CN117200588A - 分布式移相变压供电系统 - Google Patents

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罗成
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Abstract

本发明提供了一种分布式移相变压装置，其包括N个变压整流单元，每个变压整流单元包括两个三相三绕组变压器和四个整流电路，每个三相三绕组变压器包括在原边的第一绕组和在副边的第二、三绕组，副边的第二、三绕组输出的交流电力被整流电路整流后输出；其中每个变压整流单元被配置为：原边的两个第一绕组和副边的两个第二绕组中的一组彼此移相15°，另一组相位角相同；以及每个三相三绕组变压器的第二和第三绕组彼此移相30°。如果N大于等于2，则第N个变压整流单元的两个第一绕组的相位角能够通过将第N‑1个变压整流单元的两个第一绕组的相位角分别移相15°/N获得。该分布式移相变压装置电流谐波畸变小、工艺简单、成本低、稳定性高并易于大规模扩展。

Description

分布式移相变压供电系统
技术领域
本发明涉及电子电力领域，具体涉及一种分布式移相变压供电系统。
背景技术
由于人工智能、云计算等通信领域先进技术的快速发展，用于存储海量数据的数据中心规模也增长迅速。数据中心对综合电力管理提出了更高要求，而使得具备高效率和低能耗的高压直流供电系统备受青睐。与常规变流供电系统相比，高压直流供电系统减少了功率转换级数，提高了功率密度和效率并减小了体积。
图1示出了现有技术中一种常用的集中式高压直流供电系统简要示意图。如图1所示，高压直流供电系统主要电路包括一个单个的移相变压整流器10。该移相变压器10为集中式的移相变压器，包括原边的单个绕组101以及副边的多个绕组102，其中原边的单个绕组101接收三相交流市电，副边的多个绕组102根据不同的绕制方式具有相对彼此错开的一系列相位角，每一个绕组102的三相输出端分别连接到相应的一个三相交流直流转换模块11的三相输入端，所有三相交流直流转换模块11的正负输出端都并联到正负直流母线12以作为该高压直流供电系统的输出。移相变压器能够较好地抑制谐波对供电网的污染，然而，现有技术中的集中式移相变压器为单个变压器，安全冗余不足，一旦遭遇故障，整台变压器就会失效。同时，由于布置在副边的绕组数量多并且相互之间需要移相绕制，因此绕制工艺复杂并且缠绕密度高，成本较高；此外，其定型生产后通用或可扩展程度不高，不能便捷增加系统容量。
发明内容
针对现有技术存在的上述技术问题，本发明的第一方面提供了一种分布式移相变压装置，其包括N个变压整流单元，N大于等于1，每个变压整流单元包括两个三相三绕组变压器和四个整流电路，每个三相三绕组变压器包括在原边的第一绕组和在副边的第二绕组和第三绕组，其中两个第一绕组并联连接至三相交流输入，两个第二绕组和两个第三绕组分别连接到四个整流电路中相应的一个，所述四个整流电路各自的正、负直流输出端分别连接到正、负直流母线；
其中每个变压整流单元被配置为两个第一绕组之间的相位角之差为15°并且两个第二绕组的相位角相同，或者两个第二绕组之间的相位角之差为15°并且两个第一绕组的相位角相同；以及
在每个三相三绕组变压器中，第二绕组和第三绕组之间的相位角之差为一预定角度。
优选地，N大于等于2，第N个变压整流单元的两个第一绕组的相位角与第N-1个变压整流单元的相应的两个第一绕组的相位角分别相差15°/N。
优选地，所述N个变压整流单元的2N个第一绕组采用曲折接法，2N个第二绕组采用星形接法，2N个第三绕组采用三角形接法；或者
所述N个变压整流单元的2N个第一绕组采用曲折接法，2N个第二绕组采用三角形接法，2N个第三绕组采用星形接法。
