CN115085565A - 固态变压器 - Google Patents

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CN115085565A CN202210521951.8A CN202210521951A CN115085565A CN 115085565 A CN115085565 A CN 115085565A CN 202210521951 A CN202210521951 A CN 202210521951A CN 115085565 A CN115085565 A CN 115085565A
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Abstract

本申请提供固态变压器。本申请的固态变压器包括第一相电路，第一相电路的输入端连接单相中压交流电，输出端连接低压直流电的输出端，且第一相电路包括N个功率单元；每个功率单元包括输入端和输出端，第一相电路包括的N个功率单元的输入端串联并连接到单相中压交流电，N个功率单元的输出端并联且连接到低压直流电的输出端；固态变压器还包括低压辅源电路，低压辅源电路与低压直流电的输出端连接，N个功率单元的输出端输出的第一直流电用于为低压辅源电路供电，第一直流电为低压直流电。本申请提供的固态变压器使用固态变压器自身的低压直流输出即第一直流电为低压辅源电路供电，可以降低固态变压器的成本，提高为低压辅源电路供电的可靠性。

Description

固态变压器
技术领域
本申请涉及电力电子技术领域，尤其涉及固态变压器。
背景技术
在电力电子技术领域中，变压器是电力系统的重要组成部分。变压器可以实现电压等级的变换(例如高压交流转低压交流，低压交流转高压交流)和电气隔离(例如高压电隔离)。
在目前相关技术中，常采用固态变压器(solid state transformer，SST)进行电压等级的变换，SST是采用高频隔离的中压至低压功率变换系统，输入通常是三相中压交流电，输出为低压直流或交流电。三相中压交流电输入的每相电路均由若干功率单元在中压侧进行串联，在低压侧进行并联组成。每个功率单元包含高压侧功率电路，中频变压器及低压侧功率电路。低压侧功率电路包括低压侧检测电路、低压侧控制电路、低压侧通讯电路和低压侧风扇电路。低压侧检测电路、低压侧控制电路、低压侧通讯电路和低压侧风扇电路由低压侧辅源电路(auxiliary power supply，APS)供电。低压辅源电路由工频变压器供电。例如，工频变压器将10千伏(kV)的中压交流电变换到220伏(V)交流电，然后为低压辅源电路供电。
但是，工频变压器成本高、笨重，从而导致固态变压器的使用成本高，同时需要10kV中压绝缘。因此，如何降低固态变压器的成本成为亟待解决的技术问题。
发明内容
本申请提供一种固态变压器，可以降低固态变压器的使用成本。
第一方面，本申请提供一种固态变压器，所述固态变压器包括第一相电路，所述第一相电路的输入端连接单相中压交流电，输出端连接低压直流电的输出端，且所述第一相电路包括N个功率单元，N为大于或等于1的整数；所述N个功率单元中的每个功率单元包括输入端和输出端，所述第一相电路包括的N个功率单元的输入端串联并连接到所述单相中压交流电，所述第一相电路包括的N个功率单元的输出端并联且连接到所述低压直流电的输出端；所述固态变压器还包括低压辅源电路，所述低压辅源电路与所述低压直流电的输出端连接，所述N个功率单元的输出端输出的第一直流电用于为所述低压辅源电路供电，所述第一直流电为所述低压直流电。
该方面中，使用固态变压器自身输出的低压直流电即第一直流电为低压辅源电路供电，与现有技术相比，不需要额外的工频变压器和10千伏中压绝缘，可以降低固态变压器的使用成本。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述固态变压器还包括低压辅源电路，包括：所述低压辅源电路为所述每个功率单元内的低压侧功率电路中的至少部分功能电路供电。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述低压辅源电路为所述每个功率单元内的低压侧功率电路中的至少部分功能电路供电，所述至少部分功能电路包括但不限于：低压侧检测电路、低压侧控制电路、低压侧通讯电路和低压侧风扇电路。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述第一相电路包括N个功率单元，包括：所述N个功率单元中的每个功率单元包括依次相连的高压侧功率电路、中频变压器和低压侧功率电路；所述每个功率单元包括输入端和输出端，包括：所述输入端为所述高压侧功率电路的输入端，所述输出端为所述低压侧功率电路的输出端。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述固态变压器包括第一相电路，所述固态变压器还包括第二相电路和第三相电路，所述第一相电路、所述第二相电路与所述第三相电路的输出端并联并连接所述低压直流电的输出端，所述第一相电路、所述第二相电路与所述第三相电路的电路结构相同，所述第一相电路为所述第一相电路、所述第二相电路与所述第三相电路中的任意一相电路。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，从所述第一相电路的单相中压交流电的输入点起，所述N个功率单元依次表示为功率单元1、功率单元2、…、功率单元N，所述第一相电路包括功率单元X，所述功率单元X为所述N个功率单元中的任意一个；在所述固态变压器启动时，若所述固态变压器包含第一相电路，所述第一相电路中的功率单元X输出的第一直流电用于为所述低压辅源电路供电，若所述固态变压器包含多相电路，所述多相电路中的每一相电路中的同样位置的功率单元X输出的第一直流电用于为所述低压辅源电路供电。
