CN208461698U - 直流变压器拓扑结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种直流变压器拓扑结构，包括偶数个直流变压器单元，直流变压器单元包括高压端口和低压端口，偶数个直流变压器单元平均分成两组得到第一直流变压器单元组和第二直流变压器单元组，直流变压器单元的高压端口依次串联，第一直流变压器单元组内的直流变压器单元的低压端口依次并联，第二直流变压直流变压器单元组内的直流变压器单元的低压端口依次并联，第一直流变压器单元组和第二直流变压直流变压器单元组串联且公共端引出中线并接地。相当于拓扑结构低压侧由两套AC/DC变流器串联，第一直流变压器单元组和第二直流变压器单元组内部为两个独立供电回路，N线可流通负荷电流，作为低压交直流负荷的零线使用，供电灵活性高。

Description

直流变压器拓扑结构

技术领域

本实用新型涉及电力技术领域，特别是涉及一种直流变压器拓扑结构。

背景技术

近年来，随着经济发展和社会进步，直流负荷如消费类电子(如计算机、手机、平板电脑)、LED、数据中心设备、电动汽车等与电压敏感型负荷所占比例持续增加，电力电子变频技术在空调、冰箱、洗衣机等产品中广泛应用，光伏发电、风力发电、储能装置以及电动汽车等分布式能源的大量接入，以及城市供电走廊日益紧缺，使得传统交流配网越来越难以满足社会的发展需求。相对于交流配网，直流配网具有输送容量大、损耗低、节约供电走廊和线路造价、稳定性好、可靠性高、电能质量高、适应直流负荷及新能源接入等优势。在电力电子技术快速发展的驱动下，直流配网作为有望解决上述问题的新途径受到国内外学者的广泛关注。直流变压器作为直流配网的主要设备，是影响直流配网推广应用的重要因素之一。

传统的直流变压器拓扑结构主要有器件串联型、模块化多电平型和输入串联输出并联型，但以上几种都只能实现变压器低压侧的伪双极接线或单极接线方式。对于伪双极接线和单极接线方式，直流负荷均只能接在正负两根极线上，供电灵活性低。

实用新型内容

基于此，有必要针对传统的直流变压器拓扑结构供电灵活性低的问题，提供一种供电灵活性高的直流变压器拓扑结构。

一种直流变压器拓扑结构，包括偶数个直流变压器单元，所述直流变压器单元包括高压端口和低压端口，所述偶数个直流变压器单元平均分成两组得到第一直流变压器单元组和第二直流变压器单元组，所述直流变压器单元的高压端口依次串联，所述第一直流变压器单元组内的直流变压器单元的低压端口依次并联，所述第二直流变压直流变压器单元组内的直流变压器单元的低压端口依次并联，所述第一直流变压器单元组和所述第二直流变压直流变压器单元组串联且公共端引出中线并接地。

上述直流变压器拓扑结构，内部直流变压器单元并联后的第一直流变压器单元组和内部直流变压器单元并联后的第二直流变压器单元组串联，且公共端引出中线并接地，相当于拓扑结构低压侧由两套AC/DC变流器串联，两者共用一极直流母线(即中线)，将此直流母线接地作为N线，两套AC-DC变流器实际上内部为两个独立供电回路，N线可流通负荷电流，可作为低压交直流负荷的零线使用，直流负荷可以接正极线和N线，也可以接负极线和N线，对于某些非居民用电，且输入电压差要求较高的直流设备，还可以接正极线和负极线，交流负荷可通过逆变器接入直流配网，供电灵活性高。

附图说明

图1为一实施例中直流变压器拓扑结构图；

图2为一实施例中直流变压器拓扑结构低压侧等效电路图；

图3为另一实施例中直流变压器拓扑结构示意图；

图4为一实施例中直流变压器拓扑结构低压侧交直流负荷接入直流配网示意图。

具体实施方式

在一个实施例中，如图1所示，一种直流变压器拓扑结构，包括偶数个直流变压器单元，直流变压器单元包括高压端口和低压端口，偶数个直流变压器单元110平均分成两组得到第一直流变压器单元组和第二直流变压器单元组，直流变压器单元110的高压端口依次串联，第一直流变压器单元组内的直流变压器单元110的低压端口依次并联，第二直流变压直流变压器单元组内的直流变压器单元110的低压端口依次并联，第一直流变压器单元组和第二直流变压直流变压器单元组串联且公共端引出中线并接地。

