CN204013248U - 一种基于llc谐振变换器的电力电子变压器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种应用在配电网的电力电子变压器，具体是一种基于LLC谐振变换器的电力电子变压器，分为三级：输入级、隔离级、输出级。输入级采用二极管钳位三电平整流器，以降低开关器件耐压等级；隔离级采用了三电平LLC串联谐振型DC/DC变换器，其每个主开关电压应力是输入电压的一半，并且在全负载范围内工作在软开关状态，可降低开关管损耗，提高其效率；输出级为两电平三相四桥臂逆变电路，以应对大量存在的不平衡和非线性负载，同时连接LC滤波器，以提高电压电流波形质量。本实用新型不仅能实现传统变压器隔离、变压和能量传递等功能，还具备电能质量调节功能，可有效避免系统与负载之间因不平衡或畸变而对彼此产生的影响。

Description

一种基于LLC谐振变换器的电力电子变压器

技术领域

本实用新型涉及一种应用在配电网的电力电子变压器，具体是一种基于LLC谐振变换器的电力电子变压器。

背景技术

传统的电力变压器一直作为隔离和变压的主要工具而在电网中广泛应用，它制作工艺简单，可靠性高。但缺点也十分明显，如体积大，重量重，空载损耗严重，变压器油对环境存在威胁，铁芯饱和时会产生谐波，在投入电网时还会造成较大的励磁涌流，带非线性负荷时，畸变电流通过变压器耦合进入电网，造成对电网的谐波污染；电源侧电压受到干扰时，又会传递到负载侧，产生电压闪变，甚至导致对敏感负荷的影响。传统电力变压器的缺点和仅能实现电压等级变换、电气隔离和能量传递等功能越来越难以满足现代电力系统的要求。

上世纪70年代电力电子变压器(PET—Power electronic transformer)的概念被提出，PET是利用电力电子换流技术实现电压变换和能量传递的。其突出特点是通过电压型变换器(VSC)对其原副边交流侧电压、电流的幅值和相位进行连续可控调节。因此，PET不仅可以克服传统变压器的缺陷，还可以实现潮流、电能质量控制等附加功能，且具备自我检测与诊断，自我保护兼断路器功能等优点，也为可再生能源发电的接入提供了可靠、便利的途径。而LLC谐振变换器作为一种具有高效变换率和高功率密度的DC/DC变换器，具有可在全负载范围内实现开关零电压开关和二次侧整流二极管零电流开关的优点。

目前国内外现有的关于电力电子变压器专利中开关损耗较大，转换效率不高，这在一定程度上影响了电力电子变压器的推广和应用。但是，随着电力电子器件水平和高频变压器材料的发展，电力电子变压器必将会代替传统变压器而在电力系统中得到广泛的应用。

实用新型内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本实用新型提出一种基于LLC谐振变换器的电力电子变压器，相比传统的电力变压器，其可以大大减小变压器的体积，降低损耗，提高整体的变换效率，而且还具备电能质量调节功能，可有效避免系统与负载之间因不平衡或畸变而对彼此产生的影响。

技术方案：为解决上述技术问题，本实用新型的一种基于LLC谐振变换器的电力电子变压器，该装置采用了三级型结构，分为输入级、隔离级、输出级，输入级的功率变换器组包括第一功率变换器，第一功率变换器采用三相三线制进线方式，主电路为二极管钳位三电平整流器，第一功率变换器交流侧对应串联滤波电感后与三相交流电网相连，实现AC-DC变换，直流侧连接相应的直流储能电容；隔离级的功率变换器组包括第二功率变换器，其采用复合式全桥三电平LLC谐振变换电路，具体由复合式全桥逆变器、LLC谐振网络、高频变压器、二极管不控整流桥组成，实现DC-AC-DC变换；所述输出级的功率变换器组包括第三功率变换器，由四桥臂的三相逆变器构成，实现DC-AC变换；第一功率变换器的输出端并联直流储能电容后接第二功率变换器的输入端，第二功率变换器的输出端并上直流储能电容后接第三功率变换器的输入端，第三功率变换器的输出端对应连接滤波器的输入端，滤波器的输出端接三相负载。

所述的输入级的三电平整流电路包括十二个功率开关单元和六个功率二极管，其中第一至第四功率开关单元依次串联构成第一桥臂，在第一功率开关单元与第二功率开关单元的串联点和第三功率开关单元与第四功率开关单元的串联点之间并联一个由第一功率二极管与第二功率二极管串联成的电路，第二桥臂和第三桥臂的结构与第一桥臂的结构一样，交流侧三相输入对应连接每个桥臂的中间两个功率开关单元的串联点，每相输入都串有滤波电感，第一直流储能电容、第二直流储能电容串接后并联在整流电路直流侧，每个桥臂的两个功率二极管的串联点连接在两个直流储能电容的串联点上。

