一種基於簡易pfc的電力電子變壓器的製作方法

2023-11-09 22:32:17

專利名稱：一種基於簡易pfc的電力電子變壓器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種應用在配電網的電力電子變壓器，具體涉及一種基於簡易PFC的 電力電子變壓器。
背景技術：
傳統的電力變壓器通常採用鐵芯油浸式，具有製作工藝簡單、可靠性高等優點，但 是缺點也十分明顯，如體積、重量大，空載損耗較高，絕緣油對環境存在威脅，功能比較單 一，過載時易導致輸出電壓下降、產生諧波，在投入電網時還會造成較大的勵磁湧流，造成 對電網的汙染。傳統電力變壓器的缺點和單一的功能很難滿足未來電網建設的需求和目 標。作為一種新型的能量轉換設備，電力變壓器具有體積小、重量輕、空載損耗小、不需要絕 緣油等優點，能很好替代傳統的電力變壓器應用在輸配電系統中，具有非常廣闊的前景。上世紀70年代電力電子變壓器(PET-Power electronic transformer)的概念被 提出，PET是利用電力電子換流技術實現電壓變換和能量傳遞的。其突出特點是通過電壓 型變換器(VSC)對其原副邊交流側電壓、電流的幅值和相位進行連續可控調節。因此，PET 不僅可以克服傳統變壓器的缺陷，還可以解決電力系統面臨的電磁環網、電能質量、無功動 態補償以及提高系統穩定極限等問題。而PFC的英文全稱為「Power Factor Correction", 意思是「功率因數校正」，功率因數指的是有效功率與總耗電量(視在功率)之間的關係，也 就是有效功率除以總耗電量(視在功率)的比值。基本上功率因素可以衡量電力被有效利 用的程度，當功率因素值越大，代表其電力利用率越高。目前國內外現有的關於電力電子變壓器專利中開關器件過多，成本較高，且開關 損耗較大，轉換效率不高，這一定程度上影響了電力電子變壓器的推廣和應用。但是，隨著 電力電子器件水平和高頻變壓器材料的發展，電力電子變壓器必將會代替傳統變壓器而在 電力系統中得到廣泛的應用。

發明內容
發明目的為了克服現有技術中存在的不足，本發明提出一種基於簡易PFC的電 力電子變壓器，相比傳統的電力變壓器，其可以大大減小變壓器的體積，降低損耗，提高整 體的變換效率。技術方案為解決上述技術問題，本發明的一種基於簡易PFC的電力電子變壓器， 其三相電路中各單相結構相同且獨立，每相包括輸入級、隔離級和輸出級；各單相輸入級的 功率變換器組和輸出級的功率變換器組的輸入端分別按星型連接；各單相輸入級的功率變 換器組包括第一功率變換器，第一功率變換器包括二極體橋式電路和buck電路，第一功率 變換器交流側並聯壓敏電阻，直流側連接相應的直流儲能電容；隔離級包括作為高頻DC/ AC環節的第二率變換器、高頻變壓器和作為高頻AC/DC環節的第三功率變換器；輸出級的 功率變換器組包括第四功率變換器，其採用電壓源型橋式逆變電路；第一功率變換器的輸 出端並聯直流儲能電容後接第二功率變換器的輸入端，第二功率變換器的輸出端串聯電容後接高頻變壓器的原邊，高頻變壓器的副邊接第三功率變換器的輸入端，第三功率變換器 的輸出端並上直流儲能電容後接第四功率變換器的輸入端，第四功率變換器的輸出端對應 連接濾波器的輸入端，濾波器的輸出端接三相供電網絡。