[發明專利]基于變壓器的海上風電高功率密度諧振升壓單元

在審

• 申請號: 202210485247.1
• 申請日: 2022-05-06
• 公開（公告）號: CN115021569A
• 公開（公告）日: 2022-09-06
• 發明（設計）人: 劉俊峰;楊檸瑞
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H02M3/335
• 分類號: H02M3/335
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 馮炳輝

本發明公開了一種基于變壓器的海上風電高功率密度諧振升壓單元，包含諧振電容、變壓器、第一二極管、第二二極管、第一電容和第二電容；第一二極管、第二二極管、第一電容和第二電容構成整流橋，第一二極管的陽極與第二二極管的陰極相連，第一二極管的陰極與第一電容的正極相連，第二二極管的陽極與第二電容的負極相連，第一電容的負極與第二電容的正極相連，諧振電容的一端與變壓器的原邊繞組一端相連，變壓器的副邊繞組分別與整流橋的二極管橋臂中點和電容橋臂中點相連。相比于傳統倍壓整流單元，在相同應用場景下本發明具有更高的功率上限、更穩定的增益特性、更適合高頻應用等優點。

技術領域

本發明涉及海上風電升壓變換的技術領域，尤其是指一種基于變壓器的海上風電高功率密度諧振升壓單元。

背景技術

隨著海上風電場的運行規模增大，直流匯集方式較之于傳統交流匯集方式更具發展優勢和應用市場，因其不存在多機同步問題，無需龐大笨重的工頻變壓器且僅有兩根電力傳輸線。為了加快推進海上風電建設的進程，需要降低系統運輸、安裝、維護時的成本和難度，因此需要進一步降低系統的重量與體積，相應地需要提高變流器的運行開關頻率。由于傳統(Pulse Width Modulation PWM) 型變壓器的電壓增益同功率與開關頻率耦合，隨著開關頻率的提高，隔離變壓器的功率運行上限會隨之降低，進而拉低同等功率等級下的增益大小。為實現系統高頻輕型化的同時進一步提高功率密度，需要對高頻變壓器的功率傳輸機制進行建模分析并量化功率、增益、頻率的耦合制約關系，并據此對升壓拓撲進行優化改進使其適用于高頻應用場合。

發明內容

本發明的目的在于針對高頻單向升壓應用場合下變壓器存在功率、增益高度耦合，功率運行上限低的缺陷，提出了一種諧振電容容值精確設計、電壓增益穩定、功率上限更高的基于變壓器的海上風電高功率密度諧振升壓單元。

為實現上述目的，本發明所提供的技術方案為：基于變壓器的海上風電高功率密度諧振升壓單元，包含諧振電容、變壓器、第一二極管、第二二極管、第一電容和第二電容；所述第一二極管、第二二極管、第一電容和第二電容構成整流橋，其中，所述第一二極管的陽極與第二二極管的陰極相連，所述第一二極管的陰極與第一電容的正極相連，所述第二二極管的陽極與第二電容的負極相連，所述第一電容的負極與第二電容的正極相連，所述諧振電容的一端與變壓器的原邊繞組一端相連，所述變壓器的副邊繞組分別與整流橋的二極管橋臂中點和電容橋臂中點相連。

進一步，所述變壓器的副原邊繞組匝比為n:1。

進一步，所述諧振電容采用無極性電容，且電容值的最大值C_max在兩電平交流方波輸入下需滿足下述公式：

式中，D為兩電平交流輸入方波正半周的占空比；L′_k為變壓器寄生漏感感值；f_S為開關頻率；R為寄生電阻阻值。

進一步，在兩電平交流方波輸入下，輸出增益M與最大輸出功率P_OMax滿足下述公式：

式中，為諧振衰減系數，R為寄生電阻阻值，L′_k為變壓器寄生漏感感值，C₁′為諧振電容的電容值，f_S為開關頻率，n 為變壓器的副原邊繞組匝比，V_inpp為輸入交流方波的峰峰值，P_O為輸出功率大小。

本發明與現有技術相比，具有如下優點與有益效果：

1、在高頻場景下，電壓增益更大。

2、在高頻場景下，運行功率上限更高。