该实现方式中，使用第一相电路或者多相电路中的每一相电路中的同样位置的功率单元X输出的第一直流电为低压辅源电路供电，也就是说每相都使用功率单元X，便于固态变压器在使用过程中进行控制，且每相都可以为低压辅源电路供电，也即每相电路可以分别独立地给低压辅源电路供电，彼此互为备份，进而可以提高为低压辅源电路供电的可靠性。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，在所述固态变压器中电压达到所述预设稳定电压值时，所述第一相电路或所述多相电路中的每一相电路中的所有功率单元均输出第一直流电用于为所述低压辅源电路供电。
该实现方式中，在固态变压器中电压达到预设稳定电压值时，开关单元闭合，第一相电路或多相电路中的每一相电路中的所有功率单元均为低压辅源电路供电，与现有技术相比，成本较低，且为低压辅源电路供电的可靠性高。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述低压辅源电路具体用于：将所述第一直流电转换为所述低压侧功率电路所需的第二直流电，所述第二直流电的电压小于或等于所述第一直流电的电压。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述第一相电路还包括开关单元，所述开关单元连接在所述功率单元X与所述固态变压器中连接负载的输出端之间，所述开关单元用于在所述固态变压器启动时将所述功率单元X与所述固态变压器中连接负载的输出端断开及在所述固态变压器中电压达到预设稳定电压值时，将所述功率单元X与所述固态变压器中连接负载的输出端连通。
该实现方式中，使用开关单元控制负载供电，可以防止固态变压器启动时低压侧直流输出低，导致负载电压低。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述开关单元包括继电器或半导体功率开关。
该实现方式中，通过继电器或半导体功率开关的闭合与断开可以控制负载供电，以防止固态变压器启动时低压侧直流输出低，导致负载电压低。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述固态变压器还包括备用储能装置，所述备用储能装置与所述低压辅源电路相连，当所述固态变压中的所有低压侧功率电路不能为所述低压辅源电路供电时，所述备用储能装置用于为所述低压辅源电路供电。
该实现方式中，备用储能装置在固态变压器正常工作时储存电能，在固态变压器中所有功率单元均不能为低压辅源电路供电时，为低压辅源电路紧急供电，从而可以判断固态变压器故障和将故障信号传出，便于相关人员及时发现问题并处理，进而提高为低压辅源电路供电的可靠性。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述备用储能装置包括电池或电容。
该实现方式中，通过电池或电容可以为低压辅源电路供电，以提高为低压辅源电路供电的可靠性。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述单相中压交流电为电压值大于或等于第一阈值的交流电，所述低压直流电为电压值小于所述第一阈值的直流电。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述每个功率单元包括依次相连的高压侧功率电路、中频变压器和所述低压侧功率电路，具体的：所述第一相电路中的与所述N个功率单元一一对应的N个所述高压侧功率电路分压所述单相中压交流电，所述高压侧功率电路的输出端与所述中频变压器的输入端连接，所述高压侧功率电路用于：输入第一频率的第一交流电，将所述第一交流电转换为第二频率的第二交流电，输出所述第二交流电，所述第二频率大于所述第一频率，所述第一交流电为中压交流电；所述中频变压器的输出端与所述低压侧功率电路的输入端连接，所述中频变压器用于：输入所述第二交流电，将所述第二交流电转换为所述第二频率的第三交流电，所述中频变压器还用于将所述高压侧功率电路与所述低压侧功率电路进行电气隔离；所述低压侧功率电路用于：输入所述第三交流电，将所述第三交流电转换为所述第一直流电，输出所述第一直流电。
该实现方式中，每个功率单元包括的高压侧功率电路、中频变压器和低压侧功率电路最终将交流电转换为低压直流电输出，为负载及低压辅源电路供电，降低了固态变压器的使用成本。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述高压侧功率电路包括第一AC-DC整流电路、第一DC-AC逆变电路、高压侧检测电路、高压侧控制电路和高压侧驱动电路，所述第一AC-DC整流电路用于将所述第一交流电转换为第三直流电，所述第一DC-AC逆变电路用于将所述第三直流电转换为所述第二交流电，所述高压侧检测电路用于检测所述第一AC-DC整流电路和所述第一DC-AC逆变电路中的电压是否满足预设电压范围、电流是否满足预设电流范围，所述高压侧控制电路用于控制所述第一AC-DC整流电路中交流至直流的转换和所述第一DC-AC逆变电路中直流至交流的转换，所述高压侧驱动电路用于对所述第一AC-DC整流电路和所述第一DC-AC逆变电路进行驱动，以使所述第一AC-DC整流电路和所述第一DC-AC逆变电路正常工作。
