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CN112217406A - 应用于固态变压器架构的电源装置及三相电源系统 - Google Patents

应用于固态变压器架构的电源装置及三相电源系统 Download PDF

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CN112217406A
CN112217406A CN201910624806.0A CN201910624806A CN112217406A CN 112217406 A CN112217406 A CN 112217406A CN 201910624806 A CN201910624806 A CN 201910624806A CN 112217406 A CN112217406 A CN 112217406A
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China
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level bridge
conversion unit
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CN201910624806.0A
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黄文隆
李圣华
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Delta Electronics Inc
Original Assignee
Delta Electronics Inc
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Publication date
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Abstract

一种应用于固态变压器架构的电源装置及三相电源系统，其中应用于固态变压器架构的电源装置包含第一交流直流转换单元、第一直流总线、隔离变压器、直流交流转换单元、第二交流直流转换单元以及第二直流总线。第一交流直流转换单元具有第一三电平桥臂与第二三电平桥臂。第一直流总线具有第一直流电压。隔离变压器具有初级侧与次级侧。直流交流转换单元具有第三三电平桥臂与第四三电平桥臂。第二交流直流转换单元具有第五三电平桥臂与第六三电平桥臂。第二直流总线具有第二直流电压。

Description

应用于固态变压器架构的电源装置及三相电源系统
技术领域
本发明涉及一种电源装置及三相电源系统，特别涉及一种应用于固态变压器架构的电源装置及三相电源系统。
背景技术
随着电力电子元件的推陈出新以及分散式电源、智能电网的蓬勃发展，固态变压器(solid state transformer,SST)已成为越来越热门的研究课题。固态变压器具有多功能且高性能的特性，包括整合微电网、校正功率因数、补偿无效功率、隔离故障电流以及调整输出电压等。
而应用于固态变压器架构的电源装置仍面临到尚需克服解决的问题，诸如直流侧电压平衡的问题、布线设计困难、工时高成本高、控制电路复杂、体积无法缩减等等。为此，如何设计出一种应用于固态变压器架构的电源装置及三相电源系统，来解决前述的技术问题，乃为本公开发明人所研究的重要课题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于固态变压器架构的电源装置，解决现有技术的问题。
