專利名稱：一種基于簡易pfc的電力電子變壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種應用在配電網(wǎng)的電力電子變壓器，具體涉及一種基于簡易 PFC的電力電子變壓器。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的電力變壓器通常采用鐵芯油浸式，具有制作工藝簡單、可靠性高等優(yōu)點，但是缺點也十分明顯，如體積、重量大，空載損耗較高，絕緣油對環(huán)境存在威脅，功能比較單一，過載時易導致輸出電壓下降、產(chǎn)生諧波，在投入電網(wǎng)時還會造成較大的勵磁涌流，造成對電網(wǎng)的污染。傳統(tǒng)電力變壓器的缺點和單一的功能很難滿足未來電網(wǎng)建設(shè)的需求和目標。作為一種新型的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，電力變壓器具有體積小、重量輕、空載損耗小、不需要絕緣油等優(yōu)點，能很好替代傳統(tǒng)的電力變壓器應用在輸配電系統(tǒng)中，具有非常廣闊的前景。上世紀70年代電力電子變壓器(PET-Power electronic transformer)的概念被提出，PET是利用電力電子換流技術(shù)實現(xiàn)電壓變換和能量傳遞的。其突出特點是通過電壓型變換器(VSC)對其原副邊交流側(cè)電壓、電流的幅值和相位進行連續(xù)可控調(diào)節(jié)。因此，PET 不僅可以克服傳統(tǒng)變壓器的缺陷，還可以解決電力系統(tǒng)面臨的電磁環(huán)網(wǎng)、電能質(zhì)量、無功動態(tài)補償以及提高系統(tǒng)穩(wěn)定極限等問題。而PFC的英文全稱為“Power FactorCorrection", 意思是“功率因數(shù)校正”，功率因數(shù)指的是有效功率與總耗電量(視在功率)之間的關(guān)系，也就是有效功率除以總耗電量(視在功率)的比值?；旧瞎β室蛩乜梢院饬侩娏Ρ挥行Ю玫某潭龋敼β室蛩刂翟酱?，代表其電力利用率越高。目前國內(nèi)外現(xiàn)有的關(guān)于電力電子變壓器專利中開關(guān)器件過多，成本較高，且開關(guān)損耗較大，轉(zhuǎn)換效率不高，這一定程度上影響了電力電子變壓器的推廣和應用。但是，隨著電力電子器件水平和高頻變壓器材料的發(fā)展，電力電子變壓器必將會代替?zhèn)鹘y(tǒng)變壓器而在電力系統(tǒng)中得到廣泛的應用。

實用新型內(nèi)容發(fā)明目的為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本實用新型提出一種基于簡易PFC 的電力電子變壓器，相比傳統(tǒng)的電力變壓器，其可以大大減小變壓器的體積，降低損耗，提高整體的變換效率。技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本實用新型的一種基于簡易PFC的電力電子變壓器，其三相電路中各單相結(jié)構(gòu)相同且獨立，每相包括輸入級、隔離級和輸出級；各單相輸入級的功率變換器組和輸出級的功率變換器組的輸入端分別按星型連接；各單相輸入級的功率變換器組包括第一功率變換器，第一功率變換器包括二極管橋式電路和buck電路，第一功率變換器交流側(cè)并聯(lián)壓敏電阻，直流側(cè)連接相應的直流儲能電容；隔離級包括作為高頻DC/AC環(huán)節(jié)的第二率變換器、高頻變壓器和作為高頻AC/DC環(huán)節(jié)的第三功率變換器；輸出級的功率變換器組包括第四功率變換器，其采用電壓源型橋式逆變電路；第一功率變換器的輸出端并聯(lián)直流儲能電容后接第二功率變換器的輸入端，第二功率變換器的輸出端串聯(lián)電容后接高頻變壓器的原邊，高頻變壓器的副邊接第三功率變換器的輸入端，第三功率變換器的輸出端并上直流儲能電容后接第四功率變換器的輸入端，第四功率變換器的輸出端對應連接濾波器的輸入端，濾波器的輸出端接三相供電網(wǎng)絡(luò)。