电力电子变压器的制作方法

本实用新型涉及一种电力电子变压器，尤其涉及其各个低压支路上的变压单元的布置。

背景技术：

变压器是电传输和分配中的重要设备。传统的电力变压器通常非常庞大，且没有自冗余度。当检测到任何故障时，必须先将变压器断电并关闭，然后再进行维护。随着城市的日益扩大，非线性负载和谐波负载的增多，负载需求也日益增长并且更加多元化。因此，对于电力变压器，需要其具有快速响应、高控制力和响应电力的能力。

电力电子变压器(PET,Power electronic transformer)也叫固态变压器，是一种在提供电磁隔离的情况下传输电力的智能解决方案。

电力电子变压器的结构决定了在一个设备中通常会设有多个变压单元，这些相邻设置的变压单元之间由于漏磁会出现相互干涉，因此会对变压器的特性造成影响。

在现有的技术中，为了减少这种干涉可将各个变压单元之间的距离加大，然而这样会增加整个电力电子变压器的尺寸。另一方面，可以有通过增设金属壳体作为电磁屏蔽的解决方案。但这种方案通常适用于单个设置的变压器。对于电力电子变压器而言，由于设有多个变压单元，为每个变压单元设置金属壳体不仅占用较大的空间，而且成本也会大幅提高。

技术实现要素：

为了解决上述一个或多个问题，本实用新型旨在提供一种电力电子变压器，其包括至少N个低压支路，其中每个低压支路上分别设有一个变压单元，每个变压单元彼此相邻设置，N为大于3的自然数，其特征在于，所述变压单元中的任意一个第M变压单元的两侧的第M-1变压单元和第M+1变压单元的磁通量方向相反，其中，M为大于1小于N的整数。

电力电子变压器中各变压单元中的电流的大小和方向可以进行控制，由此可以使得一个变压单元两侧的变压单位产生的磁通量反向，使得这两个变压单元的漏磁磁通在中间的变压单元处能够至少部分抵消，从而使得漏磁磁通的干涉较小。

根据一种优选的实施方式，所述第M-1变压单元和第M+1变压单元在第M变压单元处所产生的磁通量相互抵消。通过这种调节，可以使得漏磁磁通的干涉最小化。

更为有利的是，每个变压单元的设计相同，由此可以直接调节使得所述第M-1变压单元和第M+1变压单元中的电流方向相反。此时，仅通过简单地调节即可以使得漏磁磁通的干涉最小化。

更为有利的是，所述每个变压单元之间彼此等距布置，这也是为了进一步简化地对各个变压单元中的电流进行控制。

根据一种优选的实施方式，N个变压单元呈环形布置，使得所述第N变压单元与第一变压单元彼此相邻，其中，N为4的整数倍。通过这种布置方式，可以使得N个变压单元中的每一个变压单元处的漏磁磁通的干涉最小化，因为环形布置可以使得原来线性布置方式中在头尾处的变压单元也被夹在两个其他的变压单元之间，并通过磁通的相互抵消减少漏磁磁通的干涉。

根据一种优选的实施方式，所述每个变压单元之间彼此等夹角布置。

根据一种优选的实施方式，所述每个变压单元都布置在一个环形的绝缘支架上。

附图说明

以下附图仅旨在于对本实用新型做示意性说明和解释，并不限定本实用新型的范围。其中，

图1以示意图示出了一种电力电子变压器的基本结构；

图2以示意图示出了一种电力电子变压器的低压支路的基本结构；

图3以示意图示出了一种电力电子变压器的两个变压单元；

图4以示意图示出了依据本实用新型的一种实施方式的电力电子变压器的三个变压单元的布置；

图5以示意图示出了依据本实用新型的一种实施方式的电力电子变压器的八个变压单元的布置。

附图标记说明：

100 电力电子变压器

110 高压级

130 隔离级

150 低压级

101、102 低压支路

T1-Tn 变压单元

1014；1024 初级绕组

1016；1026 次级绕组

1013；1023 铁芯

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本实用新型的具体实施方式。

图1示出了一种电力电子变压器100的基本结构，其为输入电压信号在高频变压器的原方(即高压级110)进行AC-DC-AC变换的一种实施方式，虽然没有示出，当然也可以为进行AC-AC变换的形式。所得的高频信号经高频变压器或者说隔离级130耦合到副方(即低压级150)之后，再进行AC-DC-AC变换或者AC-AC变换得到工频电能。

与传统变压器通过在初级和次级侧之间的大量绕组来实现电压变换不同的是，电力电子变压器对电压的变换通常是通过使用多个低压支路实现的。图2示意性地示出其中一个实施例，低压支路101、102是基于分裂电容(split DC-link capacitors)的。虽然没有示出，但是在其他的实施例中，电压的变换也可以是在直流侧通过级联型整流器(cascaded multilevel converter)实现。无论是哪种形式，电力电子变压器为了实现与传统变压器同级别的电压输出，通常会有多个低压支路进行输出。而电磁隔离就是通过在这些低压支路中分设多个中频或者高频的变压单元实现的。但是在一个设备中设置多个变压单元存在一个挑战，即：由于漏磁，在这些变压单元之间会出现相互干涉。

