一種基於級聯多電平的電力電子變壓器的製作方法

2024-03-05 22:59:15

本發明屬於電力電子技術領域，具體涉及一種基於級聯多電平的電力電子變壓器。

背景技術：

隨著大量的分布式可再生能源裝置及儲能設備接入電網，電網對其配套設備的要求也在逐漸提升。其中，能夠對能量進行主動控制及分配的配套設施是日後發展的重中之重，電力電子變壓器技術作為其中的代表得到了社會各界的廣泛關注。其作為傳統變壓器的替代品，在傳統變壓器原有電氣隔離，電壓調節功能的基礎上，能夠添加新能源接入、無功補償、直流電源接口、變頻輸出、改善電能質量、故障檢測及恢復、實時監測和聯網通訊等功能。因此，該裝置有望成為未來能源網際網路中的核心設備，但是電力電子變壓器的製造技術目前尚未成熟，變流器拓撲複雜造成了成本高、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現兩個功能，一是根據要求實現對電壓和電流的控制，二是實現原副邊的電氣隔離。典型的結構如圖1所示，在電網高壓側，通過高壓變流器將電網的高壓工頻交流電轉化為高壓高頻交流電，然後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換為低壓工頻交流電。圖1中的設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、多磁芯或多個變壓器。

由於半導體器件的耐壓有限，遠不能滿足電力電子變壓器高壓側變流器的電壓要求，高壓側變流器需要通過器件串聯或者拓撲級聯的方式來實現。主流的級聯拓撲技術有兩種，一種是模塊化多電平技術(mmc)，級聯的電路拓撲不包括變壓器，總體結構仍如圖1所示，採用一個高頻變壓器；另一種是將變流器與高頻變壓器結合起來再級聯的方式，稱為級聯多電平技術(chb)。

級聯多電平電路的結構如圖2所示。相比mmc，chb通過多個變壓器傳輸功率，功率流不需要流過所有串聯拓撲，可以獲得最佳的器件利用率。但是這種拓撲的缺點是，過多的變壓器和變壓器繞組導致了非常困難的絕緣設計。

技術實現要素：

鑑於上述，本發明提供了一種基於級聯多電平的電力電子變壓器，其通過減少高頻變壓器低壓側的繞組數量，能夠降低對絕緣設計的要求。

一種基於級聯多電平的電力電子變壓器，包括多個高壓變流模塊、一個高頻變壓器和一個低壓變流器；所述高頻變壓器為多磁芯結構，其高壓側具有多個繞組，低壓側只有一個繞組，高壓側繞組繞置於對應的磁芯上，低壓側繞組將所有磁芯並起來繞制後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聯後承受高壓輸入，高壓變流模塊的輸出端則與對應的高壓側繞組連接，低壓變流器的輸出端則實現低壓輸出。

若電力電子變壓器高壓側為直流電輸入，則高壓變流模塊採用dc/ac變流模塊；若電力電子變壓器高壓側為交流電輸入，則高壓變流模塊採用ac/ac變流模塊。

若電力電子變壓器低壓側為直流電輸出，則低壓變流器採用ac/dc變流器；若電力電子變壓器低壓側為交流電輸出，則低壓變流器採用ac/ac變流器。

由於高頻變壓器的低壓側繞組和高壓側繞組之間需要承受很高的電壓，這對低壓側繞組引線的絕緣設計，尤其是爬電距離的設計，提出了很高的要求，傳統的chb電路中具有大量的低壓側繞組引線，絕緣設計困難，且不利於功率密度的提高。本發明中高頻變壓器的低壓側僅採用一個繞組，沒有中間引線，可以大幅簡化系統的絕緣設計，有利於提高電力電子變壓器的功率密度，為電力電子變壓器的實用化解決關鍵問題。

附圖說明

圖1為傳統電力電子變壓器的結構示意圖。

圖2為高壓側級聯的電力電子變壓器結構示意圖。

圖3為本發明電力電子變壓器的結構示意圖。

圖4為本發明高頻變壓器的結構示意圖。

圖5為高壓變流模塊的結構示意圖。

圖6為低壓變流器的結構示意圖。

具體實施方式

為了更為具體地描述本發明，下面結合附圖及具體實施方式對本發明的技術方案進行詳細說明。

如圖3所示，本發明基於級聯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。

高壓側變流器採用若干個變流模塊級聯組成，每個模塊包括兩個埠，分別如圖3中p端和s端，其中p端級聯起來承受高壓，s端接變壓器繞組。

變壓器採用多磁芯結構，其高壓側有多個繞組，每個變流模塊對應一個繞組，每個繞組對應一個磁芯；低壓側為一個繞組，將所有磁芯並起來繞制，變壓器結構如圖4所示。

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

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

以下實施方式以高壓側、低壓側均為直流為例，高壓側直流電壓15kv，低壓側400v。

高壓側採用多個模塊級聯，設計每個模塊的電壓為400v，則至少需要38個模塊級聯，設計留一定電壓裕量，選擇40個模塊。

高壓變流模塊電路採用半橋結構，使用功率mosfet作為主控功率元件，每個模塊的電路如圖5所示，連接高壓直流端pi和變壓器高壓側繞組si(其中i表示第i個模塊)，功能是將直流電壓upi轉換為高頻交流電壓usi。

高頻變壓器的繞制方式如圖4所示，需要採用40個磁芯，每個磁芯有一個繞組連接高壓變流器模塊，將所有磁芯疊在一起之後繞制低壓側繞組。

低壓變流器採用全橋結構，如圖6所示，使用功率mosfet，連接低壓側繞組t和低壓直流端f，功能是實現高頻交流與低壓直流之間的轉換。

上述對實施例的描述是為便於本技術領域的普通技術人員能理解和應用本發明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對上述實施例做出各種修改，並把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。因此，本發明不限於上述實施例，本領域技術人員根據本發明的揭示，對於本發明做出的改進和修改都應該在本發明的保護範圍之內。