为实现前述目的，本发明所提出的应用于固态变压器架构的电源装置，其包含第一交流直流转换单元、第一直流总线、隔离变压器、直流交流转换单元、第二交流直流转换单元以及第二直流总线。第一交流直流转换单元具有第一三电平桥臂与耦接第一三电平桥臂的第二三电平桥臂，第一交流直流转换单元的第一侧耦接交流电源。第一直流总线耦接第一交流直流转换单元的第二侧，且具有第一直流电压。隔离变压器具有初级侧与次级侧。直流交流转换单元具有第三三电平桥臂与耦接第三三电平桥臂的第四三电平桥臂，直流交流转换单元的第一侧耦接第一直流总线，且直流交流转换单元的第二侧耦接初级侧。第二交流直流转换单元具有第五三电平桥臂与耦接第五三电平桥臂的第六三电平桥臂，第二交流直流转换单元的第一侧耦接次级侧。第二直流总线耦接第二交流直流转换单元的第二侧，且具有第二直流电压。
通过所提出的应用于固态变压器架构的电源装置，能够使布线容易、简化控制电路的设计以及缩小电路体积。
本发明的目的在于提供一种应用于固态变压器架构的三相电源系统，解决现有技术的问题。
为实现前述目的，本发明所提出的应用于固态变压器架构的三相电源系统，其中任一相交流电源耦接多个电源装置。电源装置的第一交流直流转换单元串联耦接，且电源装置的第二直流总线并联耦接。
通过所提出的应用于固态变压器架构的三相电源系统，能够使布线容易、简化控制电路的设计、缩小电路体积以及达到均压且供电平衡。
为了能更进一步了解本发明为实现预定目的所采取的技术、手段及技术效果，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，相信本发明的目的、特征与特点，当可由此得一深入且具体的了解，然而说明书附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
图1：为本发明应用于固态变压器架构的电源装置的电路图。
图2：为本发明应用于固态变压器架构的三相电源系统的方框图。
图3：为本发明第一交流直流转换单元交错相移方式控制的示意图。
附图标记说明：
11 第一交流直流转换单元
12 第一直流总线
13 隔离变压器
14 直流交流转换单元
15 第二交流直流转换单元
16 第二直流总线
17 开关单元
111 第一三电平桥臂
112 第二三电平桥臂
131 初级侧
132 次级侧
141 第三三电平桥臂
142 第四三电平桥臂
151 第五三电平桥臂
152 第六三电平桥臂
S11～S18 功率开关
S21～S28 功率开关
S31～S38 功率开关
D1～D12 二极管
P10 电位中点
P20 电位中点
P11 第一接点
P12 第二接点
P13 第三接点
P14 第四接点
P21 第五接点
P22 第六接点
Vac 交流电源
Vdc 直流电源
Vdc1 第一直流电压
Vdc2 第二直流电压
Cr 谐振电容
Llk1 漏电感
V1 第一电压
V2 第二电压
V3 第三电压
VAN 相电压
具体实施方式
兹有关本发明的技术内容及详细说明，配合附图说明如下。
请参见图1(由图1A与图1B所构成)所示，其为本发明应用于固态变压器架构的电源装置的电路图。所述应用于固态变压器架构的电源装置包含第一交流直流转换单元11、第一直流总线12、隔离变压器13、直流交流转换单元14、第二交流直流转换单元15以及第二直流总线16。
第一交流直流转换单元11具有第一三电平桥臂111与耦接第一三电平桥臂111的第二三电平桥臂112，第一交流直流转换单元11的第一侧耦接交流电源Vac。第一直流总线12耦接第一交流直流转换单元11的第二侧，且具有第一直流电压Vdc1。隔离变压器13具有初级侧131与次级侧132。
第一交流直流转换单元11通过抗电磁干扰变压器(EMI transformer)与升压电感(boost inductor)耦接于交流电源Vac，或可称电力电网。
直流交流转换单元14具有第三三电平桥臂141与耦接第三三电平桥臂141的第四三电平桥臂142，直流交流转换单元14的第一侧耦接第一直流总线12，且直流交流转换单元14的第二侧耦接隔离变压器13的初级侧131，直流交流转换单元14将第一直流总线12的电压切换为高频的交流信号，并通过隔离变压器13传输。第二交流直流转换单元15具有第五三电平桥臂151与耦接第五三电平桥臂151的第六三电平桥臂152，第二交流直流转换单元15的第一侧耦接隔离变压器13的次级侧132。第二直流总线16耦接第二交流直流转换单元的第二侧，且具有第二直流电压Vdc2，第二交流直流转换单元15接收隔离变压器13的次级侧132高频的交流信号，并转换为第二直流电压Vdc2。
