CN118299158A - 变压器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种变压器，其包括：一个或多个初级侧绕组，配置成与AC源耦接；以及至少两组次级侧绕组，每组次级侧绕组都包括高功率次级绕组和低功率次级绕组。每组次级侧绕组的高功率次级绕组和低功率次级绕组具有相同的相角，并且至少两组次级侧绕组的一组次级侧绕组中一个次级绕组相对于另一组次级侧绕组中的一个次级绕组具有不同的相角。每组次级侧绕组中的高功率次级绕组配置成将高功率传输给负载，并且每组次级绕组中的低功率绕组配置成将低功率传输给所述负载。

Description

变压器
技术领域
本发明涉及一种变压器，尤其涉及一种能够与模块化变换器耦接以将功率传输给直流负载的变压器。
背景技术
变压器(transformer)是应用法拉第电磁感应定律变换(升高或降低)交流电压，但不改变电源频率的电能变换器。当变压器耦接到供电系统中时用作能量变换装置，以将功率从一侧传输到另一侧。现有技术中以开展了对变压器的多方面的研究，然而在直流负载应用中，现有的解决方案在谐波性能以及能源效率方面依然存在不足之处。
发明内容
鉴于现有技术中的上述问题，根据本发明的实施方式，提供了一种变压器，其包括：一个或多个初级侧绕组，配置成与AC源耦接；以及至少两组次级侧绕组，每组次级侧绕组都包括高功率次级绕组和低功率次级绕组；其中，每组次级侧绕组的高功率次级绕组和低功率次级绕组具有相同的相角，并且至少两组次级侧绕组中的一组次级侧绕组中一个次级绕组相对于另一组次级侧绕组中的一个次级绕组具有不同的相角；并且其中，每组次级侧绕组中的高功率次级绕组配置成将高功率传输给负载，并且每组次级绕组中的低功率绕组配置成将低功率传输给所述负载。
在一个实施例中，所述变压器的次级侧绕组的组数是基于变压器的最小脉波数而提供的，并且，所述最小脉波数能够使得变压器所耦接的系统以谐波性能最差的情形运行时也满足AC源的谐波要求。
在一个实施例中，所述变压器的次级侧绕组的组数是可扩充的。
在一个实施例中，各个次级侧绕组的相角被提供为：与所述最小脉波数相关联。
在一个实施例中，各个次级绕组的相角至少包含预定相角，所述预定相角是基于变压器所耦接的系统的定制化需求确定的。
在一个实施例中，每组次级侧绕组配置成与多个变换器模块中的一个变换器模块耦接，并且，每组次级绕组中的高功率次级绕组与该变换器模块的第一变换器耦接，每组次级绕组中的低功率次级绕组与该变换器模块的第二变换器耦接。
在一个实施例中，所述变压器的次级侧绕组的组数采用基于以下一项或多项因素的优化值：终端负载的功率需求；与变压器耦接的模块化变换器的设计要求；以及模块化变换器的各个变换器模块的额定功率和额定电流。
在一个实施例中，所述变压器包括一个初级侧绕组，次级侧绕组以高功率次级绕组和低功率次级绕组相间隔地布置。
在一个实施例中，所述变压器的初级绕组被提供为使得变压器在出现负载不平衡或故障情形时具备安匝平衡。
在一个实施例中，所述变压器包括两个初级侧绕组，分别传输变压器容量的一半的功率；并且，次级侧绕组布置成与两个初级侧绕组一一对应的两个部分，在每个部分中，高功率次级绕组和低功率次级绕组相间隔地布置。
在一个实施例中，所述变压器包括两个初级侧绕组，分别传输变压器容量的不同比例的功率。
在一个实施例中，次级侧绕组布置成与两个初级侧绕组一一对应的两个部分，其中一个部分包括高功率次级绕组并且接收来自容量比例较大的初级绕组的功率，另一个部分包括低功率次级绕组并且接收来自容量比例较小的初级侧绕组的功率。
在一个实施例中，所述变压器包括三个初级侧绕组，分别传输变压器容量的三分之一的功率；并且次级侧绕组布置成与三个初级侧绕组一一对应的三个部分，在每个部分中，高功率次级绕组和低功率次级绕组相间隔地布置。
在一个实施例中，变压器还包括附加绕组，用于为与变压器耦接的系统中的附件传输功率。
在一个实施例中，变压器还包括耦接在变压器的初级侧的抽头变换器，其包括多个抽头位置；并且，所述抽头变换器的抽头位置能够根据与变压器耦接的系统的需求而变化。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的示例性系统的框图。
图2和图3是根据本发明的一些实施例的变换器模块的示意性框图。
图4是根据本发明的一个实施例的变换器模块的示意性电路例。
图5和图6是根据本发明的一些实施例的模块化变换器的示意性框图。
图7和图8是根据本发明的一些实施例的模块化变换器与负载连接的实现方式。
图9是根据本发明的一个实施例的控制对负载供电的方法的流程图。
图10-图14是根据本发明的一些实施例的图9中方法的主要步骤的一些实现方式的流程图。
图15-图18是根据本发明的一些实施例的变压器的结构示意图。
具体实施方式
概览
本发明的实施例涉及一种为直流负载(DC load)供电的解决方案，其具备系统效率高、器件成本低和尺寸小的优点。
根据本发明实施例的供电方案，通过模块化的多脉波变换器(Multi-pulseconverter)与移相变压器(在下文中的某些地方简称为“变压器”)相结合的方式来为直流负载(在下文中的某些地方简称为“负载”)供电。该多脉波变换器包括至少两个变换器模块，并且该移相变压器包括与该至少两个变换器模块耦接的至少两组次级侧绕组。每个变换器模块都包括两个变换器，其中一个传输大部分功率给直流负载，另一个能够被控制以仅处理小部分功率，该小部分功率传输给负载或者退回到上一级功率传输装置(例如，移相变压器)，由此每个变换器模块都实现了部分功率处理(PP：partial power processing)变换器。