该实现方式中，高压侧功率电路包括第一AC-DC整流电路、第一DC-AC逆变电路、高压侧检测电路、高压侧控制电路和高压侧驱动电路，以实现将输入的中压交流电转换为更高频率的交流电。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述低压侧功率电路包括第二AC-DC整流电路、低压侧检测电路、低压侧控制电路、低压侧通讯电路和低压侧风扇电路，所述第二AC-DC整流电路用于将所述第三交流电转换为所述第一直流电，所述低压侧检测电路用于检测所述第二AC-DC整流电路中的电压是否满足预设电压范围、电流是否满足预设电流范围，所述低压侧控制电路用于控制所述第二AC-DC整流电路中交流至直流的转换，所述低压侧通讯电路用于传递所述固态变压器的运行状态，所述低压侧风扇电路用于对所述固态变压器进行散热。
该实现方式中，低压侧功率电路包括第二AC-DC整流电路、低压侧检测电路、低压侧控制电路、低压侧通讯电路和低压侧风扇电路，以实现将交流电转换为直流电输出。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，若所述固态变压器中连接负载的输出端连接交流负载，则所述固态变压器还包括第二DC-AC逆变电路，所述第二DC-AC逆变电路位于所述第一相电路中与所述N个功率单元一一对应的N个所述低压侧功率电路的输出端与所述固态变压器中连接负载的输出端之间，所述第二DC-AC逆变电路用于将所述第一直流电转换为所述低压交流电，所述低压交流电用于为所述交流负载供电。
第二方面，本申请提供一种数据中心，所述数据中心包括物理服务器、通信设备和如第一方面或其中任意一种可能的实现方式所述的固态变压器，所述物理服务器包括处理器、硬盘和系统总线，所述通信设备包括路由器和交换机。
第三方面，本申请提供一种电子设备，所述电子设备包括如第一方面或其中任意一种可能的实现方式所述的固态变压器。
第四方面，本申请提供一种电源，所述电源包括如第一方面或其中任意一种可能的实现方式所述的固态变压器。
结合第四方面，在一种可能的实现方式中，所述电源应用于充电桩。
附图说明
图1为本申请一个实施例提供的固态变压器的基本结构示意图；
图2为本申请一个实施例提供的功率单元的结构示意图；
图3为本申请一个实施例提供的现有技术中为低压辅源电路供电的结构示意图；
图4为本申请另一个实施例提供的固态变压器的结构示意图；
图5为本申请另一个实施例提供的单个功率单元的结构示意图；
图6为本申请一个实施例提供的三相中压交流电输入的电路中的每相电路独立给低压辅源电路供电的固态变压器的结构示意图；
图7为本申请又一个实施例提供的固态变压器的结构示意图；
图8为本申请又一个实施例提供的固态变压器的结构示意图；
图9为本申请又一个实施例提供的固态变压器的结构示意图；
图10为本申请又一个实施例提供的固态变压器的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请实施例的实施方式进行详细描述。
在电力电子技术领域中，变压器是电力系统的重要组成部分。变压器可以实现电压等级的变换(例如高压交流转低压交流，低压交流转高压交流)和电气隔离(例如高压电隔离)。但是，传统变压器存在显著缺点，例如体积大、重量大、在输入电压不稳定时无法维持稳定的输出电压和没有改善输出电能质量的能力等。
为了解决传统变压器的缺点，常采用固态变压器(solid state transformer，SST)进行电压等级的变换，SST是采用高频隔离的中压至低压功率变换系统，利用电力电子技术进行功率转换和能量传递。SST的优点较多，例如体积小、输出电压稳定、改善输入侧的功率因数和电流谐波指标等。因此，固态变压器的发展潜力巨大。
图1为本申请一个实施例提供的固态变压器的基本结构示意图。如图1所示，以固态变压器的输入为三相中压交流电(即图1中的A相、B相、C相)，输出为低压直流电为例，三相中压交流电输入的电路中的每相电路均由N个功率单元101(即图1中的功率单元1、功率单元2、…、功率单元N)在中压侧串联，在低压侧并联组成。
其中，每个功率单元101包括高压侧功率电路1011、中频变压器1012和低压侧功率电路1013。如图1所示，高压侧功率电路1011包括交流(alternating current，AC)-直流(direct current，DC)整流电路和DC-AC逆变电路，中压辅源电路为AC-DC整流电路和DC-AC逆变电路供电；中频变压器1012位于高压侧功率电路1011和低压侧功率电路1013之间，用于对高压侧功率电路与低压侧功率电路进行电气隔离；低压侧功率电路1013包括AC-DC整流电路，低压辅源电路用于为AC-DC整流电路供电。
需要说明的是，中压辅源电路是分布式架构，分布在每个功率单元101中，为每个功率单元101中的高压侧功率电路供电；低压辅源电路是集中式架构，为固态变压器中的所有功率单元101的低压侧功率电路供电。
可选地，图1中所示的固态变压器的结构仅为一种示例。
进一步地，高压侧功率电路1011还包括高压侧检测电路、高压侧控制电路和高压侧驱动电路，低压侧功率电路1013还包括低压侧检测电路、低压侧控制电路、低压侧通讯电路和低压侧风扇电路，其具体结构图如图2所示，中压辅源电路也用于为高压侧检测电路、高压侧控制电路和高压侧驱动电路供电，低压辅源电路也用于为低压侧检测电路、低压侧控制电路、低压侧通讯电路和低压侧风扇电路供电。
