本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于級(jí)聯(lián)多電平的電力電子變壓器。

背景技術(shù)：

隨著大量的分布式可再生能源裝置及儲(chǔ)能設(shè)備接入電網(wǎng)，電網(wǎng)對(duì)其配套設(shè)備的要求也在逐漸提升。其中，能夠?qū)δ芰窟M(jìn)行主動(dòng)控制及分配的配套設(shè)施是日后發(fā)展的重中之重，電力電子變壓器技術(shù)作為其中的代表得到了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。其作為傳統(tǒng)變壓器的替代品，在傳統(tǒng)變壓器原有電氣隔離，電壓調(diào)節(jié)功能的基礎(chǔ)上，能夠添加新能源接入、無功補(bǔ)償、直流電源接口、變頻輸出、改善電能質(zhì)量、故障檢測(cè)及恢復(fù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和聯(lián)網(wǎng)通訊等功能。因此，該裝置有望成為未來能源互聯(lián)網(wǎng)中的核心設(shè)備，但是電力電子變壓器的制造技術(shù)目前尚未成熟，變流器拓?fù)鋸?fù)雜造成了成本高、可靠性和效率低和絕緣困難等問題。

電力電子變壓器主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能，一是根據(jù)要求實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓和電流的控制，二是實(shí)現(xiàn)原副邊的電氣隔離。典型的結(jié)構(gòu)如圖1所示，在電網(wǎng)高壓側(cè)，通過高壓變流器將電網(wǎng)的高壓工頻交流電轉(zhuǎn)化為高壓高頻交流電，然后使用高頻變壓器降壓為低壓高頻交流電，再通過低壓變流器將低壓高頻交流電轉(zhuǎn)換為低壓工頻交流電。圖1中的設(shè)備兩端可以為三相交流或者單相交流，也可以是直流；高頻變壓器部分可以有各種不同的連接方式，如單繞組、多繞組、多磁芯或多個(gè)變壓器。

由于半導(dǎo)體器件的耐壓有限，遠(yuǎn)不能滿足電力電子變壓器高壓側(cè)變流器的電壓要求，高壓側(cè)變流器需要通過器件串聯(lián)或者拓?fù)浼?jí)聯(lián)的方式來實(shí)現(xiàn)。主流的級(jí)聯(lián)拓?fù)浼夹g(shù)有兩種，一種是模塊化多電平技術(shù)(mmc)，級(jí)聯(lián)的電路拓?fù)洳话ㄗ儔浩?，總體結(jié)構(gòu)仍如圖1所示，采用一個(gè)高頻變壓器；另一種是將變流器與高頻變壓器結(jié)合起來再級(jí)聯(lián)的方式，稱為級(jí)聯(lián)多電平技術(shù)(chb)。

級(jí)聯(lián)多電平電路的結(jié)構(gòu)如圖2所示。相比mmc，chb通過多個(gè)變壓器傳輸功率，功率流不需要流過所有串聯(lián)拓?fù)?，可以獲得最佳的器件利用率。但是這種拓?fù)涞娜秉c(diǎn)是，過多的變壓器和變壓器繞組導(dǎo)致了非常困難的絕緣設(shè)計(jì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于上述，本發(fā)明提供了一種基于級(jí)聯(lián)多電平的電力電子變壓器，其通過減少高頻變壓器低壓側(cè)的繞組數(shù)量，能夠降低對(duì)絕緣設(shè)計(jì)的要求。

一種基于級(jí)聯(lián)多電平的電力電子變壓器，包括多個(gè)高壓變流模塊、一個(gè)高頻變壓器和一個(gè)低壓變流器；所述高頻變壓器為多磁芯結(jié)構(gòu)，其高壓側(cè)具有多個(gè)繞組，低壓側(cè)只有一個(gè)繞組，高壓側(cè)繞組繞置于對(duì)應(yīng)的磁芯上，低壓側(cè)繞組將所有磁芯并起來繞制后與低壓變流器的輸入端連接；所有高壓變流模塊通過輸入端級(jí)聯(lián)后承受高壓輸入，高壓變流模塊的輸出端則與對(duì)應(yīng)的高壓側(cè)繞組連接，低壓變流器的輸出端則實(shí)現(xiàn)低壓輸出。

若電力電子變壓器高壓側(cè)為直流電輸入，則高壓變流模塊采用dc/ac變流模塊；若電力電子變壓器高壓側(cè)為交流電輸入，則高壓變流模塊采用ac/ac變流模塊。

