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CN106026685A - 一种直流母线电容低波动的三相电力电子变压器拓扑结构 - Google Patents

一种直流母线电容低波动的三相电力电子变压器拓扑结构 Download PDF

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CN106026685A
CN106026685A CN201610346075.4A CN201610346075A CN106026685A CN 106026685 A CN106026685 A CN 106026685A CN 201610346075 A CN201610346075 A CN 201610346075A CN 106026685 A CN106026685 A CN 106026685A
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郑泽东
李永东
王优
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Tsinghua University
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Abstract

本发明涉及一种直流母线电容低波动的三相电力电子变压器拓扑结构，其特征在于：该拓扑结构包括高压整流电路、DC/DC变换电路和低压DC/AC逆变电路；所述高压整流电路的输入端与高压三相交流电网连接，所述高压整流电路的输出端经高压直流母线电容与所述DC/DC变换电路一端连接，所述DC/DC变换电路另一端经低压直流母线电容与所述低压DC/AC逆变电路输入端连接，所述低压DC/AC逆变电路输出端与低压三相交流电网连接。本发明的体积与重量较小，而且不需要额外进行各个H桥子模块直流母线电容电压的平衡控制，可以广泛在电力系统领域中应用。

Description

一种直流母线电容低波动的三相电力电子变压器拓扑结构
技术领域
本发明涉及一种电力电子变压器拓扑结构，特别是关于一种电力电子技术领域中的直流母线电容低波动的三相电力电子变压器拓扑结构。
背景技术
电力电子变压器(Power Electronic Transformer,PET)作为一种新型电能传输设备，相对于传统电力变压器具有以下优点：1、体积与重量大大减小。2、可以实现任意幅值与频率的交直流变换，一、二次侧电压电流波形可控，功率因数可调。3、自带无功补偿与保护功能，无需额外配套装置。
现用于PET的全控器件多采用Si基绝缘栅双极型晶体管(Insulated GateBipolar Transistor，IGBT)，但由于Si基IGBT电压与功率等级的限制，难以满足配电网中压侧电压等级的要求。在目前提出的三相配电网PET拓扑中，多采用多电平变换器的形式，由此降低单个器件承受的电压应力，易于实现高压大容量，同时在相同开关频率下输出的电压电流波形更接近正弦，谐波含量低。
在提出的应用于PET的多电平拓扑中，级联H桥拓扑具有控制简便、易于级联扩展的特点。级联H桥拓扑需要独立的直流母线，然而在单相整流的级联H桥拓扑中，每个H桥子模块输出的直流母线电压都会不可避免地带有二倍频的波动，产生的二倍频谐波难以滤除从而使得母线电容因为需要承受电容电压应力而采用较大的容值。在此情况下，母线电容的体积与重量往往成为整个PET体积与重量最主要的部分。同时，在级联数较多的情况下，对于各H桥模块电压平衡的控制算法相对复杂。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种直流母线电容低波动的三相电力电子变压器拓扑结构，该拓扑结构体积与重量大大减小，而且不需要额外进行各个H桥子模块直流母线电容电压的平衡控制。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种直流母线电容低波动的三相电力电子变压器拓扑结构，其特征在于：该拓扑结构包括高压整流电路、DC/DC变换电路和低压DC/AC逆变电路；所述高压整流电路的输入端与高压三相交流电网连接，所述高压整流电路的输出端经高压直流母线电容与所述DC/DC变换电路一端连接，所述DC/DC变换电路另一端经低压直流母线电容与所述低压DC/AC逆变电路输入端连接，所述低压DC/AC逆变电路输出端与低压三相交流电网连接。
优选地，所述高压整流电路包括A、B、C三相级联H桥拓扑，每相级联H桥拓扑结构相同，每相级联H桥拓扑均包括若干个级联的H桥整流子模块，每一H桥整流子模块输出端均并联一高压直流母线电容；第一个所述H桥整流子模块的一输入端经一电感连接高压三相交流电网A相整流输入端，第一个所述H桥整流子模块的另一输入端与第二个所述H桥整流子模块的一输入端连接，第二个所述H桥整流子模块的另一输入端与第三个所述H桥整流子模块的一输入端连接，依次类推；最后一个所述H桥整流子模块的另一输入端经高压直流母线与其余两相级联H桥拓扑中的最后一个所述H桥整流子模块连接。
优选地，每一所述H桥整流子模块均包括两个并联的桥臂，每个所述桥臂均由两个功率开关器件组成。
优选地，所述DC/DC变换电路包括m组高频逆变子模块M、3m输入n输出的中高频变压器和n个高频整流H桥，n和m均为自然数；所述m组高频逆变子模块M输出端经所述中高频变压器与所述n个高频整流H桥连接。
优选地，每组所述高频逆变子模块都包括三个高频逆变H桥，三个所述高频逆变H桥的输入端分别与三相所述高压直流母线电容Chax、Chbx、Chcx并联，三个所述高频逆变H桥分别经三相所述高压直流母线电容Chax、Chbx、Chcx与所述H桥整流子模块HBax、HBbx、HBcx连接；每一所述高频逆变H桥的输入端都与一高压直流母线电容并联，每一所述高频逆变H桥的输出端分别与所述中高频变压器的3m个输入端连接；所述中高频变压器的n个输出端分别连接一所述高频整流H桥输入端，各所述高频整流H桥输出端分别并联一低压直流母线电容。
