CN218771787U - 一种串联型模组的直流变压器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种串联型模组的直流变压器，包括M个输入串联输出并联的串联型模组，每个串联型模组包含N个高压侧交直子模块、隔离变压器组、低压侧交直子模块，以及高压直流端口和低压直流端口；所述隔离变压器组包含N个原边绕组和P个副边绕组；所述高压侧交直子模块的交流端有两个引出端子，连接隔离变压器组一个原边绕组的两端；所述低压侧交直子模块为交直换流电路，其交流端连接隔离变压器组副边绕组。本实用新型能保持高压侧串联电容的电流均衡；且能提高高压侧模块电压等级，减少系统模组数量，降低系统成本。

Description

一种串联型模组的直流变压器

技术领域

本实用新型涉及直流变压器，尤其涉及一种串联型模组的直流变压器。

背景技术

直流变压器作为直流电网中，实现电压变换的重要组成设备，获得了越来越多直流电网领域学者们的关注。为实现中/高压至低压的变换，受开关管器件应力和成本的影响，该类应用的直流变压器多采用多个模组输入串联输出并联的结构(ISOP)，模组则一般采用基于双有源桥(DAB)或基于LC谐振技术的隔离型DC-DC变换器。

随着电压等级的提高，直流变压器所需使用的模组数量也不断增加，导致系统的可靠性下降，为此系统中需要大量设置冗余模组。有学者提出了一些新型的电路拓扑用于直流变压器的ISOP结构，这些电路通过提高串联侧的电压等级，减少所使用模块的数目，降低系统的冗余模组数目，也降低了成本。

具有代表性的新型电路包括三电平电路和T2DAB电路。三电平电路相比双有源桥电路将电压等级提高了1倍，模组数量可以降低1半；专利CN111082665A提及的T2DAB电路，相比双有源桥电路，可以将高压侧电压等级提高至少2倍。

新型电路能够减少模组数目，但T2DAB电路本身存在直流侧电容电流应力不均的问题。此外，T2DAB电路要在交流端每个绕组中增加隔直电容，不利于模块的整体布置。

实用新型内容

实用新型目的：为了解决现有技术存在的问题，本实用新型提供一种串联型模组的直流变压器。

技术方案：本实用新型的直流变压器，包括M个串联型模组，M为大于等于1的正整数，所有串联型模组的高压直流端口串联或并联连接，所有串联型模组的低压直流端口串联或并联连接；

所述串联型模组包括：N个高压侧交直子模块、隔离变压器组、1个低压侧交直子模块、高压直流端口和低压直流端口，N为大于等于2的正整数；

所述隔离变压器组包含N个原边绕组和P个副边绕组，P为大于等于1的正整数；所述隔离变压器组的P个副边绕组为星形连接方式或者角型连接方式；

所述高压直流端口由N个高压侧交直子模块的直流端串联连接构成；所述N个高压侧交直子模块包括N对交流端，每对交流端分别依次连接隔离变压器组中N个原边绕组的两端；

所述低压侧交直子模块为一个P相交直换流电路，所述P相交直换流电路的直流端构成低压直流端口；所述P相交直换流电路的交流端包含P个连接端，每个连接端分别连接所述隔离变压器组的每个副边绕组。

进一步，所述高压侧交直子模块由一个半桥支路和一个电容支路并联构成，并联两端为高压侧交直子模块的直流端；半桥支路中点和电容支路各引出一个端子，共同构成高压侧交直子模块的一对交流端。

进一步，所述高压侧交直子模块的电容支路为一个电容器，引出端子为电容器的正端或者负端；并且，所有隔离变压器组的原边绕组分别串联连接有一个隔直电容；所有隔离变压器组的原边绕组、副边绕组分别串联连接有一个串联电抗。

进一步，所述高压侧交直子模块电容支路为两个串联连接的电容器，引出端子为两个串联连接电容器的中点；并且，所有隔离变压器组的原边绕组、副边绕组分别串联连接有一个串联电抗。

进一步，所述高压侧交直子模块采用一个全桥支路和一个电容支路并联构成，并联两端为高压侧交直子模块的直流端；全桥支路两个桥臂中点各引出一个端子，共同构成高压侧交直子模块的一对交流端；并且，所有隔离变压器组的原边绕组、副边绕组分别串联连接有一个串联电抗。

进一步，所述交直换流电路为P相交直电路，包括2P个两两串联再并联连接的半导体开关器件，并联连接两端再并联一个电容器后，构成所述交直换流电路的直流端；所有串联连接半导体开关器件的中点引出，构成所述交直换流电路的交流端。