优选地，所述N个变压整流单元的2N个第一绕组均采用三角形接法或均采用星形接法，2N个第二绕组采用曲折接法；以及
每个三相三绕组变压器中，所述第三绕组采用与其所对应的第二绕组不同的曲折接法以使所述预定角度为30°。
优选地，所述分布式移相变压装置包括2个变压整流单元，其中，所述第一绕组的相位角分别为-7.5°、0°、7.5°和15°，所述第二绕组的相位角均为0°，以及所述第三绕组的相位角均为30°。
优选地，所述分布式移相变压装置包括2个变压整流单元，其中所述第一绕组的相位角均为0°，所述第二绕组的相位角分别为-7.5°、0°、7.5°和15°，以及所述第三绕组的相位角分别为-22.5°、30°、37.5°和45°。
优选地，所述第一或第二整流电路为三相桥式全控或不可控整流电路。
优选地，所述三相桥式整流电路为由六个二级管构成的三相桥式不可控整流电路，其中所述三相桥式不可控整流电路的输出端并联有滤波电容。
优选地，所述预定角度为20°或15°。
优选地，每个变压整流单元的所述第一绕组与三相市电之间具有第一开关，和/或所述第二绕组和第一整流电路之间具有第二开关，和/或所述第三绕组和第二整流电路之间具有第三开关。
根据本发明的分布式移相变压整流电路采用了多台相位角被预先差异化设定的三绕组变压器，有效地降低交流侧输入电网的电流谐波并增加功率因数。三绕组变压器简洁的结构使得生产工艺复杂程度大大降低，因此成本降低且易于大规模扩展。此外，该装置中分布有多个三绕组变压器，任意变压器的失效都不影响系统的运行，因此安全冗余高，维护成本更低。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1示出了现有技术中一种常用的集中式高压直流供电系统简要示意图；
图2示出了根据本发明第一个实施例的一个分布式移相变压整流电路的拓扑示意图；
图3示出了根据图2所示的第一实施例的分布式移相变压整流电路中的一个三绕组变压器的一种绕组示例；
图4示出了本发明第二实施例的分布式移相变压整流电路中的一个三绕组变压器的一种绕组示例；
图5示出了第一实施例所述的分布式移相变压整流电路的一次侧的三相交流输入端的电压和电流的仿真模拟结果；
图6示出了图5所示的一次侧三相交流输入端电流波形经过傅里叶变换后在频域中显示出的谐波频次占比；
图7示出了根据本发明第三个实施例的一个分布式移相变压整流电路的拓扑示意图；
图8示出了第三实施例所述的分布式移相变压整流电路的一次侧的三相交流输入端的电压和电流的仿真模拟结果；
图9示出了图9所示的一次侧三相交流输入端电流波形经过傅里叶变换后在频域中显示出的谐波频次占比；
图10示例性地示出根据本发明的第六个实施例的分布式移相变压整流电路中的三相整流单元的示意图；
图11示出了根据本发明的再一个实施例的分布式移相变压整流电路的拓扑示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。
在根据本发明的各个实施例的分布式移相变压整流电路中，采用了比单个集中式多绕组变压器结构更简单的多个多绕组变压器，例如生产工艺成熟且成本低廉的三绕组变压器。每两个三绕组变压器作为一个基本的变压单元，其中在按照预定的规则布置该两个三绕组变压器的相对移相相位角。以此为基础，根据本发明的分布式移相变压器可以被配置为具有一个、两个、三个、四个或者更多个所述基本的变压单元，并按照预定规则限定多个基本变压单元彼此的相对移相相位角。这样的多个基本变压单元构成的分布式移相变压器在市电和对应的三相整流单元之间构成了多个变压通路而非变压单一通路，即使其中一个三绕组变压器发生故障，其余三绕组变压器均不受影响。同时，发明人发现现有技术中的集中式移相变压器移相角度配置手段单一，而根据本发明的分布式移相变压整流电路不仅能够在同一个三绕组变压器中设定期望的相位角移相角度，还能够在同一个变压单元的不同三绕组变压器之间进一步设定两者额外的相位角移相角度；进一步的，还可以在不同变压单元之间再次增加另一额外的相位角移相角度。随着变压单元的增加，该可配置的移相角度选择范围也增加，因此系统对于任意变压场景下对谐波消除的要求均可快捷进行相应设计，应用灵活性较高。