所述的輸入級的二極管橋式電路包括第一功率二極管、第二功率二極管、第三功率二極管、第四功率二極管，所述的buck電路包括功率開關(guān)管、功率二極管、電抗器和電容器，第一功率二極管、第二功率二極管串聯(lián)后的連接中點接交流輸入側(cè)負端，第三功率二極管、第四功率二極管串聯(lián)后的連接中點接交流輸入側(cè)正端，交流輸入側(cè)還并聯(lián)壓敏電阻，二極管整流橋輸出直流側(cè)兩個端線間并聯(lián)晶閘管，直流側(cè)的正端串聯(lián)功率開關(guān)管，再在直流側(cè)兩個端線間并聯(lián)二極管，隨后在直流側(cè)的正端串聯(lián)電抗器，并再在直流側(cè)兩個端線間并聯(lián)電容器。所述的第二功率變換器由第一功率開關(guān)單元、第二功率開關(guān)單元、第三功率開關(guān)單元、第四功率開關(guān)單元組成橋式拓撲結(jié)構(gòu)，第一功率開關(guān)單元、第二功率開關(guān)單元互補導通后串聯(lián)電容器接高頻變壓器原邊正端，第三功率開關(guān)單元、第四功率開關(guān)單元互補導通后接高頻變壓器原邊負端，所述第三功率變換器由第五功率二極管、第六功率二極管、第七功率二極管、第八功率二極管組成橋式電路，第五功率二極管、第六功率二極管串聯(lián)后的連接中點接高頻變壓器的副邊正端，第七功率二極管、第八功率二極管串聯(lián)后的連接中點接高頻變壓器的副邊負端，直流側(cè)輸出端并聯(lián)在同一直流儲能電容上。所述的第四功率變換器由第五功率開關(guān)單元、第六功率開關(guān)單元、第七功率開關(guān)單元、第八功率開關(guān)單元組成橋式拓撲結(jié)構(gòu)，第五功率開關(guān)單元、第七功率開關(guān)單元的正端接第三功率變換器輸出正端，第六功率開關(guān)單元、第八功率開關(guān)單元的負端接第三功率變換器輸出負端，第五功率開關(guān)單元、第六功率開關(guān)單元互補導通后接濾波器的輸入端，第七功率開關(guān)單元、第八功率開關(guān)單元互補導通后接濾波器的輸入端。所述的每個功率開關(guān)單元由兩個IGBT和一個反向連接的二極管并聯(lián)組成。所述的濾波器由輸出濾波電感與輸出濾波電容組成。本實用新型的一種基于簡易PFC的電力電子變壓器，其基本功率單元基于 AC-DC-AC-DC-AC型電力電子變壓器，基本功率單元結(jié)構(gòu)的主要工作原理為輸入級的交流側(cè)并聯(lián)壓敏電阻，起保護作用，輸入級將工頻交流信號通過二極管不可控整流和buck降壓電路轉(zhuǎn)化為直流信號，即AC-DC環(huán)節(jié)，并實現(xiàn)功率因數(shù)控制，通過buck降壓電路還可以減小開關(guān)管器件的電壓應力；輸入級中二極管橋式整流電路和buck電路之間并聯(lián)晶閘管， 具有一定的容錯能力；通過隔離級中的第二功率變換器將直流信號轉(zhuǎn)化為高頻方波信號， 即DC-AC環(huán)節(jié)，第二功率變換器的輸出串聯(lián)上一電容后接高頻隔離變壓器的原邊，并能起諧振軟開關(guān)作用，從而降低開關(guān)損耗，提高轉(zhuǎn)換效率，高頻隔離變壓器的副邊通過二極管不可控整流轉(zhuǎn)化為直流信號，即AC-DC環(huán)節(jié)，再通過第四功率變換器還原成工頻交流信號，即 DC-AC環(huán)節(jié)；通過適當?shù)目刂撇呗詠砜刂齐娏﹄娮友b置的工作，從而將一種頻率、電壓、波形的電能變換為另一種頻率、電壓、波形的電能。各單相輸入級中第一功率變換器串聯(lián)連接，從而可以直接接入不同等級的高壓； 各單相隔離級作為高頻AC/DC環(huán)節(jié)的第三功率變換器的直流側(cè)并聯(lián)連接；輸出級采用橋式功率變換器結(jié)構(gòu)，濾波器由輸出濾波電感與輸出濾波電容組成。有益效果本實用新型的一種基于簡易PFC的電力電子變壓器，其與現(xiàn)有技術(shù)相比，除了具備傳統(tǒng)電力變壓器器的優(yōu)點外，還具有以下優(yōu)點1、本實用新型的一種基于簡易PFC的電力電子變壓器，其通過buck電路實現(xiàn)功率因數(shù)校正，可以大大減少這部分的開關(guān)管的數(shù)目；2、本實用新型的一種基于簡易PFC的電力電子變壓器，其采用基本功率單元組合的方式構(gòu)成，單相輸入級采用由基本功率單元的輸入級功率變換器串聯(lián)連接，便于靈活應用于各個電壓等級的配電網(wǎng)線路上，可直接輸入高壓；3、本實用新型的一種基于簡易PFC的電力電子變壓器，其隔離級諧振電容和諧振軟開關(guān)的實現(xiàn)，可以在一定程度上降低開關(guān)損耗，提高裝置的整體轉(zhuǎn)換效率；4、本實用新型的一種基于簡易PFC的電力電子變壓器，其輸入級中間還并聯(lián)晶閘管，通過適當?shù)目刂剖贡倦娏﹄娮幼儔浩骶哂腥蒎e能力。

