本公开涉及电力电子技术领域，具体而言，涉及一种电力电子变换单元及电力电子变换系统。
背景技术：
随着分布式新能源发电技术的进步和直流用电设备的日益增多，低压直流配电的需求日益上升。传统的方案通常采用工频变压器先将中压交流电(mvac)转换成低压交流电，再用ac/dc变换器将低压交流电转换成低压直流电(lvdc)。电力电子变压器(pet)是一种采用高频隔离电路实现中压交流到低压直流的功率变换装置，相比于传统的基于工频变压器的方案，具有更高的功率密度和效率。
现有的电力电子变压器(pet)大部分采用如图1所示的结构，前级采用级联的ac/dc变换器，将输入的中压交流转换成多个中间直流，通常称为chb结构；后级dc/dc变换器将中间直流转换为低压直流，并进行高频隔离，低压直流输出端并联连接。每一对ac/dc变换器和dc/dc变换器构成了一个模块化的电力电子变换单元，为了匹配mvac较高的电压等级，pet通常需要数目较多的单元进行交流侧串联连接，如果级联的单元数目过多，将造成系统复杂度以及成本增加。级联数目的多少取决于每个单元的交流输入电压等级，而电力电子变换单元的交流输入电压等级又取决于单元的拓扑结构及所采用的功率半导体器件。
然而，现有的pet单元结构难以在器件耐受电压能力和单元数量之间达到较好的平衡，普遍存在结构复杂，成本高的问题。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
技术实现要素：
本公开的目的在于提供一种电力电子变换单元及电力电子变换系统，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。
根据本公开的一个方面，提供了一种电力电子变换单元，包括：
两个ac/dc子单元，所述两个ac/dc子单元的交流端口串联连接并构成一第一端口；
两个半桥子单元，所述两个半桥子单元的直流端口分别连接至所述两个ac/dc子单元的直流端口；
一个变压器，所述变压器的原边绕组的两端分别连接至所述两个半桥子单元的桥臂中点。
在本公开的一种示例性实施例中，所述电力电子变换单元还包括含电容和/或电感的第一无源网络，所述第一无源网络将所述两个半桥子单元的所述桥臂中点串联连接至所述变压器的所述原边绕组。
在本公开的一种示例性实施例中，所述第一无源网络是串联谐振网络或并联谐振网络。
在本公开的一种示例性实施例中，所述两个ac/dc子单元及所述两个半桥子单元均为双向变换电路。
在本公开的一种示例性实施例中，所述ac/dc子单元是全桥电路或半桥电路。
在本公开的一种示例性实施例中，所述电力电子变换单元还包括副边侧ac/dc变换单元，所述副边ac/dc变换单元的交流端口连接至所述变压器的所述副边绕组。
在本公开的一种示例性实施例中，所述电力电子变换单元还包括含电容和/或电感的第二无源网络，所述副边侧ac/dc变换单元通过所述第二无源网络连接至所述变压器的副边绕组。
在本公开的一种示例性实施例中，所述第二无源网络是串联谐振网络或并联谐振网络。
在本公开的一种示例性实施例中，所述副边侧ac/dc变换单元为双向变换电路。
根据本公开的一个方面，提供一种电力电子变换系统，包括多个根据上述任意一项所述的电力电子变换单元。
在本公开的一种示例性实施例中，所述多个电力电子变换单元的各所述ac/dc子单元均为全桥变换单元，所述多个电力电子变换单元的第一端口串联连接构成chb结构。
在本公开的一种示例性实施例中，所述多个电力电子变换单元的各所述ac/dc子单元均为全桥电路或均为半桥电路或部分为全桥电路部分为半桥电路，所述多个电力电子变换单元的第一端口串联连接，分别构成mmc结构的上桥臂和下桥臂。
在本公开的一种示例性实施例中，所述电力电子变换系统还包括多个副边侧ac/dc变换单元，所述多个ac/dc变换单元的交流端口分别一一对应连接至所述多个电力电子变换单元的所述变压器的副边绕组。
