CN112803788B - 一种采用电流源型变换器的磁集成混合式配电变压器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种采用电流源型变换器的磁集成混合式配电变压器，包括电流源型变换器单元、主变压器和隔离变压器。电流源型变换器单元由控制桥臂和直流母线电感构成；铁芯由铁轭、漏磁铁芯和缠绕绕组的铁芯柱构成；变换器直流母线电感包括分布于铁芯柱上的等匝拆分，反向绕制的电感分绕组。每个铁芯柱上均有两段分绕组反向串联形成一组电感，再将各组电感反向串联在一起构成完整的变换器母线电感。实现了变换器母线电感与变压器绕组之间的磁解耦。

Description

一种采用电流源型变换器的磁集成混合式配电变压器
【技术领域】
本发明属于变压器技术领域，具体涉及一种采用电流源型变换器的磁集成混合式配电变压器。
【背景技术】
混合式配电变压器是一类新型配电变压器。它通过结合电力电子装置，对传统配电变压器进行改进设计，使其不仅具备传统配电变压器高效可靠的优点，而且能使配电变压器的可控性大大提高，因而十分适用于未来配电网智能化的发展需求。
目前的混合式配电变压器的变换器大多采用电压源型变换器。然而，电压型变换器包含一个直流母线大电容，该电容可靠性较低，能量密度低，寿命较短容易损坏；此外，电容体积较大，会增大变压器整体的体积。
相比之下，电流源型变换器的直流母线储能元件为电感，其可靠性相比电容明显要高。然而若直接简单的采用电流型变换器，则会增加分立磁件数目。分立磁件过多必将使得装置整体的结构十分复杂，维护调试极不方便。分立磁件过多也会增大系统整体的电磁容量，导致铁磁材料大量浪费。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种采用电流源型变换器的磁集成混合式配电变压器，以解决现有技术中使用电流型变换器分离磁元件的数目过多，混合式配电变压器使用可靠性低的问题。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种采用电流源型变换器的磁集成混合式配电变压器，其特征在于，包括主变压器和电流源型变换器；主变压器串联有隔离变压器
所述电流源型变换器包括并联的三相电压桥臂和三相电流桥臂；所述三相电压桥臂和三相电流桥臂的连接母线上设置有直流母线电感；三相电压桥臂的桥臂中点和隔离变压器的三相阀侧绕组连接；三相电流桥臂的桥臂中点和主变压器的控制绕组连接；
所述直流母线电感包括第一电感绕组和第二电感绕组，所述第一电感绕组分别缠绕在主变压器每一相的主变铁芯柱上，相邻的第一电感绕组串联；所述第二电感绕组分别缠绕在隔离变压器每一相的隔离变铁芯柱上，相邻的第二电感绕组串联；
主变压器中每一相上的第一电感绕组分为两个等匝的第一电感分绕组，两个第一电感分绕组分在每一相上反向串联；隔离变压器中每一相上的第二电感绕组分为两个等匝的第二电感分绕组，两个第二电感分绕组在每一相上反向串联。
本发明的进一步改进在于：
优选的，所述三相电压桥臂中的每相桥臂由两个第一开关管串联组成；所述三相电流桥臂中的每相桥臂由两个第二开关管串联组成。
优选的，所述直流母线电感的中间点和主变压器的三相控制绕组连接；所述直流母线电感的中间点和隔离变压器的三相阀侧绕组连接。
优选的，所述主变压器包括三相主变铁芯柱，每一相的主变铁芯柱上缠绕有各自的一次绕组、二次绕组和控制绕组；三相中每一相的一次绕组和二次绕组之间设置有各自的主变漏磁铁芯。
优选的，所述B相的主变漏磁铁芯包括左半部分和右半部分，左半部分和右半部分相对于B相的主变铁芯柱对称。
优选的，所述一次绕组、二次绕组、控制绕组和第一电感绕组均为层式绕组。
优选的，所述隔离变压器包括三相隔离变铁芯柱，每一相的隔离变铁芯柱上缠绕有各自的阀侧绕组和网侧绕组；每一相的阀侧绕组和网侧绕组之间设置有各自的隔离变漏磁铁芯。
优选的，所述阀侧绕组和网侧绕组均为层式绕组。
