CN111711347B - 混合隔离型电力电子变压器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电力电子变压器技术领域，具体涉及了一种混合隔离型电力电子变压器，旨在解决现有电力电子变压器采用单一隔离方式导致功率密度难以提高的问题。本发明包括：m台变压器隔离型变换器和n台电容隔离型变换器，在输入侧串联、输出侧并联组成(m,n均为大于1的正整数)混合隔离型电力电子变压器。本发明相比变压器隔离型电力电子变压器，采用了部分电容隔离变换器，可以减小变换器的体积和重量；相比电容隔离型电力电子变压器，采用了部分变压器隔离型变换器，无需多台串并联即可较容易实现电压变换，减少了电容隔离型变换器的数量。相比于采用单一隔离方式的电力电子变压器，混合隔离型结合了两者的优点，提高了电力电子变压器的功率密度。

Description

混合隔离型电力电子变压器
技术领域
本发明属于电力电子变压器技术领域，具体涉及了一种混合隔离型电力电子变压器。
背景技术
电力电子变压器具备传统工频变压器所具有的交流电压等级变换和电气隔离功能，还能够实现可再生能源/储能等设备直流接入、交流侧谐波治理、无功补偿、端口间故障隔离以及与智能设备通讯等功能，应用于交直流混合配电网不仅能够减少电能变换级数，优化系统结构，提高配电网效率和经济性，是构建未来智能电网、能源互联网的关键电气设备之一。
现有的取得广泛研究的电力电子变压器普遍采用高频变压器实现高、低压侧隔离。应用于实际交直流混合配电网的兆瓦级电力电子变压器绝大多数采用Si-IGBT，受到Si-IGBT开关损耗限制，现有的基于Si-IGBT的电力电子变压器开关频率一般不超过10kHz。另一方面，虽然高频变压器相比工频变压器体积已经减小许多，但受到隔离电压和单体功率限制，现有电力电子变压器中包含多台高频变压器，体积占比较大，功率密度难以提升。
为解决以上问题，相关专利也提出了不同的解决方案。发明专利CN201710480255[1]和CN201711335505[2]提出了减少电能变换环节的电力电子变压器拓扑，但高频环节功率半导体器件需要硬开关，效率较低，增加了散热系统体积。发明专利CN201910212485[3]、US3517300DA[4]提出了矩阵型的电力电子变压器拓扑，减少了储能元件的体积和重量，但其中高频隔离变压器仍然占据了较大的体积和重量，而且矩阵变换器还存在保护困难等缺点。发明专利CN201910795301[5]、 CN201910825819[6]、CN201010287926[7]、CN201820941964[8]中隔离环节均是采用电容隔离的方式，隔离电容相比于隔离变压器的体积和重量大幅度降低，但电容隔离方式难以实现电压变换，在需要电压变换的场合需要多台电容隔离变换器串并联组合，增加了变换器的数量，限制了功率密度的进一步提高。
以下文献是与本发明相关的技术背景资料：
[1]李子欣、王平、李耀华、高范强、徐飞、马逊，两级变换型交流-直流电力电子变压器，2017.06
[2]李子欣、李耀华、王平、高范强、徐飞、马逊、赵聪，三级型交直流混合三端口电力电子变压器，2017.12
[3]李子欣、胡钰杰、赵聪、王平、李耀华，三相交流高效率电力电子变压器及其控制方法，2019.03
[4]MCMURRAY WILLIAM、WILLIAM MCMURRAY， POWER CONVERTER CIRCUITS HAVINGA HIGH FREQUENCY LINK， 1970.06
[5]李子欣、赵聪、徐飞、高范强、王平、李耀华，电容隔离型单相交直流电力电子变压器，2019.11
[6]赵聪、李子欣、胡钰杰、李耀华，一种电容隔离型三相电力电子变压器，2019.09
[7]张军明、汪剑峰、钱照明，电容隔离型多路恒流输出谐振式直流/直流变流器，2010.090
[8]刘雪山、李学文、杨航、何雨骏、苏童、潘虹锦、罗茜、罗春林，一种电容隔离谐振式功率因数校正变换器，2018.06
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即现有电力电子变压器采用单一隔离方式导致功率密度难以提高的问题，本发明提供了一种混合隔离型电力电子变压器，该电力电子变压器包括m台变压器隔离型变换器、 n台电容隔离型变换器；
所述m台变压器隔离型变换器中第一台变换器的第一输入端为电力电子变压器的第一输入端；
