变压器电路和包含该电路的设备的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及将电气装备连接至电网的领域，不拘泥于电气装备的类型。电气装备 的该类型可以是充电类型，譬如电池，或者电源类型，譬如可再生能源发电机，或者是以交 替作为充电和电源运行的类型，譬如某些电池或者超级电容。
【背景技术】
[0002] 将电气装备，不拘泥于其类型，连接至具有不同于电气装备电压的运行电压的电 网一般需要合适的电气变压器电路。
[0003] 实际上，无论是否为电气装备提供电能，或者用于将电力传输至电网的电气装备， 电压调节和/或电绝缘均是必须的。当装备是以DC电压运行的装备并且电网以AC电压运 行的时候，更是如此。因此，在可再生能源装备开发的领域中，譬如与可再生能源发电机连 接的风力涡轮机、光伏传感器、或者能源存储站，这种类型的变压器电路尤其是必须的。
[0004] 在后面的这种情况下，即将以DC电压工作的电气装备连接至以频率为f2的AC电 压运行的电网，如图1所示，电气变压器电路包括：
[0005] -第一电压变换器10,其适用于将电气装备2连接至以频率为f0的AC电压运行 的电路20的一部分，在电气装备2是充电装置的情况下，第一变换器10是逆变器，并且在 电气装备2是电源的情况下，第一变换器10是AC/DC电压变换器，
[0006] -变压器20,其连接至第一电压变换器，并且被配置用来相对电网3的电压幅值调 节第一变换器10的频率为f〇的AC电压的幅值，所述变压器20包括连接至第一变换器10 的初级线圈以及次级线圈，所述初级线圈和次级线圈以运动固定的方式布置，所述变压器 可能通过布置在初级侧或者次级侧的谐振电路21来完成，
[0007] -第二变换器30,其连接至次级线圈，适用于将次级线圈连接至电网3。
[0008] 第二变换器30,用来隔离频率f0与电网3的电路频率，包括逆变器和AC/DC电压 变换器，在图1示出的实例中，其以开关模式原理运行。因此，在电气装备2是充电装置的 情况下，第二变换器30包含连接至变压器20的次级线圈的逆变器31和将逆变器连接至电 网3的AC/DC电压变换器35。在电气装备2是发电机的情况下，第二变换器30包含连接至 变压器次级线圈的AC/DC电压变换器和将AC/DC电压变换器连接至电网3的逆变器。
[0009] 值得注意的是，该电路还可以适用于通过使用双向第一和第二变换器轮流作为充 电装置和电源的电气装备，譬如电池。
[0010] 在本文的此处和其余部分，电气装备既指电压电源型装备，譬如一个或者多个光 伏板或者装备有整流级的风力涡轮机，还可指充电装备，譬如用于一个或者多个光伏板的 加热系统，或者轮流充当电源或者充电装置的装备，譬如能源存储系统（例如，彼此连接的 电池）。
[0011] 为了优化变压器的性能，并且限制在电气装备和电网端由信号变换引起的干扰， 最好是，变压器的频率f〇比电网频率f2高很多。尽管如此，由现有技术的该类变压器实现 的频率f〇遭遇到某些技术和基于成本的限制。
[0012] 实际上，变压器必须提供良好的变换性能，同时还能够以合理的变压器尺寸保证 电气装备与电网之间良好的电绝缘。出于这些原因，该电路限制接近千赫的频率，并且因此 限制了紧致性和变换性能。
【发明内容】
[0013] 本发明的目的在于解决这些缺陷，并且因此更具体地，目的在于提供将电气装备 连接至电网的电气变压器电路，而且维持合理的尺寸，其能够以高运行频率提供良好的变 换性能和良好的电绝缘。
[0014] 为此，本发明涉及电气变压器电路，其用于将电气装备，譬如基于可再生能源的发 电机或者能源存储系统，连接至电网，所述电路包括：
[0015] -第一电压变换器，其适用于将电气装备连接至以频率为f0的AC电压运行的电路 的一部分，
[0016] -变压器，其连接至第一电压变换器，并且被配置用来在电气装备的电压与电网的 电压之间执行幅值调整，所述变压器包括连接至第一变换器的第一线圈和磁耦合至第一线 圈的第二线圈，所述第一和第二线圈以运动固定的方式（secured in movement)布置，变压 器构成以频率为f〇的AC电压工作的电路的一部分，
[0017] -第二变换器，其被配置用来将所述第二线圈连接至电网。
