一種基於llc諧振變換器的電力電子變壓器的製造方法
2023-06-03 01:23:56
一種基於llc諧振變換器的電力電子變壓器的製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種應用在配電網的電力電子變壓器，具體是一種基於LLC諧振變換器的電力電子變壓器，分為三級：輸入級、隔離級、輸出級。輸入級採用二極體鉗位三電平整流器，以降低開關器件耐壓等級；隔離級採用了三電平LLC串聯諧振型DC/DC變換器，其每個主開關電壓應力是輸入電壓的一半，並且在全負載範圍內工作在軟開關狀態，可降低開關管損耗，提高其效率；輸出級為兩電平三相四橋臂逆變電路，以應對大量存在的不平衡和非線性負載，同時連接LC濾波器，以提高電壓電流波形質量。本實用新型不僅能實現傳統變壓器隔離、變壓和能量傳遞等功能，還具備電能質量調節功能，可有效避免系統與負載之間因不平衡或畸變而對彼此產生的影響。
【專利說明】—種基於LLC諧振變換器的電力電子變壓器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種應用在配電網的電力電子變壓器，具體是一種基於LLC諧振變換器的電力電子變壓器。
【背景技術】
[0002]傳統的電力變壓器一直作為隔離和變壓的主要工具而在電網中廣泛應用，它製作工藝簡單，可靠性高。但缺點也十分明顯，如體積大，重量重，空載損耗嚴重，變壓器油對環境存在威脅，鐵芯飽和時會產生諧波，在投入電網時還會造成較大的勵磁湧流，帶非線性負荷時，畸變電流通過變壓器耦合進入電網，造成對電網的諧波汙染；電源側電壓受到幹擾時，又會傳遞到負載側，產生電壓閃變，甚至導致對敏感負荷的影響。傳統電力變壓器的缺點和僅能實現電壓等級變換、電氣隔離和能量傳遞等功能越來越難以滿足現代電力系統的要求。
[0003]上世紀7O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，還可以實現潮流、電能質量控制等附加功能，且具備自我檢測與診斷，自我保護兼斷路器功能等優點，也為可再生能源發電的接入提供了可靠、便利的途徑。而LLC諧振變換器作為一種具有高效變換率和高功率密度的DC/DC變換器，具有可在全負載範圍內實現開關零電壓開關和二次側整流二極體零電流開關的優點。
[0004]目前國內外現有的關於電力電子變壓器專利中開關損耗較大，轉換效率不高，這在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。
實用新型內容
[0005]發明目的:為了克服現有技術中存在的不足，本實用新型提出一種基於LLC諧振變換器的電力電子變壓器，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，而且還具備電能質量調節功能，可有效避免系統與負載之間因不平衡或畸變而對彼此產生的影響。
[0006]技術方案:為解決上述技術問題，本實用新型的一種基於LLC諧振變換器的電力電子變壓器，該裝置採用了三級型結構，分為輸入級、隔離級、輸出級，輸入級的功率變換器組包括第一功率變換器，第一功率變換器採用三相三線制進線方式，主電路為二極體鉗位三電平整流器，第一功率變換器交流側對應串聯濾波電感後與三相交流電網相連，實現AC-DC變換，直流側連接相應的直流儲能電容；隔離級的功率變換器組包括第二功率變換器，其採用複合式全橋三電平LLC諧振變換電路，具體由複合式全橋逆變器、LLC諧振網絡、高頻變壓器、二極體不控整流橋組成，實現DC-AC-DC變換；所述輸出級的功率變換器組包括第三功率變換器，由四橋臂的三相逆變器構成，實現DC-AC變換；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並上直流儲能電容後接第三功率變換器的輸入端，第三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負載。
[0007]所述的輸入級的三電平整流電路包括十二個功率開關單元和六個功率二極體，其中第一至第四功率開關單元依次串聯構成第一橋臂，在第一功率開關單元與第二功率開關單元的串聯點和第三功率開關單元與第四功率開關單元的串聯點之間並聯一個由第一功率二極體與第二功率二極體串聯成的電路，第二橋臂和第三橋臂的結構與第一橋臂的結構一樣，交流側三相輸入對應連接每個橋臂的中間兩個功率開關單元的串聯點，每相輸入都串有濾波電感，第一直流儲能電容、第二直流儲能電容串接後並聯在整流電路直流側，每個橋臂的兩個功率二極體的串聯點連接在兩個直流儲能電容的串聯點上。
