CN204835971U - 一种多端口电力电子变压器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种多端口电力电子变压器，电力电子变压器包括整流级、中间隔离级，整流级由M个混合级联模块级联而成，混合级联模块包括H桥整流模块和n个子模块，H桥整流模块的输入端通过级联后接入电网，H桥整流模块的输出端与所述n个子模块串联后的模块的输入端连接，M*n个子模块的输出端分别与与之相应的隔离模块的输入端连接；M*n个隔离模块的输出端口都作为电力电子变压器的直流输出端口，直流输出端口根据所需电压等级和输出容量串并联。本实用新型特别适合于高压电变换到多端口低电压场合应用；能够满足相同直流端数量下，器件数量减少，大幅度节约成本；全模块化的结构使得容量拓展性好。
Description
技术领域
本实用新型涉及电力设备技术领域，尤其涉及电力电子变压器。
背景技术
近年来，随着大功率电力电子器件技术与现代控制理论的发展，一种通过电力电子技术实现电能变换的设备——电力电子变压器(PowerElectronicTransformer，PET)正越来越受到国内外学者的重视。目前已有用于配电网的电力电子变压器设备投入运行。PET由于其高可控性、高供电质量以及谐波少的优良特性有着广阔的应用前景。但现有结构的电力电子变压器也存在一些缺点，特别是多电源场合下的应用。
传统的多电平拓扑结构，随着电平数和直流端口的增加，所需的电力电子器件以及拓扑的复杂程度都将大大增加。而本实用新型中，设计了基于混合级联结构的多端口电力电子变压器，级联H桥与多个直流输出子模块连接，特别适合于高电压变换到较低直流电压或直流侧电流数需求较多的应用场合，如分布式储能系统、电动汽车充电等。前级整流器桥臂电压变化率(dv/dt)和电流变化率(di/dt)都较低，开关器件承受的电压应力小，且直流侧电容的耐压值、容量和体积大大减小。交流侧电平数比传统电力电子变压器多，各次谐波含有率和总谐波畸变率也大大降低，从而可以减小甚至省去大容量的交流滤波器。全模块化的结构也使得容量拓展和冗余设计更为容易。
现有的技术方案一：包括模块化多电平整流器、隔离级和逆变器，模块化多电平整流器包括多个子模块，逆变器包括多个相互并联连接的功率变换模块。现有技术一的缺点：(1)高压侧电平数少，谐波含量较高。(2)逆变器电路包括多个功率变换模块，器件冗余，成本高。
现有的技术方案一：包括模块化多电平整流器、隔离级和逆变器，模块化多电平整流器包括多个子模块，逆变器包括多个相互并联连接的功率变换模块。现有技术一的缺点：(1)高压侧电平数少，谐波含量较高。(2)逆变器电路包括多个功率变换模块，器件冗余，成本高。
实用新型内容
为了解决以上技术问题，本实用新型提供一种基于混合级联结构的多端口电力电子变压器及其控制方法。
本实用新型的技术方案如下：
一种多端口电力电子变压器，其特征在于：所述电力电子变压器拓扑结构包括整流级和中间隔离级，整流级包括M个混合级联模块，所述混合级联模块包括一个H桥整流模块和与之连接的n个子模块串联而成的模块，中间隔离级包括M*n个隔离模块；H桥整流模块的输入端作为混合级联模块的输入端，所述H桥整流模块的输入端通过级联后接入电网，所述H桥整流模块的输出端与所述n个子模块串联而成的模块的两个输入端连接，每个子模块的输出端作为混合级联模块的输出端，每个子模块具有两个输出端，M*n个整流子模块的输出端分别和与之相应的隔离模块的输入端连接；所述M*n个隔离模块的输出端均作为电力电子变压器的直流输出端，直流输出端根据所需电压等级和输出容量串并联；
所述子模块包括半桥电路和电容，所述半桥电路与所述电容并联。
所述的一种多端口电力电子变压器，其特征在于：还包括DC-AC逆变器，所述的直流输出端并联形成直流母线，所述直流母线接入所述DC-AC逆变器直流侧，所述的DC-AC逆变器交流侧连接低压交流电网。
所述的一种多端口电力电子变压器，其特征在于：所述的DC-AC逆变器包括全桥逆变电路和LC滤波电路，所述的逆变电路由储能电容和六个带反并联二极管的IGBT构成，所述的储能电容包括上级电容和下级电容，上级电容和下级电容为串联关系。
所述的隔离模块包括由逆变电路、中频变压器、整流电路，所述的逆变电路输入端分别与所述的整流级的子模块输出端连接；所述的中频变压器高压侧与逆变电路输出端连接；所述的整流电路与中频变压器低压侧连接。
所述的逆变电路为单相全桥逆变电路，所述的逆变电路由四个带反并联二极管的IGBT构成；所述的整流电路为全桥整流电路，所述的整流电路由四个带反并联二极管的IGBT构成。
所述的一种多端口电力电子变压器，其特征在于：其控制电路包括：
整流级第一控制电路，用于控制H桥整流模块；
整流级第二控制电路，用于控制整流级子模块；