根据本发明实施例的供电解决方案包括对负载供电的控制策略，由此实现了对负载的供电是可控的，以满足负载的定制化的供电需求，还能优化负载的工作效率和运行状态。
根据本发明实施例的供电方案尤其适用于为电解槽供电，以根据电解槽的状态使得电解槽的产氢率和工作效率都达到最优。根据本发明实施例的供电方案还适用于作为高压整流系统的整流前端，提供可调的高电压。根据本发明实施例的供电方案还适于根据负载的供电需求而提供恒流供电或恒压供电。
根据本发明实施例的直流侧拓扑结构可以采用升压拓扑(Step-up topology)来实现，也可以采用降压拓扑(Step-down topology)来实现，从而具备宽泛的应用场景。
根据本发明实施例的多个变换器模块之间可以并联连接，也可以串联连接，还可以以多种组合方式为多个负载同时供电，具备宽泛的应用场景。
根据本发明的实施例，移相变压器的每组次级侧绕组都包括高功率次级绕组和低功率次级绕组，这与上述部分功率处理变换器相配合，以使得大部分功率由高功率次级绕组传输，而低功率绕组仅传输小部分功率。这样的“大小绕组”方案优化了负载电压变化时所需多脉波变换器的功率等级。
根据本发明实施例的移相变压器，其结构上特征(例如，次级侧绕组的组数，初级侧绕组和次级侧绕组的布置方式)是在考虑了谐波性能以及故障情形而设计的，这使得该移相变压器成为为负载供电的“量身定制”的变压器。
另外，根据本发明的控制策略，可以包括电网、变压器、模块化变换器和负载的系统进行协同控制，从而使得该系统中的各个组成部分的工作效率和运行状态都得到优化。
示例性系统
图1示意性示出了包括本发明的多个方面的示例性系统。参见图1，该示例性系统包括：AC源(AC source)1、变压器2、模块化变换器3、控制器4、和直流负载5。
AC源1可以是AC电网(例如，并网或与可再生能源耦接的离网)。AC源1也可以耦合在微电网中。AC源1也可以是电力系统中的公共连接点(PCC：Point of Common Coupling)。
继续参见图1，变压器2耦接在AC源1与模块化变换器3之间，用于在AC源1与模块化变换器3之间传输AC功率。变压器2包括至少一个初级侧绕组20和至少两组次级侧绕组，例如，第一组次级侧绕组21和第二组次级侧绕组22。每组次级侧绕组都包括两个次级绕组。初级绕组分别与这两个次级绕组具有不同的匝数比，以使得其中一个次级绕组传输高功率，另一个绕组传输相对低的功率。换言之，每组次级侧绕组都包括一个高功率次级绕组和一个低功率次级绕组。例如，第一组次级侧绕组21包括高功率次级绕组211和低功率次级绕组212。第二组次级侧绕组22包括高功率次级绕组221和低功率次级绕组222。这里，高功率次级绕组也可以称为第一功率次级绕组，低功率次级绕组也可以称为第二功率次级绕组，并且第一功率大于第二功率。
在这些次级侧绕组中，组内各绕组的相位角相同，组间存在移相。即，每组次级绕组中的高功率次级绕组与低功率次级绕组具有相同的相位角(例如，相对于一个作为参考相位的“零相位”，该参考相位可以是一个虚拟的相位)，并且这些组次级绕组之间具有相位差，即，这些次级侧绕组具有组间移相。这样，一组次级侧绕组中的一个次级绕组相对于另一组次级侧绕组中的一个次级绕组错开一相角。例如，第一组次级侧绕组21中的高功率次级绕组221和低功率次级绕组222都具有第一相位角，第二组次侧级绕组22中的高功率次级绕组221和低功率次级绕组222都具有第二相位角，并且第二相位角与第一相位角不同。关于变压器2的实施例(例如，初级侧绕组的数量，次级侧绕组的组数，移相角的确定，初级侧绕组和次级侧绕组的布置)，将在下文中具体介绍。
继续参见图1，模块化变换器3包括至少两个变换器模块，例如，第一变换器模块31和第二变换器模块32。每个变换器模块都包括两个变换器，分别输出一直流电压。并且，每个变换器模块的两个变换器中的至少一个是可控的，以使得这两个变换器输出的两个直流电压中的至少一个直流电压是可调的，由此实现了对负载5的供电是可控的。如图1所示，第一变换器模块31包括第一变换器311和第二变换器312。第二变换器模块32包括第一变换器321和第二变换器322。每个变换器模块中的各个变换器分别与变压器2的一组次级侧绕组中的一个次级绕组耦接。第一变换器模块31的第一变换器311和第二变换器312分别与第一组次级侧绕组的高功率次级绕组211和低功率次级绕组212耦接。第二变换器模块32的第一变换器321和第二变换器322分别与第二组次级侧绕组22的高功率次级绕组221和低功率次级绕组222耦接。
对于每个变换器模块，大部分功率经由与高功率次级绕组耦接的第一变换器提供给负载，而与低功率次级绕组耦接的第二变换器仅处理小部分功率，即，所谓的部分功率处理(PPP：partial power processing)变换器。以第一变换器模块31为例，大部分功率经由第一变换器311提供给负载5，第二变换器312仅处理小部分功率。例如，将小部分功率传输给负载5(“升压(Step-up)”拓扑情形)或者将该小部分退回到变压器(“降压(Step-down)”拓扑情形)。