[0008]所述的第二功率變換器由六個功率開關單元、六個功率二極體、兩個電感、兩個電容和一個高頻變壓器組成複合式全橋三電平LLC諧振變換電路，其中第十三至第十六功率開關單元依次串聯構成複合式全橋逆變器的超前臂，在第十三功率開關單元與第十四功率開關單元的串聯點和第十五功率開關單元與第十六功率開關單元的串聯點之間並聯一個飛跨電容和一個由第七功率二極體與第八功率二極體串聯成的電路，其中第七功率二極體與第八功率二極體的串聯點連接在第一直流儲能電容與第二直流儲能電容串聯點上，第十七功率開關單元與第十八功率開關單元串聯組成複合式全橋逆變器的滯後臂，第十四功率開關單元與第十五功率開關單元連接點串聯漏感後再接高頻變壓器原邊正端，第十七功率開關單元與第十八功率開關單元連接點串聯諧振電容後再接高頻變壓器原邊負端，高頻變壓器原邊還並聯勵磁電感，漏感、勵磁電感與諧振電容串並聯構成LLC諧振網絡，第九功率二極體、第十功率二極體、第十一功率二極體、第十二功率二極體組成不控整流橋，其中第九功率二極體與第十功率二極體串聯後的連接中點接高頻變壓器的副邊正端，第十一功率二極體與第十二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第三直流儲能電容上。
[0009]所述的四橋臂三相逆變電路由八個功率開關單元構成，適用於三相四線制系統，以應對大量存在的不平衡和非線性負載，每橋臂輸出端對應接濾波器的輸入端。
[0010]所述的每個功率開關單元由一個IGBT和一個反向連接的二極體並聯組成。
[0011]所述的濾波器由輸出濾波電感與輸出濾波電容組成，可以提高電壓電流波形質量。
[0012]本實用新型發明的一種基於LLC諧振變換器的電力電子變壓器，其工作原理為:原方將工頻交流信號通過整流器轉化為直流信號，中間LLC諧振變換電路先將工頻直流信號轉化為高頻方波信號後通過高頻隔離變壓器耦合到副方，再通過高頻隔離變壓器副邊的二極體不控整流橋轉化為直流信號，最後通過第三功率變換器還原成工頻交流信號，引入LLC諧振網絡使高頻隔離環節不添加輔助線路就可以實現全負載範圍軟開關，從而降低開關損耗，提高轉換效率，通過採用適當的控制方案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。
[0013]有益效果:本實用新型的一種基於LLC諧振變換器的電力電子變壓器，其與現有技術相比，除了具備傳統電力變壓器的優點外，還具有以下優點:
[0014]1.本實用新型的一種基於LLC諧振變換器的電力電子變壓器，其輸入級為二極體鉗位三電平整流電路，降低開關器件耐壓等級，直流母線電壓利用率高，較低的開關頻率下仍能保證電流波形良好，輸出的電壓電流諧波小；
[0015]2.本實用新型的一種基於LLC諧振變換器的電力電子變壓器，其隔離級採用了複合式全橋三電平LLC諧振變換器，可以提高變換器的功率傳輸等級，減小開關應力，在全負載範圍內工作在軟開關狀態，可降低PET的損耗，提高其效率，而且引入的飛跨電容使超前臂與滯後臂的開關過程解耦，更容易確定實現零電壓開關的條件。
[0016]3.本實用新型的一種基於LLC諧振變換器的電力電子變壓器，其輸出級為兩電平三相四橋臂逆變電路，可應對大量存在的不平衡和非線性負載；
[0017]4.本實用新型的一種基於LLC諧振變換器的電力電子變壓器，由於採用了 LLC諧振電路，副邊的二極體會自然地零電流關斷，避免了電壓尖峰和反向恢復問題。
[0018]5.本實用新型的一種基於LLC諧振變換器的電力電子變壓器，由於採用高頻變壓器進行變壓，所以大大減小了整體裝置的體積和重量，減輕了變壓器油對環境的汙染。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1為本實用新型的一種基於LLC諧振變換器的電力電子變壓器的基本功率單元結構模型框圖；
[0020]圖2為本實用新型的一種基於LLC諧振變換器的電力電子變壓器的整體結構原理圖。
[0021]圖中:1、第一功率變換器；2、第二功率變換器；3、第三功率變換器；4、複合式全橋逆變器；5、LLC諧振網絡；6、高頻變壓器；7、二極體不控整流橋；8、濾波器。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖和實施例對本實用新型作更進一步的說明。