进一步，所述交直换流电路包括P个单相交直电路，每个单相交直电路包括2个串联连接的半导体开关器件和一个并联连接的电容器，所述电容器两端并联连接构成所述交直换流电路的直流端；P个单相交直电路串联连接半导体开关器件的中点引出，构成所述交直换流电路的交流端。

进一步，所述半导体开关器件为全控型开关器件，或者半控型开关器件。

进一步，所述隔离变压器组包括N个单相隔离变压器，每个隔离变压器包含一个原边绕组和一个副边绕组。

进一步，所述隔离变压器组为1个多绕组隔离变压器，包括N个原边绕组和P个副边绕组，所有原边绕组、所有副边绕组分别绕在同一个磁芯上。

本实用新型的有益效果如下：

1、与传统两电平和三电平方案相比，本实用新型的高压侧至少有三个高压侧交直子模块串联，子模块的高压侧电压是传统两电平电路的3倍，是三电平电路的1.5倍，因此子模块能承受更高的工作电压，可以进一步减少所设计直流变压器的模块数量；

2、而相比T2DAB电路，本实用新型中高压侧交直子模块包括N对交流端，每对交流端依次连接隔离变压器组N个原边绕组的两端，电路结构更加简便，能保持高压侧串联电容的电流均衡，进而统一高压侧电容的选型，间接降低模组的电容成本；

3、本实用新型中，隔离变压器组的原边绕组还能通过一定的连接方式，取消隔直电容，能够简化整体直流变压器的实际布置，降低模组体积，有利于其组成直流变压器整机体积的减少以提高设备功率密度。

附图说明

图1为本实用新型中串联型模组的通用结构示意图；

图2为本实用新型中实施例一的结构示意图；

图3为本实用新型中实施例二的结构示意图；

图4为本实用新型中实施例三的结构示意图；

图5为本实用新型中实施例四的结构示意图；

图6为本实用新型中实施例五的结构示意图；

图7为本实用新型中实施例六的结构示意图；

图8是本实用新型中实施例二的输入侧6个电容的电流仿真波形图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本实用新型技术方案做详细说明。

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应当理解，本实用新型的权利要求、说明书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。本实用新型的说明书和权利要求书中使用的术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

本实用新型的直流变压器，包括M个串联型模组，M为大于等于1的正整数，所有串联型模组的高压直流端口串联或并联连接，所有串联型模组的低压直流端口串联或并联连接。

如图1所示，本实用新型中串联型模组包括：高压侧交直子模块101～10N、低压侧交直子模块、隔离变压器组30串联型模组的高压直流端口40和串联型模组的低压直流端口50，N为大于等于2的正整数。

隔离变压器组30包括原边绕组301、副边绕组302、

本实用新型中，隔离变压器组30为N个单相隔离变压器，每个隔离变压器包含一个原边绕组和一个副边绕组；或者隔离变压器组30为1个多绕组隔离变压器，包括N个原边绕组和P个副边绕组，所有原边绕组、所有副边绕组分别绕在同一个磁芯上，P为大于等于1的正整数。

N个高压侧交直子模块的直流端串联连接构成所述串联型模组的高压直流端口40；所述N个高压侧交直子模块包括N对交流端，每对交流端依次连接隔离变压器组N个原边绕组的两端；

低压侧交直子模块为一个P相交直换流电路，所述P相交直换流电路的直流端构成串联型模组的低压直流端口50；P相交直换流电路的交流端包含P个连接端(201～20P)，每个连接端分别连接所述隔离变压器组的每个副边绕组。

隔离变压器组的副边绕组接成星形连接方式或者角型连接方式，连接交直换流电路的交流端。

组成交直换流电路的半导体开关器件为全控型开关器件，或者半控型开关器件。

原边绕组串联有隔直电容和串联电抗器支路(601～60N)。

以下实施例一～实施例六中，取N＝3，P＝3。

实施例一

如图2所示，高压侧交直子模块由一个半桥支路和一个电容支路并联构成，并联两端为高压侧交直子模块的直流端；半桥支路中点和电容支路各引出一个端子，共同构成高压侧交直子模块的一对交流端。高压侧交直子模块的电容支路为一个电容器，引出端子为电容器的正端或者负端；并且，所有隔离变压器组的原边绕组还包含一个与绕组串联连接的隔直电容；所有隔离变压器组的副边绕组，分别包含一个与绕组串联连接的串联电抗。低压侧的交直换流电路为三相交直电路，包括六个两两串联再并联连接的半导体开关器件，并联连接两端再并联一个电容器后，构成交直换流电路的直流端；所有串联连接半导体开关器件的中点引出，构成交直换流电路的交流端。