若電力電子變壓器低壓側(cè)為直流電輸出，則低壓變流器采用ac/dc變流器；若電力電子變壓器低壓側(cè)為交流電輸出，則低壓變流器采用ac/ac變流器。

由于高頻變壓器的低壓側(cè)繞組和高壓側(cè)繞組之間需要承受很高的電壓，這對(duì)低壓側(cè)繞組引線的絕緣設(shè)計(jì)，尤其是爬電距離的設(shè)計(jì)，提出了很高的要求，傳統(tǒng)的chb電路中具有大量的低壓側(cè)繞組引線，絕緣設(shè)計(jì)困難，且不利于功率密度的提高。本發(fā)明中高頻變壓器的低壓側(cè)僅采用一個(gè)繞組，沒有中間引線，可以大幅簡(jiǎn)化系統(tǒng)的絕緣設(shè)計(jì)，有利于提高電力電子變壓器的功率密度，為電力電子變壓器的實(shí)用化解決關(guān)鍵問題。

附圖說明

圖1為傳統(tǒng)電力電子變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為高壓側(cè)級(jí)聯(lián)的電力電子變壓器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明電力電子變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明高頻變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為高壓變流模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為低壓變流器的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。

如圖3所示，本發(fā)明基于級(jí)聯(lián)多電平的電力電子變壓器，包括高壓變流器、低壓變流器和高頻變壓器。

高壓側(cè)變流器采用若干個(gè)變流模塊級(jí)聯(lián)組成，每個(gè)模塊包括兩個(gè)端口，分別如圖3中p端和s端，其中p端級(jí)聯(lián)起來承受高壓，s端接變壓器繞組。

變壓器采用多磁芯結(jié)構(gòu)，其高壓側(cè)有多個(gè)繞組，每個(gè)變流模塊對(duì)應(yīng)一個(gè)繞組，每個(gè)繞組對(duì)應(yīng)一個(gè)磁芯；低壓側(cè)為一個(gè)繞組，將所有磁芯并起來繞制，變壓器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

其中的高壓側(cè)可以是直流，則高壓變流模塊是直-交變流模塊(dc/ac)；高壓側(cè)也可以是交流，則每個(gè)模塊是交-交變流模塊(ac/ac)。

其中的低壓側(cè)可以是直流，則低壓側(cè)變流器模塊是交-直變流模塊(ac/dc)，低壓側(cè)也可以是交流，則低壓側(cè)變流器是交-交變流模塊(ac/ac)。

以下實(shí)施方式以高壓側(cè)、低壓側(cè)均為直流為例，高壓側(cè)直流電壓15kv，低壓側(cè)400v。

高壓側(cè)采用多個(gè)模塊級(jí)聯(lián)，設(shè)計(jì)每個(gè)模塊的電壓為400v，則至少需要38個(gè)模塊級(jí)聯(lián)，設(shè)計(jì)留一定電壓裕量，選擇40個(gè)模塊。

高壓變流模塊電路采用半橋結(jié)構(gòu)，使用功率mosfet作為主控功率元件，每個(gè)模塊的電路如圖5所示，連接高壓直流端pi和變壓器高壓側(cè)繞組si(其中i表示第i個(gè)模塊)，功能是將直流電壓upi轉(zhuǎn)換為高頻交流電壓usi。

高頻變壓器的繞制方式如圖4所示，需要采用40個(gè)磁芯，每個(gè)磁芯有一個(gè)繞組連接高壓變流器模塊，將所有磁芯疊在一起之后繞制低壓側(cè)繞組。

低壓變流器采用全橋結(jié)構(gòu)，如圖6所示，使用功率mosfet，連接低壓側(cè)繞組t和低壓直流端f，功能是實(shí)現(xiàn)高頻交流與低壓直流之間的轉(zhuǎn)換。

上述對(duì)實(shí)施例的描述是為便于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對(duì)上述實(shí)施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對(duì)于本發(fā)明做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于級(jí)聯(lián)多電平的電力電子變壓器，包括高壓變流模塊、高頻變壓器和低壓變流器；高頻變壓器為多磁芯結(jié)構(gòu)，其高壓側(cè)具有多個(gè)繞組，低壓側(cè)只有一個(gè)繞組，高壓側(cè)繞組繞置于對(duì)應(yīng)的磁芯上，低壓側(cè)繞組將所有磁芯并起來繞制后與低壓變流器的輸入端連接；所有高壓變流模塊通過輸入端級(jí)聯(lián)后承受高壓輸入，高壓變流模塊的輸出端則與對(duì)應(yīng)的高壓側(cè)繞組連接，低壓變流器的輸出端則實(shí)現(xiàn)低壓輸出。本發(fā)明中高頻變壓器的低壓側(cè)僅采用一個(gè)繞組，沒有中間引線，可以大幅簡(jiǎn)化系統(tǒng)的絕緣設(shè)計(jì)，有利于提高電力電子變壓器的功率密度，為電力電子變壓器的實(shí)用化解決關(guān)鍵問題。

技術(shù)研發(fā)人員：姚文熙
受保護(hù)的技術(shù)使用者：浙江大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.05.19
技術(shù)公布日：2017.08.18