一种用于充换电站的电力电子变压器的制作方法

1.本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种用于充换电站的电力电子变压器。


背景技术：

2.随着人类对能源的需求和消耗越来越大，全球能源结构不断变化，新能源发电的占比逐年增加，构建以微电网为基本单元的未来智能互联电网，是大量可再生能源、储能与可控负荷并入电网的有效途径。为提升微电网的灵活性及其对分布式电源的管控能力，更好地支撑能源互联网运行，多端口、多功能、扩展灵活、能量可控的电力电子变压器(power electronic transformers，pet)极具研究价值。
3.目前，可再生能源和分布式发电技术得到迅速发展，现有的电网已经越来越难以满足新能源系统的能量交互和高效绿色化的用电需求。以电力电子变压器为基础的能量路由器是能源互联网的重要组成部分。电力电子变压器在能源互联网中扮演着重要的角色，其不仅可以连接分布式能源系统、储能系统和现有电力系统，还可以根据实际需求控制和管理各个端口的能量流动，满足能源互联网中的电能调度功能。
4.中国科学院电工研究所提出的申请号为202010315127.8，名称为一种混合隔离型单相电力电子变压器的专利申请，该混合隔离型单相电力电子变压器如图1a所示，由电容隔离型变换器和高频变压器隔离型变换器组成。电容隔离型变换器由多个电容隔离型功率模块通过输入侧串联输出侧并联构成，可实现固定变比调压和电气隔离。高频变压器隔离型变换器采用多个高频隔离型功率模块通过输入侧串联输出侧并联构成，在实现电气隔离的同时亦可实现电压变比可配置。该混合隔离型电力电子变压器仅给出了单相电力电子变压器的拓扑，不包含三相交流输入源条件下的拓扑，并且各相独立，三相之间不存在共用的直流母线，不适用于三相交流输入源的储能电池充电。
5.中国电力科学研究院提出的申请号为200920247154.5，名称为一种模块化电力电子变压器的专利。参照图1b，该一种模块化电力电子变压器采用模块化紧凑设计，包括多相输入，各相独立且结构相同，它由高压级、隔离级和低压级三级组成，该电力电子变压器的高压级和低压级既可以作为输入级，也可以作为输出级，每一级功率模块的数量和接入方式都是根据整机的功率等级、电压等级和现场供电需求进行灵活配置，达到成本和效率的最优。该发明仅给出了单相电力电子变压器的拓扑，不包含三相交流输入源条件下的拓扑，并且各相独立，三相之间不存在共用的直流母线，无法适用于三相交流输入源的储能电池充电。
6.许继电气股份有限公司提出申请号为201910616808.5，名称为一种用于直流配电网的电力电子变压器及其控制方法，可用于解决电力电子变压器传输功率的效率低下等问题，实现电力电子变压器两侧的电压转换。该直流配网电力电子变压器如图1c所示，变压器包括连接在直流配网高压侧和低压侧的模组，该模组包括半桥模块和双向直流变换单元；双向直流变换单元包括依次连接的原边半导体换流单元、原边谐振网络、变压器、副边谐振网络和副边半导体环流单元等。并且提供一种用于直流配网的电力电子变压器控制方法，
解决现有电力电子变压器的控制方法复杂、且稳定性、可靠性无法保证的问题。本发明所述的电力电子变压器及其控制策略，只适用于直流配网系统，输入输出均为直流电源，不适用于充换电站。
7.综上所述，以上几种方案，存在无公共直流母线，或者只针对直流配网系统等问题，不能够匹配充换电站的低压端口。