所述n台电容隔离型变换器中最后一台变换器的第二输入端为电力电子变压器的第二输入端；
所述m台变压器隔离型变换器中第M台变换器的第一输入端连接至第M-1台变换器的第二输入端；其中，1＜M≤m；
所述n台电容隔离型变换器中第一台变换器的第一输入端连接至所述m台变压器隔离型变换器中最后一台变换器的第二输入端；
所述n台电容隔离型变换器中第N台变换器的第一输入端连接至第N-1台变换器的第二输入端；其中，1＜N≤n；
所述m台变压器隔离型变换器与n台电容隔离型变换器的第一输出端连接到一起作为电力电子变压器的第一输出端；
所述m台变压器隔离型变换器与n台电容隔离型变换器的第二输出端连接到一起作为电力电子变压器的第二输出端。
在一些优选的实施例中，所述变压器隔离型变换器包括 LF-HF变换器、高频变压器、HF-LF变换器；
所述LF-HF变换器的第一输入端、第二输入端分别为所述变压器隔离型变换器的第一输入端、第二输入端；
所述HF-LF变换器的第一输出端、第二输出端分别为所述变压器隔离型变换器的第一输出端、第二输出端；
所述LF-HF变换器的第一输出端、第二输出端分别连接至所述高频变压器的第一输入端、第二输入端；
所述HF-LF变换器的第一输入端、第二输入端分别连接至所述高频变压器的第一输出端、第二输出端。
在一些优选的实施例中，所述电容隔离型变换器包括LF-HF 变换器、隔离电容、HF-LF变换器；
所述LF-HF变换器的第一输入端、第二输入端分别为所述电容隔离型变换器的第一输入端、第二输入端；
所述HF-LF变换器的第一输出端、第二输出端分别为所述电容隔离型变换器的第一输出端、第二输出端；
所述LF-HF变换器的第一输出端、第二输出端分别连接至所述隔离电容的第一输入端、第二输入端；
所述HF-LF变换器的第一输入端、第二输入端分别连接至所述隔离电容的第一输出端、第二输出端。
在一些优选的实施例中，所述电力电子变压器的输入与输出的电压比为：
(k×m+n)：1
其中，k为所述高频变压器的高压侧到低压侧的电压比，m 为电力电子变压器中变压器隔离型变换器的数量，n为电力电子变压器中电容隔离型变换器的数量。
在一些优选的实施例中，所述电力电子变压器输入侧为中压交流电压、输出侧为低压交流电压时，LF-HF变换器、HF-LF变换器均为 AC/AC变换器；
所述电力电子变压器输入侧为中压交流电压、输出侧为低压直流电压时，LF-HF变换器为AC/AC变换器，HF-LF变换器为AC/DC变换器；
所述电力电子变压器输入侧为中压直流电压、输出侧为低压交流电压时，LF-HF变换器为DC/AC变换器，HF-LF变换器为AC/AC变换器；
所述电力电子变压器输入侧为中压直流电压、输出侧为低压直流电压时，LF-HF变换器为DC/AC变换器，HF-LF变换器为AC/DC变换器。
在一些优选的实施例中，所述LF-HF变换器和HF-LF变换器分别包括直流电容C、半导体开关T1、半导体开关T2、半导体开关T3、半导体开关T4、半导体开关T5、半导体开关T6、半导体开关T7、半导体开关T8、反并联二极管D1、反并联二极管D2、反并联二极管D3、反并联二极管D4、反并联二极管D5、反并联二极管D6、反并联二极管D7、反并联二极管D8；
所述反并联二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8的阳极分别与所述半导体开关T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8的源极相连；
所述反并联二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8的阴极分别与所述半导体开关T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8的漏极相连；
所述开关T1、T3、T5、T7的漏极连接至所述电容C的正极P；
所述开关T2、T4、T6、T8的源极连接至所述电容C的负极N；
所述开关T1的源极和T2的漏极连接至端子x；
所述开关T3的源极和T4的漏极连接至端子y；
所述开关T5的源极和T6的漏极连接至端子r；
所述开关T7的源极和T8的漏极连接至端子s。
在一些优选的实施例中，所述变换器为LF-HF变换器时，x、 y端子分别为所述LF-HF变换器的第一输入端、第二输入端，r、s端子分别为所述LF-HF变换器的第一输出端、第二输出端；
