[发明专利]一种基于高频磁耦合模块的中压变流器拓扑结构

说明书

本发明公开一种基于高频磁耦合模块的中压变流器拓扑结构，包括一个或多个磁耦合模块；所述磁耦合模块的核心电路包括一个单相/多相多绕组高频变压器、与各绕组串联的LC谐振支路和对各绕组供电的单相/多相方波电压源；各绕组上方波变流器的直流输入端外加直流或交流接口电路，使其形成能够封装的多端口磁耦合子模块；所述多个磁耦合模块是多个同种或不同种磁耦合模块通过端口串联或并联连接形成。本发明大幅度减小变压器和电容器等核心无源元件的体积和重量，同时有效地整合不同形式的功率，一体化解决功率密度、容量和交直流多端口混合方面的技术难题。

技术领域

本发明属于电力电子电能变换技术领域，涉及一种基于高频磁耦合模块的中压变流器拓扑结构。

背景技术

新能源、智能电网及中压电机拖动行业的快速发展给电能变换技术带来了新的挑战，核心电力设备的性能亟需提升。一方面，中压电机拖动系统巨大的体积和重量给装备的生产、运输、安装和维护带来一系列困难，减少其体积和重量对电机拖动技术发展至关重要，其小型化和轻量化技术成为业界关注的焦点。另一方面，新能源发电、输电设备尤其是海上设备有高昂的场地成本，均在小型化、轻量化方面提出了极为严苛的指标，其高功率密度技术成为研究的热点和难点。除此之外，智能电网和新能源设备还涉及交直流混联电网中的高低压、交直流、单三相电能变换问题，在整合多种形式的电能以及构造多种类型的端口方面提出了新的挑战，相关技术已成为研究的难点。由此可见，大容量、多端口和高功率密度变流器拓扑构造成为新能源、智能电网和中压电机拖动领域的共性关键科学问题。

在中压电机拖动领域，串联H桥和MMC因其模块化结构伴随的低损耗、低成本、高性能和高可靠性等优良特性成为主流的中压电机驱动变流器。然而，两者的子模块能量波动幅度与电机转速呈倒数关系，需配备大型电解电容以缓冲因低速大转矩运行带来的超额能量波动，导致驱动系统体积和重量巨大，同时还伴随有短寿命等严重缺陷。除此之外，串联H桥还需额外配备昂贵的移相变压器作为前级整流电路的分立电源，该器件进一步增加了电机驱动系统的体积和重量。因此，中压电机拖动领域迫切需要开发具有较小电容容值和变压器尺寸的新一代高功率密度中压变流器拓扑。

在新能源和智能电网领域，交直、直直变流器等可再生电能捕获、存储和传输环节的核心电力设备尚处于初级发展阶段，亟需从高功率密度、大容量、交直流多端口混合等方面取得技术突破。高功率密度技术的核心载体是高频变压器和软开关技术，但仍缺乏基于两者的一体化数学分析模型和电路构造理论。大容量技术依赖高压大电流的全控开关器件，然而目前市场可用的开关器件依然受限于耐压和耐流。虽然开关器件串联或并联可显著地扩充容量，但又带来严重的动静态均压和均流问题。交直流多端口混合技术主要通过混频调制或母线耦合的方式整合不同形式的功率。然而，混频调制倍增了变流器的电压和电流应力，母线耦合又复杂化了电路设计。因此，新能源和智能电网领域迫切需要开发出能统一解决高功率密度、大容量和交直流多端口混合问题的新型变流器拓扑。

发明内容

针对以上核心共性技术问题，本发明提供一种基于高频磁耦合模块的中压变流器拓扑结构。是基于高频磁耦合模块的中压大功率变流器拓扑系列，目的在于打破现有变流器的技术瓶颈，大幅度减小变压器和电容器等核心无源元件的体积和重量，同时有效地整合不同形式的功率，一体化解决功率密度、容量和交直流多端口混合方面的技术难题。

为了实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案。

一种基于高频磁耦合模块的中压变流器拓扑结构，包括一个或多个磁耦合模块；

所述磁耦合模块的核心电路包括一个单相/多相多绕组高频变压器、与各绕组串联的LC谐振支路和对各绕组供电的单相/多相方波电压源；

各绕组上方波变流器的直流输入端外加直流或交流接口电路，使其形成能够封装的多端口磁耦合子模块；

所述多个磁耦合模块是多个同种或不同种磁耦合模块通过端口串联或并联连接形成。

作为本发明的进一步改进，所述磁耦合模块的核心电路为一个或并联的多个。