第一三电平桥臂111包含两串联的功率开关S11、S12与耦接于两功率开关S11、S12共接点的二极管D1，以及两串联的功率开关S13、S14与耦接于两功率开关S13、S14共接点的二极管D2。并且，功率开关S12耦接功率开关S13，且共接于第一接点P11，二极管D1耦接二极管D2，且共接于电位中点P10，这样组成一个具有三电平的桥臂，通过控制这个桥臂可以输出三个电压准位(可配合参见图3所示)。其中，所述多个功率开关S11～S14可由MOSFET功率晶体管，或IGBT绝缘栅双极晶体管和反向并联的二极管组成。并且，所述多个功率开关S11～S14与二极管D1、D2可整合成模块化结构，可减少引脚，使布线(layout)容易，且降低元件彼此间的差异性。
第二三电平桥臂112包含两串联的功率开关S15、S16与耦接于两功率开关S15、S16共接点的二极管D3，以及两串联的功率开关S17、S18与耦接于两功率开关S17、S18共接点的二极管D4。并且，功率开关S16耦接功率开关S17，且共接于第二接点P12，二极管D3耦接二极管D4，且共接于电位中点P10。其中，所述多个功率开关S15～S18可由MOSFET功率晶体管，或IGBT绝缘栅双极晶体管和反向并联的二极管组成。并且，所述多个功率开关S15～S18与二极管D3、D4亦可整合成模块化结构。再者，第一交流直流转换单元11的第一接点P11与第二接点P12耦接于交流电源Vac，由于第一三电平桥臂111与第二三电平桥臂112可输出三个电压准位，故可控制使第一接点P11与第二接点P12间有多个不同的电压准位(Vdc1,1/2*Vdc1,0,-1/2*Vdc1,-Vdc1)，如此可以使开关应力减少且减少谐波，控制方法可使用例如空间向量脉冲宽度调制(space vector pulse width modulation,SVPWM)等方式来产生控制信号，然不限于此，只要能在第一接点P11与第二接点P12间产生多个不同的电压准位即可。
同样地，第三三电平桥臂141包含两串联的功率开关S21、S22与耦接于两功率开关S21、S22共接点的二极管D5，以及两串联的功率开关S23、S24与耦接于两功率开关S23、S24共接点的二极管D6。并且，功率开关S22耦接功率开关S23，且共接于第三接点P13，二极管D5耦接二极管D6，且共接于电位中点P10。其中，所述多个功率开关S21～S24可由MOSFET功率晶体管，或IGBT绝缘栅双极晶体管和反向并联的二极管组成。并且，所述多个功率开关S21～S14与二极管D5、D6亦可整合成模块化结构。
第四三电平桥臂142包含两串联的功率开关S25、S26与耦接于两功率开关S25、S26共接点的二极管D7，以及两串联的功率开关S27、S28与耦接于两功率开关S27、S28共接点的二极管D8。并且，功率开关S26耦接功率开关S27，且共接于第四接点P14，二极管D7耦接二极管D8，且共接于电位中点P10。其中，所述多个功率开关S25～S28可由MOSFET功率晶体管，或IGBT绝缘栅双极晶体管和反向并联的二极管组成。同样地，所述多个功率开关S25～S28与二极管D7、D8亦可整合成模块化结构。再者，直流交流转换单元14的第三三电平桥臂141与第四三电平桥臂142为三电平桥臂，可以使开关应力减少。
同样地，第五三电平桥臂151包含两串联的功率开关S31、S32与耦接于两功率开关S31、S32共接点的二极管D9，以及两串联的功率开关S33、S34与耦接于两功率开关S33、S34共接点的二极管D10。并且，功率开关S32耦接功率开关S33，且共接于第五接点P21，二极管D9耦接二极管D10，且共接于电位中点P20。其中，所述多个功率开关S31～S34可由MOSFET功率晶体管，或IGBT绝缘栅双极晶体管和反向并联的二极管组成。并且，所述多个功率开关S31～S34与二极管D9、D10可整合成模块化结构，可减少引脚，使布线容易，且降低元件彼此间的差异性。