所述的輸入級的二極體橋式電路包括第一功率二極體、第二功率二極體、第三功 率二極體、第四功率二極體，所述的buck電路包括功率開關管、功率二極體、電抗器和電容 器，第一功率二極體、第二功率二極體串聯後的連接中點接交流輸入側負端，第三功率二極 管、第四功率二極體串聯後的連接中點接交流輸入側正端，交流輸入側還並聯壓敏電阻，二 極管整流橋輸出直流側兩個端線間並聯晶閘管，直流側的正端串聯功率開關管，再在直流 側兩個端線間並聯二極體，隨後在直流側的正端串聯電抗器，並再在直流側兩個端線間並 聯電容器。所述的第二功率變換器由第一功率開關單元、第二功率開關單元、第三功率開關 單元、第四功率開關單元組成橋式拓撲結構，第一功率開關單元、第二功率開關單元互補導 通後串聯電容器接高頻變壓器原邊正端，第三功率開關單元、第四功率開關單元互補導通 後接高頻變壓器原邊負端，所述第三功率變換器由第五功率二極體、第六功率二極體、第七 功率二極體、第八功率二極體組成橋式電路，第五功率二極體、第六功率二極體串聯後的連 接中點接高頻變壓器的副邊正端，第七功率二極體、第八功率二極體串聯後的連接中點接 高頻變壓器的副邊負端，直流側輸出端並聯在同一直流儲能電容上。所述的第四功率變換器由第五功率開關單元、第六功率開關單元、第七功率開關 單元、第八功率開關單元組成橋式拓撲結構，第五功率開關單元、第七功率開關單元的正端 接第三功率變換器輸出正端，第六功率開關單元、第八功率開關單元的負端接第三功率變 換器輸出負端，第五功率開關單元、第六功率開關單元互補導通後接濾波器的輸入端，第七 功率開關單元、第八功率開關單元互補導通後接濾波器的輸入端。所述的每個功率開關單元由兩個IGBT和一個反向連接的二極體並聯組成。所述的濾波器由輸出濾波電感與輸出濾波電容組成。本發明的一種基於簡易PFC的電力電子變壓器，其基本功率單元基於 AC-DC-AC-DC-AC型電力電子變壓器，基本功率單元結構的主要工作原理為輸入級的交流 側並聯壓敏電阻，起保護作用，輸入級將工頻交流信號通過二極體不可控整流和buck降壓 電路轉化為直流信號，即AC-DC環節，並實現功率因數控制，通過buck降壓電路還可以減 小開關管器件的電壓應力；輸入級中二極體橋式整流電路和buck電路之間並聯晶閘管， 具有一定的容錯能力；通過隔離級中的第二功率變換器將直流信號轉化為高頻方波信號， 即DC-AC環節，第二功率變換器的輸出串聯上一電容後接高頻隔離變壓器的原邊，並能起 諧振軟開關作用，從而降低開關損耗，提高轉換效率，高頻隔離變壓器的副邊通過二極體不 可控整流轉化為直流信號，即AC-DC環節，再通過第四功率變換器還原成工頻交流信號，即 DC-AC環節；通過適當的控制策略來控制電力電子裝置的工作，從而將一種頻率、電壓、波 形的電能變換為另一種頻率、電壓、波形的電能。各單相輸入級中第一功率變換器串聯連接，從而可以直接接入不同等級的高壓； 各單相隔離級作為高頻AC/DC環節的第三功率變換器的直流側並聯連接；輸出級採用橋式 功率變換器結構，濾波器由輸出濾波電感與輸出濾波電容組成。有益效果本發明的一種基於簡易PFC的電力電子變壓器，其與現有技術相比，除了具備傳統電力變壓器器的優點外，還具有以下優點1、本發明的一種基於簡易PFC的電力電子變壓器，其通過buck電路實現功率因數 校正，可以大大減少這部分的開關管的數目；2、本發明的一種基於簡易PFC的電力電子變壓器，其採用基本功率單元組合的方 式構成，單相輸入級採用由基本功率單元的輸入級功率變換器串聯連接，便於靈活應用於 各個電壓等級的配電網線路上，可直接輸入高壓；3、本發明的一種基於簡易PFC的電力電子變壓器，其隔離級諧振電容和諧振軟開 關的實現，可以在一定程度上降低開關損耗，提高裝置的整體轉換效率；4、本發明的一種基於簡易PFC的電力電子變壓器，其輸入級中間還並聯晶閘管， 通過適當的控制使本電力電子變壓器具有容錯能力。