所述变换器为HF-LF变换器时，r、s端子分别为所述HF-LF 变换器的第一输入端、第二输入端，x、y端子分别为所述HF-LF变换器的第一输出端、第二输出端。
本发明的有益效果：
本发明混合隔离型电力电子变压器，相比于单纯的变压器隔离型电力电子变压器或电容隔离型电力电子变压器，混合使用变压器隔离变换器以及电容隔离变换器，电容隔离变换器相较于变压器隔离变换器具有体积小、重量轻的优势，但单台电容隔离型变换器无法实现电压变换，实现大的电压变比需要多台串并联，将这两种变换器混合使用的混合隔离型电力电子变压器，能够在保证输入输出电压的大变比变换的同时，减少了变换器使用数量，提高了电力电子变压器的功率密度，体积小、重量轻、成本低。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明混合隔离型电力电子变压器的原理框图；
图2是本发明混合隔离型电力电子变压器一种实施例 LF-HF变化器以及HF-LF变化器的原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请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相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
本发明提供一种混合隔离型电力电子变压器，相比于现有的变压器隔离型电力电子变压器，混合隔离型电力电子变压器采用了部分电容隔离变换器，电容隔离相比于变压器隔离具有体积小，重量轻的优势，因此可以减小变换器的体积和重量；相比于现有的电容隔离型电力电子变压器，单台电容隔离型变换器无法实现电压变换，实现大的电压变比需要多台串并联，如实现k×m+n的变比需要k×m+n台电容隔离型变换器，而混合隔离型电力电子变压器采用了部分变压器隔离型变换器，可以较容易实现电压变换，只需要n台电容隔离型变换器，减少了电容隔离型变换器的数量，提高了电力电子变压器的功率密度。
本发明的一种混合隔离型电力电子变压器，该电力电子变压器包括m台变压器隔离型变换器、n台电容隔离型变换器；
所述m台变压器隔离型变换器中第一台变换器的第一输入端为电力电子变压器的第一输入端；
所述n台电容隔离型变换器中最后一台变换器的第二输入端为电力电子变压器的第二输入端；
所述m台变压器隔离型变换器中第M台变换器的第一输入端连接至第M-1台变换器的第二输入端；其中，1＜M≤m；
所述n台电容隔离型变换器中第一台变换器的第一输入端连接至所述m台变压器隔离型变换器中最后一台变换器的第二输入端；
所述n台电容隔离型变换器中第N台变换器的第一输入端连接至第N-1台变换器的第二输入端；其中，1＜N≤n；
所述m台变压器隔离型变换器与n台电容隔离型变换器的第一输出端连接到一起作为电力电子变压器的第一输出端；
所述m台变压器隔离型变换器与n台电容隔离型变换器的第二输出端连接到一起作为电力电子变压器的第二输出端。
为了更清晰地对本发明混合隔离型电力电子变压器进行说明，下面结合图1对本发明实施例中各模块展开详述。
本发明一种实施例的混合隔离型电力电子变压器，包括m 台变压器隔离型变换器、n台电容隔离型变换器，各模块详细描述如下：
m台变压器隔离型变换器中第一台变换器的第一输入端为电力电子变压器的第一输入端；n台电容隔离型变换器中最后一台变换器的第二输入端为电力电子变压器的第二输入端；m台变压器隔离型变换器中第M台变换器的第一输入端连接至第M-1台变换器的第二输入端；其中， 1＜M≤m；n台电容隔离型变换器中第一台变换器的第一输入端连接至所述m台变压器隔离型变换器中最后一台变换器的第二输入端；n台电容隔离型变换器中第N台变换器的第一输入端连接至第N-1台变换器的第二输入端；其中，1＜N≤n。
即将m个变压器隔离型变换器、n台电容隔离型变换器依次排列，将后一台变换器的第一输入端连接到前一台变换器的第二输入端，第1台变换器的第一输入端作为整体电力电子变压器的第一输入端，最后一台变换器的第二输入端作为整体电力电子变压器的第二输入端，实现了变换器在输入侧的串联。
m台变压器隔离型变换器与n台电容隔离型变换器的第一输出端连接到一起作为电力电子变压器的第一输出端；m台变压器隔离型变换器与n台电容隔离型变换器的第二输出端连接到一起作为电力电子变压器的第二输出端，实现了变换器在输出侧的并联。
变压器隔离型变换器包括LF-HF变换器、高频变压器、 HF-LF变换器：
