电力变压器和电力变换系统的制作方法

本发明涉及电能供应，特别涉及电力变换系统和方法。

背景技术：

1、电能通过电线从其发电源输送到消耗它的负载。电力通常以高于安全使用的电压传输，因为这在运输过程中提供了更好的效率。变压器在电力系统内用于通过固定比率转换电力电压，增加或降低电压电平。变压器最早是在100多年前发明的，至今没有显著的发展。

2、随着电力需求的改变，现有的基础设施如变压器不足以维持可靠的能量系统。传统上，电力由少数大型同步发电机产生，为系统提供电力和稳定性。电力系统内异步可变可再生能源发电的增加对其运行稳定性产生不利影响。随着传统的同步化石燃料发电的消失，系统内缺乏惯性，再加上从少数大型发电机转变为整个系统大量分布式发电机的变化，增加了网络的脆弱性，以及提高了能量价格。

3、系统内必须使用额外装置，来维持电力系统的电能质量和可靠性。这些主要是额外的昂贵装置，具有更复杂和更短的寿命，导致系统更脆弱且更昂贵。

4、希望一个装置能够完成所需的电压转换，同时也能提供附加功能，如动态电压控制、谐波抑制和功率因数控制。一部分装置仅提供部分功能，如下所述。

5、变压器

6、如本领域技术人员所知，变压器是一种通过互感将电能从一个电路传输到另一个电路的电磁装置，通常由初级绕组、电磁芯和次级绕组组成。当向所述初级绕组施加交流电压时，交流电流流过初级绕组。这种磁化电流产生交变磁通量。磁通量主要被限制在电磁芯内，并且在连接的次级绕组中感应出电压，如果连接到电负载，则会产生交流电流。然后，该次级负载电流产生其自身的交变磁通量，该交变磁通量与初级绕组连接。

7、次级电压由初级电压与次级绕组中的匝数和初级绕组中的匝数的比值的乘积确定。变压器通常用于在高电压和低电压之间转换，但在配电频率下，它们必然体积庞大。变压器效率高、设计简单和双向电力传输。然而，变压器的被动性质限制了对传输电力的调节，需要引入低效的电压调节设备。

8、在电网内，电压必须保持在严格的容差内，以便装置有效且安全地运行。希望有一种能够动态精确地控制电压、解耦电源侧和负载侧电压并且允许维持正确的电压电平的装置。

9、facts装置

10、柔性交流输电系统(或facts)装置已经商业化几十年。它们是一类完全基于电力电子元件的硬件装置。它们被设计成以串联、分流或组合配置的方式被添加到电气系统中，并将电力注入或吸收到系统中。除了变压器之外，这样的装置也被添加到系统中，并且由于它们成本极高，因此较少使用，并且主要在输电系统内使用。

11、固态变压器

12、固态变压器是现有变压器的替代品。它由多个组成部件串联而成。这些部件包括整流器、逆变器、电磁芯、整流器和逆变器。高压侧连接到第一个逆变器，该逆变器将交流电(通常为50hz或60hz)转换为直流电。然后整流器将直流电转换为更高频率的交流波形。这使得装置的电磁芯变得更小、更便宜，同时仍然提供电压转换。下一个整流器将高频交流电转换为直流电，最后一个逆变器将电能转换回50hz(或60hz)交流电。电力电子元件的控制允许同时提供功率因数和额外的电压控制。

13、然而，这些装置还不是商业产品，能够在现实世界中提供利益之前，还面临一些挑战。这些技术挑战包括电力电子装置的寿命和可靠性较小，以及电网运行功率水平的高成本。

14、交换器

15、交换器是一种用于提供电压转换、电压控制、功率因数控制和谐波抑制的装置。它由三个独立的壳式单相电磁芯组成。每个单相电磁芯都有一个连接到背靠背逆变器的控制绕组。逆变器被控制以提供通过控制绕组的电流，该电流在电磁芯内产生异相磁场。装置的每个相位都是单独控制的，没有连接。

16、然而，这些装置还不是商业产品，能够在现实世界中提供利益之前，还面临一些挑战。这些技术挑战包括效率、重量和成本。

17、混合变压器

18、wo2021/048352公开了一种用于电力变换系统的变压器装置。变换装置包括以三维星形或三角形排列的三个外部变压器柱。这种变压器装置提供变压器的电压改变能力，同时提供动态电压调节、谐波抑制和功率因数校正。这种变压器装置被认为是“混合变压器”。

