CN112600440A - 换流器拓扑电路 - Google Patents

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CN112600440A CN202011503582.7A CN202011503582A CN112600440A CN 112600440 A CN112600440 A CN 112600440A CN 202011503582 A CN202011503582 A CN 202011503582A CN 112600440 A CN112600440 A CN 112600440A
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Abstract

本发明提出一种换流器拓扑电路，其中，包括：第一换流器和N个高频变压器，每个第一换流器子单元包括第一H桥电路、第一工频电抗器、第一高频电抗器、第一高频电容器，其中，第一工频电抗器的一端与第一H桥电路的首端交流输出端连接，第一工频电抗器的另一端依次与第一高频电抗器的一端和第一高频电容器的一端连接，第一高频电容器的另一端与对应的高频变压器的原边的一端连接。当第一换流器子单元不是第一个也不是最后一个换流器子单元时，第一工频电抗器的一端与上一个第一H桥电路的尾端交流输出端连接。由此，降低了电能变换级数，有助于降低换流拓扑电路的成本、体积和损耗。

Description

换流器拓扑电路
技术领域
本发明涉及柔性交直流输配电技术领域，尤其涉及一种换流器拓扑电路。
背景技术
随着可再生能源与储能技术、电气化交通技术、人工智能和信息技术的快速发展，柔性交直流输配电技术成为供用电的热点研究领域。其中，电力电子变压器得到很多研究者的关注。
目前，典型的2种换流器拓扑如图1和图2所示的两种，一种是如图1所示的基于半桥子模块(SM)级联的拓扑，另一种是如图2所示的基于H桥级联的拓扑。参照图1和图2，为了将工频中高压变换至工频低压，这些拓扑均需要通过5级变换，即工频换流桥、高频H桥、高频变压器、高频H桥以及逆变器。由于变换级数较多，会导致电力电子变压器成本较高、体积较大、效率不佳，限制了相关技术的推广应用。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的第一个目的在于提出一种换流器拓扑电路，以实现降低了工频至工频的电能变换级数，有助于降低换流拓扑电路的成本、体积和损耗。
为达上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种换流器拓扑电路，包括：第一换流器和N个高频变压器，其中，所述第一换流器，包括：N个第一换流器子单元，其中，第一个所述第一换流器子单元到第N个所述第一换流器子单元，分别与第一个所述高频变压器到第N个所述高频变压器连接，其中，每个所述第一换流器子单元包括第一H桥电路、第一工频电抗器、第一高频电抗器、第一高频电容器，其中，所述第一工频电抗器的一端与所述第一H桥电路的首端交流输出端连接，所述第一工频电抗器的另一端依次与所述第一高频电抗器的一端和所述第一高频电容器的一端连接，所述第一高频电容器的另一端与对应的所述高频变压器的原边的一端连接；其中，当所述第一换流器子单元为第一个所述换流器子单元时，所述第一工频电抗器的一端与工频端口A连接，所述第一H桥电路的尾端交流输出端与对应的所述高频变压器的原边的另一端连接；当所述第一换流器子单元为最后一个所述换流器子单元时，所述第一工频电抗器的一端与上一个第一H桥电路的尾端交流输出端连接，所述第一H桥电路的尾端交流输出端与工频端口O连接；当所述第一换流器子单元不是第一个也不是最后一个所述换流器子单元时，所述第一工频电抗器的一端与上一个第一H桥电路的尾端交流输出端连接。
本发明实施例的换流器拓扑电路，能够将工频至工频的电能变换级数减少至3级，比现有的典型方案节省2级，可用于研制中高压的电力电子变压器、静止无功发生器等柔性交直流输配电装备，降低了电能变换级数，有助于降低换流拓扑电路的成本、体积和损耗。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明一个实施例的基于半桥子模块级联的电力电子变压器拓扑图；