其中，图2中所示的高压侧功率电路1011中的AC-AC电路相当于图1中所示的AC-DC整流电路和DC-AC逆变电路。高压侧检测电路用于检测高压侧功率电路1011中的AC-AC电路的电压是否满足预设电压范围、电流是否满足预设电流范围，高压侧控制电路用于控制高压侧功率电路1011中AC-AC电路的交流至交流的转换，高压侧驱动电路用于对高压侧功率电路1011中的AC-AC电路进行驱动，以使AC-AC电路正常工作。低压侧检测电路用于检测低压侧功率电路1013中AC-DC整流电路的电压是否满足预设电压范围、电流是否满足预设电流范围，低压侧控制电路用于控制低压侧功率电路1013中AC-DC整流电路的交流至直流的转换，低压侧通讯电路用于传递固态变压器的运行状态，低压侧风扇电路用于对固态变压器进行散热。
在目前相关技术中，低压辅源电路由工频变压器供电。基于图2中所示的功率单元的结构示意图，图3为本申请一个实施例提供的现有技术中为低压辅源电路供电的结构示意图，如图3所示，低压辅源电路由外接的工频变压器(也叫做中压变压器)将输入的8千伏(kV)至12kV的高压交流电转换为144伏(V)至264V的低压交流电来供电。
例如，工频变压器将10kV中压交流电变换到220V交流电，然后为低压辅源电路供电。可选地，低压辅源电路可以直接由220V交流电供电，或者先通过AC-DC整流电路将220V交流电转换为220V直流电，再为低压辅源电路供电。
但是，工频变压器成本高、笨重，从而导致固态变压器的使用成本高，同时需要10kV中压绝缘。因此，如何降低固态变压器的成本，成为亟待解决的技术问题。
有鉴于此，本申请提出一种固态变压器，可以降低固态变压器的成本，同时提高低压辅源供电的可靠性。
基于图1中的固态变压器的基本结构图，图4为本申请另一个实施例提供的固态变压器的结构示意图。如图4所示，固态变压器包括第一相电路，第一相电路的输入端连接单相中压交流电，输出端连接低压直流电的输出端，且第一相电路包括N个功率单元(即图4中的功率单元1、功率单元2、…、功率单元N)，N为大于或等于1的整数。
N个功率单元中的每个功率单元包括输入端和输出端，第一相电路包括的N个功率单元的输入端串联并连接到单相中压交流电，第一相电路包括的N个功率单元的输出端并联且连接到低压直流电的输出端。
进一步地，该固态变压器还包括低压辅源电路，低压辅源电路与低压直流电的输出端连接，N个功率单元的输出端输出的第一直流电用于为低压辅源电路供电，第一直流电为低压直流电。
可选地，低压辅源电路为集中式架构。
理解性地，低压辅源电路为每个功率单元内的低压侧功率电路中的至少部分功能电路供电，至少部分功能电路包括但不限于：低压侧检测电路、低压侧控制电路、低压侧通讯电路和低压侧风扇电路。
可选地，N个功率单元中的每个功率单元包括依次相连的高压侧功率电路、中频变压器和低压侧功率电路，每个功率单元的输入端为高压侧功率电路的输入端，输出端为低压侧功率电路的输出端。
需要说明的是，固态变压器中低压侧功率电路输出的第一直流电一般为几百伏，可直接用于为低压辅源电路供电，同时还可以输出至低压直流的输出端，用以连接负载，为负载供电。
可选地，从第一相电路的单相中压交流电的输入点起，N个功率单元依次表示为功率单元1、功率单元2、…、功率单元N，也即最靠近中压交流输入的功率单元为功率单元1，后面依次排序；中压交流电为电压值大于或等于第一阈值的交流电，低压直流电为电压值小于第一阈值的直流电。
可选地，第一阈值为1kV。
可选地，中压交流电为10kV。
可选地，固态变压器的输出可以是低压直流电，也可以根据需要，将输出的低压直流电接入DC-AC逆变电路，最终输出低压交流电。
理解性地，第一相电路中的与N个功率单元一一对应的N个高压侧功率电路分压单相中压交流电，高压侧功率电路具体用于：输入第一频率的第一交流电，将第一交流电转换为第二频率的第二交流电后，输出第二交流电，其中，第二频率大于第一频率，也即高压侧功率电路将输入的中压交流电变为频率更高的交流电，并输出至中频变压器。中频变压器具体用于：输入第二交流电，将第二交流电转换为第二频率的第三交流电，且中频变压器还用于将高压侧功率电路与低压侧功率电路进行电气隔离。低压侧功率电路具体用于：输入上述第三交流电，将第三交流电转换为第一直流电，输出所述第一直流电。
进一步地，固态变压器还包括第二相电路和第三相电路，第一相电路、第二相电路与第三相电路的输出端并联并连接低压直流电的输出端，第一相电路、第二相电路与第三相电路的电路结构相同，第一相电路为第一相电路、第二相电路与第三相电路中的任意一相电路。
作为一种可选的实施方式，第一相电路包括功率单元X，在固态变压器启动时，第一相电路中的功率单元X输出的第一直流电用于为低压辅源电路供电。
其中，功率单元X为N个功率单元中的任意一个。
理解性地，在固态变压器启动时，使用第一相电路中的功率单元X输出的第一直流电为低压辅源电路供电，第一相电路为所述第一相电路、所述第二相电路与所述第三相电路中的任意一相电路；若固态变压器包含多相电路，多相电路中的每一相电路中的同样位置的功率单元X输出的第一直流电也用于为低压辅源电路供电。
也就是说每相都使用功率单元X，一方面，每相电路中均使用功率单元X，在固态变压器的启动控制中，控制方法简单，容易实现；另一方面，每相电路中的功率单元X输出的第一直流电可以分别独立地为低压辅源电路供电，彼此互为备份，进而可以提高低压辅源电路供电的可靠性。