具体地，由于直流配网难以像交流系统通过电磁感应的方式实现电压变换，必须基于电力电子技术通过功率变换器实现电压变换和功率传递，尤其是不同电压等级直流配电网的连接。目前，主要方式是通过电力电子变流器实现高频变换，并通过高频隔离变压器实现电压的变换和电气隔离，在器件串联型拓扑结构中，通过在低压侧直流母线两端并联大电容器组，即可从电容器组的中点引出中线并接地，可用于防止低压侧极限电位漂移，但该中线无法流通负载电流，因此，此种拓扑结构仅能实现变压器低压侧的伪双极接线。

基于模块化多电平变换器的直流变压器拓扑结构，高低压侧采用模块化多电平结构结构，中间采用高频隔离变压器相连实现电气隔离和电压匹配。该方案变流器整体结构简单，模块化设计，可维护性高。由于换流器的直流侧没有集中布置的电容器，低压直流侧接地需配置专门的接地装置，且无法实现真双极接线。

由N个输入串联输出并联型(Input Series Output Parallel,ISOP)LLC谐振变换器组成，低压侧通过并联得到低压直流母线，作为低压直流端口连接低压直流电网，高压侧通过串联得到高压直流母线，作为高压直流端口连接中高压直流电网。即通过前级串联，后级并联方式，中间高频隔离，把高压直流电变为低压直流电，该拓扑结构也可通过在低压侧直流母线两端并联大电容器组，从电容器组的中点引出中线并接地。同样，此中线仅可用于防止低压侧极限电位漂移，无法流通负载电流，因此，此种拓扑结构也只能实现变压器低压侧的伪双极接线。

上述三种现有的直流变压器拓扑结构均不能实现直流变压器低压侧的真双极接线方式，只能实现伪双极接线方式或单极接线方式。对于伪双极接线和单极接线方式，直流负荷均只能接在正负两根极线上，而真双极系统，直流负荷即可接在正负两根极线上，也可接在极线和中线上，可适应两个电压等级的直流负荷的接入，供电灵活性更强。

如图2所示，上述直流变压器拓扑结构，高压端口连接高压侧正极和高压侧负极，低压端口连接低压侧正极和低压侧负极，内部直流变压器单元110并联后的第一直流变压器单元组和内部直流变压器单元110并联后的第二直流变压器单元组串联，且公共端引出中线并接地，相当于低压侧由两套AC/DC变流器串联，两者共用一极直流母线，将此直流母线接地作为N线，两套AC-DC变流器实际上内部为两个独立供电回路，N线可流通负荷电流，可作为低压交直流负荷的零线使用，由于在传统的交流配电网中，居民用电负荷一般接一根零线(N线)一根火线(相线)，因此在直流配网中，居民用电采用极线加N线的接入方式将更符合居民的用电习惯，有利于居民的人身安全。

在一个实施例中，如图3所示，直流变压器单元110包括第一全桥变换器111、第二全桥变换器112和隔离变压器113，第一全桥变换器111的直流端作为直流变压单元的高压端口，隔离变压器113的一次端与第一全桥变换器111的交流端并联，隔离变压器113的二次端与第二全桥变换器112的交流端并联，第二全桥变换器112的直流端作为直流变压单元的低压端口。

具体地，第一全桥变换器111的直流端作为直流变压单元的高压端口，将高压直流母线电压整流成高压交流母线电压并发送至隔离变压器113，隔离变压器113将高压交流母线电压变压为低压交流母线电压并发送至第二全桥变换器112，第二全桥变换器112将低压交流母线电压整流成低压直流母线电压并通过第二全桥变换器112的直流端输出，可用于功率传输和电压检测等场合，进一步地，隔离变压器113为高频磁性元件，第一全桥变换器111和第二全桥变换器112为单相全桥变换器，或第一全桥变换器111和第二全桥变换器112为三相全桥变换器，在本实施例中，第一全桥变换器111和第二全桥变换器112包括半导体器件和与半导体器件反相并联的二极管，半导体器件的具体类型并不限定，可用于起到整流作用的均可，在本实施例中，可为IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)器件。直流变压器拓扑结构实现输入输出电压的电气隔离和高低压直流输人输出的比例关系，并且还可以实现功率的双向流动，即可以将直流配电网的功率传入负载，还可以将分布式电源发出的功率回送给直流配电网。

在一个实施例中，直流变压器单元110还包括第一直流滤波电容114和第二直流滤波电容115，第一直流滤波电容114与第一全桥变换器111的直流端并联，第二直流滤波电容115与第二全桥变换器112的直流端并联。

具体地，第一直流滤波电容114和第二直流滤波电容115并联在第一全桥变换器111和第二全桥变换器112的两端，用于降低交流脉动波纹系数提升高效平滑直流输出，使电子电路的工作性能更加稳定，同时也降低了交流脉动波纹对电子电路的干扰，电容量需根据负载电阻和输出电流大小来确定。