LF-HF变换器的第一输入端、第二输入端分别为变压器隔离型变换器的第一输入端、第二输入端；
HF-LF变换器的第一输出端、第二输出端分别为变压器隔离型变换器的第一输出端、第二输出端；
LF-HF变换器的第一输出端、第二输出端分别连接至高频变压器的第一输入端、第二输入端；
HF-LF变换器的第一输入端、第二输入端分别连接至高频变压器的第一输出端、第二输出端。
电容隔离型变换器包括LF-HF变换器、隔离电容、HF-LF 变换器：
LF-HF变换器的第一输入端、第二输入端分别为电容隔离型变换器的第一输入端、第二输入端；
HF-LF变换器的第一输出端、第二输出端分别为电容隔离型变换器的第一输出端、第二输出端；
LF-HF变换器的第一输出端、第二输出端分别连接至隔离电容的第一输入端、第二输入端；
HF-LF变换器的第一输入端、第二输入端分别连接至隔离电容的第一输出端、第二输出端。
高频变压器的高压侧到低压侧的电压变比为k：1，则上述的混合隔离型电力电子变压器输入侧到输出侧的电压变比为：(k×m+n)： 1；其中，m为电力电子变压器中变压器隔离型变换器的数量，n为电力电子变压器中电容隔离型变换器的数量。
通过改变变压器隔离型变换器的数量m，电容隔离型变换器的数量n和单台高频变压器高低压侧的电压变比k即可实现对混合隔离型电力电子变压器变比的调整。
以应用于车载牵引变压器25kV/1kV电力电子变压器为例，选取变压器隔离型变换器数量m＝4，变压器变比为k＝5，电容隔离型变换器数量n＝5，则可实现k×m+n＝25的电压变比。
变压器隔离型变换器由输入侧低频(LF，Low Frequency-高频HF，HighFrequency)变换器、输出侧高频HF-LF变换器和隔离变压器组成；电容隔离型变换器由输入侧LF-HF变换器、输出侧HF-LF变换器和隔离电容组成：
(1)当应用于连接中压交流和低压交流场合，即电力电子变压器输入侧为中压交流电压、输出侧为低压交流电压时，LF-HF变换器、HF-LF变换器均为AC/AC变换器；
(2)当应用于连接中压交流和低压直流场合，即电力电子变压器输入侧为中压交流电压、输出侧为低压直流电压时，LF-HF变换器为AC/AC变换器，HF-LF变换器为AC/DC变换器；
(3)当用于连接中压直流和低压交流场合，即电力电子变压器输入侧为中压直流电压、输出侧为低压交流电压时，LF-HF变换器为DC/AC变换器，HF-LF变换器为AC/AC变换器；
(4)当应用于连接中压直流和低压直流场合，即电力电子变压器输入侧为中压直流电压、输出侧为低压直流电压时，LF-HF变换器为DC/AC变换器，HF-LF变换器为AC/DC变换器。
如图2所示，为本发明混合隔离型电力电子变压器一种实施例LF-HF变化器以及HF-LF变化器的原理图，由直流电容C、半导体开关T1-T8、反并联二极管D1-D8组成。半导体开关器件T1、T3、T5、T7 的漏极连接至电容C的正极P，半导体开关器件T2、T4、T6、T8的源极连接至电容C的负极N。T1的源极和T2的漏极连接至端子x，T3的源极和T4的漏极连接至端子y，T5的源极和T6的漏极连接至端子r，T7 的源极和T8的漏极连接至端子s。
变换器为LF-HF变换器时：x、y端子分别为LF-HF变换器的第一输入端、第二输入端，r、s端子分别为LF-HF变换器的第一输出端、第二输出端；
变换器为HF-LF变换器时，r、s端子分别为HF-LF变换器的第一输入端、第二输入端，x、y端子分别为HF-LF变换器的第一输出端、第二输出端。
需要说明的是，上述实施例提供的混合隔离型电力电子变压器，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块的名称，仅仅是为了区分各个模块，不视为对本发明的不当限定。
术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种混合隔离型电力电子变压器，其特征在于，该电力电子变压器包括m台变压器隔离型变换器、n台电容隔离型变换器；
所述m台变压器隔离型变换器中第一台变换器的第一输入端为电力电子变压器的第一输入端；
所述n台电容隔离型变换器中最后一台变换器的第二输入端为电力电子变压器的第二输入端；
所述m台变压器隔离型变换器中第M台变换器的第一输入端连接至第M-1台变换器的第二输入端；其中，1＜M≤m；
所述n台电容隔离型变换器中第一台变换器的第一输入端连接至所述m台变压器隔离型变换器中最后一台变换器的第二输入端；