可选地，固态变压器中还包括中压辅源电路，中压辅源电路为分布式架构，分布在每相电路中的每个功率单元中，为每个功率单元中的高压侧功率电路供电。具体如图5所示，每个功率单元包括高压侧功率电路1011、中频变压器1012和低压侧功率电路1013，高压侧功率电路1011包括AC-DC整流电路和DC-AC逆变电路，中压辅源电路为高压侧功率电路1011中的AC-DC整流电路和DC-AC逆变电路供电，且AC-DC整流电路输出的直流电还用于为中压辅源电路供电，高压侧功率电路1011中还包括电容C1，用于利用其充放电特性，使整流后的脉动直流电压变成相对比较稳定的直流电压，即稳压。低压侧功率电路1013包括AC-DC整流电路，低压辅源电路用于为低压侧功率电路1013中的AC-DC整流电路供电，且AC-DC整流电路输出的低压直流电还用于为低压辅源电路供电，低压侧功率电路1013中还包括电容C2，用于稳压。
中频变压器1012位于高压侧功率电路1011和低压侧功率电路1013之间，用于对高压侧功率电路与低压侧功率电路进行电气隔离。
理解性地，高压侧功率电路1011中还包括高压侧检测电路、高压侧控制电路和高压侧驱动电路等，其中，高压侧检测电路主要用于检测高压侧功率电路1011中AC-DC整流电路和DC-AC逆变电路中的电压是否满足预设电压范围、电流是否满足预设电流范围；高压侧控制电路用于控制高压侧功率电路1011中AC-DC整流电路的交流至直流的转换和DC-AC逆变电路的直流至交流的转换；高压侧驱动电路用于对高压侧功率电路1011中AC-DC整流电路和DC-AC逆变电路进行驱动，以使AC-DC整流电路和DC-AC逆变电路正常工作；中压辅源电路也用于为高压侧检测电路、高压侧控制电路和高压侧驱动电路供电。
低压侧功率电路1013中还包括低压侧检测电路、低压侧控制电路、低压侧通讯电路和低压侧风扇电路，这些子电路工作所需的电压一般比较小，诸如十几伏等，因此通过低压辅源电路可以输出满足这些子电路工作所需的电压。具体地，低压侧检测电路用于检测低压侧功率电路1013中AC-DC整流电路的电压是否满足预设电压范围、电流是否满足预设电流范围；低压侧控制电路用于控制低压侧功率电路1013中AC-DC整流电路的交流至直流的转换；低压侧通讯电路用于传递固态变压器的运行状态，低压侧风扇电路用于对固态变压器进行散热，以提高固态变压器的性能。低压辅源电路也用于为低压侧检测电路、低压侧控制电路、低压侧通讯电路和低压侧风扇电路供电。
示例性地，图6为本申请一个实施例提供的三相中压交流电输入的电路中的每相电路独立给低压辅源电路供电的固态变压器的结构示意图。如图6所示，三相中压交流电输入分别为A相、B相和C相，A相、B相和C相输入的电路中的每相电路都包括N个功率单元，从最靠近中压交流输入的功率单元起，依次表示为功率单元1、功率单元2、…、功率单元N，每相电路的输出端同时连接低压辅源电路和低压直流电的输出端，低压直流电的输出端一般会连接负载，为负载供电，或者连接DC-AC逆变电路，将低压直流电转换为低压交流电输出来满足使用需求。
理解性地，从图6中可以看出，在固态变压器工作的过程中，ABC三相输入的电路中的每相电路中的N个功率单元中的任意一个功率单元输出的低压直流电都可以为低压辅源电路供电，且ABC三相中压交流电所产生的三相低压直流电，可以分别独立地给低压辅源电路供电，彼此互为备份，也就是说，如果ABC三相中压交流电中的任意一相低压直流电输出出现问题，其他相的低压直流电输出仍然可以为低压辅源电路供电，进而可以提高低压辅源供电的可靠性。
作为另一种可选的实施方式，固态变压器在刚启动时，低压侧直流电压可能比较低，此时如果连接负载为负载供电，会导致负载电压过低，出现负载不能正常启动或损坏负载等情况，因此，为了防止启动时低压侧直流低，导致负载电压低，采用开关单元控制负载供电。
图7为本申请又一个实施例提供的固态变压器的结构示意图。以输入为三相中压交流电为例，如图7所示，三相中压交流电输入分别为A相、B相和C相，A相、B相和C相输入的电路中的每相电路都包括N个功率单元，从最靠近中压交流输入的功率单元起，依次表示为功率单元1、功率单元2、…、功率单元N，ABC三相中压交流电输入的电路中的每相电路还包括开关单元，如图7中的开关单元K1、开关单元K2、和开关单元K3，开关单元K1、开关单元K2、和开关单元K3均设置在每相电路中的功率单元1的后面。
其中，开关单元连接在功率单元X与固态变压器中连接负载的输出端之间，用于在固态变压器启动时将功率单元X与固态变压器中连接负载的输出端(图7中所示的低压直流电的输出端)断开及在固态变压器中电压达到预设稳定电压值时，将功率单元X与固态变压器中连接负载的输出端连通，ABC三相中压交流电输入的电路中的每相电路中的开关单元在固态变压器中电压达到预设稳定电压值时闭合。
理解性地，如图7所示，在固态变压器刚启动时，ABC三相中压交流电输入的电路中的每相电路中的开关单元断开，即开关单元K1、开关单元K2、和开关单元K3断开，此时，ABC三相输入的电路中的每相电路中的功率单元1与连接负载的低压直流电的输出端断开，每相电路中的功率单元1输出的低压直流电用于为低压辅源电路供电，等到固态变压器中电压达到预设稳定电压值，也即负载电压正常时，闭合开关单元K1、开关单元K2、和开关单元K3。
进一步地，闭合开关单元K1、开关单元K2、和开关单元K3，则ABC三相输入的电路中的每相电路中的所有功率单元均输出第一直流电，用于为低压辅源电路供电，同时也为低压直流电的输出端连接的负载供电，与现有技术相比，不需要额外的工频变压器和10千伏中压绝缘，成本较低，且为低压辅源电路供电的可靠性高。
可选地，开关单元包括继电器或半导体功率开关。