圖1為本實用新型的基于簡易PFC的電力電子變壓器的單相整體結(jié)構(gòu)原理圖；圖2為本實用新型的基于簡易PFC的電力電子變壓器的三相整體模型框圖；圖3為本實用新型的基于簡易PFC的電力電子變壓器的輸出級采用三電平結(jié)構(gòu)的單相結(jié)構(gòu)原理圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作更進一步的說明。如圖2所示，本實用新型的一種基于簡易PFC的電力電子變壓器，其三相電路中各單相結(jié)構(gòu)相同且獨立，每相包括輸入級、隔離級和輸出級，該輸入級、隔離級和輸出級分別包含功率變換器組；各單相輸入級的功率變換器組和輸出級的功率變換器組的輸入端分別按星型連接。隔離級包括高頻DC/AC環(huán)節(jié)、高頻變壓器和高頻AC/DC環(huán)節(jié)；單相結(jié)構(gòu)包括基本功率單元的輸入端并聯(lián)一個壓敏電阻R，其中，第一功率變換器1的輸出端接第二功率變換器2的輸入端，第二功率變換器2的輸出端接高頻變壓器3的原邊，高頻變壓器3的副邊接第三功率變換器4的輸入端，第三功率變換器4的輸出端接第四功率變換器5的輸入端； 基本功率單元的輸出端連接濾波器6的輸入端，濾波器6為由輸出濾波電感Lal與輸出濾波電容Cal組成的LC濾波器，該濾波器6的輸出端與三相供電網(wǎng)絡(luò)相連。如圖1所示，各相輸入級中第一功率變換器1采用由第一功率二極管D1、第二功率二極管D2、第三功率二極管D3、第四功率二極管D4組成的橋式電路接上由功率開關(guān)管S、功率二極管D、電抗器Ll和電容器Cl組成的buck電路構(gòu)成，第一功率二極管D1、第二功率二極管D2互補導通后接交流輸入側(cè)負端，第三功率二極管D3、第四功率二極管D4互補導通后接交流輸入側(cè)正端，交流輸入側(cè)還并聯(lián)一壓敏電阻R，二極管整流橋輸出直流側(cè)兩個端線間并聯(lián)一個晶閘管T，直流側(cè)的正端串聯(lián)功率開關(guān)管S，再在直流側(cè)兩個端線間并聯(lián)一個二極管D，隨后在直流側(cè)的正端串聯(lián)電抗器Li，并再在直流側(cè)兩個端線間并聯(lián)一個電容器Cl ；各相隔離級中第二功率變換器2采用第一功率開關(guān)單元Si、第二功率開關(guān)單元S2、第三功率開關(guān)單元S3、第四功率開關(guān)單元S4組成橋式拓撲結(jié)構(gòu)，第一功率開關(guān)單元Si、第二功率開關(guān)單元S2互補導通后串聯(lián)上一電容器接高頻變壓器3原邊正端，第三功率開關(guān)單元S3、第四功率開關(guān)單元S4互補導通后接高頻變壓器3原邊負端，第三功率變換器4由第五功率二極管D5、第六功率二極管D6、第七功率二極管D7、第八功率二極管D8組成的橋式電路，第五功率二極管D5、第六功率二極管D6互補導通后接高頻變壓器3的副邊正端，第七功率二極管D7、第八功率二極管D8互補導通后接高頻變壓器3的副邊負端，直流側(cè)輸出端并聯(lián)在同一直流儲能電容C上；各相輸出級中第四功率變換器5采用第五功率開關(guān)單元S5、第六功率開關(guān)單元S6、第七功率開關(guān)單元S7、第八功率開關(guān)單元S8組成橋式拓撲結(jié)構(gòu)，第五功率開關(guān)單元S5、第七功率開關(guān)單元S7的正端接第三功率變換器4輸出正端，第六功率開關(guān)單元S6、第八功率開關(guān)單元S8的負端接第三功率變換器4輸出負端，第五功率開關(guān)單元S5、 第六功率開關(guān)單元S6互補導通后接濾波器6的輸入端，第七功率開關(guān)單元S7、第八功率開關(guān)單元S8互補導通后接濾波器6的輸入端，所述每個功率開關(guān)單元由兩個IGBT和一個反向連接的二極管并聯(lián)組成。