所述n台电容隔离型变换器中第N台变换器的第一输入端连接至第N-1台变换器的第二输入端；其中，1＜N≤n；
所述m台变压器隔离型变换器与n台电容隔离型变换器的第一输出端连接到一起作为电力电子变压器的第一输出端；
所述m台变压器隔离型变换器与n台电容隔离型变换器的第二输出端连接到一起作为电力电子变压器的第二输出端；
其中，所述变压器隔离型变换器包括LF-HF变换器、高频变压器、HF-LF变换器；所述LF-HF变换器的第一输入端、第二输入端分别为所述变压器隔离型变换器的第一输入端、第二输入端，所述HF-LF变换器的第一输出端、第二输出端分别为所述变压器隔离型变换器的第一输出端、第二输出端，所述LF-HF变换器的第一输出端、第二输出端分别连接至所述高频变压器的第一输入端、第二输入端，所述HF-LF变换器的第一输入端、第二输入端分别连接至所述高频变压器的第一输出端、第二输出端；
所述电容隔离型变换器包括LF-HF变换器、隔离电容、HF-LF变换器；所述LF-HF变换器的第一输入端、第二输入端分别为所述电容隔离型变换器的第一输入端、第二输入端，所述HF-LF变换器的第一输出端、第二输出端分别为所述电容隔离型变换器的第一输出端、第二输出端，所述LF-HF变换器的第一输出端、第二输出端分别连接至所述隔离电容的第一输入端、第二输入端，所述HF-LF变换器的第一输入端、第二输入端分别连接至所述隔离电容的第一输出端、第二输出端；
所述LF-HF变换器和HF-LF变换器分别包括直流电容C、半导体开关T1、半导体开关T2、半导体开关T3、半导体开关T4、半导体开关T5、半导体开关T6、半导体开关T7、半导体开关T8、反并联二极管D1、反并联二极管D2、反并联二极管D3、反并联二极管D4、反并联二极管D5、反并联二极管D6、反并联二极管D7、反并联二极管D8；所述反并联二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8的阳极分别与所述半导体开关T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8的源极相连，所述反并联二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8的阴极分别与所述半导体开关T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8的漏极相连，所述半导体开关T1、T3、T5、T7的漏极连接至所述电容C的正极P，所述半导体开关T2、T4、T6、T8的源极连接至所述电容C的负极N，所述半导体开关T1的源极和T2的漏极连接至端子x，所述半导体开关T3的源极和T4的漏极连接至端子y，所述半导体开关T5的源极和T6的漏极连接至端子r，所述半导体开关T7的源极和T8的漏极连接至端子s；
所述变换器为LF-HF变换器时，x、y端子分别为所述LF-HF变换器的第一输入端、第二输入端，r、s端子分别为所述LF-HF变换器的第一输出端、第二输出端；
所述变换器为HF-LF变换器时，r、s端子分别为所述HF-LF变换器的第一输入端、第二输入端，x、y端子分别为所述HF-LF变换器的第一输出端、第二输出端。
2.根据权利要求1所述的混合隔离型电力电子变压器，其特征在于，所述电力电子变压器的输入与输出的电压比为：
(k×m+n)：1
其中，k为所述高频变压器的高压侧到低压侧的电压比，m为电力电子变压器中变压器隔离型变换器的数量，n为电力电子变压器中电容隔离型变换器的数量。
3.根据权利要求2所述的混合隔离型电力电子变压器，其特征在于，
所述电力电子变压器输入侧为中压交流电压、输出侧为低压交流电压时，LF-HF变换器、HF-LF变换器均为AC/AC变换器；
所述电力电子变压器输入侧为中压交流电压、输出侧为低压直流电压时，LF-HF变换器为AC/AC变换器，HF-LF变换器为AC/DC变换器；
所述电力电子变压器输入侧为中压直流电压、输出侧为低压交流电压时，LF-HF变换器为DC/AC变换器，HF-LF变换器为AC/AC变换器；
所述电力电子变压器输入侧为中压直流电压、输出侧为低压直流电压时，LF-HF变换器为DC/AC变换器，HF-LF变换器为AC/DC变换器。
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