图3以示意图示出了图2中所示的电力电子变压器中的低压支路中隔离级所用的典型的铁芯变压单元T1和T2。其中由于要将多个低压支路布置在一个设备中，会出现如图3所示的，两个变压单元T1与T2并排布置的情况。在理想的情况下，感应磁场应该被包含在铁芯内部，从而使得转换率最大化。但是，在实际中，总有磁通泄露在铁芯外的空间中。对于单个布置的变压单元而言，漏磁仅会导致效率降低，而不会对设备的性能造成显著的影响。但是，当两个变压单元相互靠近布置时，他们相互之间的干涉则无法忽视。

如图3所示的相临布置的两个变压单元T1和T2，变压单元T2的初级侧绕组1024上的初级电流I_1P产生了一个漏磁磁通f_1leak。该漏磁磁通f_1leak穿过变压单元T1的次级侧绕组1016(或者在别的布置方式中穿过初级绕组1014)，由此在该次级绕组1016中产生一个不希望出现的感应电流I’_2s，其对电力电子变压器的正常运行造成影响。尤其是当各个变压单元是在高频工况下，这种两个相邻的变压单元之间的干涉可能会造成较为严重的问题。

为了在紧凑的空间中尽可能的避免上述问题的出现，本实用新型首先提出了一种变压单元的布置方案的实施方式。如图4所示，示例性地以俯视图示出了一种依据本实用新型的电力电子变压器的多个低压支路中的三个低压支路上的变压单元T1、T2、T3。这些低压支路均相邻布置，从而使得它们各个变压单元也相邻进行布置。在图4所示出的依据本实用新型的一种实施方式中，第二变压单元T2在初级侧电流I_2P和次级侧电流I_2S方向分别如图中所示，其漏磁的磁通量会对其相邻的第一变压单元T1造成影响。为了抵消这种影响，相应的，可以通过调节使得与第一变压单元T1相邻的，与第二变压单元T2处在不同侧的第三变压单元T3的初级侧电流I_3P与次级侧电流I_3S使得该第三变压单元T3的漏磁在第一变压单元T1处的磁通与第二变压单元T2在第一变压单元T1处的漏磁磁通相互抵消，或者至少最小化。特别是，当时这个电力电子变压器中的各个低压支路里的变压单元具有相同的设计，即具有相同设计的铁芯、绕组(扎数与绕向等)时，仅需使第三变压单元T3中的初级侧电流I_3P与第二变压单元T2的初级侧电流I_2P反向；以及相应地，第三变压单元T3中的次级侧电流I_3S与第二变压单元T2的次级侧电流I_2S反向即可实现。

以此类推，在设有N(N为大于2的自然数)个相邻布置的变压单元时，通过对各个变压单元中初级侧电流和次级侧电流进行调整使得任意一对如图4所示的实施方式中相互间隔着一个中间变压单元(即第一变压单元)的变压单元对的漏磁磁通在该中间变压单元处的影响能够相互抵消或最小化。对于电力电子变压器而言，由于在每个低压支路中DC/AC/DC转换都是相互独立的，因此对每个变压单元的电流控制都可以独立进行。由此可以较为容易的实现本实用新型的方案。

结合图4可知，在设有N个相邻布置的变压单元时，为了也能抵消掉例如第一变压单元在第三变压单元T3上的干涉，那么在第三变压单元T3右侧的一个变压单元(未示出)需提供与第一变压单元T1相反的磁通。换句话说，应确保每一个变压单元都需布置在产生两个相反的磁通的变压单元之间。但，即便如此，在这种线性布置方式中，位于头尾的两个变压单元处的漏磁磁通的干涉却无法被抵消。

为了解决这个问题，提出了一种依据本实用新型的一种如图5所示的实施方式。图5示例性地示出了设有8个变压单元的情况，该八个变压单元T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8呈环形布置。图中还示意性地以“·”、“x”示出了各个变压单元的初级和次级线圈所产生的磁通的方向。由于采用了环形布置，使得例如在图4中所示的相邻布置的变压单元的头尾的两个变压单元在两侧都具有相邻的变压单元。由此，通过对各个变压单元中电流的调节，可以使得每个变压单元受到其两侧的变压单元的漏磁磁通的影响最小化。通常，为了实现在环形布置中的每个变压单元都受益于这种布置，变压单元的数量应为四的倍数。在实践中，电力电子变压器的低压支路的数量也通常为四的倍数。因此，虽然没有示出，也可以布置12、16、20等为4的倍数的变压单元。以图5中的变压单元T6为例，其本身的线圈的电流使得其产生的磁通的方向为朝纸面内的方向。该变压单元T6在图中所示的右侧的变压单元T5的磁通方向为垂直于纸面向外；而在图中所示的左侧的变压单元T7的磁通方向为垂直于纸面向内。通过控制可以使得变压单元T5和变压单元T7的磁通方向相反，在变压单元T6处的漏磁磁通可以相会抵消，使得漏磁磁通对变压单元的影响最小化。

在最为理想的情况下，每个变压单元都具有相同的设计，其在环形的绝缘支架上彼此等距布置，以使电力电子变压器的性能最优化。环形布置的变压单元还能够有效地节省安装空间。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

以上所述仅为本实用新型示意性的具体实施方式，并非用以限定本实用新型的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本实用新型保护的范围。