在本公开的一种示例性实施例中，所述多个副边侧ac/dc变换单元的直流端口全部并联连接，全部串联连接，部分并联连接，部分串联连接或者互相独立不连接。
根据本公开的示例实施例的电力电子变换单元及电力电子变换系统，一方面，通过将两个ac/dc子单元的交流端口串联，直流端口分别连接至两个半桥子单元的直流端口，可以在承受相同电压的情况下，使电力电子变换单元的拓扑结构更加简单，需要的器件数目更少，功率密度变高，导通损耗变小；另一方面，在基于该电力电子变换单元构成的电力电子变换系统中，级联电力电子变换单元的数目更少，系统拓扑结构简单，成本较低。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示意性示出了一种电力电子变压器系统的结构示意图；
图2示意性示出了一种电力电子变压器单元的结构示意图；
图3示意性示出了另一种电力电子变压器单元的结构示意图；
图4示意性示出了根据本公开一示例性实施例的电力电子变换单元的结构示意图；
图5示意性示出了根据本公开第一优选示例实施例的电力电子变换单元的结构示意图；
图6示意性示出了根据本公开第二优选示例实施例的电力电子变换单元的结构示意图；
图7示意性示出了根据本公开一示例实施例的电力电子变换系统的结构示意图；
图8示意性示出了根据本公开另一示例实施例的电力电子变换系统的结构示意图；以及
图9示意性示出了根据本公开再一示例实施例的电力电子变换系统的结构示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施例使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多个，或者可以采用其它的结构、部件、步骤、方法等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、部件或者操作以避免模糊本公开的各方面。于本文中，当一元件被称为“连接”等时，可指“电性连接”。“连接”等亦可用以表示二或多个元件间相互搭配操作或互动。此外，虽然本文中使用“第一”、“第二”等用语描述不同元件，该用语仅是用以区别以相同技术用语描述的元件或操作。除非上下文清楚指明，否则该用语并非特别指称或暗示次序或顺位，亦非用以限定本发明。
此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应,可以在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体。
图2示出了用于图1的一种电力电子变换单元的技术方案，该电力电子变换单元的前级ac/dc变换器部分为h桥，后级隔离dc/dc变换器与前级ac/dc变换器通过dc链路电容相连接。该dc/dc变换器可以是pwm变换器，也可以是谐振变换器。由于两电平h桥结构的ac/dc变换器可承受的ac电压较低，所以要满足10kv以上的系统输入电压，系统需要级联的电力电子变换单元的数目较多；而且，每一个单元都需要相应的隔离变压器、机构件、光纤连接件等，电力电子变压器系统的复杂性和成本也比较高。
为了改进图2中所示的基于两电平h桥方案的电力电子变换单元的不足，图3中提出了基于中点箝位三电平h桥结构的单元拓扑，这种单元拓扑与图2中的拓扑相比，原边侧的开关管数目变为两倍，可以承受两倍的电压输入能力，从而达到级联单元数目减半的目的，对于整个系统来说，开关管数目不变，隔离变压器减半，副边整流电路减半。但在图3的单元拓扑结构中，多了6个箝位二极管，而且二极管的导通损耗在小电流时比mosfet大，导致系统效率降低。总之，采用图3的单元拓扑结构对电力电子变压器系统的成本和效率都不利。