圖1為本發明的基於簡易PFC的電力電子變壓器的單相整體結構原理圖；圖2為本發明的基於簡易PFC的電力電子變壓器的三相整體模型框圖；圖3為本發明的基於簡易PFC的電力電子變壓器的輸出級採用三電平結構的單相 結構原理圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作更進一步的說明。如圖2所示，本發明的一種基於簡易PFC的電力電子變壓器，其三相電路中各單相 結構相同且獨立，每相包括輸入級、隔離級和輸出級，該輸入級、隔離級和輸出級分別包含 功率變換器組；各單相輸入級的功率變換器組和輸出級的功率變換器組的輸入端分別按星 型連接。隔離級包括高頻DC/AC環節、高頻變壓器和高頻AC/DC環節；單相結構包括基本功 率單元的輸入端並聯一個壓敏電阻R，其中，第一功率變換器1的輸出端接第二功率變換器 2的輸入端，第二功率變換器2的輸出端接高頻變壓器3的原邊，高頻變壓器3的副邊接第 三功率變換器4的輸入端，第三功率變換器4的輸出端接第四功率變換器5的輸入端；基本 功率單元的輸出端連接濾波器6的輸入端，濾波器6為由輸出濾波電感Lal與輸出濾波電 容Cal組成的LC濾波器，該濾波器6的輸出端與三相供電網絡相連。如圖1所示，各相輸入級中第一功率變換器1採用由第一功率二極體D1、第二功率 二極體D2、第三功率二極體D3、第四功率二極體D4組成的橋式電路接上由功率開關管S、功 率二極體D、電抗器Ll和電容器Cl組成的buck電路構成，第一功率二極體D1、第二功率二 極管D2互補導通後接交流輸入側負端，第三功率二極體D3、第四功率二極體D4互補導通後 接交流輸入側正端，交流輸入側還並聯一壓敏電阻R，二極體整流橋輸出直流側兩個端線間 並聯一個晶閘管T，直流側的正端串聯功率開關管S，再在直流側兩個端線間並聯一個二極 管D，隨後在直流側的正端串聯電抗器Li，並再在直流側兩個端線間並聯一個電容器Cl ；各 相隔離級中第二功率變換器2採用第一功率開關單元Si、第二功率開關單元S2、第三功率 開關單元S3、第四功率開關單元S4組成橋式拓撲結構，第一功率開關單元Si、第二功率開 關單元S2互補導通後串聯上一電容器接高頻變壓器3原邊正端，第三功率開關單元S3、第 四功率開關單元S4互補導通後接高頻變壓器3原邊負端，第三功率變換器4由第五功率二極體D5、第六功率二極體D6、第七功率二極體D7、第八功率二極體D8組成的橋式電路，第五 功率二極體D5、第六功率二極體D6互補導通後接高頻變壓器3的副邊正端，第七功率二極 管D7、第八功率二極體D8互補導通後接高頻變壓器3的副邊負端，直流側輸出端並聯在同 一直流儲能電容C上；各相輸出級中第四功率變換器5採用第五功率開關單元S5、第六功 率開關單元S6、第七功率開關單元S7、第八功率開關單元S8組成橋式拓撲結構，第五功率 開關單元S5、第七功率開關單元S7的正端接第三功率變換器4輸出正端，第六功率開關單 元S6、第八功率開關單元S8的負端接第三功率變換器4輸出負端，第五功率開關單元S5、 第六功率開關單元S6互補導通後接濾波器6的輸入端，第七功率開關單元S7、第八功率開 關單元S8互補導通後接濾波器6的輸入端，所述每個功率開關單元由兩個IGBT和一個反 向連接的二極體並聯組成。