每个变换器模块可以以相同的方式实现。下面，以第一变换器模块31为例，结合图2和图3来介绍变换器模块的实现方式。
参见图2，在一个实施例中，第一变换器311可以实现为AC-DC变换器并输出第一直流电压V1。该AC-DC变换器可以实现为诸如二极管之类的不可控器件，以输出固定的直流电压。该AC-DC变换器还可以实现为诸如晶闸管之类的半控型器件，以输出可调的直流电压。第二变换器312可以实现为包括串联连接的AC-DC变换器和DC-DC变换器，并输出可调的第二直流电压V2。参见图3，在另一个实施例中，第二变换器312还可以实现为单级AC-DC变换器，并输出可调的第二直流电压V2。
另外，如上所述，每个变换器模块都可以实现为“升压式(step-up)”拓扑，也可以实现为“降压式(step-down)”拓扑。以图2中的第一变换器模块为例，在升压式拓扑中，通过该第一变换器模块提供给负载5电压为第一变换器311的输出第一直流电压V1与第二变换器312输出的第二直流电压V2之和。在降压式拓扑中，通过该第一变换器模块提供给负载5的电压为第一变换器311的输出第一直流电压V1与第二变换器312输出的第二直流电压V2之差。
图4示出了变换器模块的一种实现方式。为了清楚性，在图4中以变换器模块31为例进行说明。
参见图4，与高功率次级绕组211连接的第一变换器311为三相整流器，通过由6个二极管构成的三个桥臂来实现，其输入为高功率次级绕组211传输的三相交流电。与低功率次级绕组212连接的第二变换器312实现为三相桥式全控整流电路，其包括多个开关装置。该多个开关装置例如可以借助于诸如MOSFET或IGBT之类的电力电子开关来实现。每个开关装置都具有控制端，以接收来自控制器4的控制信号，从而使得该第二变换器312的输出是可控的。
返回到图1，负载5例如是制氢电解槽(以下，简称为电解槽)、电动汽车的动力电池、或数据中心的相应负荷。
继续参见图1，控制器4与变压器2、模块化变换器3和负载5通信连接，并能够与它们交互信息。控制器4基于来自变压器2、模块化变换器3和负载5中至少一项的反馈信息来控制对负载5的供电。另外，控制器4还包括用于应对多个变换器模块之间不平衡情形的控制策略。另外，控制器4还包括用于优化谐波性能的控制策略。关于由控制器4实现的控制方法的实施例将在下文中的示例性方法部分具体介绍。
在一个实施例中，控制器4在包括多个控制器节点的分布式控制系统(未示出)中实现。例如，分布式控制系统包括变压器侧的控制器节点、负载侧的控制器节点、和各个变换器模块侧的控制器节点。在该实施例中，控制器4可以与多个变换器模块侧的控制器节点中的一个控制器节点集成在一起，并且与分布式控制系统的其他控制器节点通信。控制器4也可以作为单独的一个控制器节点，并与各个变换器模块侧的控制器节点集成在一起以便与模块化变换器一起构成智能型模块化变换器。
在另一个实施例中，控制器4可以在集中式控制系统(未示出)中实现。该集中式控制系统包括高级控制器和与高级控制器通信的多个低级控制器。例如，多个低级控制器包括变压器侧控制器、各个变换器模块侧控制器、和负载侧控制器。在该实施例中，控制器4可以设置在高级控制器中，并与多个低级控制器通信。控制器4也可以设置在多个低级控制中一个低级控制器中，并与高级控制器通信。
控制器4可以采用硬件或者软件或者软件与硬件相结合的方式来实现。对于硬件实现的部分，可以在一个或多个专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数据信号处理器件(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、被设计以执行其功能的电子单元、或它们的组合中实现。对于以软件实现的部分，可以借助于微代码、程序代码或代码段来实现，还可以将它们存储在诸如存储组件之类的机器可读存储介质中。
在一个实施例中，控制器4可以实现为包括存储器和处理器。在存储器中存储有指令，该指令在被处理器执行时使得处理器执行根据本发明实施例的供电控制方法。
本发明的一个方面涉及一种模块化变换器系统，其包括上述模块化变换器3和上述控制器4。本发明的另一个方面涉及一种供电控制方法，其可以由上述控制器实现。本发明的又一个方面涉及上述变压器2。在介绍了示例性系统的基础上，下面分别介绍模块化变换器3、由控制器4实现的供电控制方法、和变压器2的实施例。
示例性模块化变换器
图5示出了根据本发明的一个实施例的模块化变换器。在图5中示出的模块化变换器3包括6个变换器模块，实现为36脉波整流结构，其与具有6组次级侧绕组的移相变压器2相配合，从而向负载5供电。可以理解的是，图5中示出的数量(例如，变换器模块的数量、脉波数、移相角)仅为示例性的，本发明不限于此。
参见图5，模块化变换器3的各个变换器模块相互并联，由此也可以称为并联式模块化变换器。例如，在这些变换器器模块中，第一变换器311～361的正输出端连接在一起，并与直流负载5的正极端子连接；并且第二变换器312～362的负输出端连接在一起，并与直流负载5的负极端子连接。
基于这样的并联拓扑，多个变换器模块分流，因此流过各个变换器模块的电流相对于提供给负载的电流小很多。而且，对于各个变换器模块，部分功率处理变换器(即，上述第二变换器)仅仅处理小部分功率。这样，构成第二变换器的可控开关的电力电子器件需要耐受的电压、电流和传输的功率都要降低很多。因此，这样的模块化变换器能够大大降低器件成本，减小尺寸。