第六三电平桥臂152包含两串联的功率开关S35、S36与耦接于两功率开关S35、S36共接点的二极管D11，以及两串联的功率开关S37、S38与耦接于两功率开关S37、S38共接点的二极管D12。并且，功率开关S36耦接功率开关S37，且共接于第六接点P22，二极管D11耦接二极管D12，且共接于电位中点P20。其中，所述多个功率开关S35～S38可由MOSFET功率晶体管或IGBT绝缘栅双极晶体管和反向并联的二极管组成。并且，所述多个功率开关S35～S38与二极管D11、D12可整合成模块化结构，可减少引脚，使布线容易，且降低元件彼此间的差异性。再者，第二交流直流转换单元15的第五三电平桥臂151与第六三电平桥臂152的第五接点P21与第六接点P22耦接于隔离变压器13的次级侧132，接收次级侧的交流信号，其原理类似前述第一交流直流转换单元11，于此不多赘述。
在一实施例中，上述的模块化的第一三电平桥臂111至第六三电平桥臂152可为相同的模块化结构，因此在系统的使用上可以互为替用、可简省安装工时与避免组装错误，并且可简化控制电路的设计与控制策略。
隔离变压器13的初级侧131具有一LLC谐振槽，其中，图1所示的LLC谐振槽是以参数对称的方式呈现，即每支路具有2Cr(谐振电容)与1/2Llk1(漏电感)，亦可以一支路具有Cr与Llk1表示。其中，隔离变压器13作为初级侧131的电路与次级侧132的电路的电气隔离之用。
本发明所公开的应用于固态变压器架构的电源装置，主要是应用于第一直流总线12上的第一直流电压Vdc1实质相等或实质相近第二直流总线上的第二直流电压Vdc2，例如但不限制为，第一直流电压Vdc1为1580伏特，第二直流电压Vdc2为1500伏特，这样的电压接近光伏电站的发电系统，适合连接光伏电站的直流电压总线，进行电能的转换与调节。如此，所述多个相同的模块化结构的第一三电平桥臂111至第六三电平桥臂152则因为规格一致，因此在系统的使用上可以互为替用、可简省安装工时，并且可简化控制电路的设计与控制策略。
本发明的电源装置具双向功率潮流的操作模式，所述双向模式可为储能模式(energy-storing mode)，或称顺向操作(forward operation)以及释能模式(energy-releasing mode)，或称逆向操作(reverse operation)。所谓顺向操作是指电源装置接收交流电源Vac(或电网所提供的电能)，并且通过第一交流直流转换单元11、直流交流转换单元14以及第二交流直流转换单元15转换为直流电源Vdc，供直流负载，例如充电站(charging station)或者储能系统(energy storage system)使用。具体的应用可例如但不限制为，电网所提供的电能供应充电站所需电力，以供电动车充电，又或者，电网的离峰时段运转或分散式发电装置多余电力可存储至储能系统。
反之，所谓逆向操作是指直流电源Vdc经由第二交流直流转换单元15、直流交流转换单元14以及第一交流直流转换单元11转换为交流电源Vac。具体的应用可例如但不限制为光伏电池(photovoltaic cell)，或称太阳能电池输出其直流电源，作为区域尖峰用电需求时的补偿、电力供电品质的调整，甚至趸售至电网(电力公司)。此外，电源装置的电路呈现对称的配置，在顺向操作与逆向操作时，可简化控制电路的设计与控制策略。
本发明的实施例中，第一三电平桥臂111与第二三电平桥臂112的功率开关S11～S18的切换频率为第一切换频率，第三三电平桥臂141、第四三电平桥臂142、第五三电平桥臂151以及第六三电平桥臂152的功率开关的切换频率为第二切换频率，其中第一切换频率小于第二切换频率，举例来说，第一切换频率可介于7kHz～12kHz，第二切换频率可介于200kHz～400kHz。具体地，由于直流交流转换单元14、第二交流直流转换单元15及LLC谐振槽形成谐振转换电路，所以第三三电平桥臂141与第四三电平桥臂142的功率开关以及第五三电平桥臂151与第六三电平桥臂152的功率开关操作于柔切换(soft switching)，因此，其切换的第二切换频率可达200kHz～400kHz，如此可使变压器体积缩小，相较于传统电力系统工频变压器，隔离变压器13实现电气隔离目的且体积大幅缩小。此外，由于第一交流直流转换单元11的第一三电平桥臂111与第二三电平桥臂112的功率开关操作于硬切换(hardswitching)，因此，控制切换的第一切换频率较第二切换频率来得小，例如7kHz～12kHz，如此可使得第一交流直流转换单元11的开关切换损失降低进而提升效率。