[0018] 变压器是弱耦合变压器，第一线圈与第二线圈之间的磁耦合小于0. 7，
[0019] 并且变压器包括分别与第一和第二线圈连接的第一和第二电容，用来与相应的线 圈一起构成谐振频率为f〇的电路。
[0020] 该电气变压器电路的有益效果在于，因为使用了弱耦合变压器，在合理的尺寸和 不会遭遇电绝缘的情况下，使在能够轻松达到大约10千赫的高频下获得变换成为可能。此 外，由于以谐振实现变换，变换性能得以保持。因此，该电路是紧凑的，而同时提供良好的电 绝缘和良好的变换性能。
[0021] 此外，值得注意的是，当第一和第二变换器是双向的时，电路使连接至电网以及充 电装置类型的装备或者电源类型的装备，以及可以轮流充当充电装置和电源的装备成为可 能。
[0022] 变压器的磁耦合由以下的数学方程式定义：
[0023]
[0024] 其中，Μ是变压
器的变换比，L1和L2是变压器的第一和第二线圈的相应的电感值， 该第一和第二线圈一般使用初级和次级线圈的名义。
[0025] 在本文的以上和其余部分，第一与第二电压之间的幅值调节指的是：
[0026] -在第一和第二电压均是AC电压的情况下，幅值调节本身，
[0027] -在第一电压是DC电压并且第二电压是AC电压的情况下，第一电压值与第二电压 幅值之间的调节，
[0028] -在第一和第二电压均是DC电压的情况下，第一和第二电压之间的值调节，
[0029] -在第一电压是AC电压并且第二电压是DC电压的情况下，第一电压的幅值与第二 电压值之间的调节。
[0030] 因此，更一般地，DC电压的"幅值"指的是其值。
[0031] 第一线圈与第二线圈之间的磁耦合可以接近或者小于0. 5。
[0032] 该变压器可以是空气类型（空心）变压器。
[0033] 该类型变压器在两个线圈之间并不包括磁芯，在不大幅增加变压器尺寸的情况 下，使第一与第二线圈之间的电绝缘得以优化。
[0034] 频率f0可以是大于1kHz的频率，优选大于5kHz，或者甚至大于10kHz。
[0035] 变压器的该运行频率使提供良好的变换性能成为可能。
[0036] 电气装备可以是以DC电压运行的电气装备，其可以是充电装置，譬如电池，或者 电源，譬如基于可再生能源的发电机，或者兼具两者，譬如适用于将能量传输至电网的电 池，第一变换器能够是：
[0037] -在电气装备是充电装置的情况下，AC-DC电压变换器，其输入端连接变压器，并 且其输出端连接电气装备，
[0038] -在电气装备是发电机的情况下，逆变器，其输入端连接电气装备，并且其输出端 连接变压器，
[0039] -在电气装备能够以电源和充电装置两者运行的情况下，AC电压-DC电压双向变 换器。
[0040] 电气装备可以是充电装置，譬如电池，或者电源，譬如基于可再生能源的发电机， 或者两者兼具，譬如适用于将能量传输至电网的电池的电气装备，
[0041] 并且其中，电网是以频率为f2运行的AC电网，第二变换器能够适用于：
[0042] -在电气装备是充电装置的情况下，将频率为f2的电压转换为频率为f0的电压， 第二变换器在其输入端连接电网，并且在其输出端连接至第二线圈，
[0043] -在电气装备是发电机的情况下，将频率为f0的电压转换为频率为f2的电压，第 二变换器在其输入端连接至第二线圈，并且在其输出端连接至电网，
[0044] -在电气装备能够作为电源和充电装置同时运行的情况下，双向转换频率为f2的 电压和频率为f〇的电压。
[0045] 第二变换器包含开关稳压系统，其适用于为第二线圈提供具有基频为f0并且正 比于源自低通滤波器的电网电压的AC电压，所述开关稳压系统的指令独立于电网和电气 装备的电压。
[0046] 该开关稳压系统使提供简化的第二变换器成为可能，因为其不需要与电网电压和 电气装备电压当中任一个同步的指令电路。
[0047] 电气装备可以是充电装置，譬如电池，或者电源，譬如基于可再生能源的发电机， 或者兼具两者，譬如适用于将能量传输至电网的电池的电气装备，
[0048] 并且其中所述电网是DC电压电网，第二变换器能够是：
[0049] -在装备是充电装置的情况下，其为逆变器，适用于为第二线圈从电网的DC电压 提供频率为f〇的AC电压，
[0050] -在装备是电源的情况下，其将频率为f0的电压转换为DC电压，第二变换器在其 输入端连接至第二线圈，并