本发明混合隔离型单相电力电子变压器电路的原理图；
图2为本发明电容隔离型变换器内的电容隔离型功率模块的电路原理图；
图3为本发明高频隔离型变换器的高频隔离型功率模块的电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明混合隔离型单相电力电子变压器由电容隔离型变换器、高频隔离型变换器和滤波电感Lf组成。所述的电容隔离型变换器由R个电容隔离功率模块CM-1、CM-2、……、CM-R级联连接构成，R为正整数。所述的每个电容隔离功率模块均含有Z1、Z2、Z3、Z4四个连接端子。所述电容隔离型变换器中的第k电容隔离功率模块CM-k的连接端子Z2连接到第k+1电容隔离功率模块CM-(k+1)连接端子Z1，1≤k≤R-1；所述电容隔离型变换器中的第1电容隔离功率模块CM-1的连接端子Z1连接到M点；所述电容隔离型变换器中的第R电容隔离功率模块CM-R的连接端子Z2连接到G点。
所述的高频隔离型变换器由S个高频隔离型功率模块HM-1、HM-2、……、HM-S级联连接构成，S为正整数。每个所述的高频隔离型功率模块均含有Y1、Y2、Y3、Y4四个连接端子。所述高频变压隔离型变换器中的第k高频隔离型功率模块SM-k连接端子Y2连接到第k+1高频隔离型功率模块SM-(k+1)连接端子Y1，1≤k≤S-1；所述高频变压隔离型变换器中的第1高频隔离型功率模块SM-1的连接端子Y1连接到G点；所述高频变压隔离型变换器中的第S高频隔离型功率模块SM-S连接端子Y2连接到N点。
所述滤波电感Lf的一端连接到M点，所述滤波电感Lf的另外一端连接到所述电容隔离功率模块CM-1连接端子Z1。
如图2所示，本发明混合隔离型单相电力电子变压器中，电容隔离型变换器内的R个电容隔离型功率模块CM-1、CM-2、……、CM-R均由工频交流整流单元Hg、直流电容Ch、高频逆变单元Hi、无极性高压隔离电容Cr、谐振电感Lr、高频整流单元Hr、输出电容Co组成。工频交流整流单元的端子xg、yg分别与直流电容Ch的端子ph、nh连接，高频逆变单元Hi的端子xi、yi也与直流电容Ch的端子ph、nh连接。高频整流单元Hr的端子xr、yr与输出电容Co的端子po、no连接。无极性高压隔离电容Cr的端子pr、nr分别连接到高频逆变单元Hi的端子ai、谐振电感Lr的端子pL，谐振电感Lr的端子nL连接到高频整流单元Hr的端子ar。高频逆变单元Hi的端子bi与高频整流单元Hr的端子br连接在一起。
如图3所示，本发明混合隔离型单相电力电子变压器中高频隔离型变换器内的S个高频隔离型功率模块HM-1、HM-2、……、HM-S均由工频交流整流单元Hg、直流电容Ch、高频逆变单元Hi、无极性电容Cr、高频变压器Th、高频整流单元Hr、输出电容Co组成。工频交流整流单元的端子xg、yg分别与直流电容Ch的端子ph、nh连接，高频逆变单元Hi的端子xi、yi也与直流电容Ch的端子ph、nh连接。高频整流单元Hr的端子xr、yr与输出电容Co的端子po、no连接。无极性电容Cr的端子pr、nr分别连接到高频逆变单元Hi的端子ai、高频变压器Th的端子x1，高频变压Th的端子x2、x3与x4分别连接至高频逆变单元Hi的端子bi、高频整流单元Hr的端子ar、br。
本发明可根据单相高压交流端口电压有效值UAC和低压直流端口额定电压UDC配置电容隔离型变换器中电容隔离功率模块的数量R以及高频隔离型变换器中高频变压器原副边线圈匝数比Tf。
电容隔离型变换器中电容隔离型功率模块不具备电压等级变换功能。以所述电容隔离型变换器中的第k电容隔离功率模块CM-k为例，其直流电容Ch的额定工作电压Uh与其输出电容Co的额定直流电压Uo相等。电容隔离型变换器中级联连接的电容隔离型功率模块个数R最小可设置为1，最大可设置为：
Figure BDA0002459243480000051
其中，[]表示向下取整，dRC表示电容隔离型功率模块中交流输入侧的平均调制比。