优选的，所述每一相的主变铁芯柱的一端连接有一个下部铁轭，每一相的主变铁芯柱的另一端连接有中部铁轭，中部铁轭的另一端连接有衔接铁轭，每一个衔接铁轭和与其相邻的隔离变铁芯柱连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开一种采用电流源型变换器的磁集成混合式配电变压器，包括电流源型变换器单元、主变压器和隔离变压器。电流源型变换器单元由控制桥臂和直流母线电感构成；铁芯由铁轭、漏磁铁芯和缠绕绕组的铁芯柱构成；变换器直流母线电感包括分布于铁芯柱上的等匝拆分，反向绕制的电感分绕组。每个铁芯柱上均有两段分绕组反向串联形成一组电感，再将各组电感反向串联在一起构成完整的变换器母线电感。实现了变换器母线电感与变压器绕组之间的磁解耦。本发明采用电流源型变换器实现混合式配电变压器，避免使用电压源型变换器的母线电容，可靠性更高。本发明通过变换器母线电感的等匝拆分、反向绕制来实现了变换器直流母线电感与其它磁器件的解耦，在保留了原有混合式配电变压器控制功能的同时，减少了混合式配电变压器中分离磁元件的数目，节省了铜、铁材料的使用。本发明在不改变原有混合式配电变压器优点的前提下，实现系统电流源型变换器在磁集成混合式配电变压器中的磁集成设计。从而提高混合式变压器的可靠性，减少系统中分立磁件的数目，并且提高材料的利用率，降低生产成本。
进一步的，绕组包括同心绕制在铁芯柱上的变换器直流母线电感、主变压器绕组以及串联隔离变压器绕组，且主变压器中的一次绕组和二次绕组之间设置有主变漏磁铁芯，隔离变压器的阀侧绕组和网侧绕组之间设置有隔离变漏磁铁芯，均用于等效变换器输出电感，过滤高次电流分量，使变换器输出更平稳。
【附图说明】
图1为采用电流源型变换器的磁集成混合式配电变压器主电路各部件的电路拓扑及连接关系示意图；其中：(a)主变压器与串联隔离变压器，(b)电流源型变换器。(c)变压器与变换器连接示意图；
图2为采用电流源型变换器的磁集成混合式配电变压器绕组布置方式示意图。
其中：1-一次绕组；2-二次绕组；3-控制绕组；4-阀侧绕组；5-网侧绕组；6-主变漏磁铁芯；7-隔离变漏磁铁芯；8-第一电感绕组；9-第二电感绕组；10-主变铁芯柱；11-隔离变铁芯柱；12-第一衔接铁轭；13-第二衔接铁轭；14-第三衔接铁轭；15-第四衔接铁轭；16-中部铁轭；17-下部铁轭；18-主变压器；19-隔离变压器；20-电流源型变换器；21-直流母线电感；22-三相电压桥臂；23-三相电流桥臂；24-第一开关管；25-第二开关管。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1和图2所示，本发明所述一种采用电流源型变换器磁集成混合式配电变压器，包括主变压器18、隔离变压器19及电流源型变换器20。其中主变压器18和隔离变压器19串联连接，主变压器18和隔离变压器19之间串联有电流源型变换器20，电流源型变换器20中的直流母线电感21缠绕在主变压器18和隔离变压器19上。所述直流母线电感21拆分为匝数相等的六组线圈，分别绕制在六个铁芯柱上，每组线圈由两个匝数相等的分绕组构成，分别缠绕在同一铁芯柱的上部与下部，二者反向串联。
本发明的变压器包括铁芯、绕组及电流源型变换器20，所述铁芯包括铁芯柱、铁轭及漏磁铁芯；绕组包括变换器直流母线电感21、主变压器绕组和串联隔离变压器绕组，主变压器绕组包括设置于主变铁芯柱10上的控制绕组3、一次绕组1以及二次绕组2，串联隔离变压器绕组包括设置于隔离变铁芯柱11上的网侧绕组5以及阀侧绕组4；电流源型变换器20与控制绕组3以及阀侧绕组4相连。
如图1中的(a)图所示，所述主变压器18的绕组包括三相一次绕组1、三相二次绕组2和三相控制绕组3；所述串联隔离变压器19的绕组包括三相网侧绕组5和三相阀侧绕组4；三相一次绕组1为1a/1b/1c，三相二次绕组2为2a/2b/2c，三相控制绕组3为3a/3b/3c；三相网侧绕组5为5a/5b/5c，三相阀侧绕组4为4a/4b/4c。
如图1中的(b)图所示，所述电流源型变换器20由三相电压桥臂22、三相电流桥臂23、直流母线电感21构成。其中，三相电压桥臂22和三相电流桥臂23并联，直流母线电感21串联在三相电流桥臂23和三相电压桥臂22之间的母线上。三相电压桥臂22的每相桥臂由两个第一开关管24串联而成，三相电流桥臂23的每相桥臂由两个第二开关管25串联而成。三相电压桥臂22各相的桥臂中点引出作为电流源型变换器20的电压输出端，按相序分别与隔离变压器19的三个阀侧绕组4a/4b/4c连接；三相电流桥臂23各相的桥臂中点引出作为变换器20的电流输出端，按相序分别与主变压器18的控制绕组3中的三相控制绕组3a/3b/3c连接。