基于上述内容，可以得知选用合适的单元拓扑结构是电力电子变压器系统设计的关键。因此，在本公开的一种示例实施例中，提出了一种电力电子变换单元，参照图4所示，该电力电子变换单元包括两个ac/dc子单元，所述两个ac/dc子单元的交流端口串联连接并构成一第一端口；两个半桥子单元，所述两个半桥子单元的直流端口分别连接至所述两个ac/dc子单元的直流端口；一个变压器，所述变压器的原边绕组的两端分别连接至所述两个半桥子单元的桥臂中点。两个半桥子单元的桥臂中点构成一第二端口。
根据本示例实施例的电力电子变换单元及其组成的电力电子变换系统，一方面，通过将两个ac/dc子单元的交流端口串联，直流端口分别连接至两个半桥子单元的直流端口，可以在承受相同电压的情况下，使电力电子变换单元的拓扑结构更加简单，需要的器件数目更少，功率密度变高，导通损耗变小；另一方面，在基于该电力电子变换单元构成的电力电子变换系统中，级联电力电子变换单元的数目更少，系统拓扑结构简单，成本较低。
在本示例实施例中，ac/dc子单元可以为半桥电路、全桥电路等ac/dc电路。ac/dc子单元作为一独立电路运行时，ac/dc子单元的交流端口输入或输出一交流电，ac/dc子单元的直流端口输入或输出一直流电。例如，当ac/dc子单元为半桥电路时，桥臂的两端为ac/dc子单元的直流端口，桥臂的一端和桥臂的中点为ac/dc子单元的交流端口；当ac/dc子单元为全桥电路时，桥臂的两端为ac/dc子单元的直流端口，两个桥臂的中点构成了ac/dc子单元的交流端口。类似地，半桥子单元的直流端口即为桥臂的两端。
电力电子变换单元的第一端口用于输入或输出第一交流电，第二端口用于输入或输出第二交流电，两个ac/dc子单元及两个半桥子单元共同实现第一交流电与第二交流电之间的转换。本发明并不限定电能的传输方向，电能可以从左向右传输，可以从右向左传输，也可以双向传输。例如，当本示例实施例的电力电子变换单元中的开关器件均为全控型开关器件时，则可实现功率的双向流动。需要说明的是，在本示例实施例中，电力电子变换单元中的开关器件可以为mosfet，也可以为igbt，还可以为其他全控型开关器件如igct和gto等，本公开的示例实施例中的开关器件不限于此。
如图4所示，在本示例实施例中，为了滤除不需要的电压成分，所述电力电子变换单元还可以包含电感和/或电容的第一无源网络pn1，该第一无源网络pn1将两个半桥子单元的桥臂中点串联连接至所述变压器的所述原边绕组。需要说明的是，在本示例实施例中，电力电子变换单元还可以不包含第一无源网络pn1，即半桥子单元的桥臂中点也可以直接连接至变压器的原边绕组，这也属于本公开的保护范围。
此外，在本示例实施例中，所述电力电子变换单元还可以包括副边侧ac/dc变换单元，所述副边侧ac/dc变换单元的交流端口连接至所述变压器的副边侧绕组，用于从副边侧绕组接受一第三交流电，或输出一第三交流电至副边侧绕组。进一步地，为了滤除不需要的电压成分，所述电力电子变换单元还可以包括含电容和/或电感的第二无源网络pn2，所述副边侧ac/dc变换单元的交流端口通过所述第二无源网络pn2连接至所述变压器的副边绕组。需要说明的是，在本示例实施例中，电力电子变换单元还可以不包含第二无源网络，即副边侧ac/dc变换单元的交流端口也可以直接连接至所述变压器的副边绕组。
需要说明的是，在本示例实施例中，第一无源网络pn1和第二无源网络pn2可以是串联谐振网络或并联谐振网络，也可以是由其他电感或电容组成的网络，本公开对此不作特殊限定。
需要说明的是，在本示例实施例中，副边侧ac/dc变换单元可以是全桥整流电路，也可以是全波整流电路，还可以是全桥双向电路等，本公开对此不作特殊限定，副边侧ac/dc变换单元可以使电能从左向右传输，可以使电能从右向左传输，也可以使电能双向传输。