[0023]如圖1和圖2所示，本實用新型的一種基於LLC諧振變換器的電力電子變壓器，該裝置採用了三級型結構，分為輸入級、隔離級、輸出級，該輸入級、隔離級和輸出級分別包含功率變換器組；輸入級的功率變換器組包括第一功率變換器I，第一功率變換器I為三相三線制，主電路為二極體鉗位三電平整流器，第一功率變換器I交流側串聯濾波電感後與三相交流電網相連，直流側連接相應的直流儲能電容；隔離級的功率變換器組包括第二功率變換器2，其採用複合式全橋三電平LLC諧振變換電路，包括複合式全橋逆變器4、LLC諧振網絡5、高頻變壓器6、二極體不控整流橋7 ;所述輸出級的功率變換器組包括第三功率變換器3，由四橋臂的三相逆變器構成，逆變器交流側輸出端對應連接濾波器8輸入端，濾波器8由輸出濾波電感與輸出濾波電容組成的LC濾波器，其可以提高電壓電流波形質量；第一功率變換器I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的輸出端接第三功率變換器3的輸入端，第三功率變換器3的輸出端對應接濾波器8的輸入端，濾波器8的輸出端接三相負載。
[0024]具體來說，輸入級中第一功率變換器I採用由十二個功率開關單元、六個功率二極體組成的二極體鉗位三電平橋式整流電路，其中第一功率開關單元S1、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依次串聯構成第一橋臂，在第一功率開關單元SI與第二功率開關單元S2的串聯點和第三功率開關單元S3與第四功率開關單元S4的串聯點之間並聯一個由第一功率二極體Dl與第二功率二極體D2串聯成的電路，第二橋臂和第三橋臂的結構與第一橋臂的結構一樣，交流側三相輸入對應連接每個橋臂的中間兩個功率開關單元(S2與S3、S6與S7、SlO與SI I)的串聯點，每相輸入都串有濾波電感L，第一直流儲能電容Cl、第二直流儲能電容C2串接後並聯在整流電路直流側，每個橋臂的兩個功率二極體(Dl與D2、D3與D4、D5與D6)的串聯點連接在第一直流儲能電容Cl、第二直流儲能電容C2的串聯點上；隔離級中第二功率變換器2中的複合式全橋逆變器4由第十三功率開關單元S13至第十八功率開關單元S18、第七功率二極體D7至第八功率二極體D8和飛跨電容Css組成，其中超前臂由第十三功率開關單元S13、第十四功率開關單元S14、第十五功率開關單元S15、第十六功率開關單元S16依次串聯而成，在第十三功率開關單元S13與第十四功率開關單元S14的串聯點和第十五功率開關單元S15與第十六功率開關單元S16的串聯點之間並聯一個飛跨電容Css和一個由第七功率二極體D7與第八功率二極體D8串聯成的電路，其中第七功率二極體D7、第八功率二極體D8的串聯點連接在第一直流儲能電容Cl、第二直流儲能電容C2的串聯點上，滯後臂由第十七功率開關單元S17、第十八功率開關單元S18串聯而成，第十四功率開關單元S14、第十五功率開關單元S15相連點串聯漏感Lr後接高頻變壓器6原邊正端，第十七功率開關單元S17、第十八功率開關單元S18相連點串聯諧振電容(；後接高頻變壓器6原邊負端，高頻變壓器6原邊還並聯勵磁電感Lni, LLC諧振網絡5由漏感Lp勵磁電感Lm、諧振電容(；串並聯構成，第九功率二極體D9、第十功率二極體D10、第i^一功率二極體Dl1、第十二功率二極體D12組成二極體不控整流橋7，第九功率二極體D9、第十功率二極體DlO串聯後的連接中點接高頻變壓器6的副邊正端，第i^一功率二極體D11、第十二功率二極體D12串聯後的連接中點接高頻變壓器6的副邊負端，直流側輸出端並聯在第三直流儲能電容C3上；輸出級中第三功率變換器3採用第十九功率開關單元S19、第二十功率開關單元S20、第二十一功率開關單元S21、第二十二功率開關單元S22、第二十三功率開關單元S23、第二十四功率開關單元S24、第二十五功率開關單元S25、第二十六開關單元S26組成的四橋臂逆變電路，其中第十九功率開關單元S19、第二十功率開關單元S20串聯構成第一橋臂，第二十一功率開關單元S21、第二十二功率開關單元S22串聯構成第二橋臂，第二十三功率開關單元S23、第二十四功率開關單元S24串聯構成第三橋臂，第二十五功率開關單元S25、第二十六功率開關單元S26串聯構成第四橋臂；第三功率變換器3輸入端與第二功率變換器2輸出端連接，第三功率變換器3輸出端與濾波器8輸入端對應連接，所述每個功率開關單元由一個IGBT和一個反向連接的二極體並聯組成，所述的濾波器8由輸出濾波電感與輸出濾波電容組成，可以提高電壓電流波形質量。
[0025]在配電網應用中，本實用新型的一種基於LLC諧振變換器的電力電子變壓器的輸入級的交流側每相串聯一濾波電感L，起濾波作用，輸入級將工頻交流信號通過二極體鉗位三電平整流器轉換為直流信號，能實現功率因數控制，通過三電平結構以降低開關器件的耐壓等級，然後通過隔離級中的複合式全橋逆變器4轉化為高頻方波信號，複合式全橋逆變器4的輸出端串聯LLC諧振網絡5後接高頻隔離變壓器6的原邊，可以提高變換器的功率傳輸等級，減小開關應力，在全負載範圍內工作在軟開關狀態，降低PET的損耗，高頻隔離變壓器6的副邊通過二極體不控整流橋7轉化為直流信號，再通過第三功率變換器3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。