可选地，图7中所示的开关单元K1、开关单元K2、和开关单元K3均设置在每相电路中的功率单元1的后面，只是一种示例，该示例在固态变压器的控制方面比较简单，容易实现，本申请对开关单元的具体设置位置不做限制。
作为又一种可选的实施方式，在上述实施例的基础上，固态变压器还包括备用储能装置，备用储能装置与低压辅源电路相连，用于为低压辅源电路供电。
示例性地，以输入为三相中压交流电为例，其具体结构示意图如图8所示，三相中压交流电输入分别为A相、B相和C相，A相、B相和C相输入的电路中的每相电路都包括N个功率单元，从最靠近中压交流输入的功率单元起，依次表示为功率单元1、功率单元2、…、功率单元N，ABC三相中压交流电输入的电路中的每相电路还包括开关单元，如图8中的开关单元K1、开关单元K2、和开关单元K3，开关单元K1、开关单元K2、和开关单元K3均设置在每相电路中的功率单元1的后面，备用储能装置与低压辅源电路相连。
需要说明的是，开关单元K1、开关单元K2、和开关单元K3的作用如上个实施例所述，此处不再赘述。
备用储能装置用于在固态变压器正常工作的时候储存电能；当固态变压器中ABC三相输入的电路中的每相电路中的所有的功率单元同时出现问题，即三路低压直流输出均不能为低压辅源电路供电时，备用储能装置可以用来为低压辅源电路紧急供电，同时可以判断固态变压器故障，并将故障信号传出。
固态变压器中添加了备用储能装置后，可以防止三路低压直流输出给低压辅源电路供电同时出现问题时导致的固态变压器故障，且及时判断固态变压器故障和将故障信号传出，能够便于相关人员及时发现问题并处理，进而提高为低压辅源电路供电的可靠性。
可选地，备用储能装置包括电池或电容等。
作为一种示例，图9为本申请又一个实施例提供的固态变压器的结构示意图。以输入为三相中压交流电，三相中压交流电输入的电路中的每相电路只包括功率单元1且输出为低压直流电为例，如图9所示，固态变压器中的A相功率单元1包括高压侧功率电路、中频变压器和低压侧功率电路，高压侧功率电路包括AC-DC整流电路和DC-AC逆变电路，中压辅源电路为高压侧功率电路中的AC-DC整流电路和DC-AC逆变电路供电，且AC-DC整流电路输出的直流电还用于为中压辅源电路供电，高压侧功率电路中还包括电容C1，用于利用其充放电特性，使整流后的脉动直流电压变成相对比较稳定的直流电压，即稳压；低压侧功率电路包括AC-DC整流电路和电容C2，电容C2用于稳压。B相功率单元1包括高压侧功率电路、中频变压器和低压侧功率电路，高压侧功率电路包括AC-DC整流电路和DC-AC逆变电路，中压辅源电路为高压侧功率电路中的AC-DC整流电路和DC-AC逆变电路供电，且AC-DC整流电路输出的直流电还用于为中压辅源电路供电，高压侧功率电路中还包括电容C3，用于利用其充放电特性，使整流后的脉动直流电压变成相对比较稳定的直流电压，即稳压；低压侧功率电路包括AC-DC整流电路和电容C4，电容C4用于稳压。C相功率单元1包括高压侧功率电路、中频变压器和低压侧功率电路，高压侧功率电路包括AC-DC整流电路和DC-AC逆变电路，中压辅源电路为高压侧功率电路中的AC-DC整流电路和DC-AC逆变电路供电，且AC-DC整流电路输出的直流电还用于为中压辅源电路供电，高压侧功率电路中还包括电容C5，用于利用其充放电特性，使整流后的脉动直流电压变成相对比较稳定的直流电压，即稳压；低压侧功率电路包括AC-DC整流电路和电容C6，电容C6用于稳压。
A相的功率单元1、B相的功率单元1和C相的功率单元1中每相的功率单元1中的低压直流电输出侧均经过一个二极管连接至低压辅源电路，用于为低压辅源电路供电。
低压辅源电路还用于为A相功率单元1中的低压侧功率电路、B相功率单元1中的低压侧功率电路和C相功率单元1中的低压侧功率电路供电。
三相中压交流电输入的电路中的每相电路中还包括开关单元，例如开关单元K1、开关单元K2、和开关单元K3，用于在固态变压器启动时将A相的功率单元1、B相的功率单元1和C相的功率单元1与固态变压器中连接直流负载的输出端断开及在固态变压器中电压达到预设稳定电压值时，将A相的功率单元1、B相的功率单元1和C相的功率单元1与固态变压器中连接直流负载的输出端连通，也即在固态变压器中电压达到预设稳定电压值时，将开关单元K1、开关单元K2、和开关单元K3闭合，以防止固态变压器启动时低压侧直流输出低，导致负载电压低。
低压辅源电路还连接有备用储能装置，用于在固态变压器正常工作的时候储存电能；当固态变压器中ABC三相输入的电路中的每相电路中的功率单元1同时出现问题时，即三路低压直流电输出均不能为低压辅源电路供电时，备用储能装置可以用来为低压辅源电路紧急供电，同时可以判断固态变压器故障，并将故障信号传出，便于相关人员及时发现问题并处理，进而提高为低压辅源电路供电的可靠性。
作为另一种示例，基于图9，图10为本申请又一个实施例提供的固态变压器的结构示意图。以输入为三相中压交流电，三相中压交流电输入的电路中的每相电路只包括功率单元1且输出为低压交流电为例，固态变压器中的A相功率单元1、B相功率单元1和C相功率单元1的具体结构描述如上述图9中实施例的描述，此处不再赘述。
A相的功率单元1、B相的功率单元1和C相的功率单元1中每相的功率单元1中的低压直流电输出侧均经过一个二极管连接至低压辅源电路，用于为低压辅源电路供电。
低压辅源电路还用于为A相功率单元1中的低压侧功率电路、B相功率单元1中的低压侧功率电路和C相功率单元1中的低压侧功率电路供电。
图10所示的固态变压器中，三相低压直流的输出端连接一个DC-AC逆变电路，用于将低压侧功率电路输出的低压直流电转换为低压交流电，然后将三相交流输出连接至交流负载，为交流负载供电。
