變壓器電路和包含該電路的設備的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及將電氣裝備連接至電網的領域，不拘泥于電氣裝備的類型。電氣裝備 的該類型可以是充電類型，譬如電池，或者電源類型，譬如可再生能源發電機，或者是以交 替作為充電和電源運行的類型，譬如某些電池或者超級電容。
【背景技術】
[0002] 將電氣裝備，不拘泥于其類型，連接至具有不同于電氣裝備電壓的運行電壓的電 網一般需要合適的電氣變壓器電路。
[0003] 實際上，無論是否為電氣裝備提供電能，或者用于將電力傳輸至電網的電氣裝備， 電壓調節和/或電絕緣均是必須的。當裝備是以DC電壓運行的裝備并且電網以AC電壓運 行的時候，更是如此。因此，在可再生能源裝備開發的領域中，譬如與可再生能源發電機連 接的風力渦輪機、光伏傳感器、或者能源存儲站，這種類型的變壓器電路尤其是必須的。
[0004] 在后面的這種情況下，即將以DC電壓工作的電氣裝備連接至以頻率為f2的AC電 壓運行的電網，如圖1所示，電氣變壓器電路包括：
[0005] -第一電壓變換器10,其適用于將電氣裝備2連接至以頻率為f0的AC電壓運行 的電路20的一部分，在電氣裝備2是充電裝置的情況下，第一變換器10是逆變器，并且在 電氣裝備2是電源的情況下，第一變換器10是AC/DC電壓變換器，
[0006] -變壓器20,其連接至第一電壓變換器，并且被配置用來相對電網3的電壓幅值調 節第一變換器10的頻率為f〇的AC電壓的幅值，所述變壓器20包括連接至第一變換器10 的初級線圈以及次級線圈，所述初級線圈和次級線圈以運動固定的方式布置，所述變壓器 可能通過布置在初級側或者次級側的諧振電路21來完成，
[0007] -第二變換器30,其連接至次級線圈，適用于將次級線圈連接至電網3。
[0008] 第二變換器30,用來隔離頻率f0與電網3的電路頻率，包括逆變器和AC/DC電壓 變換器，在圖1示出的實例中，其以開關模式原理運行。因此，在電氣裝備2是充電裝置的 情況下，第二變換器30包含連接至變壓器20的次級線圈的逆變器31和將逆變器連接至電 網3的AC/DC電壓變換器35。在電氣裝備2是發電機的情況下，第二變換器30包含連接至 變壓器次級線圈的AC/DC電壓變換器和將AC/DC電壓變換器連接至電網3的逆變器。
[0009] 值得注意的是，該電路還可以適用于通過使用雙向第一和第二變換器輪流作為充 電裝置和電源的電氣裝備，譬如電池。
[0010] 在本文的此處和其余部分，電氣裝備既指電壓電源型裝備，譬如一個或者多個光 伏板或者裝備有整流級的風力渦輪機，還可指充電裝備，譬如用于一個或者多個光伏板的 加熱系統，或者輪流充當電源或者充電裝置的裝備，譬如能源存儲系統（例如，彼此連接的 電池）。
[0011] 為了優化變壓器的性能，并且限制在電氣裝備和電網端由信號變換引起的干擾， 最好是，變壓器的頻率f〇比電網頻率f2高很多。盡管如此，由現有技術的該類變壓器實現 的頻率f〇遭遇到某些技術和基于成本的限制。
[0012] 實際上，變壓器必須提供良好的變換性能，同時還能夠以合理的變壓器尺寸保證 電氣裝備與電網之間良好的電絕緣。出于這些原因，該電路限制接近千赫的頻率，并且因此 限制了緊致性和變換性能。
【發明內容】
[0013] 本發明的目的在于解決這些缺陷，并且因此更具體地，目的在于提供將電氣裝備 連接至電網的電氣變壓器電路，而且維持合理的尺寸，其能夠以高運行頻率提供良好的變 換性能和良好的電絕緣。
[0014] 為此，本發明涉及電氣變壓器電路，其用于將電氣裝備，譬如基于可再生能源的發 電機或者能源存儲系統，連接至電網，所述電路包括：
[0015] -第一電壓變換器，其適用于將電氣裝備連接至以頻率為f0的AC電壓運行的電路 的一部分，
[0016] -變壓器，其連接至第一電壓變換器，并且被配置用來在電氣裝備的電壓與電網的 電壓之間執行幅值調整，所述變壓器包括連接至第一變換器的第一線圈和磁耦合至第一線 圈的第二線圈，所述第一和第二線圈以運動固定的方式（secured in movement)布置，變壓 器構成以頻率為f〇的AC電壓工作的電路的一部分，
[0017] -第二變換器，其被配置用來將所述第二線圈連接至電網。