图2是根据本发明一个实施例的基于H桥级联的电力电子变压器拓扑图；
图3是根据本发明一个实施例的单侧高低频复用的换流器原理图；
图4是根据本发明一个实施例的单侧高低频复用的换流器框图；
图5是根据本发明一个实施例的变压器副边绕组并联运行电路示意图；
图6是根据本发明一个实施例的变压器副边绕组串联运行电路示意图；
图7是根据本发明一个实施例的变压器副边换流器并联运行时，双侧高低频复用的换流器的拓扑图；
图8是根据本发明一个实施例的变压器副边换流器级联运行时，双侧高低频复用的换流器的拓扑图；
图9是根据本发明一个实施例的单相双侧高低频复用的换流器的框图；
图10是根据本发明一个实施例的单相单侧高低频复用的换流器用作车载电力电子变压器的示意图；
图11是根据本发明一个实施例的三相单侧高低频复用的换流器用作数据中心的供电变压器示意图。
图12是根据本发明一个实施例的新能源发电系统通过三相双侧高低频复用的换流器接入电网示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图描述本发明实施例的换流器拓扑电路。
图3为本发明实施例所提供的一种换流器拓扑电路的结构示意图，如图3所示，该换流器拓扑电路，包括：第一换流器和N个高频变压器，其中，第一换流器，包括：N个第一换流器子单元，其中，第一个第一换流器子单元到第N个第一换流器子单元，分别与第一个高频变压器到第N个高频变压器连接，其中，
每个第一换流器子单元包括第一H桥电路、第一工频电抗器、第一高频电抗器、第一高频电容器，其中，第一工频电抗器的一端与第一H桥电路的首端交流输出端连接，第一工频电抗器的另一端依次与第一高频电抗器的一端和第一高频电容器的一端连接，第一高频电容器的另一端与对应的高频变压器的原边的一端连接；
其中，当第一换流器子单元为第一个换流器子单元时，第一工频电抗器的一端与工频端口A连接，第一H桥电路的尾端交流输出端与对应的高频变压器的原边的另一端连接；
当第一换流器子单元为最后一个换流器子单元时，第一工频电抗器的一端与上一个第一H桥电路的尾端交流输出端连接，第一H桥电路的尾端交流输出端与工频端口O连接；
当第一换流器子单元不是第一个也不是最后一个换流器子单元时，第一工频电抗器的一端与上一个第一H桥电路的尾端交流输出端连接。
需要说明的是，继续参照图3和与图3对应的总体应用的显示在图4的框图，其中，A和O为工频端口，XAjYAj(j＝1,2,…,N)为直流端口，ajoj(j＝1,2,…,N)为高频端口；HAj(j＝1,2,…,N)为基于直流电容器和电力电子器件的H桥(上述第一H桥电路)，LAj(j＝1,2,…,N)为第一工频电抗器，CblkAj(j＝1,2,…,N)为第一高频电容器，LσAj(j＝1,2,…,N)为第一高频电抗器，TAj(j＝1,2,…,N)为高频变压器。
需要说明的是，每个第一H桥电路既调制出工频分量，也调制出高频分量，实现高、低频复用。工频分量主要通过第一工频电抗器，而高频分量则主要通过第一高频电抗器、第一高频电容器和高频变压器。第一工频电抗器可以阻止高频分量进入电网；第一高频电容器可以阻止低频分量进入高频变压器；高频变压器可以实现原副边之间的电气隔离。
本发明的实施例中，各个第一工频电抗器、第一H桥电路依次首尾相连形成级联结构，工频端口AO可以接入中高压工频电网。
当然，在实际执行过程中，除了上述限制的电路结构之外，还可以根据场景需要配置各种元件的数量，示例说明如下：
示例一：
在本示例中，当第一工频电抗器的感抗值足够时，第一工频电抗器的数量可以少于H桥的数量；但通常第一工频电抗器的数量不少于1个，比如，第一工频电抗器的数量为小于1大于M的自然数M时，每个第一工频电抗器可以连接第一个第一H桥电路的首端交流输出端连接，也可以连接在任意两个第一H桥电路的尾端交流输出端和首端交流输出端之间。
示例二：
在本示例中，当高频变压器的漏抗足够时，可以利用高频变压器的漏抗作为第一高频电抗器，无需再单独配置第一高频电抗器。比如，预先根据实验数据设置漏抗阈值，当漏抗大于该漏抗阈值时，则可以取消对应的第一换流器子单元中的第一高频电抗器。