图5示出了根据本公开的第一优选示例实施例的电力电子变换单元的结构示意图。如图5所示，两ac/dc子单元分别为全桥电路b1、b2，两个半桥子单元分别为桥臂b3、b4。以电能从左向右传输为例，对电路的工作原理进行简单说明，开关管s11、s12、s13、s14组成的全桥电路b1和开关管s21、s22、s23、s24组成的全桥电路b2级联构成第一整流电路，将输入的第一交流电转换为直流电；开关管s13、s14、q1、q2组成的全桥电路和开关管s21、s22、q3、q4组成的全桥电路级联构成第一逆变电路，与高频隔离变压器的原边绕组相连，将直流电转换为高频方波电压，即为第二交流电；副边侧ac/dc变换单元sl将副边侧高频方波电压转换成低压直流电vo。在该电力电子变换单元中，s13与s14组成的桥臂和s21与s22组成的桥臂被第一整流电路和第一逆变电路两级复用，为公用桥臂。在本示例实施例中，通过桥臂复用技术有效地提升了电力电子变换单元拓扑的简洁性。
在本示例实施例中，lr1、cr1可以为谐振器件，构成第一无源网络，该第一无源网络可以用于滤除不需要的电压成分或对输入原边绕组的波形进行调整。需要说明的是，在本示例实施例中，电力电子变换单元还可以不包含第一无源网络，即两个半桥子单元的桥臂中点也可以分别直接连接至变压器的原边绕组的两端，这也属于本公开的保护范围。类似地，电力电子变换单元的副边侧亦可包含第二无源网络，在此不再赘述。
需要说明的是，在本示例实施例中，该电力电子变换单元中的所有器件均可以双向运行，该电力电子变换单元可实现双向功率变换。在本示例实施例中，如图5所示，开关器件为mosfet，但是本公开的示例实施例中的开关器件不限于此，例如，开关器件还可以为其他全控型开关器件如igbt、igct和gto等，这同样属于本公开的保护范围。
进一步地，在本示例实施例中，上述第一逆变电路、副边侧ac/dc变换单元sl和高频隔离变压器可以构成一隔离dc/dc变换器。需要说明的是，该dc/dc变换器可以是谐振变换器，也可以是pwm(脉冲宽度调制)变换器，但是本公开的示例实施例中的dc/dc变换器不限于此，例如dc/dc变换器还可以为其他变换器例如pfm(脉冲频率调制)变换器等，这也属于本公开的保护范围。上述dc/dc变换器均可为双向变换器，本发明并不限制dc/dc变换器的电能传输方向。
需要说明的是，在本示例实施例中，副边侧ac/dc变换单元sl可以是全桥整流电路，也可以是全波整流电路，还可以是全桥双向电路等，本公开对此不作特殊限定。
图6示出了根据本公开的第二优选示例实施例的电力电子变换单元。如图6所示，第二优选示例实施例的电力电子变换单元与第一优选示例实施例的电力电子变换单元的区别在于，第二优选实施例中的电力电子变换单元中的ac/dc子单元为半桥电路。两ac/dc子单元分别为半桥电路b1、b2，两个半桥子单元分别为桥臂b3、b4。
具体而言，开关管s11、s12组成的半桥电路b1和开关管s21、s22、组成的半桥电路b2级联构成第一整流电路，将输入的第一交流电转换为直流电；开关管s11、s12、q1、q2组成的全桥电路和开关管s21、s22、q3、q4组成的全桥电路级联构成第一逆变电路，与高频隔离变压器的原边绕组相连，将直流电转换为高频方波电压，即为第二交流电；副边侧ac/dc变换单元sl将副边侧高频方波电压转换成低压直流电vo。在该电力电子变换单元中，s11与s12组成的桥臂和s21与s22组成的桥臂被第一整流电路和第一逆变电路两级复用，为公用桥臂。
需要说明的是，图6中的第二优选示例实施例中的电力电子变换单元与图5中的第一优选示例实施例的电力电子变换单元的其他部分基本相同，在此将不再赘述。
图7示出了基于图5中的第一优选实施例的电力电子变换单元的第一电力电子变换系统，该电力电子变换系统可以经由一电抗器连接至中压电网。如图7所示，左侧为基于第一优选实施例的电力电子变换单元的第一电力电子变换系统，右侧为第一优选实施例的电力电子变换单元，左侧矩形框圈中的部分为右侧的电力电子变换单元。该电力电子变换系统中的电力电子变换单元的各ac/dc子单元均为全桥电路，多个基于全桥结构的电力电子变换单元的第一端口串联连接，串联连接的第一端口可以经由一电抗器连接至中压交流电网mvac。在本示例实施例中，电力电子变换系统的各个电力电子变换单元的ac/dc子单元级联构成chb(级联h桥)结构。