为了清楚性，以负载5为电解槽为例进行说明。应当理解，在下面例子中采用的数值均为例示性的，不具备限定性。例如，电解槽在从轻载运行变为满载运行时，电压变化范围为30％，这时第一变换器提供了70％的负载电压(功率)，部分功率处理变换器处理的功率仅为提供给负载的功率的30％，那么6个变换器模块中的每个变换器模块的第二变换器仅需要处理30％的六分之一，即，5％。
这样的并联式模块化变换器适用于负载为电解槽的情形，因为电解槽负载的特点是：产氢量与电解槽电流正相关，且电解槽电流与电解槽电压正相关。电解槽满载运行时对应于大电流和大电压。电解槽轻载运行时对应于低电流和低电压。上述并联式模块化变换器能够由控制器4控制以调节向负载提供的电流和电压，从而能够满足电解槽的供电需求。
这样的并联式模块化变换器还适用于负载为电动汽车动力电池的情形，因为动力电池充电模式包括恒压充电和恒流充电。采用哪种充电模式与动力电池的荷电状态(SOC)相关。例如，当SOC为0～95％时，采用恒流充电。当SOC为95％～98％(为了电池寿命，一般不会充到100％)时，采用恒压充电。上述并联式模块化变换器能够由控制器4控制以调节向负载提供的电流和电压，从而能够满足电动汽车动力电池的供电需求。
图6示出了根据本发明的另一个实施例的模块化变换器。
与图5类似地，在图6中示出的模块化变换器3包括6个变换器模块，实现为36脉波整流结构，其与具有6组次级侧绕组的移相变压器2相配合，从而向负载5供电。可以理解的是，图6中示出的数量(例如，变换器模块的数量、脉波数、移相角)仅为示例性的，本发明不限于此。
参见图6，模块化变换器3的各个变换器模块相互串联，由此也可以称为串联式模块化变换器。例如，第一变换器模块的第二变换器312的负输出端与第二变换器模块的第一变换器321的正输出端连接；第二变换器模块的第二变换器322的负输出端与第三变换器模块的第一变换器331的正输出端连接，以此类推。基于这样的串联拓扑，能够为负载5提供高电压。
这样的串联式模块化变换器3尤其适用于负载为高压整流系统的情形，例如，作为高压整流系统的前端，为其提供一可调的高压。应用场景的一个例子为电动运输卡车。
另外，根据本发明的实施例，多个变换器模块中的各个变换器模块的输出之间是相互隔离的，因为AC-DC变换已在前端完成。这样，各个变换器模块的输出可以分别连接一个负载并为该负载供电，也可以是若干个变换器模块的输出以串联或并联的方式共同连接一个负载并为该负载供电。图7和图8示出了采用模块式是变换器3同时为多个独立负载供电的一些例子。
参见图7，其中示出了3个变换器模块31-33，各个变换器模块分别连接一个负载的实施例。变换器模块31连接负载51并为负载51供电；变换器模块32连接负载52并为负载52供电；变换器模块33连接负载53并为负载53供电。该实施例的应用场景例如是各个变换器模块分别连接一个电动汽车的动力电池，这样能够同时为多辆电动车充电。
参见图8，其中示出了8个变换器模块31-38，其中，4个变换器模块31-34相互串联或并联，并且共同连接负载51以为负载51供电；另外4个变换器模块35-38串联或并联，并且共同连接负载52以为负载52供电。该实施例的应用场景例如是模块化变换器同时为多个不同规模的电解槽供电。
示例性方法
现在介绍示例方法。可以使用上述控制器4来执行这些方法。应当理解，以下方法中涉及的操作不必按照所描述的精确顺序来执行。相反，可以以不同顺序或同时处置多个操作，并且可以添加或省略操作。
图9是根据本发明的一个实施例的用于控制模块化变换器向直流负载供电的方法900的流程图。根据该方法900的控制策略，控制器4控制每个变换器模块以调节每个变换器模块的第二变换器输出的第二直流电压，从而实现了对负载5的供电是可控的。
参见图9，在框910，控制器4接收来自变压器2、模块化变换器3和负载5中至少一者的反馈信息。该反馈信息例如可以直接或间接地表达：负载的运行状态和工作效率、谐波性能、供电电流、供电电压和供电功率。
例如，该反馈信息可以包括变压器的初级侧和/或次级侧的测量信息。例如，测量电流和测量电压。该反馈信息可以包括各个变换器模块的第一变换器模块和第二变换器模块的状态信息。例如，各个变换器模块的第一和第二变化器所变换的功率、电压和电流。该负载信息可以包括负载的状态信息。例如，负载功率、负载电流和负载电压。在一个实施例中，当负载为电解槽时，其状态信息可以包括：电解槽的产氢率、流过电解槽的电流(以下称为“电解槽电流”)、电解槽两端的电压(以下称为“电解槽电压”)、电解槽的工作效率、电解槽的健康状态、电解槽的老化指标、和电解槽的运行状态(例如，满载状态、轻载状态或过载状态)。
在框920，控制器4基于接收到的反馈信息控制每个变换器模块的第二变换器以调节其输出的第二直流电压。
这样的调节控制能够使得对负载5的供电得到控制，例如，对负载的供电能够满足负载的工作条件并提升负载的运行效率。这样的调节控制还能够应对多个变换器模块之间的不平衡情形。这样的调节控制还能够优化谐波性能。下面介绍框920的一些实施例。
图10示出了框920的一个实施例(框921)。根据该实施例，负载5为电解槽，控制器4根据电解槽负载的目标运行状态来执行调节控制。