技术实现要素：

8.本发明提供了一种用于充换电站的电力电子变压器，能够为各种交直流电源及负荷提供接入。
9.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
10.一种用于充换电站的电力电子变压器，包括交流启动柜、功率柜及双向dc/dc模块；
11.所述交流启动柜一端与开关柜连接，另一端与功率柜连接；所述功率柜包括依次连接的输入级、隔离级和输出级；输入级为高压侧模块，所有高压侧模块一交流侧的交流端口依次串联，另一交流侧连接隔离级的高压侧，隔离级的低压侧连接输出级的交流端口，输出级所有直流端口并联在低压侧母线上；低压侧母线上并联有双向dc/dc模块。
12.进一步的，交流启动柜包括串联的pt、开关柜侧ct、第一支路、桥臂电抗器和换流器侧ct，所述第一支路包括并联的隔离开关和启动电阻。
13.进一步的，高压侧模块包括ac/dc模块、dc/ac模块以及共用的高压侧母线电容c1；所述ac/dc模块的输出端与dc/ac模块的输入端连接，dc/ac模块的输出端与隔离级输入端连接，高压侧母线电容c1连接在ac/dc模块的输出端口。
14.进一步的，ac/dc模块和dc/ac模块为两电平或三电平模块。
15.进一步的，隔离级为移相式隔离级拓扑。
16.进一步的，移相式隔离级拓扑包括高频变压器，高频变压器的原边同名端连接有电感ls。
17.进一步的，隔离级为谐振式隔离级拓扑。
18.进一步的，谐振式隔离级拓扑包括高频变压器，高频变压器的原边绕组同名端连接有电感l
s1
，异名端与电容c5连接，原边绕组与电感lm并联；高频变压器的副边绕组同名端连接有电感l
s2
，异名端与电容c6连接。
19.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
20.本发明针对充换电站供配电链路，提出了一种电力电子变压器，该电力电子变压器包括交流启动柜、功率柜及双向dc/dc模块，可实现交直流变换、功率控制及电能治理等功能，其同时具备交流端口和直流端口，能够为各种交直流电源及负荷提供接入。该方案充电桩无需ac/dc模块，输出为dc/dc，可直接连接储能电池。
21.此外，本发明还具有以下优点：
22.变换效率高：本发明将基于“高频变压器+功率器件”的固态变压器sst方案对传统供电方案进行了等价替代，经估算，该方案比常规方案效率高约6％～10％。
23.占地面积小：本发明节通过dc/dc模块将直流电变换为充换电站所需的直流电，相比传统要经过直流电变交流电，再由交流电变直流电的方式，省了变换环节，节约了占地面
积。
24.实现柔性电能分配：经由电力电子变压器可以实现交直流变换，可在各端口实现柔性电能分配。
25.具有共直流母线高效传输：可通过合理的参数设计，使得电力电子变压器工作在软开关或谐振的高能传输状态下，实现功率高效传输。
附图说明
26.图1a为中国科学院电工研究所提出的混合隔离型单相电力电子变压器示拓扑意图；
27.图1b为中国电力科学研究院有限公司提出的一种模块化的电力电子变压器拓扑示意图；
28.图1c为许继电气股份有限公司提出的一种模块化的电力电子变压器拓扑示意图；
29.图2为本发明提供的一种用于充换电站的电力电子变压器拓扑示意图；
30.图3为交流启动柜示意图；
31.图4为功率模组示意图；
32.图5为两电平高压侧模块示意图；
33.图6为三电平高压侧模块示意图；
34.图7为二电平三电平组合高压侧模块示意图；
35.图8为移相式隔离级拓扑示意图；
36.图9为谐振式隔离级拓扑示意图。
具体实施方式
37.为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
38.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
39.参照图2，一种适用于充换电站的电力电子变压器，由开关柜、交流启动柜、功率柜及双向dc/dc模块构成。
40.开关柜中的开关一端与交流电源连接，另一端和交流启动柜中的pt连接。
41.参照图3，交流启动柜包括柜体，柜体中设置有三相支路，每一相支路包括pt、开关柜侧ct、隔离开关、启动电阻及旁路接触器、桥臂电抗器。交流启动柜部分从上到下依次串联pt、开关柜侧ct、隔离开关和启动电阻、桥臂电抗器、换流器侧ct，其中启动电阻r1与启动电阻旁路接触器并联，启动电阻旁路接触器包括开关km1和与之同位置的两个接触器。
42.交流启动柜的作用包括：限制启动过程中电容过流，提供测量回路和检修断点。
43.其工作原理为：交流启动柜包含启动电阻，启动电阻可在启动过程中限制电容的充电电流。此外，交流启动柜中设置有pt、ct，可以进行电压电流的测量。设置的隔离开关，可以实现提供检修断点的功能。
44.功率柜包括依次连接的输入级、隔离级和输出级。输入级为高压侧模块，每个高压侧模块交流侧的交流端口依次串联，在首尾串联功率模块的交流端分别连接桥臂电抗器l1、l2和l3和三相中点，每个高压侧模块的另一交流侧连接隔离级的高压侧。隔离级的低压侧连接输出级一侧的交流端口，输出级所有直流端口并联在低压侧母线上。
45.高压侧模块包括ac/dc模块、dc/ac模块以及共用的高压侧母线电容。ac/dc模块的输出端与dc/ac模块的输入端连接，dc/ac模块的输出端与隔离级输入端连接，高压侧母线电容c1连接在ac/dc模块的输出端口，电容c1实现能量的储存与交互、滤波等功能。
46.隔离级包括高频变压器，谐振腔或者移相电感，谐振腔包括谐振电感和谐振电容组成。参照图9，变压器原边谐振腔由电感ls1和电容c5组成，副边谐振腔由电感ls2和电容c6组成。
47.隔离级不仅需要具有高效率和高频隔离能力，还需要承受高压侧的高电压和低压侧的大电流。高频隔离由变压器实现，高压侧的电压和低压侧大电流由电容和与之连接的开关器件如igbt等来承担。
48.输出级为低压侧模块。每个低压侧模块一侧的交流端口连接隔离级的低压侧，低压侧模块所有直流端口并联在低压侧母线上；低压侧模块通常为ac/dc和低压侧母线电容c2。低压侧母线后接双向dc/dc连接电池，以实现对于储能电池的充电功能。
49.功率柜用于实现电压等级的变换和能量流动，以及电气隔离的作用。
50.输入级、隔离级和输出级组成了一个功率模组，每个功率模组如图4所示。
51.图4所示的功率模组中，ac/dc以及dc/ac的拓扑可以为图5所示的两电平功率模组、图6所示的三电平功率模组，或是图7所示的两者的组合的混合型功率模组。优选两电平功率模组，两电平模组结构简单，器件较少，成本较低。
52.图4所示的功率模组中，隔离级包括高频变压器及与之相连的电容或电感，图8和图9给出了几种常见的隔离级拓扑。参照图8，移相式隔离级拓扑包括高频变压器，高频变压器的原边同名端连接有电感ls。参照图9，谐振式隔离级拓扑包括高频变压器，高频变压器的原边绕组同名端连接有电感l
s1
，异名端与电容c5连接，电感l
s1
和电容c5组成原边谐振腔，原边绕组与电感lm并联；高频变压器的副边绕组同名端连接有电感l
s2
，异名端与电容c6连接，电感l
s2
和电容c6组成副边谐振腔。
53.移相式变换器电路结构简单，具备零电压软开关(zero-voltage-switching，zvs)特性以及可以实现大容量的功率传输。移相式变换器由于较为简单，在研究和实用进展方面均领先谐振式变换器。谐振式变换器相比移相式变换器在同样的控制条件下更容易实现
高效率，并具有更小的电磁干扰，谐振式变换器的开关频率可以比移相式变换器更高，控制效果更好。二者在实际工程中均有应用。
54.输出级后端接dc/dc模块，dc/dc模块的数量与充换电站配置有关，dc/dc模块与储能电池通过汇流柜相连，利用电力电子变压器母线的快充接口dc/dc模块，可以大幅度降低配电网的复杂程度，不仅降低了充电桩投资成本，还可以省去多级式双向充电机的ac/dc环节，改变了以往相对传统的配置方式。
55.相对现有的变压器加储能变流器(pcs)的方案，本发明提供的适用于充换电站的电力电子变压器拓扑，效率有明显提升。
56.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