在配電網應用中，本發明的一種基於簡易PFC的電力電子變壓器的基本功率單元 基於AC-DC-AC-DC-AC型；輸入級的交流側並聯一壓敏電阻R，起保護作用，輸入級將工頻交 流信號通過二極體不可控整流和buck降壓電路轉化為直流信號，能實現功率因數控制，並 且通過buck降壓電路能降低開關管器件的電壓應力，然後通過隔離級中的第二功率變換 器2轉化為高頻方波信號，第二功率變換器2的輸出串聯上一電容後接高頻隔離變壓器3 的原邊，並能起諧振軟開關作用，降低開關損耗，高頻隔離變壓器3的副邊通過二極體不可 控整流轉化為直流信號，再通過第四功率變換器5還原成工頻交流信號；通過適當的控制 策略來控制電力電子裝置的工作，從而將一種頻率、電壓、波形的電能變換為另一種頻率、 電壓、波形的電能。如圖3所示，本發明的一種基於簡易PFC的電力電子變壓器，其輸出側第四功率變 換器還可以是由兩個直流電容、四隻箝位二極體和八個功率開關組成的三電平逆變電路構
Cdl 禾口 Cd2 為輸入分壓電容，Qn、 Ql4 禾口 Q21、Q24 是主開關管，Q12> Q13和Q22> Q23是輔助開關 管，輸出電壓可以被開關管和二極體箝在中點電壓，所以可以得到三個電平，與兩電平逆變 器相比，其輸出的電壓諧波含量可以大幅度降低，而且每隻開關管的電壓應力降低為輸入 電壓的一半，適用於高輸入電壓的場合。本發明的一種基於簡易PFC的電力電子變壓器，其單相輸入級採用由基本功率單 元的輸入級功率變換器串聯連接，便於靈活應用於各個電壓等級的配電網線路上，無需利 用變壓器耦合就可直接輸入高壓；輸出級功率變換器由單相橋式電壓源逆變器構成；為了 降低開關管的電壓應力、提高輸出波形的質量，輸出級功率變換器還可以採用三電平結構。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出對於本技術領域的普通技術人 員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應 視為本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種基於簡易PFC的電力電子變壓器，其特徵在於其三相電路中各單相結構相同 且獨立，每相包括輸入級、隔離級和輸出級；各單相輸入級的功率變換器組和輸出級的功率 變換器組的輸入端分別按星型連接；各單相輸入級的功率變換器組包括第一功率變換器 (1)，第一功率變換器⑴包括二極體橋式電路和buck電路，第一功率變換器⑴交流側並 聯壓敏電阻，直流側連接相應的直流儲能電容；隔離級包括作為高頻DC/AC環節的第二率 變換器O)、高頻變壓器(3)和作為高頻AC/DC環節的第三功率變換器；輸出級的功率 變換器組包括第四功率變換器(5)，其採用電壓源型橋式逆變電路；第一功率變換器(1)的 輸出端並聯直流儲能電容後接第二功率變換器O)的輸入端，第二功率變換器O)的輸出 端串聯電容後接高頻變壓器(3)的原邊，高頻變壓器(3)的副邊接第三功率變換器的 輸入端，第三功率變換器的輸出端並上直流儲能電容後接第四功率變換器(5)的輸入 端，第四功率變換器(5)的輸出端對應連接濾波器(6)。