图2示出了根据本发明第一个实施例的一个分布式移相变压整流电路的拓扑示意图。分布式移相变压整流电路2仅包含一组变压单元21，变压单元21包括两个三绕组变压器211和212，以及四个三相整流单元231、232、233和234，所述四个三相整流单元的正负输出端分别连接到作为分布式移相变压整流电路2的输出的正负直流母线24。
第一三绕组变压器211包括原边的第一绕组2111、副边的第二绕组2112和副边第三绕组2113；第二三绕组变压器212包括原边的第一绕组2121、副边的第二绕组2122和副边第三绕组2123；第一绕组2111、2121分别具有三个输入端以通过三相交流开关分别接收三相交流市电，第二绕组2112、2122和第三绕组2113、2123分别具有三个输出端以将变压后的三相交流市电通过三相交流开关分别输出到其对应连接的三相整流单元231、232、233或234。
如图2所示，对于每一个三绕组变压器211或212而言，副边的第三绕组被布置为相对于副边的第二绕组固定移相30°(例如第三绕组2113相对于第二绕组2112移相30°)。本领域技术人员将知悉，根据多重化整流电路的移相原理，基于特定的移相角度，变压器副边向负载供电的同时原边任意一相的交流输入电流中基波之外的特定高频谐波分量能够有效地被消除。例如，在如图2所示的分布式移相变压整流电路中，该30°的相位角之差使得原边每一相的交流输入端电流能够有效消除5次和7次谐波，功率因数提高。
对于三绕组变压器211和212所构成的变压单元21而言，两个三绕组变压器被布置为彼此相对移相某一特定角度(该相位角可通过待消除的目标次谐波计算获得)以进一步消除其他高次谐波。作为示例，本实施例中的第一绕组2121相对于第一绕组2111移相15°，由此在变压过程中，原边每一相的交流输入端电流能够有效消除11次和13次谐波。
图3示出了根据图2所示的第一实施例的三绕组变压器的一种绕组示例。其中每一个三绕组变压器310原边的第一绕组3101采用曲折接法，通过使同一个变压单元的两个三绕组变压器的第一绕组采用不同的曲折接法，使得两者的相位角分别为0°和15°(即图3中α取值为0°和15°)。两个第二绕组3102均采用星形接法，相位角均为0°。两个第三绕组3013均采用三角形接法，相位角均为30°。
在根据这一布置原则的本发明第二实施例中，也可以将三绕组变压器211和212之间的相对移相布置成由第二绕组2112和2122实现。具体而言，在一个示例性的配置中，原边第一绕组2111和2121相对不移相，相位角均设为0°；第二绕组2122相对于第二绕组2112移相15°，即第二绕组2112相位角为0°，第二绕组2122相位角为15°；由于每一个第三绕组仍需要相对于同一个三绕组变压器内的第二绕组移相30°，因此第三绕组2113相位角为30°(即在第二绕组2112相位角上增加30°)，而第三绕组2123相位角为45°(即在第二绕组2122相位角上增加30°)。
图4示出了本发明第二实施例的三绕组变压器的一种绕组示例。其中每一个三绕组变压器410原边的第一绕组4101采用星形接法，相位角均为0°。副边第二、第三绕组4102和4103均采用曲折接法。其中，通过使两个第二绕组采用不同的曲折接法，使得两者的相位角分别为0°和15°(即图4中β取值为0°和15°)；通过使两个第三绕组采用不同的曲折接法，使得两者的相位角分别为30°和45°。
