一种基于级联多电平的电力电子变压器的制作方法

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种基于级联多电平的电力电子变压器。

背景技术：

随着大量的分布式可再生能源装置及储能设备接入电网，电网对其配套设备的要求也在逐渐提升。其中，能够对能量进行主动控制及分配的配套设施是日后发展的重中之重，电力电子变压器技术作为其中的代表得到了社会各界的广泛关注。其作为传统变压器的替代品，在传统变压器原有电气隔离，电压调节功能的基础上，能够添加新能源接入、无功补偿、直流电源接口、变频输出、改善电能质量、故障检测及恢复、实时监测和联网通讯等功能。因此，该装置有望成为未来能源互联网中的核心设备，但是电力电子变压器的制造技术目前尚未成熟，变流器拓扑复杂造成了成本高、可靠性和效率低和绝缘困难等问题。

电力电子变压器主要实现两个功能，一是根据要求实现对电压和电流的控制，二是实现原副边的电气隔离。典型的结构如图1所示，在电网高压侧，通过高压变流器将电网的高压工频交流电转化为高压高频交流电，然后使用高频变压器降压为低压高频交流电，再通过低压变流器将低压高频交流电转换为低压工频交流电。图1中的设备两端可以为三相交流或者单相交流，也可以是直流；高频变压器部分可以有各种不同的连接方式，如单绕组、多绕组、多磁芯或多个变压器。

由于半导体器件的耐压有限，远不能满足电力电子变压器高压侧变流器的电压要求，高压侧变流器需要通过器件串联或者拓扑级联的方式来实现。主流的级联拓扑技术有两种，一种是模块化多电平技术(mmc)，级联的电路拓扑不包括变压器，总体结构仍如图1所示，采用一个高频变压器；另一种是将变流器与高频变压器结合起来再级联的方式，称为级联多电平技术(chb)。

级联多电平电路的结构如图2所示。相比mmc，chb通过多个变压器传输功率，功率流不需要流过所有串联拓扑，可以获得最佳的器件利用率。但是这种拓扑的缺点是，过多的变压器和变压器绕组导致了非常困难的绝缘设计。

技术实现要素：

鉴于上述，本发明提供了一种基于级联多电平的电力电子变压器，其通过减少高频变压器低压侧的绕组数量，能够降低对绝缘设计的要求。

一种基于级联多电平的电力电子变压器，包括多个高压变流模块、一个高频变压器和一个低压变流器；所述高频变压器为多磁芯结构，其高压侧具有多个绕组，低压侧只有一个绕组，高压侧绕组绕置于对应的磁芯上，低压侧绕组将所有磁芯并起来绕制后与低压变流器的输入端连接；所有高压变流模块通过输入端级联后承受高压输入，高压变流模块的输出端则与对应的高压侧绕组连接，低压变流器的输出端则实现低压输出。

若电力电子变压器高压侧为直流电输入，则高压变流模块采用dc/ac变流模块；若电力电子变压器高压侧为交流电输入，则高压变流模块采用ac/ac变流模块。

若电力电子变压器低压侧为直流电输出，则低压变流器采用ac/dc变流器；若电力电子变压器低压侧为交流电输出，则低压变流器采用ac/ac变流器。

由于高频变压器的低压侧绕组和高压侧绕组之间需要承受很高的电压，这对低压侧绕组引线的绝缘设计，尤其是爬电距离的设计，提出了很高的要求，传统的chb电路中具有大量的低压侧绕组引线，绝缘设计困难，且不利于功率密度的提高。本发明中高频变压器的低压侧仅采用一个绕组，没有中间引线，可以大幅简化系统的绝缘设计，有利于提高电力电子变压器的功率密度，为电力电子变压器的实用化解决关键问题。

附图说明

图1为传统电力电子变压器的结构示意图。

图2为高压侧级联的电力电子变压器结构示意图。

图3为本发明电力电子变压器的结构示意图。

图4为本发明高频变压器的结构示意图。

图5为高压变流模块的结构示意图。

图6为低压变流器的结构示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图3所示，本发明基于级联多电平的电力电子变压器，包括高压变流器、低压变流器和高频变压器。

高压侧变流器采用若干个变流模块级联组成，每个模块包括两个端口，分别如图3中p端和s端，其中p端级联起来承受高压，s端接变压器绕组。

变压器采用多磁芯结构，其高压侧有多个绕组，每个变流模块对应一个绕组，每个绕组对应一个磁芯；低压侧为一个绕组，将所有磁芯并起来绕制，变压器结构如图4所示。

其中的高压侧可以是直流，则高压变流模块是直-交变流模块(dc/ac)；高压侧也可以是交流，则每个模块是交-交变流模块(ac/ac)。

其中的低压侧可以是直流，则低压侧变流器模块是交-直变流模块(ac/dc)，低压侧也可以是交流，则低压侧变流器是交-交变流模块(ac/ac)。

以下实施方式以高压侧、低压侧均为直流为例，高压侧直流电压15kv，低压侧400v。

高压侧采用多个模块级联，设计每个模块的电压为400v，则至少需要38个模块级联，设计留一定电压裕量，选择40个模块。

高压变流模块电路采用半桥结构，使用功率mosfet作为主控功率元件，每个模块的电路如图5所示，连接高压直流端pi和变压器高压侧绕组si(其中i表示第i个模块)，功能是将直流电压upi转换为高频交流电压usi。

高频变压器的绕制方式如图4所示，需要采用40个磁芯，每个磁芯有一个绕组连接高压变流器模块，将所有磁芯叠在一起之后绕制低压侧绕组。

低压变流器采用全桥结构，如图6所示，使用功率mosfet，连接低压侧绕组t和低压直流端f，功能是实现高频交流与低压直流之间的转换。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种基于级联多电平的电力电子变压器，包括高压变流模块、高频变压器和低压变流器；高频变压器为多磁芯结构，其高压侧具有多个绕组，低压侧只有一个绕组，高压侧绕组绕置于对应的磁芯上，低压侧绕组将所有磁芯并起来绕制后与低压变流器的输入端连接；所有高压变流模块通过输入端级联后承受高压输入，高压变流模块的输出端则与对应的高压侧绕组连接，低压变流器的输出端则实现低压输出。本发明中高频变压器的低压侧仅采用一个绕组，没有中间引线，可以大幅简化系统的绝缘设计，有利于提高电力电子变压器的功率密度，为电力电子变压器的实用化解决关键问题。

技术研发人员：姚文熙
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2017.05.19
技术公布日：2017.08.18