实施例二

如图3所示，高压侧交直子模块由一个半桥支路和一个电容支路并联构成，并联两端为高压侧交直子模块的直流端；半桥支路中点和电容支路各引出一个端子，共同构成高压侧交直子模块的一对交流端。高压侧交直子模块电容支路为两个串联连接的电容器，引出端子为两个串联连接电容器的中点；并且，所有隔离变压器组的副边绕组分别包含一个与绕组串联连接的串联电抗。低压侧的交直换流电路为三相交直电路，包括六个两两串联再并联连接的半导体开关器件，并联连接两端再并联一个电容器后，构成交直换流电路的直流端；所有串联连接半导体开关器件的中点引出，构成交直换流电路的交流端。

以图3所示的直流变压器为例，设置子模块额定功率20kW，开关频率10kHz，额定电压2kV，对高压侧的第一交直子模块S1、第三交直子模块S3和第五交直子模块S5触发占空比为50％，相位依次相差120°的脉冲信号，设定第二交直子模块S2脉冲与第一交直子模块S1脉冲为互补信号，第四交直子模块S4脉冲与第三交直子模块S3脉冲为互补信号，第六交直子模块S6脉冲与第五交直子模块S5脉冲为互补信号。则可以得到第一～第六电容(C1～C6)的电流波形如图8所示，图8显示6个电容的电流脉动趋势相同，而第一电容C1、第三电容C3和第五电容C5的相位相差120°，第二电容C2、第四电容C4和第六电容C6的相位相差120°，且第二电容C2与第一电容C1脉动相差180°，第四电容C4与第三电容C3脉动相差180°，第六电容C6与第五电容C5脉动相差180°，由此可知，相位差别不影响电流有效值大小，所有六个电容的电流有效值相同，即该六个电容的参数设计和选型完全相同，该技术特点是T2DAB电路不具备的。

实施例三

如图4，高压侧交直子模块采用一个全桥支路和一个电容支路并联构成，并联两端为高压侧交直子模块的直流端；全桥支路两个桥臂中点各引出一个端子，共同构成高压侧交直子模块的一对交流端；并且，所有隔离变压器组的原边绕组还包含一个与绕组串联连接的隔直电容；所有隔离变压器组的副边绕组分别包含一个与绕组串联连接的串联电抗。低压端的交直换流电路包括三个单相交直电路，每个单相交直电路包括2个串联连接的半导体开关器件和一个并联连接的电容器，所述电容器两端并联连接构成交直换流电路的直流端；所有单相交直电路串联连接半导体开关器件的中点引出，构成交直换流电路的交流端。

实施例四

如图5所示，高压侧交直子模块由一个半桥支路和一个电容支路并联构成，并联两端为高压侧交直子模块的直流端；半桥支路中点和电容支路各引出一个端子，共同构成高压侧交直子模块的一对交流端。高压侧交直子模块电容支路为两个串联连接的电容器，引出端子为两个串联连接电容器的中点；并且，所有隔离变压器组的副边绕组分别包含一个与绕组串联连接的串联电抗。交直换流电路包括三个单相交直电路，每个单相交直电路包括2个串联连接的半导体开关器件和一个并联连接的电容器，电容器两端并联连接构成交直换流电路的直流端；所有单相交直电路串联连接半导体开关器件的中点引出构成交直换流电路的交流端。

实施例五

如图6所示，高压侧交直子模块采用一个全桥支路和一个电容支路并联构成，并联两端为高压侧交直子模块的直流端；全桥支路两个桥臂中点各引出一个端子，共同构成高压侧交直子模块的一对交流端；并且，所有隔离变压器组的副边绕组分别串联连接有一个串联电抗。交直换流电路为三相交直电路，包括六个两两串联再并联连接的半导体开关器件；并联连接两端再并联一个电容器后，构成交直换流电路的直流端；所有串联连接半导体开关器件的中点引出构成交直换流电路的交流端。

实施例六

如图7所示，高压侧交直子模块采用一个全桥支路和一个电容支路并联构成，并联两端为高压侧交直子模块的直流端；全桥支路两个桥臂中点各引出一个端子，共同构成高压侧交直子模块的一对交流端；并且，所有隔离变压器组的副边绕组分别串联连接有一个串联电抗。交直换流电路包括三个单相交直电路，每个单相交直电路包括2个串联连接的半导体开关器件和一个并联连接的电容器，电容器两端并联连接构成交直换流电路的直流端；所有单相交直电路串联连接半导体开关器件的中点引出构成交直换流电路的交流端。