[0026]以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，應當指出:對於本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護範圍。
【權利要求】
1.一種基於LLC諧振變換器的電力電子變壓器，其特徵在於:該裝置採用了三級型結構，分為輸入級、隔離級、輸出級，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(I)採用三相三線制進線方式，主電路為二極體鉗位三電平整流器，第一功率變換器(I)交流側串聯濾波電感後與三相交流電網相連，直流側連接相應的直流儲能電容；隔離級的功率變換器組包括第二功率變換器(2)，其採用複合式全橋三電平LLC諧振變換電路，包括作為高頻DC/AC環節的複合式全橋逆變器(4)、LLC諧振網絡(5)、高頻變壓器(6)和作為高頻AC/DC環節的不控整流橋(7);輸出級的功率變換器組包括第三功率變換器(3)，其採用三相四橋臂結構適用於三相四線制系統；第一功率變換器(I)的輸出端並聯直流儲能電容後接第二功率變換器(2)的輸入端，第二功率變換器(2)的輸出端並上直流儲能電容後接第三功率變換器(3)的輸入端，第三功率變換器(3)的輸出端對應連接LC濾波器⑶。
2.根據權利要求1所述的一種基於LLC諧振變換器的電力電子變壓器，其特徵在於:所述的輸入級的二極體嵌位三電平整流電路由十二個功率開關單元(SI?S12)、六個功率二極體(Dl?D6)構成，第一至第四功率開關單元(SI?S4)依次串聯構成第一橋臂，在第一功率開關單元(SI)與第二功率開關單元(S2)的串聯點和第三功率開關單元(S3)與第四功率開關單元(S4)的串聯點之間並聯一個由第一功率二極體(Dl)與第二功率二極體(D2)串聯成的電路,第二橋臂和第三橋臂的結構與第一橋臂的結構一樣,交流側三相輸入對應連接每個橋臂的中間兩個功率開關單元(S2與S3、S6與S7、S10與Sll)的串聯點，每相輸入都串有濾波電感(L)，第一直流儲能電容(Cl)、第二直流儲能電容(C2)串接後並聯在整流電路直流側，每個橋臂的兩個功率二極體(Dl與D2、D3與D4、D5與D6)的串聯點連接在兩個直流儲能電容(C1、C2)的串聯點上。
3.根據權利要求1所述的一種基於LLC諧振變換器的電力電子變壓器，其特徵在於:所述的複合式全橋逆變器(4)由六個功率開關單元(S13?S18)、兩個功率二極體(D7?D8)和一個飛跨電容(Css)組成，其中超前臂由第十三功率開關單元(S13)、第十四功率開關單元(S14)、第十五功率開關單元(S15)、第十六功率開關單元(S16)依次串聯而成，在第十三功率開關單元(S13)與第十四功率開關單元(S14)的串聯點和第十五功率開關單元(S15)與第十六功率開關單元(S16)的串聯點之間並聯一個飛跨電容(Css)和一個由第七功率二極體(D7)與第八功率二極體(D8)串聯成的電路，其中兩個功率二極體(D7、D8)的串聯點連接在兩個直流儲能電容(C1、C2)的串聯點上，滯後臂由第十七功率開關單元(S17)、第十八功率開關單元(S18)串聯而成，第十四功率開關單元(S14)、第十五功率開關單元(S15)相連後串聯漏感(LJ接高頻變壓器(6)原邊正端，第十七功率開關單元(S17)、第十八功率開關單元(S18)相連後串聯諧振電容((；)接高頻變壓器(6)原邊負端，高頻變壓器(6)原邊還並聯勵磁電感(Lm);所述LLC諧振網絡(5)由漏感(LJ、勵磁電感(Lm)!振電容(Cr)串並聯構成；所述不控整流橋(7)由四個功率二極體(D9、D10、D11、D12)組成，第九功率二極體(D9)、第十功率二極體(DlO)串聯後的連接中點接高頻變壓器￠)的副邊正端，第i^一功率二極體(Dll)、第十二功率二極體(D12)串聯後的連接中點接高頻變壓器(6)的副邊負端，直流側輸出端並聯在第三直流儲能電容(C3)上。
4.根據權利要求2或3所述的一種基於LLC諧振變換器的電力電子變壓器，其特徵在於:所述每個功率開關單元由一個IGBT和一個反向連接的二極體並聯組成。
【文檔編號】H02M3/335GK204013248SQ201420394690
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年7月16日 優先權日:2014年7月16日
【發明者】賀威, 於月森, 劉振 申請人:中國礦業大學