技术实现思路

1、根据本公开的第一方面，提供了一种用于三相电力变换系统的三相变压器装置。对于三相变压器装置的每一相，三相变压器装置包括：具有第一端和第二端的上芯柱、具有第三端和第四端的下芯柱、第一线圈组件和第二线圈组件。第一线圈组件包括第一初级线圈和第一次级线圈。每个所述第一线圈组件的所述第一初级线圈和所述第一次级线圈同心地缠绕在相应相的所述上芯柱或所述下芯柱中的一个上。第二线圈组件包括第二次级线圈和控制线圈。每个所述第二线圈组件的所述第二次级线圈和所述控制线圈同心地缠绕在相应相的所述上芯柱和所述下芯柱中的另一个上。每个所述第二线圈组件的所述第二次级线圈串联连接到相应相的所述第一线圈组件的所述第一次级线圈。所述三相变压器装置还包括：第一轭部，连接在所述上芯柱的每个所述第一端之间，第二轭部，连接在所述下芯柱的每个所述第四端之间，至少一个传输轭部，被配置为允许磁通量在每个所述上芯柱的所述第一端和相应的上芯柱的所述第二端之间流动，并且允许磁通量在每个所述下芯柱的所述第三端和相应的下芯柱的所述第四端之间流动，以及控制器，连接到每相的所述控制线圈，并且被配置为向所述控制线圈施加电压或电流波形，以影响所述三相变压器装置的所述第一初级线圈与所述第一次级线圈和所述第二次级线圈之间的能量传递。

2、根据第一方面的三相变压器装置是混合变压器装置。这样，三相变压器装置能够动态且快速地响应由系统接收的输入能量的变化，以便产生具有目标电压和目标输入功率因数的相应输出能量。特别地，这种能力允许第一方面的三相变压器装置将输出能量与系统上的负载所需的能量相匹配。此外，三相变压器装置可以被双向控制，这意味着三相变压器装置可以响应例如从电网供应并且在一个方向上流动的能量，三相变压器装置也可以相应从可再生能源供应并沿相反方向流经系统的能量。例如，系统能够缓解由风的变化和/或可用阳光的变化引起的局部能量产生的变化并且对其进行处理，以提供用于固定负载的相对恒定的输出。

3、第一方面的三相变压器装置包括用于每相的第一线圈组件和第二线圈组件。每一相的第二线圈组件包括围绕变压器的芯柱(每一相的上芯柱或下芯柱)缠绕的控制线圈。所述控制线圈连接到控制器，所述控制器被配置为向所述控制线圈施加电压或电流波形，以影响所述三相变压器装置的所述第一初级线圈与所述第一次级线圈和所述第二次级线圈之间的能量传输。因此，三相变压器装置每相仅配备两个线圈组件，从而简化了三相变压器装置的构造。特别是，三相变压器装置每相只配备四个线圈，其中线圈被分配到每相的上芯柱和下芯柱之间。

4、在一些实施例中，每个相的所述第一线圈组件还包括附加控制线圈，其中，每个所述第一线圈组件的所述第一初级线圈、所述第一次级线圈和所述附加控制线圈同心地缠绕在相应相的所述芯柱上。在一些实施例中，用于每个相的所述控制线圈和所述附加控制线圈以相反方向缠绕在所述上芯柱和所述下芯柱上。因此，每个相的控制线圈和附加控制线圈中的一个以顺时针方式缠绕在相应的芯柱上，而相应相的另一个控制线圈以逆时针方向缠绕在相应的芯柱上。通过为每个相提供具有相反缠绕方向的控制线圈，磁动势可以以有效的方式在每个相的上芯柱和下芯柱之间传输。在一些实施例中，每个相的控制线圈和附加控制线圈串联连接。

5、在一些实施例中，每个相的所述第二线圈组件还包括第二初级线圈，其中，每个所述第二线圈组件的所述第二初级线圈、所述第二次级线圈和所述控制线圈同心地缠绕在相应相的所述芯柱上，其中，所述第二线圈组件的所述第二初级线圈串联连接到相应相的所述第一线圈组件的所述第一初级线圈。因此，在一些实施例中，用于每个相的第二线圈组件可以包括多达三个线圈。

6、在一些实施例中，所述控制器包括电压控制电路，所述电压控制电路被配置为向每个相的所述控制线圈施加电压波形或电流波形，以控制每个相的所述第一次级线圈和所述第二次级线圈两端的电压。

7、在一些实施例中，所述控制器包括功率因数控制电路，所述功率因数控制电路被配置为控制所述三相变压器装置的功率因数。在一些实施例中，功率因数控制电路被配置为通过一个或多个相的控制线圈(或多个控制线圈)注入或吸收无功功率来控制的功率因数。除了这种基于电力电子装置的控制之外，在一些实施例中，可以通过将电容器或电感器连接到每个相的控制线圈，来将附加电容或电感引入到磁路中。

8、在一些实施例中，所述控制器的所述功率因数控制电路包括用于每个所述控制线圈的可变电抗，所述功率因数控制电路被配置为控制连接到每个所述控制线圈的电抗，以控制所述三相变压器装置的功率因数。