在配電網(wǎng)應用中，本實用新型的一種基于簡易PFC的電力電子變壓器的基本功率單元基于AC-DC-AC-DC-AC型；輸入級的交流側(cè)并聯(lián)一壓敏電阻R，起保護作用，輸入級將工頻交流信號通過二極管不可控整流和buck降壓電路轉(zhuǎn)化為直流信號，能實現(xiàn)功率因數(shù)控制，并且通過buck降壓電路能降低開關(guān)管器件的電壓應力，然后通過隔離級中的第二功率變換器2轉(zhuǎn)化為高頻方波信號，第二功率變換器2的輸出串聯(lián)上一電容后接高頻隔離變壓器3的原邊，并能起諧振軟開關(guān)作用，降低開關(guān)損耗，高頻隔離變壓器3的副邊通過二極管不可控整流轉(zhuǎn)化為直流信號，再通過第四功率變換器5還原成工頻交流信號；通過適當?shù)目刂撇呗詠砜刂齐娏﹄娮友b置的工作，從而將一種頻率、電壓、波形的電能變換為另一種頻率、電壓、波形的電能。如圖3所示，本實用新型的一種基于簡易PFC的電力電子變壓器，其輸出側(cè)第四功率變換器還可以是由兩個直流電容、四只箝位二極管和八個功率開關(guān)組成的三電平逆變電 1 豐勾 ，Cdl 禾口 Cd2 為輸入分壓電容，Qn、 Ql4 禾口 Q21、Q24 是主開關(guān)管，Q12> Q13和Q22> Q23是輔助開關(guān)管，輸出電壓可以被開關(guān)管和二極管箝在中點電壓，所以可以得到三個電平，與兩電平逆變器相比，其輸出的電壓諧波含量可以大幅度降低，而且每只開關(guān)管的電壓應力降低為輸入電壓的一半，適用于高輸入電壓的場合。本實用新型的一種基于簡易PFC的電力電子變壓器，其單相輸入級采用由基本功率單元的輸入級功率變換器串聯(lián)連接，便于靈活應用于各個電壓等級的配電網(wǎng)線路上，無需利用變壓器耦合就可直接輸入高壓；輸出級功率變換器由單相橋式電壓源逆變器構(gòu)成； 為了降低開關(guān)管的電壓應力、提高輸出波形的質(zhì)量，輸出級功率變換器還可以采用三電平結(jié)構(gòu)。以上所述僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式，應當指出對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護范圍。
權(quán)利要求1.一種基于簡易PFC的電力電子變壓器，其特征在于其三相電路中各單相結(jié)構(gòu)相同且獨立，每相包括輸入級、隔離級和輸出級；各單相輸入級的功率變換器組和輸出級的功率變換器組的輸入端分別按星型連接；各單相輸入級的功率變換器組包括第一功率變換器 (1)，第一功率變換器⑴包括二極管橋式電路和buck電路，第一功率變換器⑴交流側(cè)并聯(lián)壓敏電阻，直流側(cè)連接相應的直流儲能電容；隔離級包括作為高頻DC/AC環(huán)節(jié)的第二率變換器O)、高頻變壓器(3)和作為高頻AC/DC環(huán)節(jié)的第三功率變換器；輸出級的功率變換器組包括第四功率變換器(5)，其采用電壓源型橋式逆變電路；第一功率變換器(1)的輸出端并聯(lián)直流儲能電容后接第二功率變換器O)的輸入端，第二功率變換器O)的輸出端串聯(lián)電容后接高頻變壓器(3)的原邊，高頻變壓器(3)的副邊接第三功率變換器的輸入端，第三功率變換器的輸出端并上直流儲能電容后接第四功率變換器(5)的輸入端，第四功率變換器(5)的輸出端對應連接濾波器(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于簡易PFC的電力電子變壓器，其特征在于所述的輸入級的二極管橋式電路包括第一功率二極管(Dl)、第二功率二極管(D2)、第三功率二極管 (D3)、第四功率二極管(D4)，所述的buck電路包括功率開關(guān)管(S)、功率二極管(D)、電抗器(Li)和電容器(Cl)，第一功率二極管(Dl)、第二功率二極管(D2)串聯(lián)后的連接中點接交流輸入側(cè)負端，第三功率二極管(D3)、第四功率二極管(D4)串聯(lián)后的連接中點接交流輸入側(cè)正端，交流輸入側(cè)并聯(lián)壓敏電阻(R)，二極管整流橋輸出直流側(cè)兩個端線間并聯(lián)晶閘管 (T)，直流側(cè)的正端串聯(lián)功率開關(guān)管(S)，再在直流側(cè)兩個端線間并聯(lián)二極管(D)，隨后在直流側(cè)的正端串聯(lián)電抗器(Li)，并再在直流側(cè)兩個端線間并聯(lián)電容器(Cl)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于簡易PFC的電力電子變壓器，其特征在于所述的第二功率變換器O)由第一功率開關(guān)單元(Si)、第二功率開關(guān)單元(S2)、第三功率開關(guān)單元 (S3)、第四功率開關(guān)單元(S4)組成的橋式拓撲結(jié)構(gòu)，第一功率開關(guān)單元(Si)、第二功率開關(guān)單元(S2)互補導通后串聯(lián)電容器(C2)接高頻變壓器(3)原邊正端，第三功率開關(guān)單元 (S3)、第四功率開關(guān)單元(S4)互補導通后接高頻變壓器(3)原邊負端，所述第三功率變換器(4)為由第五功率二極管(D5)、第六功率二極管(D6)、第七功率二極管(D7)、第八功率二極管(D8)組成橋式電路，第五功率二極管(D5)、第六功率二極管(D6)串聯(lián)后的連接中點接高頻變壓器(3)的副邊正端，第七功率二極管(D7)、第八功率二極管(D8)串聯(lián)后的連接中點接高頻變壓器(3)的副邊負端，直流側(cè)輸出端并聯(lián)在同一直流儲能電容(C)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于簡易PFC的電力電子變壓器，其特征在于所述第四功率變換器(5)由第五功率開關(guān)單元(S5)、第六功率開關(guān)單元(S6)、第七功率開關(guān)單元(S7)、 第八功率開關(guān)單元(S8)組成橋式拓撲結(jié)構(gòu)，第五功率開關(guān)單元(S5)、第七功率開關(guān)單元(57)的正端接第三功率變換器(4)輸出正端，第六功率開關(guān)單元(S6)、第八功率開關(guān)單元(58)的負端接第三功率變換器(4)輸出負端，第五功率開關(guān)單元(S5)、第六功率開關(guān)單元 (S6)互補導通后接濾波器(6)的輸入端，第七功率開關(guān)單元(S7)、第八功率開關(guān)單元(S8) 互補導通后接濾波器(6)的輸入端。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的基于簡易PFC的電力電子變壓器，其特征在于所述每個功率開關(guān)單元由兩個IGBT和一個反向連接的二極管并聯(lián)組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的基于簡易PFC的電力電子變壓器，其特征在于所述的濾波器(6)由輸出濾波電感(Lal)與輸出濾波電容組成。
專利摘要本實用新型公開了一種基于簡易PFC的電力電子變壓器，其三相電路中各單相結(jié)構(gòu)相同且獨立，每相包括輸入級、隔離級和輸出級，各單相輸入級的功率變換器組和輸出級的功率變換器組的輸入端分別按星型連接；各單相的輸入級采用串聯(lián)方式，輸入級功率變換器組包括二極管橋式電路和buck電路，可以實現(xiàn)功率因數(shù)控制，每個功率變換器組的交流側(cè)并聯(lián)壓敏電阻；隔離級包括高頻DC/AC、高頻變壓器和高頻AC/DC環(huán)節(jié)，高頻變壓器的原邊串聯(lián)電容，通過諧振軟開關(guān)作用降低開關(guān)管損耗；隔離級輸出側(cè)采用并聯(lián)連接；輸出級功率變換器組采用橋式逆變電路，輸出側(cè)還連接濾波器。本實用新型可以簡化電路結(jié)構(gòu)、降低成本，同時能夠?qū)崿F(xiàn)功率因數(shù)校正和諧振軟開關(guān)，提高轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號H02M5/458GK201966809SQ20102067741
公開日2011年9月7日 申請日期2010年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月24日
發(fā)明者于鵬, 馮祖康, 季振東, 王輝, 翟廣平, 蘇曉龍, 蔣本洲, 趙劍鋒 申請人:東南大學, 南京立業(yè)電力變壓器有限公司