固态功率转换系统技术方案

本发明专利技术的各方面通过使用高频固态交流ac/ac模块化功率转换方法来克服传统低频LPT的单片方法。本发明专利技术的实施方案使得能够结合新技术，而无需在所有情况下从头开始重新进行LPT设计。此外，鉴于LPT是长期的，本发明专利技术的各方面确保它们是耐用、高效且容错的，具有过载能力。具有过载能力。具有过载能力。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】固态功率转换系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]这是要求2019年12月24日提交的美国临时专利申请序列号62/953,465的优先权的非临时申请，其公开内容以全文引用的方式并入本文中。

技术介绍

[0003]一般来说，大型电力变压器(LPT)系统是一种传统方法并且在图1中说明为现有技术，诸如由美国能源部电力输送和能源可靠性办公室于2020年6月出版的“Large power transformers and the U.S.Electric Grid”(“2012年6月出版物”)所证明。如图1所说明，各个部件不能彼此互换，并且其高成本(在减少单位体积的情况下)阻碍了部件的大量备用库存。例如，套管、储油柜、散热器和风扇、绕组以及铁芯和油箱都是分立的部件。因此，平均而言，仅针对个别设计制造了有限量的PT。这是因为如果需要改变或修改，那么传统LPT不能容易地修改，并且修改可能需要等待一段时间才能安装更新、修改或更换。鉴于几种现有LPT即将达到其服务寿命，这种先前方法带来了进一步的挑战。例如，美国安装的LPT的平均年龄远远超过几十年，多个LPT估计为25岁或以上。此外，形成美国电网主干的多个这种LPT的损耗显然会遇到与无法获得足够备件相关的能源安全问题，而这些备件不可互换以用于安装在不同位置的事实进一步加剧了这一问题。另外，传统LPT的典型额定电压可说明于下表中：
[0004][0005][0006]表1：传统LPT的典型额定电压。
[0007]此外,LPT的采购和制造是一个复杂的过程，由于其尺寸和重量，需要对制造商进行资格预审、竞标过程、原材料采购以及特殊的运输方式。结果是，如果制造商难以获得某些关键部件或材料，则可能会延长交货时间，交货时间可能超过20个月。关键行业来源——包括能源部门特定计划、国家基础设施咨询委员会的“Framework for Establishing Critical Infrastructure Resilience Goals and the North American Electric Reliability Corporation
’
s Critical Infrastructure Strategic Roadmap”确定了备用LPT的有限供应是美国关键基础设施复原力的一个潜在问题,公共和私营部门都在努力解决这一问题。另见2012年6月出版物。
[0008]由于与更换LPT的采购和制造相关的大量资本支出、较长的交货时间和独特的规格，所以有机会研究更灵活和适应性强的LPT设计。尽管成本和定价因制造商和尺寸而异，但LPT可能花费数百万美元，并且重约数百吨。图2说明了示出LPT主要部件的成本和重量的典型概览的表格，所述表格得到2012年6月出版物的支持。
[0009]两种原材料，铜和电工钢，通常占LPT总成本的一半以上，另见2012年6月出版物。例如，制造商估计原材料成本占2008年至2010年间在美国销售的LPT总成本的57％至67％。在总材料成本中，铜约占18％至27％，电工钢约占22％至24％。铜和钢的平均价格多年来都显著上升，如图3所示，这对于传统LPT具有明确的含义，并得到2012年6月出版物的支持。电工钢用于电力变压器的核心，对于装备的效率和性能至关重要。另外，铜用于绕组。近年来，这两种商品在全球市场的价格波动影响了LPT的制造条件和采购策略。
[0010]运输也是总LPT成本的重要组成部分，因为LPT可能重达数百吨，并且通常需要长途运输。运输LPT是运输传统笨重的低频(LF)(60Hz以及50Hz)LPT的巨大挑战。这些物品尺寸大、重量重，对确保安全和高效的运输提出了独特的要求。目前的公路、铁路和港口条件使得运输花费更多时间并且变得更加昂贵。
[0011]由于需要过渡到具有无缝/接近无缝缩放能力的更模块化和灵活(例如，在电压、电流、功率流方面)设计的历史原因，传统低频LPT通常遵循单片设计方法，因此需要改进的方法。鉴于原材料成本持续上升，现有LPT的可运输性和运输成本较高。