9、在一些实施例中，所述控制器被配置为从所述三相变压器装置的初级侧汲取电力，并且与所述三相变压器装置的次级侧电隔离。在一些实施例中，所述控制器被配置为从所述三相变压器装置的所述次级侧汲取电力，并且与所述三相变压器装置的所述初级侧电隔离。

10、在一些实施例中，所述控制器还包括储能电路，所述储能电路被配置为为所述控制器提供备用电源，以将所述电压或电流波形施加到所述控制线圈。储能电路可以包括电容器、或化学储能器(例如，锂离子电池)或本领域技术人员已知的任何其他合适的能源存储元件。在一些实施例中，储能电路被配置为由用于控制器的电源(例如，提供给初级线圈的电源)充电。如果没有足够的输入功率来自例如初级线圈，以满足控制线圈的目标输出，则储能电路的这种存储能源可以被配置为可以被利用。这种能力的水平和持续时间与储能电路存储的能量成正比。因此，储能电路可以提高三相变压器对功率变化的鲁棒性。

11、根据本公开，可以理解，用于每相的上芯柱和下芯柱、第一轭部、第二轭部和至少一个传输轭部形成三相变压器的电磁芯。

12、在一些实施例中，三相变压器装置的电磁芯具有大致平面的设计。也就是说，在一些实施例中，用于每个相的上芯柱和下芯柱、第一轭部、第二轭部以及至少一个传输轭部延伸可以布置在平面中。例如，在一些实施例中，每个相的上芯柱和下芯柱平行布置。所述第一轭部、所述第二轭部和所述至少一个传输轭部在大致横向于所述上芯柱和所述下芯柱的方向上延伸。通过提供具有大致平面设计的电磁芯，三相变压器可以具有简化的结构，这使得制造更经济。

13、在一些实施例中，每个相的所述上芯柱和所述至少一个传输轭部中的一个布置在第一平面中。在一些实施例中，每个相的所述下芯柱和所述至少一个传输轭部中的一个布置在第二平面中。在一些实施例中，第一平面和第二平面可以是相同的平面。

14、在一些实施例中，至少一个传输轭部包括第一传输轭部，所述第一传输轭部连接在所述上芯柱的所述第二端之间，并且被配置为允许磁通量在每个所述上芯柱的所述第一端和相应的所述上芯柱的所述第二端之间流动。在一些实施例中，所述至少一个传输轭部包括第二传输轭部，所述第二传输轭部连接在所述下芯柱的所述第三端之间，并且被配置为允许磁通量在每个所述下芯柱的所述第三端和相应的下芯柱的所述第四端之间流动。在一些实施例中，每个相的所述上芯柱和所述第一传输轭部布置在第一平面中。在一些实施例中，每个相的所述下芯柱和所述第二传输轭部布置在第二平面内。在一些实施例中，第一平面和第二平面可以是相同的平面。

15、在一些实施例中，所述第一传输轭部与所述第二传输轭部在空间上分离。通过在空间上分离，可以理解，第一传输轭部和第二传输轭部是分离的，使得流过第一传输轭部的磁通量不流过第二传输轭部。类似地，空间分离导致上芯柱和下芯柱在空间上分离。这样，三相变压器的电磁芯可以设置成两个部分。这种布置可以允许以更节省空间的方式提供三相变压器装置。

16、在一些实施例中，对于每个相，每个所述上芯柱的所述第二端连接到相应的所述下芯柱的相应的所述第三端。因此，在一些实施例中，用于三相的电磁芯可以被提供为包括上芯柱和下芯柱两者的单一整体芯。

17、在一些实施例中，三相变压器装置还包括上磁通返回路径芯，所述上磁通返回路径芯连接在上芯柱的第二端和相应的所述上芯柱的第一端之间。在一些实施例中，三相变压器装置还包括下磁通返回路径芯，所述下磁通返回路径芯连接在下芯柱的第四端和相应的所述下芯柱的第三端之间。因此，在一些实施例中，可以提供上磁通返回路径和下磁通量返回路径，以形成包括壳型电磁芯的三相变压器装置。在一些实施例中，其中用于每个相的上芯柱和下芯柱平行布置，并且第一轭部、第二轭部和至少一个传输轭部在大致横向于上芯柱和下芯柱的方向上延伸，上磁通返回路径可以在第一轭部和传输轭部之间延伸。在一些实施例中，(一个或多个)上磁通返回路径可以与上芯柱平行设置。(一个或多个)下磁通返回路径可以以类似的方式在所述至少一个传输轭部和所述第二轭部部分之间延伸。在一些实施例中，所述一个或两个上磁通返回路径和一个或两个下磁通量返回路径可以设置在所述三个芯柱的相对侧上。在电磁芯的一个或多个端部处添加电磁返回路径，允许零序在独立的返回路径中流动，从而允许单相功率流控制。