如图1中的(c)图所示，由于变压器三相对称，连接方式一致，这里以A相为例介绍变压器与变换器的连接关系。主变压器18的A端与隔离变压器19的x5端接至电网，主变压器18的X端与隔离变压器19的a5连接；主变压器18二次绕组2a接负载；主变压器18的a3端与变换器20的U3端相连。隔离变压器19的x4端与变换器20的U3端相连。B相与C相的连接方式同理。
如图2所示，上述磁集成混合式配电变压器的铁芯由铁芯柱、铁轭及漏磁铁芯构成。铁芯柱包括主变铁芯柱10和隔离变铁芯柱11，其中主变铁芯柱10为三相主变铁芯柱10a/10b/10c，隔离变铁芯柱11为三相隔离变铁芯柱11a/11b/11c。铁轭包括下部铁轭17、中部铁轭16和衔接铁轭，所述衔接铁轭包括第一衔接铁轭12、第二衔接铁轭13、第三衔接铁轭14和第四衔接铁轭15；漏磁铁芯包括主变漏磁铁芯6和隔离变漏磁铁芯7，其中主变漏磁铁芯6为三相主变漏磁铁芯6a/6b1/6b2/6c；隔离变漏磁铁芯7为三相隔离变漏磁铁芯7a/7b/7c。漏磁铁用于等效变换器输出连接电感，使变换器输出更平稳。三相主变铁芯柱10a/10b/10c按A/B/C相依次平行排列，三相隔离变铁芯柱11a/11b/11c按C/A/B相依次水平排列。其中下部铁轭17与三相主变铁芯柱10a/10b/10c相连，中部铁轭16与三相主变铁芯柱10a/10b/10c以及四个衔接铁轭相连。第一衔接铁轭12与隔离变铁芯柱11c和中部铁轭16相连，第二衔接铁轭13与隔离变铁芯柱11c、隔离变铁芯柱11a和中部铁轭16相连，第三衔接铁轭14与隔离变铁芯柱11a、隔离变铁芯柱11b和中部铁轭16相连，第四衔接铁轭15与隔离变铁芯柱11b和中部铁轭16相连。三相主变漏磁铁芯6a/6b1/6b2/6c置于主变压器a/b/c相的一次绕组1a/1b/1c和二次绕组2a/2b/2c之间；三相隔离变漏磁铁芯7a/7b/7c位于隔离变a/b/c相的阀侧绕组4a/4b/4c与网侧绕组5a/5b/5c之间。
对电流源型变换器直流母线电感21进行等匝拆分，包括第一电感绕组8和第二电感绕组9，其中第一电感绕组8位于主变三相铁芯柱10a/10b/10c上，第一电感绕组8包括六个第一电感分绕组，分别为8a1/8a2/8b1/8b2/8c1/8c2，两两为一组，缠绕在对应的主变铁芯柱10上，如8a1和8a2缠绕在10a上；第二电感绕组9位于隔离变三相铁芯柱11a/11b/11c上，第二电感绕组9包括六个电感分绕组9a1/9a2/9b1/9b2/9c1/9c2，两两为一组，缠绕在对应的隔离变铁芯柱11上，如9a1和9a2缠绕在11a上。铁芯柱10a上的8a1、8a2两个电感分绕组反向串联，匝数相等。而且与铁芯中其他绕组的距离相等，于是8a1、8a2两个电感分绕组激发的磁场在铁芯其它绕组中产生的感应电动势大小近似相等，方向相反，彼此相互抵消，从而8a1、8a2两个电感分绕组构成的整体与其他绕组达成了磁解耦。同理，8b1与8b2、8c1与8c2、9a1与9a2、9b1与9b2、9c1与9c2与其他绕组也达成了磁解耦。从而由这六组电感分绕组串联而得到的直流母线电感21磁集成在了铁芯上的同时达成了磁解耦，不会影响其他绕组的正常工作。
对于主变，三相电感分绕组8a1与8a2、8b1与8b2、8c1与8c2、三相二次绕组2a/2b/2c；三相一次绕组1a/1b/1c，三相控制绕组3a/3b/3c均采用层式绕组，由内向外同心绕制在对应相主变铁芯柱上；A相与C相主变漏磁铁芯6a/6c布置在A/C相一次绕组1a/1c与A/C相控制绕组3a/3c之间。B相主变漏磁铁芯包括左半部分和右半部分，左部B相主变漏磁铁芯6b1和右部B相主变漏磁铁芯6b2相对于B主变B相铁芯柱对称分布，布置在B相一次绕组1b与B相控制绕组3b之间。