2.根據權利要求1所述的基於簡易PFC的電力電子變壓器，其特徵在於所述的輸入 級的二極體橋式電路包括第一功率二極體(Dl)、第二功率二極體(D2)、第三功率二極體 (D3)、第四功率二極體(D4)，所述的buck電路包括功率開關管(S)、功率二極體(D)、電抗 器(Li)和電容器(Cl)，第一功率二極體(Dl)、第二功率二極體(D2)串聯後的連接中點接 交流輸入側負端，第三功率二極體(D3)、第四功率二極體(D4)串聯後的連接中點接交流輸 入側正端，交流輸入側並聯壓敏電阻(R)，二極體整流橋輸出直流側兩個端線間並聯晶閘管 (T)，直流側的正端串聯功率開關管(S)，再在直流側兩個端線間並聯二極體(D)，隨後在直 流側的正端串聯電抗器(Li)，並再在直流側兩個端線間並聯電容器(Cl)。
3.根據權利要求1所述的基於簡易PFC的電力電子變壓器，其特徵在於所述的第二 功率變換器O)由第一功率開關單元(Si)、第二功率開關單元(S2)、第三功率開關單元 (S3)、第四功率開關單元(S4)組成的橋式拓撲結構，第一功率開關單元(Si)、第二功率開 關單元(S2)互補導通後串聯電容器(C2)接高頻變壓器(3)原邊正端，第三功率開關單元 (S3)、第四功率開關單元(S4)互補導通後接高頻變壓器(3)原邊負端，所述第三功率變換 器(4)為由第五功率二極體(D5)、第六功率二極體(D6)、第七功率二極體(D7)、第八功率二 極管(D8)組成橋式電路，第五功率二極體(D5)、第六功率二極體(D6)串聯後的連接中點接 高頻變壓器(3)的副邊正端，第七功率二極體(D7)、第八功率二極體(D8)串聯後的連接中 點接高頻變壓器(3)的副邊負端，直流側輸出端並聯在同一直流儲能電容(C)上。
4.根據權利要求1所述的基於簡易PFC的電力電子變壓器，其特徵在於所述第四功 率變換器(5)由第五功率開關單元(S5)、第六功率開關單元(S6)、第七功率開關單元(S7)、 第八功率開關單元(S8)組成橋式拓撲結構，第五功率開關單元(S5)、第七功率開關單元(57)的正端接第三功率變換器(4)輸出正端，第六功率開關單元(S6)、第八功率開關單元(58)的負端接第三功率變換器(4)輸出負端，第五功率開關單元(S5)、第六功率開關單元 (S6)互補導通後接濾波器(6)的輸入端，第七功率開關單元(S7)、第八功率開關單元(S8) 互補導通後接濾波器(6)的輸入端。
5.根據權利要求3或4所述的基於簡易PFC的電力電子變壓器，其特徵在於所述每 個功率開關單元由兩個IGBT和一個反向連接的二極體並聯組成。
6.根據權利要求1或4所述的基於簡易PFC的電力電子變壓器，其特徵在於所述的 濾波器(6)由輸出濾波電感(Lal)與輸出濾波電容組成。
全文摘要
本發明公開了一種基於簡易PFC的電力電子變壓器，其三相電路中各單相結構相同且獨立，每相包括輸入級、隔離級和輸出級，各單相輸入級的功率變換器組和輸出級的功率變換器組的輸入端分別按星型連接；各單相的輸入級採用串聯方式，輸入級功率變換器組包括二極體橋式電路和buck電路，可以實現功率因數控制，每個功率變換器組的交流側並聯壓敏電阻；隔離級包括高頻DC/AC、高頻變壓器和高頻AC/DC環節，高頻變壓器的原邊串聯電容，通過諧振軟開關作用降低開關管損耗；隔離級輸出側採用並聯連接；輸出級功率變換器組採用橋式逆變電路，輸出側還連接濾波器。本發明可以簡化電路結構、降低成本，同時能能夠實現功率因數校正和諧振軟開關，提高轉換效率。
文檔編號H02M5/458GK102064712SQ20101060356
公開日2011年5月18日 申請日期2010年12月24日 優先權日2010年12月24日
發明者於鵬, 馮祖康, 季振東, 王輝, 翟廣平, 蘇曉龍, 蔣本洲, 趙劍鋒 申請人:東南大學, 南京立業電力變壓器有限公司