三相中压交流电输入的电路中的每相电路中还包括开关单元，例如开关单元K1、开关单元K2、和开关单元K3，用于在固态变压器启动时将A相的功率单元1、B相的功率单元1和C相的功率单元1与固态变压器中连接交流负载的输出端以及图10中所示的与电容C6连接的DC-AC逆变电路断开，在固态变压器中电压达到预设稳定电压值时，将A相的功率单元1、B相的功率单元1和C相的功率单元1与固态变压器中连接交流负载的输出端以及图10中所示的与电容C6连接的DC-AC逆变电路连通，也即在固态变压器中电压达到预设稳定电压值时，将开关单元K1、开关单元K2、和开关单元K3闭合，以防止固态变压器启动时低压侧直流输出低，导致通过DC-AC逆变电路变换出来的低压交流输出低，进而交流负载电压低。
低压辅源电路还连接有备用储能装置，用于在固态变压器正常工作的时候储存电能；当固态变压器中ABC三相输入的电路中的每相电路中的功率单元1同时出现问题时，即三路低压直流输出均不能为低压辅源电路供电时，备用储能装置可以用来为低压辅源电路紧急供电，同时可以判断固态变压器故障，并将故障信号传出，便于相关人员及时发现问题并处理，进而提高为低压辅源电路供电的可靠性。
本申请提供的固态变压器，与现有技术中使用成本高且笨重的工频变压器为低压辅源电路供电的方案相比，不需要辅源供电的工频变压器和额外10kV中压绝缘，使用固态变压器输出的低压直流电独立地给低压辅源电路供电，且至少两路低压直流输出互为备份，保障低压辅源电路供电的可靠性，降低了固态变压器的使用成本。
进一步地，为了防止固态变压器启动时负载电压低，采用在固态变压器中增加开关单元来控制负载的方案；针对至少两路低压直流输出给低压辅源电路供电可能同时出现问题，还采用增加备用储能装置给低压辅源电路紧急供电，并判断固态变压器故障和将故障信号传出，能够便于相关人员及时发现问题并处理，进一步保障低压辅源电路供电的可靠性，降低固态变压器的成本。
可选地，本申请还提供一种数据中心，该数据中心包括物理服务器、通信设备和如上述实施例中所述的固态变压器，其中，物理服务器包括处理器、硬盘和系统总线，通信设备包括路由器和交换机。
可选地，本申请还提供一种电子设备，该电子设备包括如上述实施例中所述的固态变压器。
可选地，本申请还提供一种电源，该电源包括如上述实施例中所述的固态变压器，具体应用于充电桩。
应理解，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系，但也可能表示的是一种“和/或”的关系，具体可参考前后文进行理解。
本申请中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b，或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，a-b，a-c，b-c或a-b-c，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
应理解，在本申请的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器、随机存取存储器、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (20)

1.一种固态变压器，其特征在于，所述固态变压器包括第一相电路，所述第一相电路的输入端连接单相中压交流电，输出端连接低压直流电的输出端，且所述第一相电路包括N个功率单元，N为大于或等于1的整数；
所述N个功率单元中的每个功率单元包括输入端和输出端，所述第一相电路包括的N个功率单元的输入端串联并连接到所述单相中压交流电，所述第一相电路包括的N个功率单元的输出端并联且连接到所述低压直流电的输出端；
所述固态变压器还包括低压辅源电路，所述低压辅源电路与所述低压直流电的输出端连接，所述N个功率单元的输出端输出的第一直流电用于为所述低压辅源电路供电，所述第一直流电为所述低压直流电。
2.根据权利要求1所述的固态变压器，其特征在于，所述固态变压器还包括低压辅源电路，包括：所述低压辅源电路为所述每个功率单元内的低压侧功率电路中的至少部分功能电路供电。
3.根据权利要求2所述的固态变压器，其特征在于，所述低压辅源电路为所述每个功率单元内的低压侧功率电路中的至少部分功能电路供电，所述至少部分功能电路包括但不限于：低压侧检测电路、低压侧控制电路、低压侧通讯电路和低压侧风扇电路。
4.根据权利要求1所述的固态变压器，其特征在于，所述第一相电路包括N个功率单元，包括：所述N个功率单元中的每个功率单元包括依次相连的高压侧功率电路、中频变压器和低压侧功率电路；
所述每个功率单元包括输入端和输出端，包括：
所述输入端为所述高压侧功率电路的输入端，所述输出端为所述低压侧功率电路的输出端。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的固态变压器，其特征在于，所述固态变压器包括第一相电路，所述固态变压器还包括第二相电路和第三相电路，所述第一相电路、所述第二相电路与所述第三相电路的输出端并联并连接所述低压直流电的输出端，所述第一相电路、所述第二相电路与所述第三相电路的电路结构相同或相近，所述第一相电路为所述第一相电路、所述第二相电路与所述第三相电路中的任意一相电路。
6.根据权利要求5所述的固态变压器，其特征在于，从所述第一相电路的单相中压交流电的输入点起，所述N个功率单元依次表示为功率单元1、功率单元2、…、功率单元N，所述第一相电路包括功率单元X，所述功率单元X为所述N个功率单元中的任意一个；