所述的第二功率变换器由六个功率开关单元、六个功率二极管、两个电感、两个电容和一个高频变压器组成复合式全桥三电平LLC谐振变换电路，其中第十三至第十六功率开关单元依次串联构成复合式全桥逆变器的超前臂，在第十三功率开关单元与第十四功率开关单元的串联点和第十五功率开关单元与第十六功率开关单元的串联点之间并联一个飞跨电容和一个由第七功率二极管与第八功率二极管串联成的电路，其中第七功率二极管与第八功率二极管的串联点连接在第一直流储能电容与第二直流储能电容串联点上，第十七功率开关单元与第十八功率开关单元串联组成复合式全桥逆变器的滞后臂，第十四功率开关单元与第十五功率开关单元连接点串联漏感后再接高频变压器原边正端，第十七功率开关单元与第十八功率开关单元连接点串联谐振电容后再接高频变压器原边负端，高频变压器原边还并联励磁电感，漏感、励磁电感与谐振电容串并联构成LLC谐振网络，第九功率二极管、第十功率二极管、第十一功率二极管、第十二功率二极管组成不控整流桥，其中第九功率二极管与第十功率二极管串联后的连接中点接高频变压器的副边正端，第十一功率二极管与第十二功率二极管串联后的连接中点接高频变压器的副边负端，直流侧输出端并联在第三直流储能电容上。

所述的四桥臂三相逆变电路由八个功率开关单元构成，适用于三相四线制系统，以应对大量存在的不平衡和非线性负载，每桥臂输出端对应接滤波器的输入端。

所述的每个功率开关单元由一个IGBT和一个反向连接的二极管并联组成。

所述的滤波器由输出滤波电感与输出滤波电容组成，可以提高电压电流波形质量。

本实用新型发明的一种基于LLC谐振变换器的电力电子变压器，其工作原理为：原方将工频交流信号通过整流器转化为直流信号，中间LLC谐振变换电路先将工频直流信号转化为高频方波信号后通过高频隔离变压器耦合到副方，再通过高频隔离变压器副边的二极管不控整流桥转化为直流信号，最后通过第三功率变换器还原成工频交流信号，引入LLC谐振网络使高频隔离环节不添加辅助线路就可以实现全负载范围软开关，从而降低开关损耗，提高转换效率，通过采用适当的控制方案来控制电力电子装置的工作，从而将一种频率、电压、波形的电能变换为另一种频率、电压、波形的电能。

有益效果：本实用新型的一种基于LLC谐振变换器的电力电子变压器，其与现有技术相比，除了具备传统电力变压器的优点外，还具有以下优点：

1.本实用新型的一种基于LLC谐振变换器的电力电子变压器，其输入级为二极管钳位三电平整流电路，降低开关器件耐压等级，直流母线电压利用率高，较低的开关频率下仍能保证电流波形良好，输出的电压电流谐波小；

2.本实用新型的一种基于LLC谐振变换器的电力电子变压器，其隔离级采用了复合式全桥三电平LLC谐振变换器，可以提高变换器的功率传输等级，减小开关应力，在全负载范围内工作在软开关状态，可降低PET的损耗，提高其效率，而且引入的飞跨电容使超前臂与滞后臂的开关过程解耦，更容易确定实现零电压开关的条件。

3.本实用新型的一种基于LLC谐振变换器的电力电子变压器，其输出级为两电平三相四桥臂逆变电路，可应对大量存在的不平衡和非线性负载；

4.本实用新型的一种基于LLC谐振变换器的电力电子变压器，由于采用了LLC谐振电路，副边的二极管会自然地零电流关断，避免了电压尖峰和反向恢复问题。

5.本实用新型的一种基于LLC谐振变换器的电力电子变压器，由于采用高频变压器进行变压，所以大大减小了整体装置的体积和重量，减轻了变压器油对环境的污染。

附图说明

图1为本实用新型的一种基于LLC谐振变换器的电力电子变压器的基本功率单元结构模型框图；

图2为本实用新型的一种基于LLC谐振变换器的电力电子变压器的整体结构原理图。

图中：1、第一功率变换器；2、第二功率变换器；3、第三功率变换器；4、复合式全桥逆变器；5、LLC谐振网络；6、高频变压器；7、二极管不控整流桥；8、滤波器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作更进一步的说明。