参见图10，在框9211，控制器4基于接收到反馈信息来确定电解槽的目标运行状态以及电解槽的实际运行状态。电解槽的目标运行状态可以是由用户需求确定的，也可以由高级控制器根据系统和电网需求(例如，有功、无功需求)进行协同控制来确定。该目标运行状态可以包含在反馈信息中而发送给控制器4。电解槽的实际运行状态可以通过电解槽侧的传感器检测到电解槽状态参数来确定。该实际运行状态可以包含在反馈信息中而发送给控制器4。
在框9212，控制器4控制每个变换器模块的第二变换器器以调节第二直流电压V2，以使得对电解槽的供电是受控的，从而使得电解槽的运行状态是受控的。例如，当电解槽的实际运行状态符合目标运行状态时，保持当前控制不变。当电解槽的实际运行状态与目标运行状态不一致时，通过通知使得电解槽的实际运行状态变成目标运行状态。下面介绍框9212的一些例子。
在一个实施例中，如果电解槽的目标运行状态为满载，这时电解槽的实际运行状态也为满载，则控制器4保持当前控制不变。
在另一个实施例中，如果电解槽的目标运行状态为满载，这时电解槽的实际运行状态为以最低负载运行，则通过控制器4控制每个变换器模块的第二变换器器来调节第二直流电压V2，从而使得电解槽的实际运行状态从以最低负载运行变成满载运行。例如，若变换器系统采用降压拓扑，则将第二直流电压被调节为其可调范围内的最小值。如果变换器系统采用升压拓扑，则将第二直流电压调节为其可调范围内的最大值。
在又一个实施例中，如果电解槽的目标运行状态为轻载，这时电解槽的实际运行状态也为轻载，则控制器4保持当前控制不变。
在再一个实施例中，如果电解槽的目标运行状态为以最低负载运行，这时电解槽的实际运行状态为满载，则通过控制器4控制每个变换器模块的第二变换器器来调节第二直流电压V2，从而使得电解槽的实际运行状态从满载变成以最低负载运行。例如，若变换器系统采用降压拓扑，则将第二直流电压调节为其可调范围内的最大值。如果变换器系统采用升压拓扑，则将第二直流电压调节为其可调范围内的最小值。
另外，当电解槽的目标运行状态为过载，且第二直流电压V2已调节为其可调范围内的极限值(例如最大值或最小值)时，控制器4可以向变压器侧的控制器节点发送命令信号，以改变耦接在变压器的初级侧的抽头变换器的抽头位置来使得第一直流电压V1，和第二直流电压V2两者都得到控制，从而使得电解槽的实际运行状态变为过载。
图11示出了框920的另一个实施例(框922)。根据该实施例，负载5为电解槽，控制器4根据电解槽负载的健康状态来执行调节控制，以使得电解槽在其健康状态降级的情形下工作效率和产氢率都得到优化。
参见图11，在框9221，控制器4根据接收到的反馈信息判断电解槽的SOH是否降级(degradation)。例如，控制器4将电解槽的当前SOH与控制器4中存储的历史SOH进行比较，以确定电解槽的SOH是否降级。
在框9222，在确定为电解槽的SOH降级的情况下，控制器4控制每个变换器模块的第二变换器器来调节第二直流电压V2，从而使得提供给电解槽的电压得到控制。
例如，在电解槽的SOH降级后，电解槽的内阻增大，这时通过控制器4控制每个变换器模块的第二变换器器来调节第二直流电压V2，从而使得提供给电解槽的电压相应地增大以此来确保此时的产氢率达到目标产氢率，而不会因为电解槽的SOH的降级而无法达到目标产氢率。
另外，在该实施例中，也可以通过改变耦接在变压器的初级侧的抽头变换器的抽头位置来使得第一直流电压V1和第二直流电压V2两者都得到控制，从而使得电解槽的产氢率达到目标产氢率。
图12示出了框920的又一个实施例(框923)。根据该实施例，控制器4控制各个变换器模块以使得对负载供电满足负载需求的供电模式，例如，恒压模式或恒流模式。
在框9231，控制器4基于接收到的反馈信息确定负载的需求供电模式为恒压模式还是恒流模式。
例如，当负载为电动汽车的动力电池时，控制器基于该动力电池的SOC来确定需求供电模式。用于确定供电模式的规则可以预先存储在控制器中。例如，该规则为：当动力电池的SOC在0～95％时采用恒流充电；当动力电池的SOC在95％～98％时采用恒压充电。
在框9232，控制器4基于确定出的供电模式来控制每个变换器模块的第二变换器，以使得对负载的供电满足该确定出的供电模式。
例如，如果确定出的供电模式为恒压模式，则控制每个变换器模块的第二变换器以使得提供给负载的电压保持恒定。如果确定出的供电模式为恒流模式，则基于反馈的负载电流和负载电压来计算第二直流电压的调节量，以使得提供给负载的电流保持不变。
图13示出了框920的又一个实施例(框924)。根据该实施例，控制器4通过控制第二变换器来应对负载短路的情形。
参见图13，在框9241，控制器4根据反馈信息确定负载是否发生了短路故障。例如，当负载电流超过预定电流阈值时，认为发生了短路故障。
在框9242，如果确定为负载发生了短路故障，则控制每个变换器模块的第二变换器的电力电子开关，以切断回路中的电流。这样，通过控制第二变换器的可控开关就能够切换回路中的电流。这样的关断方式速度快，由此实现了对负载短路故障的快速响应。接着，在回路中已没有电流的情况下，断开连接在变压器与变换器模块之间的开关(未示出)，这样可以使得负载与供电系统彻底断开连接。
图14示出了框920的又一个实施例(框925)。根据该实施例，在多个变换器模块之间出现不平衡情形时，通过调节控制使得多个变换器模块重新返回平衡状态。这样的控制对于包括多个变换器模块的模块化变换器是有利的，因为各个变换器模块在平衡时谐波性能最优。而且，各个变换器模块在平衡时寿命几乎一致。
