一种电子变压器及直流输电系统的制作方法

1.本技术涉及电力电子技术领域，具体涉及一种电子变压器及直流输电系统。


背景技术：

2.直流输电系统中需要采用电子变压器。电子变压器常常采用双向有源全桥(dual-active-bridge，dab)电路实现；dab电路能够实现输入输出的电气隔离，具有功率密度高、易于实现软开关等优点。但是，在大功率场合下，dab电路需要选择的功率器件电流较大，存在拖尾效应，且开关通断存在硬开通情况。
3.因此，电子变压器可采用多个dab电路并联，每个dab电路可以采用小电流的功率器件；但是dab电路并联存在电流不均衡的问题，开关动作时间快，均流控制响应时间慢，难以实现并联的dab电路之间的均流；dab电路的电流不均衡，会导致功率器件容易损坏，甚至导致整个电子变压器无法稳定工作。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本技术提供一种电子变压器及直流输电系统，能够使各个dab电路之间实现均流。
5.为解决上述问题，本技术提供的技术方案如下：
6.本技术提供一种电子变压器，包括：n-1个扼流电感和并联在一起的n个双有源全桥dab电路；n为大于1的整数；
7.每个dab电路包括：原边全桥、副边全桥和变压器；
8.变压器的副边连接在对应的副边全桥的两个桥臂中点之间；
9.第n扼流电感的第一端连接第n原边全桥的第一半桥臂中点；第n扼流电感的第二端连接第n变压器原边的第二端；
10.第n扼流电感的第三端连接第n+1原边全桥的第二半桥臂中点；第n扼流电感的第四端连接第n+1变压器原边的第一端；第n扼流电感为任意一个扼流电感；
11.扼流电感，用于控制扼流电感的第一端和第二端之间的电流，与扼流电感的第三端和第四端之间的电流均衡。
12.优选地，还包括：第n扼流电感；
13.第n扼流电感的第一端连接第n原边全桥的第一半桥臂中点；第n扼流电感的第二端连接第n变压器的原边的第二端；
14.第n扼流电感的第三端连接第一原边全桥的第二半桥臂中点；第n扼流电感的第四端连接第一变压器的原边的第一端。
15.优选地，还包括：与n个dab电路一一对应的n个谐振电容；
16.谐振电容连接在扼流电感的第一端与原边全桥的第一半桥臂中点之间。
17.优选地，还包括：与n个dab电路一一对应的n个谐振电容；
18.谐振电容连接在扼流电感的第三端与原边全桥的第二半桥臂中点之间。
19.优选地，还包括：与n个dab电路一一对应的n个稳压电容；
20.稳压电容并联在对应的副边全桥的输出端。
21.优选地，原边全桥包括并联的两个桥臂；每个桥臂包括串联的两个功率器件；每个功率器件的漏级和源级之间连接反并联的二极管。
22.优选地，副边全桥包括并联的两个桥臂；每个桥臂包括串联的两个功率器件；每个功率器件的漏级和源级之间连接反并联的二极管。
23.优选地，功率器件为绝缘栅双极型晶体管igbt。
24.本技术还提供一种直流输电系统，包括：输电电缆和以上介绍的电子变压器；
25.电子变压器的第一端用于通过输电电缆连接第一换流站；电子变压器的第二端用于连接第二换流站或直流设备。
26.优选地，电子变压器包括多个电子变压器；
27.多个电子变压器的高压侧串联；多个电子变压器的低压侧并联。
28.由此可见，本技术具有如下有益效果：
29.本技术提供的电子变压器，包括：n-1个扼流电感和并联在一起的n个双有源全桥dab电路；每个dab电路包括：原边全桥、副边全桥和变压器；变压器的副边连接在对应的副边全桥的两个桥臂中点之间；第n扼流电感的第一端连接第n原边全桥的第一半桥臂中点；第n扼流电感的第二端连接第n变压器原边的第二端；第n扼流电感的第三端连接第n+1原边全桥的第二半桥臂中点；第n扼流电感的第四端连接第n+1变压器原边的第一端；第n扼流电感为任意一个扼流电感；扼流电感，能够控制扼流电感的第一端和第二端之间的电流，与扼流电感的第三端和第四端之间的电流均衡。本技术提供的电子变压器，采用多个dab电路并联，能提供较大功率，并增加了扼流电感，能够使各个dab电路之间实现均流，有效保护电子变压器的功率器件，使电子变压器稳定运行。
附图说明
30.图1为本技术实施例提供的一种电子变压器的示意图；
31.图2为本技术实施例提供的另一种电子变压器的示意图；
32.图3为本技术实施例提供的一种直流输电系统的示意图；
33.图4为本技术实施例提供的另一种直流输电系统的示意图。
具体实施方式
34.为了使本领域技术人员更好地理解和实施本技术的技术方案，下面介绍本技术的具体应用场景。
35.由于直流输电具有能量损耗小、传输效率高、线路造价低、受干扰影响小等优点，直流输电系统得到了广泛地应用。