在所述固态变压器启动时，若所述固态变压器包含第一相电路，所述第一相电路中的功率单元X输出的第一直流电用于为所述低压辅源电路供电，若所述固态变压器包含多相电路，所述多相电路中的每一相电路中的同样位置的功率单元X输出的第一直流电用于为所述低压辅源电路供电。
7.根据权利要求6所述的固态变压器，其特征在于，在所述固态变压器中电压达到预设稳定电压值时，所述第一相电路或所述多相电路中的每一相电路中的所有功率单元均输出第一直流电用于为所述低压辅源电路供电。
8.根据权利要求6或7所述的固态变压器，其特征在于，所述第一相电路还包括开关单元，所述开关单元连接在所述功率单元X与所述固态变压器中连接负载的输出端之间，所述开关单元用于在所述固态变压器启动时将所述功率单元X与所述固态变压器中连接负载的输出端断开，并在所述固态变压器中电压达到预设稳定电压值时将所述功率单元X与所述固态变压器中连接负载的输出端连通。
9.根据权利要求8所述的固态变压器，其特征在于，所述开关单元包括继电器或半导体功率开关。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的固态变压器，其特征在于，所述固态变压器还包括备用储能装置，所述备用储能装置与所述低压辅源电路相连，当所述固态变压中的所有低压侧功率电路不能为所述低压辅源电路供电时，所述备用储能装置用于为所述低压辅源电路供电。
11.根据权利要求10所述的固态变压器，其特征在于，所述备用储能装置包括电池或电容。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的固态变压器，其特征在于，所述单相中压交流电为电压值大于或等于第一阈值的交流电，所述低压直流电为电压值小于所述第一阈值的直流电。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的固态变压器，其特征在于，所述每个功率单元包括依次相连的高压侧功率电路、中频变压器和所述低压侧功率电路，具体的：
所述第一相电路中的与所述N个功率单元一一对应的N个所述高压侧功率电路分压所述单相中压交流电，所述高压侧功率电路的输出端与所述中频变压器的输入端连接，所述高压侧功率电路用于：输入第一频率的第一交流电，将所述第一交流电转换为第二频率的第二交流电，输出所述第二交流电，所述第二频率大于所述第一频率，所述第一交流电为中压交流电；
所述中频变压器的输出端与所述低压侧功率电路的输入端连接，所述中频变压器用于：输入所述第二交流电，将所述第二交流电转换为所述第二频率的第三交流电，所述中频变压器还用于将所述高压侧功率电路与所述低压侧功率电路进行电气隔离；
所述低压侧功率电路用于：输入所述第三交流电，将所述第三交流电转换为所述第一直流电，输出所述第一直流电。
14.根据权利要求13所述的固态变压器，其特征在于，所述高压侧功率电路包括第一AC-DC整流电路、第一DC-AC逆变电路、高压侧检测电路、高压侧控制电路和高压侧驱动电路，所述第一AC-DC整流电路用于将所述第一交流电转换为第三直流电，所述第一DC-AC逆变电路用于将所述第三直流电转换为所述第二交流电，所述高压侧检测电路用于检测所述第一AC-DC整流电路和所述第一DC-AC逆变电路中的电压是否满足预设电压范围、电流是否满足预设电流范围，所述高压侧控制电路用于控制所述第一AC-DC整流电路中交流至直流的转换和所述第一DC-AC逆变电路中直流至交流的转换，所述高压侧驱动电路用于对所述第一AC-DC整流电路和所述第一DC-AC逆变电路进行驱动，以使所述第一AC-DC整流电路和所述第一DC-AC逆变电路正常工作。
15.根据权利要求13所述的固态变压器，其特征在于，所述低压侧功率电路包括第二AC-DC整流电路、低压侧检测电路、低压侧控制电路、低压侧通讯电路和低压侧风扇电路，所述第二AC-DC整流电路用于将所述第三交流电转换为所述第一直流电，所述低压侧检测电路用于检测所述第二AC-DC整流电路中的电压是否满足预设电压范围、电流是否满足预设电流范围，所述低压侧控制电路用于控制所述第二AC-DC整流电路中交流至直流的转换，所述低压侧通讯电路用于传递所述固态变压器的运行状态，所述低压侧风扇电路用于对所述固态变压器进行散热。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的固态变压器，其特征在于，若所述固态变压器中连接负载的输出端连接交流负载，则所述固态变压器还包括第二DC-AC逆变电路，所述第二DC-AC逆变电路位于所述第一相电路中与所述N个功率单元一一对应的N个所述低压侧功率电路的输出端与所述固态变压器中连接负载的输出端之间，所述第二DC-AC逆变电路用于将所述第一直流电转换为低压交流电，所述低压交流电用于为所述交流负载供电。
17.一种数据中心，其特征在于，所述数据中心包括物理服务器、通信设备和如权利要求1至16中任一项所述的固态变压器，所述物理服务器包括处理器、硬盘和系统总线，所述通信设备包括路由器和交换机。
18.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括如权利要求1至16中任一项所述的固态变压器。
19.一种电源，其特征在于，所述电源包括如权利要求1至16中任一项所述的固态变压器。
20.根据权利要求19所述的电源，其特征在于，所述电源应用于充电桩。
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