参见图14，在框9251，控制器4基于接收到的反馈信息来确定在多个变换器模块中是否出现不平衡情形。
在本发明的实施例中，“平衡”应当理解为各个变换器模块传输的功率、电流和电压都达到稳定状态，即，各个变换器模块传输的功率、电流和电压在时间上具有不变性。对于上述并联式变换器模块，主要关注的是各个变换器模块传输的电流。例如，各个变换器模块传输的电流相等，则认为多个变换器模块处于平衡状态。对于上述串联式变换器模块，主要关注的是各个变换器模块传输的电压。例如，各个变换器模块传输的电压相等，则认为多个变换器模块处于平衡状态。
在本发明的实施例中，“不平衡”应当理解为在多个变换器模块中，至少有一个变换器模块传输的功率、电流或电压处于不稳定状态。该不稳定状态例如是电流或电压或功率在时间上出现不规则的波动。该不稳定状态还例如是至少一个变换器模块传输的功率、电流或电压与其他变换器模块传输的功率、电流或电压不同。该不稳定状态还例如是各变换器模块传输的功率、电流或电压不符合预定比例。
可以理解的是，上述关于“平衡”和“不平衡”的定义构成了控制器判断多个变换器模块中是否出现不平衡情形的规则。该规则可以预先存储在控制器4中。
在框9252，在确定为多个变换器模块中的至少一个变换器模块出现不平衡情形时，控制该至少一个变换器模块的第二变换器以使得该变换器模块重新回到平衡状态。
为了清楚性，参见图5来描述上述关于不平衡情形的应对策略的例子。如图所示，6个变换器模块并联，平衡情形下，每个变换器模块向负载提供的电流相等。假设出现这样的不平衡情形：第一变换器模块传输给负载的电流与其他5个变换器模块传输给负载的电流不相等。这时，控制器4计算第一变换器模块传输的电流与其他变换器模块传输给负载的电流之间的差值。接着，控制器4以补偿该差值为目标来控制第一变换器模块的第二变换器，从而使得第一变换器模块传输给负载的电流与其他变换器模块提供给负载的电流相等，即，这些变换器模块再次回到平衡状态。
本发明的实施例还提供机器可读存储介质，其存储有可执行指令，当所述指令被执行时使得机器执行如上所述的方法。
示例性变压器
根据本发明的实施例，在提供变压器的几何参数(例如，次级侧绕组的组数、初级侧绕组和次级侧绕组的布局)时，考虑了将变压器作为能量变换器装置接入系统时的诸多因素，例如，谐波性能、终端负载的供电需求、变换器的额定功率和额定电流。如此提供的变压器能够成为系统中完美的能量变换器，并以最优的方式将能量从一侧传输到另一侧。
下面，介绍提供次级侧绕组组数的实施例。
首先，基于系统谐波性能最差的情形来确定变压器的最小脉波数。这是因为在系统的各种运行状态中，谐波性能最差的情形也需要满足与AC源耦接的电网的谐波要求(例如，电网侧的PCC点的谐波要求)，以此来确定变压器的最小脉波数。系统谐波最差的情形在不同应用场景下可能是不同的，下面介绍系统谐波最差的情形的几个例子。
在一个实施例中，考虑以最小负载率运行时系统谐波性能最差，并以此来确定变压器的最小脉波数。具体而言，当以最小负载率运行时产生的谐波应当满足与AC源耦接的电网的谐波要求(例如，PCC点的谐波要求)。为了清楚性，下面以电解槽负载为例进行说明。应当理解，在下面的例子中，数值仅作为示例，不具备限定性。例如，5MW(1000V,5000A)的电解槽以最低负载率20％运行(即，1MW)，需要满足PCC点的谐波要求(例如，<3～5％)。基于这样的最低负载率和PCC点的谐波要求，计算出最小脉波数为36脉波，即，至少需要36脉波来满足PCC点的谐波要求。
在另一个实施例中，考虑系统包含两个部分，但仅一部分运行时系统谐波性能最差，并以此来确定变压器的最小脉波数。为了清楚性，参见图16来介绍该实施例。图16中的系统包括两个部分，每个部分实现为24脉波，两部分一起构成48脉波。当系统仅一部分运行时，即，以24脉波运行，系统中产生的谐波需要满足PCC点的谐波要求。例如，当系统实现为由两个12脉波构成的24脉波时，如果仅一组运行，则系统以12脉波运行，这时并不满足PCC的谐波要求。在该情况下，可以将系统实现为包含两个24脉波的48脉波，如果仅一组运行，则系统以24脉波运行，这时满足PCC的谐波要求。那么，确定出变压器的最小脉波数为48脉波。
另外，也可以考虑将上述两个实施例的情形的结合作为系统谐波性能最差的情形。换言之，将系统以两部分中的一个部分运行且该部分以最小负载运行时的情形作为系统谐波性能最差的情形，并确定在该情形下的最小脉波数。
接着，还可以进一步计算最小脉波数的修正值，即，在计算出的最小脉波数的基础上适当地增加一修正脉波数以得到经修正的最小脉波数，这使得变压器的脉波数具备了应对诸如故障情形或不平衡情形之类的不稳定因素的余量。这样的冗余对于将变压器耦接到系统中作为能量转换装置是极为有利的，因为如此提供的变压器充分考虑了系统的谐波性能，并且能够在一定程度上应对系统的不稳定因素。
该修正值可以根据实验结果和/或模型计算得出。例如，根据具体应用创建谐波性能优化模型，将在该应用中出现不稳定因素时测得谐波相关参数带入该谐波性能优化模型，由此得到能够优化谐波性能的脉波数修正值，作为上述最小脉波数的修正值。
接着，根据经修正的最小脉波数来计算次级侧的绕组组数。可以根据如下公式来计算该组数：N＝6*n，其中，N为上述经修正的最小脉波数；n为次级侧的绕组组数。在一个实施例中，脉波数N小于等于108，且组数n大于等于2。