示例三：
在本实施中，当高频变压器偏磁概率很低时，可以考虑在一定程度上省掉部分第一高频电容器，比如，根据实验数据标定高频变压器偏磁概率阈值，当高频变压器偏磁概率小于该偏磁概率阈值，则可以计算高频变压器偏磁概率与偏磁概率阈值的差值，根据该差值去除第一高频电容器，其中，差值与去除第一高频电容器的数量成正比关系。
在本发明的一个实施例中，高频变压器副边的各个绕组可以如图3所示的单独运行。也可以如图5所示并联运行，参照图5，每个高频变压器在副边的工频端口a，与下一个高频变压器在副边的工频端口a连接；每个高频变压器的在副边的工频端口o，与下一个高频变压器在副边的o连接。
在本发明的一个实施例中，高频变压器副边的各个绕组也可以级联运行，即参照图6，每个高频变压器在副边的工频端口o，与下一个高频变压器在副边的工频端口a连接。
应当理解的是，上述实施例中提到的是单侧高低频复用的换流器，在实际执行过程中，在高频变压器副边也连接由高频电容器、高频电抗器和H桥组成的换流器，则可以进一步构成双侧高低频复用的换流器。
在本发明的一个实施例中，若是上述隔离变压器副边的换流器如图5所示的并联运行，则如图7所示，双侧高低频复用的换流器中，还包括第二换流器，其中，第二换流器的包括N个第二换流器子单元，其中，第一个第二换流器子单元到第N个第二换流器子单元中的第二高频电容器的另一端，均与第一个高频变压器在在副边的工频端口a连接；
第一个第二换流器子单元到第N个第二换流器子单元中的第二H桥电路的尾端交流输出端，均与第一个高频变压器在在副边的工频端口o连接；
第一个第二换流器子单元中的第二工频电抗器的一端，分别与第二个第二换流器子单元到第N个第二换流器子单元中的第二工频电抗器的一端连接。
参照图7，针对标注的第二换流器部分，双侧高低频复用的换流器的拓扑中，a和o为工频端口，xajyaj(j＝1,2,…,M)为直流端口；Haj(j＝1,2,…,M)为基于直流电容器和电力电子器件的第二H桥电路，Laj(j＝1,2,…,M)为第二工频电抗器，Cblkaj(j＝1,2,…,M)为第二高频电容器，Lσaj(j＝1,2,…,M)为第二高频电抗器。
当然，图7中仅仅示出了副边换流器的数量与原边换流器的数量N相等的拓扑图，在实际执行过程中，副边换流器的数量可以与原边换流器的数量N不相等。副边的第二H桥电路可以是两电平桥，也可以是多电平桥。每个第二H桥电路有首、尾两个交流输出端，首端与第二工频电抗器和第二高频电抗器的一端相连；第二工频电抗器的另一端与其他第二工频电抗器并联后接入工频电网；而第二高频电抗器的另一端则与第二高频电容器的一端相连，第二高频电容器的另一端与高频变压器副边的一端相连，高频变压器副边的另一端则与第二H桥电路的尾端相连。于是，各个工频电抗器、H桥电路形成并联结构(包括第一换流器和第二换流器的工频电抗器、H桥电路)，工频电抗器可以阻止高频分量进入电网；而高频电容器则可以阻止低频分量进入高频变压器。
在本发明的一个实施例中，若是上述隔离变压器副边的换流器如图6所示的级联运行，则如图8所示，电路还包括第三换流器，其中，第三换流器的包括N个第三换流器子单元，其中，第一个第三换流器子单元到第N个第三换流器子单元，分别与第一个高频变压器到第N个高频变压器连接。
其中，每个第三换流器子单元中的第三高频电容器的另一端，与对应的高频变压器在副边的工频端口a连接；
每个第三换流器子单元中的第三H桥电路的尾端交流输出端，与对应的高频变压器在副边的工频端口o连接。
在本实施例中，针对标注的第三换流器部分，a和o为工频端口，xajyaj(j＝1,2,…,N)为直流端口；Haj(j＝1,2,…,N)为基于直流电容器和电力电子器件的第三H桥电路，Laj(j＝1,2,…,N)为第三工频电抗器，Cblkaj(j＝1,2,…,N)为第三高频电容器，Lσaj(j＝1,2,…,N)为第三高频电抗器。副边的H桥可以是两电平桥，也可以是多电平桥。每个第三H桥电路有首、尾两个交流输出端，首端与第三工频电抗器和第三高频电抗器的一端相连，第三高频电抗器的另一端与第三高频电容器的一端相连，第三高频电容器的另一端与高频变压器副边的一端相连，高频变压器副边的另一端则与第三H桥电路的尾端相连，并与相邻第三H桥电路对应的第三工频电抗器相连。于是，各个第三工频电抗器、第三H桥依次首尾相连形成级联结构。有关工频电抗器可以阻止高频分量进入电网，而有关高频电容器则可以阻止低频分量进入高频变压器。