优选地，各所述低压直流母线电容之间最终并联成为k个低压直流母线连接至所述低压DC/AC逆变电路。
优选地，高压整流电路侧采用电压外环电流内环双环反馈的控制方法控制输入电流相位及每相直流母线电容电压之和，采用电压闭环反馈的方式对所述DC/DC变换电路中的高频逆变子模块M进行控制。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明PET拓扑可以通过控制直流母线两侧的功率平衡控制直流母线电容的电压波动，使得直流母线电容理论上不存在电压波动，仅作支撑电容使用，体积与重量大大减小。2、本发明由于直流母线电压通过其后连接的H桥子模块进行控制，因此不需要在整流侧的控制算法中额外进行各个H桥子模块直流母线电容电压的平衡控制。本发明可以广泛在电力系统领域中应用。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的高压侧整流电路示意图；
图3是本发明的DC/DC变换电路子模块内部结构示意图；
图4是本发明的第一种DC/AC变换电路结构示意图；
图5是本发明的第二种DC/AC变换电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明提供一种直流母线电容低波动的三相电力电子变压器拓扑结构，其包括高压整流电路、DC/DC变换电路和低压DC/AC逆变电路。高压整流电路的输入端与高压三相交流电网连接，高压整流电路的输出端经高压直流母线电容与DC/DC变换电路一端连接，DC/DC变换电路另一端经低压直流母线电容与低压DC/AC逆变电路输入端连接，低压DC/AC逆变电路输出端与低压三相交流电网连接。
上述实施例中，如图2所示，高压整流电路包括A、B、C三相级联H桥拓扑HBa、HBb、HBc，每相级联H桥拓扑结构相同，仅以其中A相级联H桥拓扑为例对高压整流电路进行详细介绍。A相级联H桥拓扑包括若干个级联的H桥整流子模块HBan，每一H桥整流子模块输出端均并联一高压直流母线电容Chax。第一个H桥整流子模块HBa1的一输入端经一电感连接高压三相交流电网A相整流输入端，第一个H桥整流子模块HBa1的另一输入端与第二个H桥整流子模块HBa2的一输入端连接，第二个H桥整流子模块HBa2的另一输入端与第三个H桥整流子模块HBa3的一输入端连接，依次类推；最后一个H桥整流子模块HBan的另一输入端经高压直流母线与B相、C相级联H桥拓扑HBb、HBc中的最后一个H桥整流子模块连接。
其中，每一H桥整流子模块均包括两个并联的桥臂，每个桥臂均由两个功率开关器件组成。
上述各实施例中，如图3所示，DC/DC变换电路包括m组高频逆变子模块M、3m输入n输出的中高频变压器和n个高频整流H桥，n和m均为自然数。m组高频逆变子模块M输出端经3m输入n输出的中高频变压器与n个高频整流H桥连接。
其中，每组高频逆变子模块M都包括三个高频逆变H桥，三个高频逆变H桥的输入端分别与高压直流母线电容Chax、Chbx、Chcx并联，经高频逆变H桥将输入的直流母线电压逆变成高频方波。其中，连接每组高频逆变子模块M的三个高压直流母线电容Chax、Chbx、Chcx分别来自A、B、C三相对应位置的直流母线，三个高频逆变H桥分别经三相高压直流母线电容Chax、Chbx、Chcx与H桥整流子模块HBax、HBbx、HBcx连接。每一高频逆变H桥的输出端分别与中高频变压器的3m个输入端连接。中高频变压器的n个输出端分别连接一高频整流H桥输入端，由高频整流H桥将高频方波整流成直流低压。各高频整流H桥输出端分别并联一低压直流母线电容Clx。
上述各实施例中，各低压直流母线电容Clx之间可以进行灵活的连接，最终并联成为k个低压直流母线连接至低压DC/AC逆变电路。低压DC/AC逆变电路可以根据低压直流母线的数量采用多种拓扑形式。例如，当低压直流母线电容最终并联成为单个低压直流母线时，单个低压直流母线连接低压DC/AC逆变电路，此时该低压DC/AC逆变电路为三相逆变电路，三相逆变电路可采用三相H桥拓扑；如图4所示，低压DC/AC逆变电路也可采用三相多电平逆变电路，如二极管钳位多电平电路或ANPC形式。当低压直流母线电容最终并联成为3个低压直流母线时，每个低压直流母线均连接一低压DC/AC逆变电路，此时低压DC/AC逆变电路为单相逆变电路，每3个相邻的单相逆变电路输出的交流电压相位互差120°，组合成三相低压侧输出，如图5所示，单相逆变电路也可以采用多电平电路拓扑。
综上所述，本发明在高压整流电路侧采用电压外环电流内环双环反馈的控制方法控制输入电流相位及每相直流母线电容电压之和，而为了保证每个分立高压直流母线电容电压均衡且无二倍频波动，采用电压闭环反馈的方式对DC/DC变换电路中的高频逆变子模块M进行控制，保证每个高压直流母线上输出功率与输入功率相一致，使得每个高压直流母线电容电压均衡且无二倍频波动。
由于DC/DC变换电路中每个高频逆变子模块M的三个输入端口连接的分立高压直流母线电容，另一侧分别与A、B、C三相对应高频整流H桥连接，可知输入M中三个高频逆变H桥的功率在相位上互差120°，且存在二倍频波动，而输入的三相功率经过三个高频逆变子模块M输入中高频变压器，在中高频变压器铁芯中三相功率的二倍频波动相互抵消，变为六倍频波动。变压器连接高频整流H桥得到无二倍频波动的直流电压，再连接低压直流母线。由此输入功率的二倍频波动通过中高频变压器得到抵消，而不存在于直流母线电容中，使得直流母线电容只需要选择容值较小的支撑电容，大大减小了电容体积。
上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (7)