对于隔离变，三相电感分绕组9a1与9a2、9b1与9b2、9c1与9c2、三相阀侧绕组4a/4b/4c、三相网侧绕组5a/5b/5c采用层式绕组，从左向右分别同心绕制在对应相隔离变铁芯柱上；A/B/C相隔离变漏磁铁芯7a/7b/7c布置在A/B/C相阀侧绕组4a/4b/4c与A/B/C相网侧绕组5a/5b/5c之间。
本发明公开一种采用电流源型变换器的磁集成混合式配电变压器，包括电流源型变换器单元、一副铁芯以及绕制在该铁芯上的绕组。电流源型变换器单元由控制桥臂和直流母线电感构成；铁芯由铁轭、漏磁铁芯和缠绕绕组的铁芯柱构成；绕组包括同心绕制在铁芯柱上的变换器直流母线电感、主变压器绕组以及串联隔离变压器绕组；变换器直流母线电感包括分布于铁芯柱上的等匝拆分，反向绕制的电感分绕组。每个铁芯柱上均有两段分绕组反向串联形成一组电感，再将各组电感反向串联在一起构成完整的变换器母线电感。实现了变换器母线电感与变压器绕组之间的磁解耦。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种采用电流源型变换器的磁集成混合式配电变压器，其特征在于，包括主变压器(18)和电流源型变换器(20)；主变压器(18)串联有隔离变压器(19)
所述电流源型变换器(20)包括并联的三相电压桥臂(22)和三相电流桥臂(23)；所述三相电压桥臂(22)和三相电流桥臂(23)的连接母线上设置有直流母线电感(21)；三相电压桥臂(22)的桥臂中点和隔离变压器(19)的三相阀侧绕组(4)连接；三相电流桥臂(23)的桥臂中点和主变压器(18)的控制绕组(3)连接；
所述直流母线电感(21)包括第一电感绕组(8)和第二电感绕组(9)，所述第一电感绕组(8)分别缠绕在主变压器(18)每一相的主变铁芯柱(10)上，相邻的第一电感绕组(8)串联；所述第二电感绕组(9)分别缠绕在隔离变压器(19)每一相的隔离变铁芯柱(11)上，相邻的第二电感绕组(9)串联；
主变压器(18)中每一相上的第一电感绕组(8)分为两个等匝的第一电感分绕组，两个第一电感分绕组分在每一相上反向串联；隔离变压器(19)中每一相上的第二电感绕组(9)分为两个等匝的第二电感分绕组，两个第二电感分绕组在每一相上反向串联。
2.根据权利要求1所述的一种采用电流源型变换器的磁集成混合式配电变压器，其特征在于，所述三相电压桥臂(22)中的每相桥臂由两个第一开关管(24)串联组成；所述三相电流桥臂(23)中的每相桥臂由两个第二开关管(25)串联组成。
3.根据权利要求1所述的一种采用电流源型变换器的磁集成混合式配电变压器，其特征在于，所述主变压器(18)包括三相主变铁芯柱(10)，每一相的主变铁芯柱(10)上缠绕有各自的一次绕组(1)、二次绕组(2)和控制绕组(3)；三相中每一相的一次绕组(1)和二次绕组(2)之间设置有各自的主变漏磁铁芯(6)。
4.根据权利要求3所述的一种采用电流源型变换器的磁集成混合式配电变压器，其特征在于，所述主变压器(18)包括A相、B相和C相；B相的主变漏磁铁芯(6)包括左半部分和右半部分，左半部分和右半部分相对于B相的主变铁芯柱(10)对称。
5.根据权利要求3所述的一种采用电流源型变换器的磁集成混合式配电变压器，其特征在于，所述一次绕组(1)、二次绕组(2)、控制绕组(3)和第一电感绕组(8)均为层式绕组。
6.根据权利要求1所述的一种采用电流源型变换器的磁集成混合式配电变压器，其特征在于，所述隔离变压器(19)包括三相隔离变铁芯柱(11)，每一相的隔离变铁芯柱(11)上缠绕有各自的阀侧绕组(4)和网侧绕组(5)；每一相的阀侧绕组(4)和网侧绕组(5)之间设置有各自的隔离变漏磁铁芯(7)。
7.根据权利要求6所述的一种采用电流源型变换器的磁集成混合式配电变压器，其特征在于，所述阀侧绕组(4)和网侧绕组(5)均为层式绕组。
8.根据权利要求1所述的一种采用电流源型变换器的磁集成混合式配电变压器，其特征在于，所述每一相的主变铁芯柱(10)的一端连接有一个下部铁轭(17)，每一相的主变铁芯柱(10)的另一端连接有中部铁轭(16)，中部铁轭(16)的另一端连接有衔接铁轭，每一个衔接铁轭和与其相邻的隔离变铁芯柱(11)连接。
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