36.具体地，换流站将电网的交流电转换为直流电，通过直流输电系统传输，传输完成后再通过换流站转换成交流电，向用户供电。
37.但是，直流输电系统需要直流变压，例如将10kv的直流电变为375v的直流电，因此，需要采用电子变压器。
38.电子变压器可采用dab电路，先将直流电逆变成交流电，通过变压器完成变压，再
将交流电整流成直流电。
39.但是，在大功率的应用场合下，多个dab电路并联的电子变压器存在电流不均衡的问题。
40.下面结合附图和具体实施方式对本技术实施例作进一步详细的说明。
41.参见图1，该图为本技术实施例提供的一种电子变压器的示意图。
42.本技术实施例提供的电子变压器，包括：n-1个扼流电感和并联在一起的n个双有源全桥dab电路。n为大于1的整数。
43.为了方便介绍，图1仅包括3个dab电路和2个扼流电感。应该理解，电子变压器也可以包括更多个dab电路和扼流电感，本技术对此不做具体限定。
44.2个扼流电感包括：第一扼流电感l1和第二扼流电感l2。
45.每个dab电路包括：原边全桥、副边全桥和变压器。
46.图1中，原边全桥包括并联的两个桥臂；每个所述桥臂包括串联的两个功率器件；每个所述功率器件的漏级和源级之间连接反并联的二极管。
47.副边全桥的结构与原边全桥相同。
48.应该理解，图1仅为一种电子变压器可能的实现方式，dab电路还可以是其他具体拓扑结构，本技术对此不做具体限定。
49.具体地，图1中，第一dab电路的原边全桥包括：功率器件q1直至q4；第一dab电路的副边全桥包括：功率器件q13直至q16；第二dab电路的原边全桥包括：功率器件q5直至q8；第一dab电路的副边全桥包括：功率器件q17直至q20；第三dab电路的原边全桥包括：功率器件q9直至q12；第一dab电路的副边全桥包括：功率器件q20直至q24。
50.变压器的副边连接在对应的副边全桥的两个桥臂中点之间。
51.第n扼流电感的第一端连接第n原边全桥的第一半桥臂中点；第n扼流电感的第二端连接第n变压器原边的第二端。
52.第n扼流电感的第三端连接第n+1原边全桥的第二半桥臂中点；第n扼流电感的第四端连接第n+1变压器原边的第一端。
53.第n扼流电感为任意一个扼流电感。
54.扼流电感，用于控制扼流电感的第一端和第二端之间的电流，与扼流电感的第三端和第四端之间的电流均衡。
55.为了使本领域技术人员更好地理解本技术提供的技术方案，下面对扼流电感的工作原理进行具体分析。
56.扼流电感包括两路电感，分别在第一端与第二端之间，以及第三端与第四端之间。
57.以第一dab电路和第二dab电路以及第一扼流电感l1为例，假若此时原边全桥的功率器件q1、q4、q5和q8关断，功率器件q2、q3、q6和q7开通；则每个dab电路的原边全桥第一桥臂输出负电压，第二桥臂输出正电压。
58.因此，第一扼流电感l1的两路电流分别是从第二端流向第一端和从第三端流向第四端。
59.应该理解，当电流流过电感时，在电感线圈内会产生感应磁场，而感应磁场又会感应出电流，感应的电流与流过的电流方向相反，对电流的变化起到阻碍作用。
60.在扼流电感中，当两路电流大小相等、方向相反时，感应磁场也大小相等方向相
反，互相抵消；综合地，第一扼流电感l1上相当于没有磁场，因此也没有感应出电压。此时，第一扼流电感l1对第一dab电路和第二dab电路没有任何作用。
61.当第一dab电路的电流大于第二dab电路的电流时，感应磁场不会完全抵消；第一扼流电感l1上将感应出电压，其方向为左正右负；感应电压与第一dab电路的第一桥臂输出电压方向相反，因此，第一扼流电感l1能够阻碍第一dab电路的电流上升。
62.此时，第一扼流电感l1在第二路感应出的电压同样为左正右负，但是，感应电压和第二dab电路的第二桥臂输出电压方向相同，能够使电流进一步提升。
63.综上所述，当第一dab电路的电流大于第二dab电路的电流时，第一扼流电感l1通过对第一dab电路的电流进行遏制，对第二dab电路的电流进行提升，从而起到了均衡电流的作用。
64.同理，当第一dab电路的电流小于第二dab电路的电流时，与上述分析逻辑一样；只是第一扼流电感l1上产生的感应电压方向相反，能够提升第一dab电路的电流，遏制第二dab电路的电流，从而达到电流均衡的目的。
65.因此，每个第n扼流电感能够控制第ndab电路和第n+1dab电路的电流均衡。
66.第一dab电路和第二dab电路的电流均衡，第二dab电路和第三dab电路的电流均衡，以此类推，每个dab电路之间的电流均可以实现均衡。