其中，单相双侧高低频复用的换流器在实际应用中，框图参照图9。
需要说明的是，上述实施例提到的高频变压器的绕组也可以根据场景设置，具体而言，每个高频变压器的原边包括1个绕组，副边包括1个绕组；或者，
每个高频变压器的原边包括1个绕组，副边包括T1个绕组，其中，T1为大于1的自然数；或者，
每个高频变压器的原边包括T2个绕组，副边包括1个绕组，其中，T2为大于1的自然数；或者，
每个高频变压器的原边包括T3个绕组，副边包括T4个绕组，其中，T3和T4均为大于1的自然数。
在本发明的一个实施例中，参照上述附图，每个H桥电路的首端输入端和尾端输入端与预设电容器连接。
当然，本发明的高低频复用的换流器拓扑，可用于单相电网，也可以用于两相、三相或者多相电网。其高频端口可以与有源桥连接，可以与整流桥连接，也可以与负载连接。本文给出了3种典型的实施方式，但本发明的实施方式不限于此，可以根据应用场景定制化实施。本发明可用于电气化交通、快速充电站和储能站、分布式发电接入、交直流混合配用电等多种场合。
比如，换流器拓扑电路与中高压供电系统连接，又比如，换流器拓扑电路与低压供电系统连接，下面结合具体的场景进行具体说明：
场景1：
在本场景中，单相单侧高低频复用的换流器为四象限负载供电。参照图10，在本实施方式中，以电气化铁路为例。电气化铁路的牵引供电是单相交流制式，我国采用的电压等级为27.5kV。电气化列车是四象限负载，有时吸收电能，有时回馈电能。在这种供电系统中，单相单侧高低频复用的换流器可用作车载电力电子变压器，其高压侧接入牵引供电臂的β相，将来自供电臂的中高压交流变换为低压高频交流，再通过PWM整流器和变频器变换为列车所需的交、直流电源。当列车制动时，牵引电机所发出的电能可以通过PWM整流器传输至高低频复用的换流器的低压侧，然后再回馈至高压牵引供电臂。
场景2：
在本场景中，三相单侧高低频复用的换流器为负荷和储能系统供电。参照图11，在本实施方式中，以数据中心供电系统为例，其市电进线是中高压三相交流，本发明用作电力电子变压器。三相单侧高低频复用的换流器可以采用星型接法，也可以采用角型接法。下图中，三相单侧高低频复用的换流器的高压侧通过星型接法接入交流系统的A、B、C相，将中高压交流变换为低压高频交流，再通过有源桥将其变换为数据中心所需的直流电源，为服务器机柜、储能系统和其他负荷供电。
场景3：
在本场景中，新能源发电系统通过三相双侧高低频复用的换流器接入电网。参照图12，以新能源发电及储能系统为例，包括中高压工频交流电网、低压工频交流电网以及多个直流端口。三相双侧高低频复用的换流器可以采用星型接法，也可以采用角型接法。在图12中，三相双侧高低频复用的换流器的高压侧通过星型接法接入交流工频系统的A、B、C相；其低压工频侧，则通过三相四线制的方式接入低压交流电网，并连接相应的新能源发电、储能及负荷；其各个直流端口，也可用于连接相应的新能源发电、储能及负荷。
综上，本发明实施例的换流器拓扑电路，第一换流器和N个高频变压器，其中，第一换流器，包括：N个第一换流器子单元，其中，第一个第一换流器子单元到第N个第一换流器子单元，分别与第一个高频变压器到第N个高频变压器连接，其中，每个第一换流器子单元包括第一H桥电路、第一工频电抗器、第一高频电抗器、第一高频电容器，其中，第一工频电抗器的一端与第一H桥电路的首端交流输出端连接，第一工频电抗器的另一端依次与第一高频电抗器的一端和第一高频电容器的一端连接，第一高频电容器的另一端与对应的高频变压器的原边的一端连接，其中，当第一换流器子单元为第一个换流器子单元时，第一工频电抗器的一端与工频端口A连接，第一H桥电路的尾端交流输出端与对应的高频变压器的原边的另一端连接，当第一换流器子单元为最后一个换流器子单元时，第一工频电抗器的一端与上一个第一H桥电路的尾端交流输出端连接，第一H桥电路的尾端交流输出端与工频端口O连接，当第一换流器子单元不是第一个也不是最后一个换流器子单元时，第一工频电抗器的一端与上一个第一H桥电路的尾端交流输出端连接。由此，降低了电能变换级数，有助于降低换流拓扑电路的成本、体积和损耗。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种换流器拓扑电路，其特征在于，包括：