[0018] 變壓器是弱耦合變壓器，第一線圈與第二線圈之間的磁耦合小于0. 7，
[0019] 并且變壓器包括分別與第一和第二線圈連接的第一和第二電容，用來與相應的線 圈一起構成諧振頻率為f〇的電路。
[0020] 該電氣變壓器電路的有益效果在于，因為使用了弱耦合變壓器，在合理的尺寸和 不會遭遇電絕緣的情況下，使在能夠輕松達到大約10千赫的高頻下獲得變換成為可能。此 外，由于以諧振實現變換，變換性能得以保持。因此，該電路是緊湊的，而同時提供良好的電 絕緣和良好的變換性能。
[0021] 此外，值得注意的是，當第一和第二變換器是雙向的時，電路使連接至電網以及充 電裝置類型的裝備或者電源類型的裝備，以及可以輪流充當充電裝置和電源的裝備成為可 能。
[0022] 變壓器的磁耦合由以下的數學方程式定義：
[0023]
[0024] 其中，Μ是變壓
器的變換比，L1和L2是變壓器的第一和第二線圈的相應的電感值， 該第一和第二線圈一般使用初級和次級線圈的名義。
[0025] 在本文的以上和其余部分，第一與第二電壓之間的幅值調節指的是：
[0026] -在第一和第二電壓均是AC電壓的情況下，幅值調節本身，
[0027] -在第一電壓是DC電壓并且第二電壓是AC電壓的情況下，第一電壓值與第二電壓 幅值之間的調節，
[0028] -在第一和第二電壓均是DC電壓的情況下，第一和第二電壓之間的值調節，
[0029] -在第一電壓是AC電壓并且第二電壓是DC電壓的情況下，第一電壓的幅值與第二 電壓值之間的調節。
[0030] 因此，更一般地，DC電壓的"幅值"指的是其值。
[0031] 第一線圈與第二線圈之間的磁耦合可以接近或者小于0. 5。
[0032] 該變壓器可以是空氣類型（空心）變壓器。
[0033] 該類型變壓器在兩個線圈之間并不包括磁芯，在不大幅增加變壓器尺寸的情況 下，使第一與第二線圈之間的電絕緣得以優化。
[0034] 頻率f0可以是大于1kHz的頻率，優選大于5kHz，或者甚至大于10kHz。
[0035] 變壓器的該運行頻率使提供良好的變換性能成為可能。
[0036] 電氣裝備可以是以DC電壓運行的電氣裝備，其可以是充電裝置，譬如電池，或者 電源，譬如基于可再生能源的發電機，或者兼具兩者，譬如適用于將能量傳輸至電網的電 池，第一變換器能夠是：
[0037] -在電氣裝備是充電裝置的情況下，AC-DC電壓變換器，其輸入端連接變壓器，并 且其輸出端連接電氣裝備，
[0038] -在電氣裝備是發電機的情況下，逆變器，其輸入端連接電氣裝備，并且其輸出端 連接變壓器，
[0039] -在電氣裝備能夠以電源和充電裝置兩者運行的情況下，AC電壓-DC電壓雙向變 換器。
[0040] 電氣裝備可以是充電裝置，譬如電池，或者電源，譬如基于可再生能源的發電機， 或者兩者兼具，譬如適用于將能量傳輸至電網的電池的電氣裝備，
[0041] 并且其中，電網是以頻率為f2運行的AC電網，第二變換器能夠適用于：
[0042] -在電氣裝備是充電裝置的情況下，將頻率為f2的電壓轉換為頻率為f0的電壓， 第二變換器在其輸入端連接電網，并且在其輸出端連接至第二線圈，
[0043] -在電氣裝備是發電機的情況下，將頻率為f0的電壓轉換為頻率為f2的電壓，第 二變換器在其輸入端連接至第二線圈，并且在其輸出端連接至電網，
[0044] -在電氣裝備能夠作為電源和充電裝置同時運行的情況下，雙向轉換頻率為f2的 電壓和頻率為f〇的電壓。
[0045] 第二變換器包含開關穩壓系統，其適用于為第二線圈提供具有基頻為f0并且正 比于源自低通濾波器的電網電壓的AC電壓，所述開關穩壓系統的指令獨立于電網和電氣 裝備的電壓。
[0046] 該開關穩壓系統使提供簡化的第二變換器成為可能，因為其不需要與電網電壓和 電氣裝備電壓當中任一個同步的指令電路。
[0047] 電氣裝備可以是充電裝置，譬如電池，或者電源，譬如基于可再生能源的發電機， 或者兼具兩者，譬如適用于將能量傳輸至電網的電池的電氣裝備，
[0048] 并且其中所述電網是DC電壓電網，第二變換器能夠是：
[0049] -在裝備是充電裝置的情況下，其為逆變器，適用于為第二線圈從電網的DC電壓 提供頻率為f〇的AC電壓，
[0050] -在裝備是電源的情況下，其將頻率為f0的電壓轉換為DC電壓，第二變換器在其 輸入端連接至第二線圈，并