67.本技术实施例提供的电子变压器，包括：n-1个扼流电感和并联在一起的n个双有源全桥dab电路；每个dab电路包括：原边全桥、副边全桥和变压器；变压器的副边连接在对应的副边全桥的两个桥臂中点之间；第n扼流电感的第一端连接第n原边全桥的第一半桥臂中点；第n扼流电感的第二端连接第n变压器原边的第二端；第n扼流电感的第三端连接第n+1原边全桥的第二半桥臂中点；第n扼流电感的第四端连接第n+1变压器原边的第一端；第n扼流电感为任意一个扼流电感；扼流电感，能够控制扼流电感的第一端和第二端之间的电流，与扼流电感的第三端和第四端之间的电流均衡。本技术实施例提供的电子变压器，采用多个dab电路并联，能提供较大功率，并增加了扼流电感，能够使各个dab电路之间实现均流，有效保护电子变压器的功率器件，使电子变压器稳定运行。
68.本技术不具体限定功率器件的类型，例如：可以是绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，igbt)，也可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor，mos)等。
69.下面结合附图介绍一种可能的具体实现方式。
70.参见图2，该图为本技术实施例提供的另一种电子变压器的示意图。
71.本技术实施例提供的电子变压器，除了包括以上实施例中的n-1个扼流电感和并联在一起的n个双有源全桥dab电路之外，还包括：第n扼流电感、与n个dab电路一一对应的n个谐振电容和n个稳压电容。
72.为了方便介绍，图2仍然以电子变压器包括3个dab电路为例进行具体介绍，对应地，电子变压器具体还包括：第三扼流电感l3、三个谐振电容c4-c6和三个稳压电容c1-c3。
73.第三扼流电感l3的第一端连接第三原边全桥的第一半桥臂中点；第三扼流电感l3的第二端连接第三变压器的原边的第二端。
74.第三扼流电感l3的第三端连接第一原边全桥的第二半桥臂中点；第三扼流电感l3的第四端连接第一变压器的原边的第一端。
75.谐振电容连接在扼流电感的第一端与原边全桥的第一半桥臂中点之间。当然，谐振电容也可以连接在扼流电感的第三端与原边全桥的第二半桥臂中点之间。
76.稳压电容并联在对应的副边全桥的输出端。
77.第n扼流电感能够使第一dab电路和第ndab电路的电流均衡；进一步保证了各个dab电路之间电流均实现均衡，且实现了对称控制，均流控制更加稳定。
78.谐振电容与扼流电感组成软开关电路，在开关过程中发生谐振，使开关开通前电压先降到零，开关关断前电流先降到零，大幅减小开关损耗，且能够推高开关频率。
79.副边全桥输出的不一定是平稳的直流电压，不平稳的电压无法满足后级电路的要求，因此采用稳压电容可使输出电压稳定于一平滑平均值。
80.本技术实施例提供的电子变压器，还包括：第n扼流电感、与n个dab电路一一对应的n个谐振电容和n个稳压电容；第n扼流电感能够实现对称控制，令电子变压器的均流控制更加稳定；谐振电容与扼流电感组成软开关，减小开关损耗，推高开关频率；稳压电容使dab电路输出更平稳的直流电压。
81.基于以上实施例提供的电子变压器，本技术实施例还提供一种高压直流输电系统，下面结合附图进行详细介绍。
82.参见图3，该图为本技术实施例提供的一种直流输电系统的示意图。
83.本技术实施例提供的直流输电系统，包括：输电电缆和以上实施例介绍的电子变压器1000。
84.电子变压器1000的第一端用于通过输电电缆连接第一换流站；电子变压器1000的第二端用于连接第二换流站或直流设备。
85.电子变压器1000用于在实现变压的同时，控制电子变压器内部均流。
86.具体地，电子变压器1000的具体拓扑与工作原理均可参见上述实施例，在此不再赘述。
87.本技术实施例提供的直流输电系统，电子变压器中增加了扼流电感，能够控制电子变压器内部的多个dab电路实现电流均衡，能够有效保护电子变压器的功率器件，提高电子变压器的稳定性，进而提高了直流输电系统的稳定性。
88.本技术不具体限定直流输电系统的具体应用场景，例如可以是普通的直流输电系统，也可以是高压直流输电系统。
89.高压直流输电系统可以采用多个电子变压器来完成直流变压。参见图4，该图为本技术实施例提供的另一种直流输电系统的示意图。
90.本技术实施例提供的直流输电系统，包括：多个电子变压器。
91.具体地，多个电子变压器包括：第一电子变压器1001、第二电子变压器1002直至第m电子变压器100m。
92.多个电子变压器的高压侧串联，起到分压作用；多个电子变压器的低压侧并联，以输出目标幅值的电压。
93.需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
94.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的
一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。