实施例一至实施例六中，高压侧至少有三个高压侧交直子模块串联，因此在采用相同电压应力器件的情况下，子模块的高压侧电压是传统两电平电路的3倍，是三电平电路的1.5倍。子模块承受更高的工作电压，有利于减少组成直流变压器模块的数量，从而降低设备成本和体积。

以上对本实用新型实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明仅用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。同时，本领域技术人员依据本实用新型的思想，基于本实用新型的具体实施方式及应用范围上做出的改变或变形之处，都属于本实用新型保护的范围。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (10)

1.一种串联型模组的直流变压器，其特征在于，包括M个串联型模组，M为大于等于1的正整数，所有串联型模组的高压直流端口串联或并联连接，所有串联型模组的低压直流端口串联或并联连接；

所述串联型模组包括：N个高压侧交直子模块、隔离变压器组、1个低压侧交直子模块、高压直流端口和低压直流端口，N为大于等于2的正整数；

所述隔离变压器组包含N个原边绕组和P个副边绕组，P为大于等于1的正整数；所述隔离变压器组的P个副边绕组为星形连接方式或者角型连接方式；

所述高压直流端口由N个高压侧交直子模块的直流端串联连接构成；所述N个高压侧交直子模块包括N对交流端，每对交流端分别依次连接隔离变压器组中N个原边绕组的两端；

所述低压侧交直子模块为一个P相交直换流电路，所述P相交直换流电路的直流端构成低压直流端口；所述P相交直换流电路的交流端包含P个连接端，每个连接端分别连接所述隔离变压器组的每个副边绕组。

2.根据权利要求1所述串联型模组的直流变压器，其特征在于，所述高压侧交直子模块由一个半桥支路和一个电容支路并联构成，并联两端为高压侧交直子模块的直流端；半桥支路中点和电容支路各引出一个端子，共同构成高压侧交直子模块的一对交流端。

3.根据权利要求2所述串联型模组的直流变压器，其特征在于，所述高压侧交直子模块的电容支路为一个电容器，引出端子为电容器的正端或者负端；并且，所有隔离变压器组的原边绕组分别串联连接有一个隔直电容；所有隔离变压器组的原边绕组、副边绕组分别串联连接有一个串联电抗。

4.根据权利要求2所述串联型模组的直流变压器，其特征在于，所述高压侧交直子模块电容支路为两个串联连接的电容器，引出端子为两个串联连接电容器的中点；并且，所有隔离变压器组的原边绕组、副边绕组分别串联连接有一个串联电抗。

5.根据权利要求1所述串联型模组的直流变压器，其特征在于，所述高压侧交直子模块采用一个全桥支路和一个电容支路并联构成，并联两端为高压侧交直子模块的直流端；全桥支路两个桥臂中点各引出一个端子，共同构成高压侧交直子模块的一对交流端；并且，所有隔离变压器组的原边绕组、副边绕组分别串联连接有一个串联电抗。

6.根据权利要求1所述串联型模组的直流变压器，其特征在于，所述交直换流电路为P相交直电路，包括2P个两两串联再并联连接的半导体开关器件，并联连接两端再并联一个电容器后，构成所述交直换流电路的直流端；所有串联连接半导体开关器件的中点引出，构成所述交直换流电路的交流端。

7.根据权利要求1所述串联型模组的直流变压器，其特征在于，所述交直换流电路包括P个单相交直电路，每个单相交直电路包括2个串联连接的半导体开关器件和一个并联连接的电容器，所述电容器两端并联连接构成所述交直换流电路的直流端；P个单相交直电路串联连接半导体开关器件的中点引出，构成所述交直换流电路的交流端。

8.根据权利要求6或7所述串联型模组的直流变压器，其特征在于，所述半导体开关器件为全控型开关器件，或者半控型开关器件。

9.根据权利要求1所述串联型模组的直流变压器，其特征在于，所述隔离变压器组包括N个单相隔离变压器，每个隔离变压器包含一个原边绕组和一个副边绕组。

10.根据权利要求1所述串联型模组的直流变压器，其特征在于，所述隔离变压器组为1个多绕组隔离变压器，包括N个原边绕组和P个副边绕组，所有原边绕组、所有副边绕组分别绕在同一个磁芯上。

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