本发明的电源装置还包含开关单元17，其串联耦接于第二交流直流转换单元15的第二侧的一支路上。开关单元17主要应用于当多个电源装置并联使用时可通过关断开关单元17使该电源装置的输出不影响并联架构的系统电压。
请参见图2所示，其为本发明应用于固态变压器架构的三相电源系统的方框图。图2所示三相电源系统所包含的多个电源装置连接的示意，其中，交流电源Vac侧采用串联耦接方式，而各第二直流总线16采用并联耦接方式。具体地，以三相电源的A相为例，其具有多组隔离直流电源的电源装置的数量是由系统电压与每一个电源装置耐压的比值所决定，举例来说，当系统电压的线间电压是13.2kV(其相间电压则是7.62kV)，若每一个电源装置耐压为0.847kV时，则每一相电源装置的数量则可设计为九组。因此，此九组电源装置的第一交流直流转换单元11采用串联耦接，而每一组电源装置的第二直流总线16互为并联耦接，以共同提供直流电源Vdc(顺向操作下)对充电站或储能系统供电，或者从光伏电池共同接收直流电源Vdc(逆向操作下)。再者，图2所示的每一相架构，可结合成三相多组的架构。具体地，交流电源Vac侧是以Y接、中性点N接地的连接方式，而三相中电源装置所对应的每一组可互相并联耦接。以前述九组的每一相电源装置数量为例，通过将三相结合，使得27组的第二直流总线16彼此并联，如此，可达到均压且供电平衡的技术效果。以充电站为例，充电站所需的电能可通过27组电源装置所提供的直流电源Vdc供应。其中，可以27组的电源装置平均地提供充电站所需的电能，或者比例地提供充电站所需的电能，然不以所述的供电方式为限制本发明。
请参见图3所示，其为本发明第一交流直流转换单元交错相移方式控制的示意图。三相电源系统中耦接每一相的所述多个第一交流直流转换单元11是以交错相移(interleaved phase-shift)方式控制。举例来说，以每一相的电源装置数量三个为例，且第一个第一交流直流转换单元11的第一接点P11与第二接点P12控制为第一电压V1，第二个第一交流直流转换单元11控制为二电压V2以及第三个第一交流直流转换单元11控制为第三电压V3。其中，每一个电压V1～V3如同前述所言具有多个电压准位(Vdc1,1/2*Vdc1,0,-1/2*Vdc1,-Vdc1)，每一个电压V1～V3对所对应的第一交流直流转换单元11是以10kHz进行切换控制，且相位角互差120度，则每一相的相电压VAN的频率(系统频率)可倍增为30kHz，借此，可使每一组第一交流直流转换单元11有较低的切换频率而能够提高效率，并且使系统有较佳的总谐波失真(total harmonic distortion,THD)而可使用较小的滤波器元件。
综上所述，本发明是具有以下的特征与优点：
1、以固态变压器取代传统变压器，可使效率提高、所占体积可以减小。
2、将第一三电平桥臂至第六三电平桥臂的模块化，可减少引脚，使布线(layout)容易，且减少元件间的差异性。
3、相同的模块化结构的第一三电平桥臂至第六三电平桥臂因为规格一致，因此在系统的使用上可以互为替用、可简省安装工时，并且可简化控制电路的设计与控制策略。
4、对于第一三电平桥臂与第二三电平桥臂(以及第三三电平桥臂、第四三电平桥臂与第五三电平桥臂、第六三电平桥臂)使用三电平的桥臂，使开关应力减少且减少谐波。
5、直流交流转换单元、第二交流直流转换单元及LLC谐振槽形成谐振转换电路，所以第三三电平桥臂与第四三电平桥臂的功率开关以及第五三电平桥臂与第六三电平桥臂的功率开关操作于柔切换(soft switching)，因此，其切换的第二切换频率可达200kHz～400kHz，如此可使变压器体积大幅缩小。