技术实现思路

[0012]本专利技术的各方面通过使用高频固态交流ac/ac模块化功率转换方法来克服传统低频LPT的单片方法。本专利技术的实施方案使得能够结合新技术，而无需在所有情况下从头开始重新进行LPT设计。此外，鉴于LPT是长期的，本专利技术的各方面确保它们是耐用、高效且容错的，具有过载能力。
附图说明
[0013]本领域的普通技术人员可以理解，为了简单和清楚起见，图中的元件被说明，所以并非所有连接和选项都被示出。例如，在商业上可行的实施方案中有用或必要的常见但容易理解的元件通常可以不描绘，以促进本公开的这些各种实施方案的较少阻碍的视图。可以进一步理解，某些动作和/或步骤可以以特定的发生顺序描述或描绘，而本领域的技术人员可以理解，实际上不需要关于序列的这种特异性。还可以理解，本文使用的术语和表达可以关于其对应的相应调查和研究领域来定义，除非本文另外阐述了具体含义。
[0014]图1是现有技术的大型电力变压器(LPT)系统的图示。
[0015]图2说明了示出LPT主要部件的成本和重量的典型概览的表格。
[0016]图3说明了多年来铜和钢的平均价格已大幅上升的图表。
[0017]图4a说明了根据一些实施方案的单相系统的示意图。
[0018]图4b说明了具有本专利技术的电感器和变压器方面的单相系统的示意图。
[0019]图4c说明了本专利技术的两级系统方面的示意图。
[0020]图4d说明了本专利技术的开关电容器系统方面的示意图。
[0021]图4e说明了本专利技术的软开关拓扑系统方面的示意图。
[0022]图5说明了用于本专利技术的N相操作方面的N次复制的单相系统，其中N＝3。
[0023]图6说明了本专利技术的单相电压缩放路径方面的示意图。
[0024]图7a说明了根据一些实施方案的具有级联N相系统的电压缩放系统的示意图。
[0025]图7b说明了根据一些实施方案的具有N个三相ac/ac模块的电压缩放系统的示意图，其中N＝3。
[0026]图8a说明了根据一些实施方案的用于响应于N相系统而控制单相系统的图。
[0027]图8b说明了根据一些实施方案的用于基于开关状态的最优控制来控制单相系统的图解。
[0028]图9a说明了根据一些实施方案的基于相的ac/ac的控制的环架构的图解。
[0029]图9b说明了根据一些实施方案的基于相的ac/ac的控制的网状架构的图解。
[0030]图10说明了根据现有技术的传统LPT的示意图。
[0031]图11a说明了根据一些实施方案的具有一组功率电子转换器的基于高频的固态变压器(SST)系统的图。
[0032]图11b说明了根据一些实施方案的具有一组功率电子转换器的基于高频的固态变压器(SST)系统的图解。
具体实施方式
[0033]现在可以参考附图更全面地描述实施方案，附本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种固态功率转换系统，所述固态功率转换系统包括：单级第一块，所述单级第一块在第一输入侧处包括：至少一个第一输入开关；至少一个第一输入电感器；和至少一个第一输入电容器；并且在第一输出侧处包括：至少一个第一输出开关；至少一个第一输出电感器；和至少一个第一输出电容器；以及第一高频变压器(HFT)；单级第二块，所述单级第二块在第二输入侧处包括：至少一个第二输入开关；至少一个第二输入电感器；和至少一个第二输入电容器；并且在第二输出侧处包括：至少一个第二输出开关；至少一个第二输出电感器；和至少一个第二输出电容器；以及第二HFT；并且其中所述第二块和所述第一块在输入侧和输出侧处串联连接。2.如权利要求1所述的固态功率转换系统，其中所述第一输入电感器、所述第一输出电感器和所述第一HFT形成公共磁芯。3.如权利要求1所述的固态功率转换系统，其中响应于所述至少一个第一输入开关通电而建立所述至少一个第一输入电感器和所述至少一个第一输出电感器的通量，或者其中响应于所述至少一个第二输入开关通电而建立所述至少一个第二输入电感器和所述至少一个第二输出电感器的通量。4.如权利要求1所述的固态功率转换系统，其中响应于所述至少一个第一输出开关通电而将所述至少一个第一输入电感器和所述至少一个第一输出电感器的能量传送到所述至少一个第一输入电容器和所述至少一个第一输出电容器，或其中响应于所述至少一个第二输出开关通电而将所述至少一个第二输入电感器和所述至少一个第二输出电感器的能量传送到所述至少一个第二输入电容器和所述至少一个第二输出电容器。5.如权利要求1所述的固态功率转换系统，所述固态功率转换系统进一步包括至少一个损耗减轻软开关电路，其中所述至少一个软开关电路至少包括开关、电容器和电感器。6.如权利要求1所述的固态功率转换系统，所述固态功率转换系统进一步包括用于所述第一块或所述第二块的开关控制件以提供所述第一块和所述第二块中的每一者的开关的开关状态和开关序列，其中用于所述第一块或所述第二块的所述开关控制件被配置成协调所述第一块和所述第二块中的每一者的所述开关状态和所述开关状态的所述序列。
7.如权利要求6所述的固态功率转换系统，其中所述第一块的所述开关控制件和所述第二块的所述开关控制件被配置成彼此协调。8.如权利要求1所述的固态功率转换系统，所述固态功率转换系统进一步包括第三块，所述第三块在第三输入侧处包括：至少一个第三输入开关；至少一个第三输入电感器；和至少一个第三输入电容器；并且在第三输出侧处包括：至少一个第三输出开关；至少一个第三输出电感器；和至少一个第三输出电容器；第三HFT；其中所述第一块、所述第二块和所述第三块在输入侧和输出侧处串联连接。9.一种固态功率转换系统，所述固态功率转换系统具有至少两个交流(ac)到ac(ac/ac)模块，所述固态功率转换系统包括：所述至少两个ac/ac模块中的每一个ac/ac模块中的至少两个单相块，所述两个单相块中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏迪普K马祖姆德，
申请(专利权)人：苏迪普K马祖姆德，
类型：发明
国别省市：