图5的上侧和下侧分别示出了第一实施例所述的分布式移相变压整流电路的一次侧三相交流输入端的电压和电流的仿真模拟结果。通过仿真可知其交流侧的电流波形畸变已经能够被抑制的非常小，基本接近相应电压波形的正弦波形形状。
图6示出了图5所示的一次侧三相交流输入端电流波形经过傅里叶变换后在频域中显示出的谐波频次占比。从频率分布上看，基于工频50Hz，电流谐波总畸变率THD为2.03％。
图7示出了根据本发明第三个实施例的一个分布式移相变压整流电路的拓扑示意图。与图2所示的分布式移相变压整流电路2不同的是，图7所示的分布式移相变压整流电路5包含两个变压单元，即第一变压单元51和第二变压单元52，第一变压单元51包括两个三绕组变压器511和512，第二变压单元52包括两个三绕组变压器521和522。
第一变压单元51包括三绕组变压器511和512；三绕组变压器511包括原边的第一绕组5111、副边的第二绕组5112和第三绕组5113，三绕组变压器512包括原边的第一绕组5121、副边的第二绕组5122和第三绕组5123，其相位角配置以及结构与第一实施例所述的变压单元21基本一致，在此不再赘述。
对于三绕组变压器511、512、521和522中的每一个，其副边的第二绕组和第三绕组的相位角被布置均为0°和30°，由此在变压过程中，原边每一相的交流输入端电流能够有效消除5次和7次谐波。
在第二变压单元52包括三绕组变压器521和522。三绕组变压器521包括原边的第一绕组5211、副边的第二绕组5212和第三绕组5213，三绕组变压器522包括原边的第一绕组5221、副边的第二绕组5222和第三绕组5223。第一绕组5211和5221相位角分别配置为-7.5°和7.5°，两者相对移相15°，由此在变压过程中，原边每一相的交流输入端电流能够有效消除11次和13次谐波。
对于第一变压单元51，第一绕组5111和5121相位角分别配置为0°和15°，因此第一变压单元51的等效相位角为两者平均值7.5°。对于第二变压单元52，第一绕组5211和5221相位角分别配置为-7.5°和7.5°，因此第二变压单元52的等效相位角为两者平均值0°，可见第一、第二变压单元51和52各自的等效相位角相差7.5°。该配置方式使得变压过程中，原边每一相的交流输入端电流能够有效消除17、19次谐波。
第一变压单元51和第二变压单元52每一个变压器副边的两个绕组各自通过三相整流单元53(图中共示出8个三相整流单元53)整流并且输出直流电力到正负直流母线54。
图8的上侧和下侧分别示出了第三实施例所述的分布式移相变压整流电路的一次侧三相交流输入端的电压和电流的仿真模拟结果。通过仿真可知其交流侧的电流波形畸变被抑制到比图5所示出的交流侧的电流波形畸变更小。
图9示出了图8所示的一次侧三相交流输入端电流经过傅里叶变换后在频域中显示出的谐波频次占比。其中计算获得的电流谐波总畸变率THD为1.47％。
在根据本发明的第四个实施例中，图7所示的第三实施例的分布式移相变压整流电路5还可以具有另一变形，其中每个三绕组变压器的初级侧的一次绕组相对相位角不变，仅通过对副边第二绕组相位角的一系列差异配置实现跨变压器的第一相位角相对差值，而同一个变压器内的第二相位角相对差值由副边第二、第三绕组固定的差值实现。示例性的，变压单元51和52的所有第一绕组相位角均为0°；第一变压单元51的第二绕组5112、5122的相位角配置为0°和15°，第二变压单元52的第二绕组5212和5222的相位角依次配置为-7.5°和7.5°；而同一个三绕组变压器内第三绕组均在第二绕组相位角上增加移相角度30°，因此第三绕组5113、5123、5213、5223的相位角分别为30°、45°、22.5°和37.5°。该配置方式同样能够有效消除5、7、11、13、17、19次谐波。