接着，以下因素中的一项或多项来优化次级侧的绕组组数，并将经优化的绕组组数作为变压器的次级侧绕组组数：终端负载的功率需求、模块化设计要求、变换器模块的经济性、变换器模块的额定功率和额定电流。
在一个实施例中，优化绕组组数可以是将通过上述方式确定出的绕组组数进行扩充。例如，将6组扩大成12组，从而使得每个变换器模块需要耐受的电压、电流以及处理的功率均减小，由此可以选用低成本且适用的电力电子器件。这样，虽然增加了器件的数量，但是器件的总成本是大大降低的。
可以理解的是，以上例子中将组数以倍数扩大的方式仅是一个例子，根据本发明的实施例，还可以包括其他的组数扩充方式。
接着，在确定了变压器的脉波数和次级侧绕组组数的基础上，确定这些次级侧绕组的相位角。可以理解，这时的脉波数能够根据上述公式N＝6*n计算出。这里，n为最终确定出的次级侧绕组组数，由此得到脉波数N。为了清楚性，下面以36脉波为例进行说明。
例如，确定出的组数为6，则脉波数N为36(即，6*6＝36)。这时，次级侧绕组的组间移相角根据公式360°/N(N为脉波数)来确定，即，组间移相角为10°。换言之，相邻组的绕组相角依次增加或减少10°。在确定了组间的移相角之后，可以采用如下一些方式来确定各个绕组的相角。在一个实施例中，根据作为参考的虚拟0°相位，确定出5°和-5°两个绕组相角，依次类推，确定出15°和-15°两个绕组相角，并确定出25°和-25°两个绕组相角。在另一个实施例中，存在某一需求相角(例如，该需求相角是具体应用的定制化需求)，这时，首先将一个绕组相角确定为该需求相角，接着依次增加10°或减少10°来确定其他绕组相角。例如，需求相角为30°，则首先相对于作为参考的虚拟0°相位确定出一个30°绕组相角，接着依次增加或减少10°来确定出其他绕组相角，例如，其他绕组相角为20°、10°、0°、-10°和-20°。
下面，参照图15-18来介绍变压器的初级侧绕组和次级侧绕组的布局的一些例子。
图15示出了根据本发明的一个实施例的变压器。如图15所示，初级侧绕组的数量为1，即，初级侧具有一个初级绕组W。次级侧绕组的布置为高功率绕组和低功率绕组间隔布置。这样，次级侧绕组的布置顺序为：高功率绕组a-1→低功率绕组b-1→高功率绕组a-2→低功率绕组b-2→……高功率绕组a-6→低功率绕组b-6。而且，初级绕组W的高度与次级侧绕组的总高度相对应。例如，初级绕组W的高度的一半处与次级侧绕组的总高度的一半处是对齐的。
图16示出了根据本发明的另一个实施例的变压器。如图16所示，初级侧绕组的数量为2，即，初级侧具有两个初级绕组W1和W2。每个初级绕组分得变压器容量的一半。次级侧绕组布置成两个部分，每个部分在高度上对应于一个初级绕组，并且接收该初级绕组传输的功率。在次级侧绕组的两个部分的每个部分中，高功率绕组和低功率绕组间隔布置。例如，参见图16，次级侧的一个部分包括高功率次级绕组a1-a4以及低功率次级绕组b1-b4，并且这些次级绕组的布置顺序为：高功率绕组a-1→低功率绕组b-1→高功率绕组a-2→低功率绕组b-2→……高功率绕组a-4→低功率绕组b-4。次级侧的另一个部分包括高功率次级绕组a5-a8以及低功率次级绕组b5-b8，并且这些次级绕组的布置顺序为：高功率绕组a-5→低功率绕组b-5→高功率绕组a-6→低功率绕组b-6→……高功率绕组a-8→低功率绕组b-8。
另外，根据本发明的另一个实施例(未示出)，原边侧包括三个原边绕组，次级侧绕组布置成三个部分。该实施例的实现方式与图16的实施例类似，不赘述。
另外，将变压器的初级侧设计为包括两个或更多个初级绕组，这样的设计在次级侧出现不平衡负载情形或者故障情形时，对于变压器的安匝平衡是有帮助的。换言之，当变压器的初级侧包含两个或更多个初级绕组时，这样的变压器在出现负载不平衡情形或故障情形时具备更佳的安匝平衡。
图17示出了根据本发明的又一个实施例的变压器。如图17所示，初级侧绕组的数量为2，即，初级侧具有两个初级绕组W1和W2。这两个初级绕组分得不同比率的变压器容量，即，一个初级绕组分得较多的变压器容量，另一个初级绕组分得较少的变压器容量。该不同比率可以是根据次级侧耦接的部分功率处理变换器(例如，上述第二变换器)所处理的功率与变换器模块传输的总功率之间的比率确定的。例如，对于变换器模块31，第一变换器传输的功率与第二变换器传输的功率之间的比为8:2。则可以布置成一个初级绕组分得80％的变压器容量，而另一个初级绕组W2分得20％的变压器容量。在该实施例中，次级侧的一个部分包括高功率次级绕组a1-a8，并且这些次级绕组的布置顺序为：高功率绕组a-1→高功率绕组a-2→……→高功率绕组a-8。另一个次级侧部分包括低功率次级绕组b1-b8，并且这些次级绕组的布置顺序为：低功率绕组b-1→低功率绕组b-2→……→低功率绕组b-8。
图18示出了根据本发明的又一个实施例的变压器。在该实施例中，变压器还包括附加绕组W’，用于为系统中的附件(例如，冷却装置、加热装置，等等)供电。
另外，根据本发明实施例的变压器，还可以包括变压器初级侧的抽头变换器，该抽头变换器具有多个可选的抽头位置。抽头位置的变化可以通过控制器的控制来实现，也可以通过手动改变抽头位置，从而将不同电压等级的功率从初级侧传输到次级侧。这样，能够进一步增加为负载供电的灵活性，以便满足负载供电的定制化需求。
可以理解，以上描述的控制器可以通过各种方式来实施。例如，可以被实施为硬件、软件、或其组合。