技术特征：
1.一种用于充换电站的电力电子变压器，其特征在于，包括交流启动柜、功率柜及双向dc/dc模块；所述交流启动柜一端与开关柜连接，另一端与功率柜连接；所述功率柜包括依次连接的输入级、隔离级和输出级；输入级为高压侧模块，所有高压侧模块一交流侧的交流端口依次串联，另一交流侧连接隔离级的高压侧，隔离级的低压侧连接输出级的交流端口，输出级所有直流端口并联在低压侧母线上；低压侧母线上并联有双向dc/dc模块。2.根据权利要求1所述的一种用于充换电站的电力电子变压器，其特征在于，所述交流启动柜包括串联的pt、开关柜侧ct、第一支路、桥臂电抗器和换流器侧ct，所述第一支路包括并联的隔离开关和启动电阻。3.根据权利要求1所述的一种用于充换电站的电力电子变压器，其特征在于，所述高压侧模块包括ac/dc模块、dc/ac模块以及共用的高压侧母线电容c1；所述ac/dc模块的输出端与dc/ac模块的输入端连接，dc/ac模块的输出端与隔离级输入端连接，高压侧母线电容c1连接在ac/dc模块的输出端口。4.根据权利要求3所述的一种用于充换电站的电力电子变压器，其特征在于，所述ac/dc模块和dc/ac模块为两电平或三电平模块。5.根据权利要求1所述的一种用于充换电站的电力电子变压器，其特征在于，所述隔离级为移相式隔离级拓扑。6.根据权利要求6所述的一种用于充换电站的电力电子变压器，其特征在于，所述移相式隔离级拓扑包括高频变压器，高频变压器的原边同名端连接有电感l
s
。7.根据权利要求1所述的一种用于充换电站的电力电子变压器，其特征在于，所述隔离级为谐振式隔离级拓扑。8.根据权利要求7所述的一种用于充换电站的电力电子变压器，其特征在于，谐振式隔离级拓扑包括高频变压器，高频变压器的原边绕组同名端连接有电感l
s1
，异名端与电容c5连接，原边绕组与电感l
m
并联；高频变压器的副边绕组同名端连接有电感l
s2
，异名端与电容c6连接。

技术总结
本发明公开了一种用于充换电站的电力电子变压器，属于电力电子技术领域，包括交流启动柜、功率柜及双向DC/DC模块；所述交流启动柜一端与开关柜连接，另一端与功率柜连接；所述功率柜包括依次连接的输入级、隔离级和输出级；输入级为高压侧模块，所有高压侧模块一交流侧的交流端口依次串联，另一交流侧连接隔离级的高压侧，隔离级的低压侧连接输出级的交流端口，输出级所有直流端口并联在低压侧母线上；低压侧母线上并联有双向DC/DC模块。可实现交直流变换、功率控制及电能治理等功能，同时能够为各种交直流电源及负荷提供接入。能够为各种交直流电源及负荷提供接入。能够为各种交直流电源及负荷提供接入。


技术研发人员：张纬晨 许崇福 薛瑞 白世军 王江涛
受保护的技术使用者：中国西电电气股份有限公司
技术研发日：2023.06.30
技术公布日：2023/10/5