第一换流器和N个高频变压器，其中，所述第一换流器，包括：N个第一换流器子单元，其中，第一个所述第一换流器子单元到第N个所述第一换流器子单元，分别与第一个所述高频变压器到第N个所述高频变压器连接，其中，
每个所述第一换流器子单元包括第一H桥电路、第一工频电抗器、第一高频电抗器、第一高频电容器，其中，所述第一工频电抗器的一端与所述第一H桥电路的首端交流输出端连接，所述第一工频电抗器的另一端依次与所述第一高频电抗器的一端和所述第一高频电容器的一端连接，所述第一高频电容器的另一端与对应的所述高频变压器的原边的一端连接；
其中，当所述第一换流器子单元为第一个所述换流器子单元时，所述第一工频电抗器的一端与工频端口A连接，所述第一H桥电路的尾端交流输出端与对应的所述高频变压器的原边的另一端连接；
当所述第一换流器子单元为最后一个所述换流器子单元时，所述第一工频电抗器的一端与上一个第一H桥电路的尾端交流输出端连接，所述第一H桥电路的尾端交流输出端与工频端口O连接；
当所述第一换流器子单元不是第一个也不是最后一个所述换流器子单元时，所述第一工频电抗器的一端与上一个第一H桥电路的尾端交流输出端连接。
2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，
每个所述高频变压器在副边的工频端口a，与下一个所述高频变压器在副边的工频端口a连接；
每个所述高频变压器的在副边的工频端口o，与下一个所述高频变压器在副边的o连接。
3.如权利要求2所述的电路，其特征在于，所述电路还包括第二换流器，其中，所述第二换流器的包括N个第二换流器子单元，其中，第一个所述第二换流器子单元到第N个所述第二换流器子单元中的第二高频电容器的另一端，均与第一个所述高频变压器在在副边的工频端口a连接；
第一个所述第二换流器子单元到第N个所述第二换流器子单元中的第二H桥电路的尾端交流输出端，均与第一个所述高频变压器在在副边的工频端口o连接；
第一个所述第二换流器子单元中的第二工频电抗器的一端，分别与第二个所述第二换流器子单元到第N个所述第二换流器子单元中的第二工频电抗器的一端连接。
4.如权利要求1所述的电路，其特征在于，
每个所述高频变压器在副边的工频端口o，与下一个高频变压器在副边的工频端口a连接。
5.如权利要求4所述的电路，其特征在于，所述电路还包括第三换流器，其中，所述第三换流器的包括N个第三换流器子单元，其中，第一个所述第三换流器子单元到第N个所述第三换流器子单元，分别与第一个所述高频变压器到第N个所述高频变压器连接。
6.如权利要求5所述的电路，其特征在于，
每个所述第三换流器子单元中的第三高频电容器的另一端，与对应的所述高频变压器在副边的工频端口a连接；
每个所述第三换流器子单元中的第三H桥电路的尾端交流输出端，与对应的所述高频变压器在副边的工频端口o连接。
7.如权利要求1-6任一所述的电路，其特征在于，
每个所述高频变压器的原边包括1个绕组，副边包括1个绕组；或者，
每个所述高频变压器的原边包括1个绕组，副边包括T1个绕组，其中，所述T1为大于1的自然数；或者，
每个所述高频变压器的原边包括T2个绕组，副边包括1个绕组，其中，所述T2为大于1的自然数；或者，
每个所述高频变压器的原边包括T3个绕组，副边包括T4个绕组，其中，所述T3和T4均为大于1的自然数。
8.如权利要求1-6任一所述的电路，其特征在于，
每个H桥电路的首端输入端和尾端输入端与预设电容器连接。
9.如权利要求2所述的电路，其特征在于，所述换流器拓扑电路与低压供电系统连接。
10.如权利要求4所述的电路，其特征在于，所述换流器拓扑电路与中高压供电系统连接。
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