控制器可以包括一个或多个处理器。这些处理器可以使用电子硬件、计算机软件或其任意组合来实施。这些处理器是实施为硬件还是软件将取决于具体的应用以及施加在系统上的总体设计约束。作为示例，本发明中给出的处理器、处理器的任意部分、或者处理器的任意组合可以实施为微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑器件(PLD)、状态机、门逻辑、分立硬件电路、以及配置用于执行在本发明中描述的各种功能的其它适合的处理部件。本发明给出的处理器、处理器的任意部分、或者处理器的任意组合的功能可以实施为由微处理器、微控制器、DSP或其它适合的平台所执行的软件。
软件可以被广泛地视为表示指令、指令集、代码、代码段、程序代码、程序、子程序、软件模块、应用、软件应用、软件包、例程、子例程、对象、运行线程、过程、函数等。软件可以驻留在计算机可读介质中。计算机可读介质可以包括例如存储器，存储器可以例如为磁性存储设备(如，硬盘、软盘、磁条)、光盘、智能卡、闪存设备、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、可擦除PROM(EPROM)、电可擦除PROM(EEPROM)、寄存器或者可移动盘。尽管在本发明给出的多个方面中将存储器示出为是与处理器分离的，但是存储器也可以位于处理器内部(如，缓存或寄存器)。
以上描述被提供用于使得本领域任何技术人员可以实施本文所描述的各个方面。这些方面的各种修改对于本领域技术人员是显而易见的，本文限定的一般性原理可以应用于其它方面。因此，权利要求并非旨在被局限于本文示出的方面。关于本领域技术人员已知或即将获知的、对本发明所描述各个方面的元素的所有结构和功能上的等同变换，都将通过引用而明确地包含到本文中，并且旨在由权利要求所覆盖。

Claims (15)

1.一种变压器，包括：
一个或多个初级侧绕组，配置成与AC源耦接；以及
至少两组次级侧绕组，每组次级侧绕组都包括高功率次级绕组和低功率次级绕组；
其中，每组次级侧绕组的高功率次级绕组和低功率次级绕组具有相同的相角，并且所述至少两组次级侧绕组的一组次级侧绕组中一个次级绕组相对于另一组次级侧绕组中的一个次级绕组具有不同的相角；并且
其中，每组次级侧绕组中的高功率次级绕组配置成将高功率传输给负载，并且每组次级绕组中的低功率绕组配置成将低功率传输给所述负载。
2.如权利要求1所述的变压器，其中，所述变压器的次级侧绕组的组数是基于变压器的最小脉波数而提供的，并且
其中，所述最小脉波数能够使得变压器所耦接的系统以谐波性能最差的情形运行时也满足AC源的谐波要求。
3.如权利要求2所述的变压器，其中，所述变压器的次级侧绕组的组数是可扩充的。
4.如权利要求2或3中任一项所述的变压器，其中，各个次级侧绕组的相角被提供为：与所述最小脉波数相关联。
5.如权利要求4所述的变压器，其中，各个次级绕组的相角至少包含预定相角，所述预定相角是基于变压器所耦接的系统的定制化需求确定的。
6.如权利要求1-5中任一项所述的变压器，其中，每组次级侧绕组配置成与多个变换器模块中的一个变换器模块耦接，并且
其中，每组次级绕组中的高功率次级绕组与该变换器模块的第一变换器耦接，每组次级绕组中的低功率次级绕组与该变换器模块的第二变换器耦接。
7.如权利要求6所述的变压器，其中，所述变压器的次级侧绕组的组数采用基于以下一项或多项因素的优化值：
终端负载的功率需求；
与变压器耦接的模块化变换器的设计要求；以及
模块化变换器的各个变换器模块的额定功率和额定电流。
8.如权利要求1-7中任一项所述的变压器，其中，所述变压器包括一个初级侧绕组，次级侧绕组以高功率次级绕组和低功率次级绕组相间隔地布置。
9.如权利要求1-7中任一项所述的变压器，其中，所述变压器的初级绕组被提供为使得变压器在出现负载不平衡或故障情形时具备安匝平衡。
10.如权利要求1-7中任一项所述的变压器，其中，所述变压器包括两个初级侧绕组，分别传输变压器容量的一半的功率；并且
其中，次级侧绕组布置成与两个初级侧绕组一一对应的两个部分，在每个部分中，高功率次级绕组和低功率次级绕组相间隔地布置。
11.如权利要求1-7中任一项所述的变压器，其中，所述变压器包括两个初级侧绕组，分别传输变压器容量的不同比例的功率。
12.如权利要求11所述的变压器，其中，次级侧绕组布置成与两个初级侧绕组一一对应的两个部分，其中一个部分包括高功率次级绕组并且接收来自容量比例较大的初级绕组的功率，另一个部分包括低功率次级绕组并且接收来自容量比例较小的初级侧绕组的功率。
13.如权利要求1-7中任一项所述的变压器，其中，所述变压器包括三个初级侧绕组，分别传输变压器容量的三分之一的功率；并且
次级侧绕组布置成与三个初级侧绕组一一对应的三个部分，在每个部分中，高功率次级绕组和低功率次级绕组相间隔地布置。
14.如权利要求1-13中任一项所述的变压器，其中，还包括附加绕组，用于为与变压器耦接的系统中的附件传输功率。
15.如权利要求1-13中任一项所述的变压器，其中，还包括耦接在变压器的初级侧的抽头变换器，其包括多个抽头位置；并且
其中，所述抽头变换器的抽头位置能够根据与变压器耦接的系统的需求而变化。
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