在根据本发明的第五个实施例的分布式移相变压整流电路中具有三个变压单元，其中第一和第二变压单元的各个绕组的相位角与第三实施例一致，新增的第三变压单元的两个三绕组变压器的原边的第一绕组分别移相-11.25°和3.75°，因此两者相位角相对差值为15°；第三个变压单元的第二绕组相位角均设定为0°，第三绕组相位角均设定为30°。由于第三变压单元的等效相位角为其两个第一绕组相位角平均值-3.75°，第二变压单元的等效相位角为0°，因此两个单元相位角的相对差值为3.75°，能够有效消除交流侧的23和25次谐波。此外，也可以采用类似第四实施例的方式在副边由配置差异化的第二绕组相位角来形成第三变压单元和第二变压单元之间3.75°的相位角相对差值，其同样能够有效消除交流侧的23和25次谐波。由此本实施例所述的分布式移相变压整流电路能够有效消除5、7、11、13、17、19、23、25次谐波。
图10示例性地示出根据本发明的第六个实施例的分布式移相变压整流电路中的三相整流单元的示意图。图10所示的是由六个二极管601～606以及电容607构成的三相不可控整流电路60，其具有三个分别用于接收单相交流电力的输入端608～610和两个分别输出正负直流电力的输出端611和612，其中二极管601～603共阴极连接并连接到输出端611，二极管604～606共阳极连接并连接到输出端612，二极管601阳极连接604阴极并使其连接节点连接到输入端608，二极管602阳极连接605阴极并使其连接节点连接到输入端609，二极管603阳极连接606阴极并使其连接节点连接到输入端610。在其他实施例中，还可以将上述三相整流电路60中的六个二极管分别替换为极性相同的六个晶闸管，配置相应的控制电路并取消电容607以形成三相桥式全控整流电路。同样，其他已知的三相整流电路的对电路60的替换均不脱离本发明构思的涵盖范围。
图11示出了根据本发明的再一个实施例的分布式移相变压整流电路的拓扑示意图。分布式移相变压整流电路7包含N组变压单元，每一变压单元又包含两个三绕组变压器。其中原边第一绕组相位角用α°表示，副边第二绕组相位角用β°表示。对于第N组变压单元，第一绕组的相位角分别为和/>第二绕组的相位角分别为/>和/>则第三绕组相位角为/>和/>对于全部的N组变压单元，第一绕组相位角α°和副边第二绕组相位角β°之中仅需一个被布置为相互错开一定的相位角，另一个的相位角则需要布置为一常数，以此在原边和副边的相应绕组之间实现多个所期望的相对移相角度以消除原边交流输入端的电流谐波。依据该发明构思的该分布式移相变压整流电路7例如可以具有以下两种配置方法：(1)，所有N组变压单元的第一绕组的相位角α°被配置为依次错开(不重合)，所有β°均相等。在此情况下，第N组变压单元的两个第一绕组的相位角/>和相差15°，且该第N组变压单元的两个第一绕组的相位角能够通过将第N-1组变压单元的两个第一绕组/>和/>分别同向移相15°/N获得。(2)，所有N组变压单元的第一绕组的相位角α°都相等，所有N组变压单元的第二绕组的相位角β°被配置为依次错开(不重合)。在此情况下，第N组变压单元的两个第二绕组的相位角/>和/>相差15°，且该第N组变压单元的两个第二绕组的相位角能够通过将第N-1组变压单元的两个第二绕组/>和/>的相位角分别同向移相15°/N获得。
在根据本发明的另一实施例中，其变压整流单元数量和结构与第一至第四实施例类似，其中，在每一个三相三绕组变压器中，副边的第三绕组还能够被配置为相对于第二绕组移相20°或15°。
由于本发明各实施例所述的分布式移相变压整流电路采用了多台相位角被预先差异化设定的简单变压器，因此能够针对性地并且有效地降低交流侧输入电网的电流谐波，其电能质量接近现有技术中的集中式多绕组变压器。