如图1和图2所示，本实用新型的一种基于LLC谐振变换器的电力电子变压器，该装置采用了三级型结构，分为输入级、隔离级、输出级，该输入级、隔离级和输出级分别包含功率变换器组；输入级的功率变换器组包括第一功率变换器1，第一功率变换器1为三相三线制，主电路为二极管钳位三电平整流器，第一功率变换器1交流侧串联滤波电感后与三相交流电网相连，直流侧连接相应的直流储能电容；隔离级的功率变换器组包括第二功率变换器2，其采用复合式全桥三电平LLC谐振变换电路，包括复合式全桥逆变器4、LLC谐振网络5、高频变压器6、二极管不控整流桥7；所述输出级的功率变换器组包括第三功率变换器3，由四桥臂的三相逆变器构成，逆变器交流侧输出端对应连接滤波器8输入端，滤波器8由输出滤波电感与输出滤波电容组成的LC滤波器，其可以提高电压电流波形质量；第一功率变换器1的输出端接第二功率变换器2的输入端，第二功率变换器2的输出端接第三功率变换器3的输入端，第三功率变换器3的输出端对应接滤波器8的输入端，滤波器8的输出端接三相负载。

具体来说，输入级中第一功率变换器1采用由十二个功率开关单元、六个功率二极管组成的二极管钳位三电平桥式整流电路，其中第一功率开关单元S1、第二功率开关单元S2、第三功率开关单元S3、第四功率开关单元S4依次串联构成第一桥臂，在第一功率开关单元S1与第二功率开关单元S2的串联点和第三功率开关单元S3与第四功率开关单元S4的串联点之间并联一个由第一功率二极管D1与第二功率二极管D2串联成的电路，第二桥臂和第三桥臂的结构与第一桥臂的结构一样，交流侧三相输入对应连接每个桥臂的中间两个功率开关单元(S2与S3、S6与S7、S10与S11)的串联点，每相输入都串有滤波电感L，第一直流储能电容C1、第二直流储能电容C2串接后并联在整流电路直流侧，每个桥臂的两个功率二极管(D1与D2、D3与D4、D5与D6)的串联点连接在第一直流储能电容C1、第二直流储能电容C2的串联点上；隔离级中第二功率变换器2中的复合式全桥逆变器4由第十三功率开关单元S13至第十八功率开关单元S18、第七功率二极管D7至第八功率二极管D8和飞跨电容C_ss组成，其中超前臂由第十三功率开关单元S13、第十四功率开关单元S14、第十五功率开关单元S15、第十六功率开关单元S16依次串联而成，在第十三功率开关单元S13与第十四功率开关单元S14的串联点和第十五功率开关单元S15与第十六功率开关单元S16的串联点之间并联一个飞跨电容C_ss和一个由第七功率二极管D7与第八功率二极管D8串联成的电路，其中第七功率二极管D7、第八功率二极管D8的串联点连接在第一直流储能电容C1、第二直流储能电容C2的串联点上，滞后臂由第十七功率开关单元S17、第十八功率开关单元S18串联而成，第十四功率开关单元S14、第十五功率开关单元S15相连点串联漏感L_r后接高频变压器6原边正端，第十七功率开关单元S17、第十八功率开关单元S18相连点串联谐振电容C_r后接高频变压器6原边负端，高频变压器6原边还并联励磁电感L_m，LLC谐振网络5由漏感L_r、励磁电感L_m、谐振电容C_r串并联构成，第九功率二极管D9、第十功率二极管D10、第十一功率二极管D11、第十二功率二极管D12组成二极管不控整流桥7，第九功率二极管D9、第十功率二极管D10串联后的连接中点接高频变压器6的副边正端，第十一功率二极管D11、第十二功率二极管D12串联后的连接中点接高频变压器6的副边负端，直流侧输出端并联在第三直流储能电容C3上；输出级中第三功率变换器3采用第十九功率开关单元S19、第二十功率开关单元S20、第二十一功率开关单元S21、第二十二功率开关单元S22、第二十三功率开关单元S23、第二十四功率开关单元S24、第二十五功率开关单元S25、第二十六开关单元S26组成的四桥臂逆变电路，其中第十九功率开关单元S19、第二十功率开关单元S20串联构成第一桥臂，第二十一功率开关单元S21、第二十二功率开关单元S22串联构成第二桥臂，第二十三功率开关单元S23、第二十四功率开关单元S24串联构成第三桥臂，第二十五功率开关单元S25、第二十六功率开关单元S26串联构成第四桥臂；第三功率变换器3输入端与第二功率变换器2输出端连接，第三功率变换器3输出端与滤波器8输入端对应连接，所述每个功率开关单元由一个IGBT和一个反向连接的二极管并联组成，所述的滤波器8由输出滤波电感与输出滤波电容组成，可以提高电压电流波形质量。