18、在一些实施例中，每个相的控制线圈串联连接到相应相的附加控制线圈。可选地，每个相的控制线圈和附加控制线圈可以由控制器独立地控制。

19、在一些实施例中，用于每个相的第一初级线圈和第二初级线圈串联连接。在一些实施例中，每个相的第一初级线圈和第二初级线圈以相同方向(例如，顺时针方向或逆时针方向)缠绕。在一些实施例中，用于每个相的所述第一次级线圈和所述第二次级线圈串联连接。在一些实施例中，用于每个相的第一次级线圈和第二次级线圈以相同方向(例如，都顺时针或都逆时针)缠绕。

20、根据本公开的第二方面，提供了一种用于电力变换系统的变压器装置。该变压器装置包括：具有第一端和第二端的上芯柱；具有第三端和第四端的下芯柱；第一线圈组件，包括第一初级线圈和第一次级线圈，其中，所述第一初级线圈和所述第一次级线圈同心地缠绕在所述上芯柱或所述下芯柱中的一个上；第二线圈组件，包括第二次级线圈和控制线圈，其中，所述第二次级线圈和所述控制线圈同心地缠绕在所述上芯柱和所述下芯柱中的另一个上；其中，所述第二线圈组件的所述第二次级线圈串联连接到所述第一线圈组件的所述第一次级线圈；至少一个传输轭部，被配置为允许磁通量在所述上芯柱的所述第一端和所述上芯柱的所述第二端之间流动，并且允许磁通量在所述下芯柱的所述第三端和所述下芯柱的所述第四端之间流动；以及控制器，所述控制器连接到所述控制线圈，并且被配置为向所述控制线圈施加电压或电流波形，以影响所述变压器装置的所述第一初级线圈与所述第一次级线圈和所述第二次级线圈之间的能量传递。

21、因此，将理解的是，第二方面的变压器装置是本公开的第一方面的三相变压器装置的单相实施方式。

22、在一些实施例中，所述第一线圈组件还包括附加控制线圈，其中，所述第一线圈组件的所述第一初级线圈、所述第一次级线圈和所述附加控制线圈同心地缠绕在所述上芯柱或所述下芯柱上。所述控制线圈和所述附加控制线圈以相反方向缠绕在所述上芯柱和所述下芯柱上。

23、在一些实施例中，所述第二线圈组件还包括第二初级线圈，其中，每个所述第二线圈组件的所述第二初级线圈、所述第二次级线圈和所述控制线圈同心地缠绕在所述上芯柱或所述下芯柱的另一个上。所述第二线圈组件的所述第二初级线圈串联连接到所述第一线圈组件的所述第一初级线圈。

24、在一些实施例中，所述控制器还包括电压控制电路，所述电压控制电路被配置为向所述控制线圈施加电压波形或电流波形，以控制所述第一次级线圈和所述第二次级线圈两端的电压。

25、在一些实施例中，所述控制器包括功率因数控制电路，所述功率因数控制电路被配置为控制所述变压器装置的功率因数。

26、在一些实施例中，所述控制器的所述功率因数控制电路包括用于所述控制线圈(可选地，用于附加控制线圈)的可变电抗，所述功率因数控制电路被配置为控制连接到所述第二控制线圈的电抗，以控制所述变压器装置的功率因数。

27、在一些实施例中，所述控制器被配置为从所述变压器装置的初级侧汲取电力，并且与所述变压器装置的次级侧电隔离。在一些实施例中，所述控制器被配置为从所述变压器装置的所述次级侧汲取电力，并且与所述变压器装置的所述初级侧电隔离。

28、在一些实施例中，至少一个传输轭部包括第一传输轭部，所述第一传输轭部连接在所述上芯柱的所述第二端和所述上芯柱的所述第一端之间，并且被配置为允许磁通量在所述上芯柱的所述第一端和所述上芯柱的所述第二端之间流动。在一些实施例中，至少一个传输轭部包括第二传输轭部，所述第二传输轭部连接在所述下芯柱的所述第四端和所述下芯柱的所述第三端之间，并且被配置为允许磁通量在所述下芯柱的所述第三端和所述下芯柱的所述第四端之间流动。

29、在一些实施例中，所述第一传输轭部与所述第二传输轭部在空间上分离。这样，与第一方面类似，用于第二方面的变压器装置的电磁芯可以设置成两个部分。

30、在一些实施例中，变压器装置包括上磁通返回路径芯，所述上磁通返回路径芯连接在所述上芯柱的第二端和所述上芯柱的所述第一端之间。在一些实施例中，变压器装置包括下磁通返回路径芯，所述下磁通返回路径芯连接在所述下芯柱的第四端和所述下芯柱的第三端之间。

31、在一些实施例中，所述控制线圈串联连接到所述附加控制线圈。