所述分布式移相变压整流电路采用三绕组变压器，大大降低了生产工艺复杂程度，并且单体结构的简洁还带来了总体系统稳定性的提升以及总体系统在后期扩展的灵活性，例如将多台三绕组变压器根据预定的移相角度组合成多个变压单元并相互配合形成多重移相，以消除特定频次的谐波。其总结构可以由八个或十二个甚至更多个三绕组变压器叠加而成，具有模块化扩展的性能优势并能够配置成超大规模变压集群。此外，多个三绕组变压器分布式的布置方式还具有抗风险冗余程度高的先天优势，即使其中一个三绕组变压器失效，仍不影响其余变压器在交直流侧之间构成有效通路，在维修时也能够快速替换失效的最小模块而不是将单一的集中式变压器整体替换掉，因此维护成本更低。可见其能够在性能和成本之间取得更好的平衡。
虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。

Claims (10)

1.一种分布式移相变压装置，其特征在于，包括N个变压整流单元，N大于等于1，每个变压整流单元包括两个三相三绕组变压器和四个整流电路，每个三相三绕组变压器包括在原边的第一绕组和在副边的第二绕组和第三绕组，其中两个第一绕组并联连接至三相交流输入，两个第二绕组和两个第三绕组分别连接到四个整流电路中相应的一个，所述四个整流电路各自的正、负直流输出端分别连接到正、负直流母线；
其中每个变压整流单元被配置为两个第一绕组之间的相位角之差为15°并且两个第二绕组的相位角相同，或者两个第二绕组之间的相位角之差为15°并且两个第一绕组的相位角相同；以及
在每个三相三绕组变压器中，第二绕组和第三绕组之间的相位角之差为一预定角度。
2.根据权利要求1所述的分布式移相变压装置，其特征在于，N大于等于2，第N个变压整流单元的两个第一绕组的相位角与第N-1个变压整流单元的相应的两个第一绕组的相位角分别相差15°/N。
3.根据权利要求1或2所述的分布式移相变压装置，其特征在于，
所述N个变压整流单元的2N个第一绕组采用曲折接法，2N个第二绕组采用星形接法，2N个第三绕组采用三角形接法；或者
所述N个变压整流单元的2N个第一绕组采用曲折接法，2N个第二绕组采用三角形接法，2N个第三绕组采用星形接法。
4.根据权利要求1或2所述的分布式移相变压装置，其特征在于，
所述N个变压整流单元的2N个第一绕组均采用三角形接法或均采用星形接法，2N个第二绕组采用曲折接法；以及
每个三相三绕组变压器中，所述第三绕组采用与其所对应的第二绕组不同的曲折接法以使所述预定角度为30°。
5.根据权利要求3所述的分布式移相变压装置，其特征在于，所述分布式移相变压装置包括2个变压整流单元，其中，所述第一绕组的相位角分别为-7.5°、0°、7.5°和15°，所述第二绕组的相位角均为0°，以及所述第三绕组的相位角均为30°。
6.根据权利要求4所述的分布式移相变压装置，其特征在于，所述分布式移相变压装置包括2个变压整流单元，其中所述第一绕组的相位角均为0°，所述第二绕组的相位角分别为-7.5°、0°、7.5°和15°，以及所述第三绕组的相位角分别为-22.5°、30°、37.5°和45°。
7.根据权利要求1或2所述的分布式移相变压装置，其特征在于，所述第一或第二整流电路为三相桥式全控或不可控整流电路。
8.根据权利要求1或2所述的分布式移相变压装置，其特征在于，所述三相桥式整流电路为由六个二级管构成的三相桥式不可控整流电路，其中所述三相桥式不可控整流电路的输出端并联有滤波电容。
9.根据权利要求1或2所述的分布式移相变压装置，其特征在于，所述预定角度为20°或15°。
10.根据权利要求1或2所述的分布式移相变压装置，其特征在于，每个变压整流单元的所述第一绕组与三相市电之间具有第一开关，和/或所述第二绕组和第一整流电路之间具有第二开关，和/或所述第三绕组和第二整流电路之间具有第三开关。
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