在配电网应用中，本实用新型的一种基于LLC谐振变换器的电力电子变压器的输入级的交流侧每相串联一滤波电感L，起滤波作用，输入级将工频交流信号通过二极管钳位三电平整流器转换为直流信号，能实现功率因数控制，通过三电平结构以降低开关器件的耐压等级，然后通过隔离级中的复合式全桥逆变器4转化为高频方波信号，复合式全桥逆变器4的输出端串联LLC谐振网络5后接高频隔离变压器6的原边，可以提高变换器的功率传输等级，减小开关应力，在全负载范围内工作在软开关状态，降低PET的损耗，高频隔离变压器6的副边通过二极管不控整流桥7转化为直流信号，再通过第三功率变换器3还原成工频交流信号；通过适当的控制策略来控制电力电子装置的工作，从而将一种频率、电压、波形的电能变换为另一种频率、电压、波形的电能。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于LLC谐振变换器的电力电子变压器，其特征在于：该装置采用了三级型结构，分为输入级、隔离级、输出级，输入级的功率变换器组包括第一功率变换器(1)，第一功率变换器(1)采用三相三线制进线方式，主电路为二极管钳位三电平整流器，第一功率变换器(1)交流侧串联滤波电感后与三相交流电网相连，直流侧连接相应的直流储能电容；隔离级的功率变换器组包括第二功率变换器(2)，其采用复合式全桥三电平LLC谐振变换电路，包括作为高频DC/AC环节的复合式全桥逆变器(4)、LLC谐振网络(5)、高频变压器(6)和作为高频AC/DC环节的不控整流桥(7)；输出级的功率变换器组包括第三功率变换器(3)，其采用三相四桥臂结构适用于三相四线制系统；第一功率变换器(1)的输出端并联直流储能电容后接第二功率变换器(2)的输入端，第二功率变换器(2)的输出端并上直流储能电容后接第三功率变换器(3)的输入端，第三功率变换器(3)的输出端对应连接LC滤波器(8)。

2.根据权利要求1所述的一种基于LLC谐振变换器的电力电子变压器，其特征在于：所述的输入级的二极管嵌位三电平整流电路由十二个功率开关单元(S1～S12)、六个功率二极管(Dl～D6)构成，第一至第四功率开关单元(S1～S4)依次串联构成第一桥臂，在第一功率开关单元(S1)与第二功率开关单元(S2)的串联点和第三功率开关单元(S3)与第四功率开关单元(S4)的串联点之间并联一个由第一功率二极管(D1)与第二功率二极管(D2)串联成的电路，第二桥臂和第三桥臂的结构与第一桥臂的结构一样，交流侧三相输入对应连接每个桥臂的中间两个功率开关单元(S2与S3、S6与S7、S10与S11)的串联点，每相输入都串有滤波电感(L)，第一直流储能电容(C1)、第二直流储能电容(C2)串接后并联在整流电路直流侧，每个桥臂的两个功率二极管(D1与D2、D3与D4、D5与D6)的串联点连接在两个直流储能电容(C1、C2)的串联点上。

3.根据权利要求1所述的一种基于LLC谐振变换器的电力电子变压器，其特征在于：所述的复合式全桥逆变器(4)由六个功率开关单元(S13～S18)、两个功率二极管(D7～D8)和一个飞跨电容(C_ss)组成，其中超前臂由第十三功率开关单元(S13)、第十四功率开关单元(S14)、第十五功率开关单元(S15)、第十六功率开关单元(S16)依次串联而成，在第十三功率开关单元(S13)与第十四功率开关单元(S14)的串联点和第十五功率开关单元(S15)与第十六功率开关单元(S16)的串联点之间并联一个飞跨电容(C_ss)和一个由第七功率二极管(D7)与第八功率二极管(D8)串联成的电路，其中两个功率二极管(D7、D8)的串联点连接在两个直流储能电容(C1、C2)的串联点上，滞后臂由第十七功率开关单元(S17)、第十八功率开关单元(S18)串联而成，第十四功率开关单元(S14)、第十五功率开关单元(S15)相连后串联漏感(L_r)接高频变压器(6)原边正端，第十七功率开关单元(S17)、第十八功率开关单元(S18)相连后串联谐振电容(C_r)接高频变压器(6)原边负端，高频变压器(6)原边还并联励磁电感(L_m)；所述LLC谐振网络(5)由漏感(L_r)、励磁电感(L_m)、谐振电容(C_r)串并联构成；所述不控整流桥(7)由四个功率二极管(D9、D10、D11、D12)组成，第九功率二极管(D9)、第十功率二极管(D10)串联后的连接中点接高频变压器(6)的副边正端，第十一功率二极管(D11)、第十二功率二极管(D12)串联后的连接中点接高频变压器(6)的副边负端，直流侧输出端并联在第三直流储能电容(C3)上。

4.根据权利要求2或3所述的一种基于LLC谐振变换器的电力电子变压器，其特征在于：所述每个功率开关单元由一个IGBT和一个反向连接的二极管并联组成。