6、通过将三相结合，使得所有的第二直流总线彼此并联，如此，可达到均压且供电平衡的技术效果
7、通过交错相移方式控制每一相的第一交流直流转换单元，可使每一组第一交流直流转换单元有较低的切换频率而能够提高效率，并且使系统有较佳的总谐波失真而可使用较小的滤波器元件。
以上所述，仅为本发明优选具体实施例的详细说明与附图，而本发明的特征并不局限于此，并非用以限制本发明，本发明的所有范围应以下述的权利要求为准，凡合于本发明权利要求的构思与其类似变化的实施例，皆应包含于本发明的范围中，任何本领域技术人员在本发明的领域内，可轻易思及的变化或修饰皆可涵盖在以下本公开的权利要求。

Claims (15)

1.一种应用于固态变压器架构的电源装置，包含：
一第一交流直流转换单元，具有一第一三电平桥臂与耦接该第一三电平桥臂的一第二三电平桥臂，该第一交流直流转换单元的一第一侧耦接一交流电源；
一第一直流总线，耦接该第一交流直流转换单元的一第二侧，且具有一第一直流电压；
一隔离变压器，具有一初级侧与一次级侧；
一直流交流转换单元，具有一第三三电平桥臂与耦接该第三三电平桥臂的一第四三电平桥臂，该直流交流转换单元的一第一侧耦接该第一直流总线，且该直流交流转换单元的一第二侧耦接该初级侧；
一第二交流直流转换单元，具有一第五三电平桥臂与耦接该第五三电平桥臂的一第六三电平桥臂，该第二交流直流转换单元的一第一侧耦接该次级侧；及
一第二直流总线，耦接该第二交流直流转换单元的一第二侧，且具有一第二直流电压。
2.如权利要求1所述应用于固态变压器架构的电源装置，其中该第一三电平桥臂至该第六三电平桥臂的任一者为一模块化结构。
3.如权利要求2所述应用于固态变压器架构的电源装置，其中该第一三电平桥臂至该第六三电平桥臂为相同的模块化结构。
4.如权利要求1所述应用于固态变压器架构的电源装置，其中该第一三电平桥臂具有耦接该交流电源的一第一接点，该第二三电平桥臂具有耦接该交流电源的一第二接点，该第一接点与该第二接点之间具有多个不同的电压准位。
5.如权利要求1所述应用于固态变压器架构的电源装置，其中该隔离变压器的该初级侧具有一LLC谐振槽。
6.如权利要求1所述应用于固态变压器架构的电源装置，其中该第一直流电压与该第二直流电压实质相等或实质相近。
7.如权利要求1所述应用于固态变压器架构的电源装置，其中该电源装置具有双向功率潮流的操作模式。
8.如权利要求1所述应用于固态变压器架构的电源装置，其中该第一三电平桥臂与该第二三电平桥臂的功率开关的切换频率为一第一切换频率，该第三三电平桥臂、该第四三电平桥臂、该第五三电平桥臂以及该第六三电平桥臂的功率开关的切换频率为一第二切换频率，其中该第一切换频率小于该第二切换频率。
9.如权利要求8所述应用于固态变压器架构的电源装置，其中该第一切换频率介于7k赫兹～12k赫兹。
10.如权利要求8所述应用于固态变压器架构的电源装置，其中该第二切换频率介于200k赫兹～400k赫兹。
11.如权利要求1所述应用于固态变压器架构的电源装置，其中该第二交流直流转换单元的该第二侧具有一串联耦接的开关单元。
12.一种应用于固态变压器架构的三相电源系统，其中任一相交流电源耦接多个电源装置，所述电源装置为如权利要求1至权利要求11中任一项所述的电源装置，所述多个电源装置的多个第一交流直流转换单元串联耦接，且所述多个电源装置的多个第二直流总线并联耦接。
13.如权利要求12所述应用于固态变压器架构的三相电源系统，其中耦接每一相的所述多个第一交流直流转换单元是以交错相移方式控制。
14.如权利要求12所述应用于固态变压器架构的三相电源系统，其中每一相耦接多个电源装置的数量是由系统电压与每一个电源装置耐压的比值所决定。
15.如权利要求12所述应用于固态变压器架构的三相电源系统，其中每一相的该第二直流总线是连接一充电站、一光伏电池以及一储能系统的任一者。
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