高频隔离变换器中高频隔离型功率模块具备电压等级变换功能。以所述高频隔离型变换器中的第k高频隔离功率模块HM-k为例，其直流电容Ch的额定工作电压Uh与其输出电容Co的额定直流电压Uo之比等于高频变压器原副边线圈匝数比Tf。高频变压隔离型变换器中级联连接的高频隔离型功率模块数量S可配置为任意正整数，此时高频变压器原副边线圈匝数比Tf应配置为：
Figure BDA0002459243480000052
其中，[]表示向下取整，dRH表示高频隔离型功率模块中交流输入侧的平均调制比。
本发明混合隔离型单相电力电子变压器的一个实施例如下：单相高压交流端口电压us＝8000sin(100πt)V，其有效值UAC＝8.0kV。低压直流端口额定电压为1.0kV。电容隔离型功率模块中工频交流整流单元调制比设置为dRC＝0.85。按照电容隔离型变换器中电容隔离型功率模块不具备电压等级变换功能，可以最大设置电容隔离型功率模块Rmax＝13，不妨设置R＝10，即电容隔离型功率模块为10个。每一个模块输出侧额定直流电压为1.0kV。高频隔离型功率模块中工频交流整流单元调制比设置为dRH＝0.85，不妨配置高频隔离型功率模块个数S＝2，此时高频变压器原副边线圈匝数比Tf可配置为Tf≈1.654≈43：26。混合隔离型单相电力电子变压器中包含10个电容隔离型变换器以及2个高频隔离型变换器，其中高频隔离型变换器的原副边匝数比配置为43：26。

Claims (2)

1.一种混合隔离型单相电力电子变压器，其特征在于：所述的混合隔离型单相电力电子变压器由电容隔离型变换器、高频变压器隔离型变换器和滤波电感Lf组成；所述的电容隔离型变换器由R个电容隔离功率模块CM-1、CM-2、……、CM-R级联连接构成，R为正整数；每个电容隔离功率模块均含有Z1、Z2、Z3、Z4四个连接端子；所述电容隔离型变换器中的第k电容隔离功率模块CM-k的连接端子Z2连接到第k+1电容隔离功率模块CM-(k+1)的连接端子Z1，1≤k≤R-1；所述电容隔离型变换器中的第1电容隔离功率模块CM-1的连接端子Z1连接到M点；所述电容隔离型变换器中的第R电容隔离功率模块CM-R的连接端子Z2连接到G点；
所述的高频隔离型变换器由S个高频隔离型功率模块HM-1、HM-2、……、HM-S级联连接构成，S为正整数；所述的每个高频隔离型功率模块均含有Y1、Y2、Y3、Y4四个连接端子；所述高频变压隔离型变换器中的第k高频隔离型功率模块SM-k的连接端子Y2连接到第k+1高频隔离型功率模块SM-(k+1)的连接端子Y1，1≤k≤S-1；所述高频变压隔离型变换器中的第1高频隔离型功率模块SM-1的连接端子Y1连接到G点；所述高频变压隔离型变换器中的第S高频隔离型功率模块SM-S的连接端子Y2连接到N点；
所述滤波电感Lf的一端连接到M点，所述滤波电感Lf的另外一端连接到所述电容隔离功率模块CM-1的连接端子Z1。
2.如权利要求1所述的混合隔离型单相电力电子变压器，其特征在于：所述电容隔离型变换器中电容隔离功率模块个数R以及高频隔离型变换器中高频变压器原副边线圈匝数比Tf根据单相高压交流端口电压UAC和低压直流端口电压UDC配置；
电容隔离型变换器中电容隔离型功率模块不具备电压等级变换功能；电容隔离型变换器中级联连接的电容隔离型功率模块的数量R最小设置为1，最大设置为：
Figure FDA0002459243470000021
其中，Rmax表示电容隔离型功率模块的最大数量，[]表示向下取整，dRC表示电容隔离型功率模块中交流输入侧的平均调制比，UDC表述示低压直流端口额定电压，UAC表示单相高压交流端口电压有效值；
高频隔离变换器中的高频隔离型功率模块具备电压等级变换功能；高频变压隔离型变换器中级联连接的高频隔离型功率模块数量S可配置为任意正整数，此时高频变压器原副边线圈匝数比Tf配置为：
Figure FDA0002459243470000022
其中，[]表示向下取整，dRH表示高频隔离型功率模块中交流输入侧的平均调制比，R表示级联连接的电容隔离型功率模块的数量。
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