1.一种直流母线电容低波动的三相电力电子变压器拓扑结构，其特征在于：该拓扑结构包括高压整流电路、DC/DC变换电路和低压DC/AC逆变电路；所述高压整流电路的输入端与高压三相交流电网连接，所述高压整流电路的输出端经高压直流母线电容与所述DC/DC变换电路一端连接，所述DC/DC变换电路另一端经低压直流母线电容与所述低压DC/AC逆变电路输入端连接，所述低压DC/AC逆变电路输出端与低压三相交流电网连接。
2.如权利要求1所述的一种直流母线电容低波动的三相电力电子变压器拓扑结构，其特征在于：所述高压整流电路包括A、B、C三相级联H桥拓扑，每相级联H桥拓扑结构相同，每相级联H桥拓扑均包括若干个级联的H桥整流子模块，每一H桥整流子模块输出端均并联一高压直流母线电容；第一个所述H桥整流子模块的一输入端经一电感连接高压三相交流电网A相整流输入端，第一个所述H桥整流子模块的另一输入端与第二个所述H桥整流子模块的一输入端连接，第二个所述H桥整流子模块的另一输入端与第三个所述H桥整流子模块的一输入端连接，依次类推；最后一个所述H桥整流子模块的另一输入端经高压直流母线与其余两相级联H桥拓扑中的最后一个所述H桥整流子模块连接。
3.如权利要求2所述的一种直流母线电容低波动的三相电力电子变压器拓扑结构，其特征在于：每一所述H桥整流子模块均包括两个并联的桥臂，每个所述桥臂均由两个功率开关器件组成。
4.如权利要求1所述的一种直流母线电容低波动的三相电力电子变压器拓扑结构，其特征在于：所述DC/DC变换电路包括m组高频逆变子模块M、3m输入n输出的中高频变压器和n个高频整流H桥，n和m均为自然数；所述m组高频逆变子模块M输出端经所述中高频变压器与所述n个高频整流H桥连接。
5.如权利要求4所述的一种直流母线电容低波动的三相电力电子变压器拓扑结构，其特征在于：每组所述高频逆变子模块都包括三个高频逆变H桥，三个所述高频逆变H桥的输入端分别与三相所述高压直流母线电容Chax、Chbx、Chcx并联，三个所述高频逆变H桥分别经三相所述高压直流母线电容Chax、Chbx、Chcx与所述H桥整流子模块HBax、HBbx、HBcx连接；每一所述高频逆变H桥的输入端都与一高压直流母线电容并联，每一所述高频逆变H桥的输出端分别与所述中高频变压器的3m个输入端连接；所述中高频变压器的n个输出端分别连接一所述高频整流H桥输入端，各所述高频整流H桥输出端分别并联一低压直流母线电容。
6.如权利要求1所述的一种直流母线电容低波动的三相电力电子变压器拓扑结构，其特征在于：各所述低压直流母线电容之间最终并联成为k个低压直流母线连接至所述低压DC/AC逆变电路。
7.如权利要求1所述的一种直流母线电容低波动的三相电力电子变压器拓扑结构，其特征在于：高压整流电路侧采用电压外环电流内环双环反馈的控制方法控制输入电流相位及每相直流母线电容电压之和，采用电压闭环反馈的方式对所述DC/DC变换电路中的高频逆变子模块M进行控制。
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