进一步地，该电力电子变换系统还可以包括多个副边侧ac/dc变换单元，所述多个副边侧ac/dc变换单元的交流端口分别一一对应连接至各电力电子变换单元的变压器的副边绕组，各个电力电子变换单元的副边侧ac/dc变换单元的直流端口相连形成lvdc端。需要说明的是，在本示例实施例中，各个电力电子变换单元的副边侧ac/dc变换单元的直流端口并联连接，但是本公开的示例实施例不限于此，例如各个电力电子变换单元的副边侧ac/dc变换单元的直流端口还可以串联连接，也可以部分串联连接部分并联连接，也可以独立输出互不连接，这同样在本公开的保护范围内，即本申请并不限定副边侧ac/dc变换单元的直流端口的连接形式。此外，电力电子变换系统整体可以是单相结构也可以是三相结构，本公开对此不作特殊限定。以图7为例，该电力电子变换系统整体为三相结构，各个电力电子变换单元的副边侧ac/dc变换单元的直流端口并联连接。
接下来，参照图8进行描述，图8示出了基于图5中的第一优选实施例的电力电子变换单元的第二电力电子变换系统。在第二电力电子变换系统中，多个基于全桥结构的级联电力电力变换单元的第一端口按mmc(模块化多电平变换器)的连接方式堆叠，mmc结构的上桥臂和下桥臂均经由电抗器接至中压交流电网mvac。上桥臂和下桥臂的另一端构成了mmc结构的中压直流端口pn，可以连接至中压直流电网(mvdc)。需要说明的是，第二电力电子变换系统还可以包括多个副边侧ac/dc变换单元，所述多个副边侧ac/dc变换单元的交流端口分别一一对应连接至各电力电子变换单元的变压器的副边绕组，各个电力电子变换单元的副边侧ac/dc变换单元的直流端口相连形成lvdc端。
需要说明的是，在本示例实施例中，第二电力电子变换系统中的各电力电子变换单元的ac/dc子单元均为全桥电路，但是本公开的示例实施例中不限于此，例如ac/dc子单元还可以均为半桥电路，或者部分为全桥电路部分为半桥电路等，这同样在本公开的保护范围内。
图9示出了基于图6中的第二优选实施例的电力电子变换单元的第三电力电子变换系统。在该电力电子变换系统中，多个基于半桥结构的级联电力电子变换单元的第一端口按mmc的连接方式堆叠。mmc结构的上桥臂和下桥臂均经由电抗器接至中压交流电网mvac。上桥臂和下桥臂的另一端构成了mmc结构的中压直流端口pn，可以连接至中压直流电网(mvdc)。需要说明的是，第三电力电子变换系统还可以包括多个副边侧ac/dc变换单元，所述多个ac/dc变换单元的交流端口分别一一对应连接至各电力电子变换单元的变压器的副边绕组，各个电力电子变换单元的副边侧ac/dc变换单元的直流端口相连形成lvdc端。
需要说明的是，在图8和图9中，各个电力电子变换单元的副边侧ac/dc变换单元的直流端口可以并联连接，也可以串联连接，也可以部分串联连接部分并联连接，也可以独立输出互不连接，本公开在此不进行特殊限定。此外，电力电子变换系统整体可以是单相结构也可以是三相结构。以图8和图9为例，该电力电子变换系统整体为三相结构，各个电力电子变换单元的副边侧ac/dc变换单元的直流端口并联连接。需要说明的是，本公开的电力电子变换单元和电力电子变换系统的应用领域包括但不限于：中高压电力电子变压器系统、并网逆变器系统、储能逆变器系统、新能源发电系统、充电桩或充电站、数据中心、电气化交通运输系统、由分布式发电单元、储能单元和本地负载等构成的微网系统等。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施例。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。