在一个实施例中，直流变压器拓扑结构还包括辅助电感，辅助电感的一端连接全桥变换器的交流端，辅助电感的另一端连接隔离变压器113的一次端。进一步地，辅助电感为单独的元件或为隔离变压器113的漏感。具体地，利用辅助电感进行功率传输，无能耗，变换效率为1，功率密度高。

在一个较为详细的实施例中，一种直流变压器拓扑结构，包括至少四个且数量为偶数个相同的直流变压器单元110，直流变压器单元110包括高压端口和低压端口，将多个直流变压器单元110平均分成两组得到第一直流变压器单元组和第二直流变压器单元组，直流变压器单元110的高压端口依次串联，第一直流变压器单元组内的直流变压器单元110的低压端口依次并联，第二直流变压直流变压器单元组内的直流变压器单元110的低压端口依次并联，第一直流变压器单元组和第二直流变压直流变压器单元组串联，引出中线且中线接地，直流变压器单元110包括第一直流滤波电容114、第二直流滤波电容115、第一全桥变换器111、第二全桥变换器112和隔离变压器113，第一直流滤波电容114与第一全桥变换器111的直流端并联，第一直流滤波电容114的两端作为高压端口，隔离变压器113的一次端与第一全桥变换器111的交流端并联，隔离变压器113的二次端与第二全桥变换器112的交流端并联，第二直流滤波电容115与第二全桥变换器112的直流端并联，第二直流滤波电容115的两端作为低压端口。

在一个实施例中，如图4所示，为直流变压器拓扑结构低压侧交直流负荷接入直流配网示意图，直流负荷可以接正极线和N线，也可以接负极线和N线，对于某些非居民用电，且输入电压差要求较高的直流设备，还可以接正极线和负极线，供电灵活性强，可靠性高。交流负荷可通过逆变器接入直流配网，此时交流系统可与直流系统共地。在这种接线方式下，交流侧交流负荷的接入与传统交流电网一致，符合用户的用电习惯。

上述直流变压器拓扑结构，实现了直流配网低压侧的真双极接线，可为低压侧负荷提供灵活、可靠、安全的接口，可提高系统的供电灵活性和可靠性，并且符合用户的用电习惯，有利于人身和设备安全，可适应不同电压等级的负荷接入。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种直流变压器拓扑结构，其特征在于，包括偶数个直流变压器单元，所述直流变压器单元包括高压端口和低压端口，所述偶数个直流变压器单元平均分成两组得到第一直流变压器单元组和第二直流变压器单元组，所述直流变压器单元的高压端口依次串联，所述第一直流变压器单元组内的直流变压器单元的低压端口依次并联，所述第二直流变压器单元组内的直流变压器单元的低压端口依次并联，所述第一直流变压器单元组和所述第二直流变压器单元组串联且公共端引出中线并接地，其中，所述直流变压器单元的高压端口连接高压侧正极和高压侧负极，所述直流变压器单元的低压端口连接低压侧正极和低压侧负极。

2.根据权利要求1所述的直流变压器拓扑结构，其特征在于，所述直流变压器单元包括第一全桥变换器、第二全桥变换器和隔离变压器，所述第一全桥变换器的直流端作为直流变压单元的高压端口，所述隔离变压器的一次端与所述第一全桥变换器的交流端并联，所述隔离变压器的二次端与所述第二全桥变换器的交流端并联，所述第二全桥变换器的直流端作为直流变压单元的低压端口。

3.根据权利要求2所述的直流变压器拓扑结构，其特征在于，所述直流变压器单元还包括第一直流滤波电容和第二直流滤波电容，所述第一直流滤波电容与所述第一全桥变换器的直流端并联，所述第二直流滤波电容与所述第二全桥变换器的直流端并联。

4.根据权利要求2所述的直流变压器拓扑结构，其特征在于，还包括辅助电感，所述辅助电感的一端连接所述第一全桥变换器的交流端，所述辅助电感的另一端连接所述隔离变压器的一次端。

5.根据权利要求4所述的直流变压器拓扑结构，其特征在于，所述辅助电感为单独的元件或为所述隔离变压器的漏感。

6.根据权利要求2所述的直流变压器拓扑结构，其特征在于，所述隔离变压器为高频磁性元件。

7.根据权利要求2所述的直流变压器拓扑结构，其特征在于，所述第一全桥变换器和所述第二全桥变换器为单相全桥变换器；或所述第一全桥变换器和所述第二全桥变换器为三相全桥变换器。

8.根据权利要求2所述的直流变压器拓扑结构，其特征在于，所述第一全桥变换器包括半导体器件和与所述半导体器件反相并联的二极管。