中间隔离级第一功率计算电路，用于计算中间隔离级模块功率。
所述整流级第一控制电路包括：
总电压合成电路，计算整流级直流侧总电压并将输出给电压外环PI控制器和所述的整流级第二控制电路；
参考电压放大电路，将各模块直流侧电压参考值U_ref放大n倍，并发送给电压外环PI控制器；
PLL锁相环电路，用于获取瞬时电压Us的相位；
正弦发生电路，与所述PLL锁相环连接，用于根据PLL锁相环获取的Us相位，得到与Us同相的正弦信号Sinwt；
电压外环PI控制器，用于对直流侧总电压与n倍各子模块直流侧参考电压Udc_ref的差值进行PI调节，得到高压交流电网侧电流参考值Is*；
电流内环P控制器，用于对高压交流电网侧电流Is与高压交流电网侧电流参考值Is*的差值进行P调节，得到级联H桥模块调制信号。
所述整流级第二控制电路包括：
除法电路，用于计算各子模块直流输出平均电压V_ref；
PI控制器，用于对直流输出平均电压V_ref与各子模块直流输出电压Udc1、Udc2…Udcn的差值进行PI调节，得到各子模块调制信号。
所述中间隔离级第一功率计算电路，包括：
低通滤波器LPF，用于将脉冲直流信号id1、id2…idn转变成连续直流信号
功率计算单元，通过Uco分别与相乘，计算出各个隔离级传输的功率；
中间隔离级第一PI控制器，用于将低压侧直流输出电压Uco与低压侧直流输出电压参考值的差值进行PI控制，得到中间隔离级传输的总功率参考值，将其除以n，即得到各中间隔离级传输功率的参考值PDAB；
中间隔离级第二PI控制器，用于将各个中间隔离级传输的功率PDAB1、PDAB2…PDABn与中间隔离级传输功率的参考值PDAB的差值进行PI调节，得到各隔离模块移相控制角
相对于现有技术，本实用新型技术方案的有益效果如下：
(1)采用混合级联拓扑结构，特别适合于高压电变换到多端口低电压场合应用；
(2)除实现传统电力电子变压器功能，还能满足相同直流端数量下，电力电子器件的大量减少，大幅度节约成本；
(3)整流后直流电源多，电压小，可减小电容耐压值，减小电容体积；
(4)使用简单的算法就可以使电容电压达到平衡；
(5)全模块化的结构使得容量拓展更方便，子模块数量根据需求增减。
附图说明
图1是本发明的一个优选实施例的系统结构图；
图2是本发明的一个优选实施例的混合级联模块结构图；
图3是本发明的一个优选实施例的中间隔离级结构图；
图4是本发明的一个优选实施例的混合级联模块的电压外环电流内环双闭环控制框图；
图5是本发明的一个优选实施例的中间隔离级的功率闭环移相控制框图；
图6是本发明的一个优选实施例的逆变器的电压外环电流内环双闭环控制框图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本实用新型的技术方案。
图1所示，一种多端口电力电子变压器由三级结构组成，整流级、中间隔离级和输出级。整流级为混合级联结构，其中输入的高压交流电经H桥级联整流，得到不稳定的直流电压，再通过每个子模块的均衡充放电，达到电容电压的基本平衡。中间隔离级为双向全桥变换器(DAB)，控制能量流动，其中中频变压器(MFT)实现电压等级变换和隔离作用，MFT的漏抗需足够大，从而满足额定功率下所需要的原边和副边电压的相移。DAB输出端口为直流电输出，可单独接入电动汽车充电桩，光伏系统，直流电源，直流储能系统等，也可以并联形成直流母线，从而形成多端口输出。直流输出端可根据所需电压等级和输出容量自由串并联，灵活适应不同应用场合。在直流母线接入DC/AC逆变器，可形成交流输出，为交流系统供电。其中交流输出部分为三相全桥逆变器，直流侧由两个电容串联组成，分别为上级电容和下级电容。功率电路为三相全桥逆变电路，经滤波后可接入配网。
其工作原理为：高压交流电经级联H桥和子模块整流后，得到稳定的直流电压，实现每个子模块的均衡充放电，达到电容电压的基本平衡，维持每级直流电压的恒定，并控制高压侧交流电流谐波与功率因数。中间隔离级将子模块电容上的直流电压进行降压和隔离，DAB拓扑结构中所有的功率器件都采用全控型器件，能实现功率流动无缝控制。有功功率从相位角超前的单相全桥流动到相位角滞后的单相全桥，功率大小由相角差值和DAB两端直流电压大小差值决定，通过闭环控制保持直流端口输出电压的稳定或传输功率的恒定。从而，直流端口可作为电动汽车充电桩，光伏系统，直流电源，直流储能系统及直流负载系统的接口，也可通过DC/AC逆变器将直流变成三相交流电，供给三相交流系统。
其具体实施过程为：
(1)整流级
整流级控制如所示，它由外环直流总电压调节器、内环电流控制器、子模块电压调节器、锁相同步环节和触发脉冲生成等环节组成。内环电流控制器实现换流器交流侧电流波形和相位的直接控制，以快速跟踪参考电流。外环直流总电压控制则根据系统级控制目标实现定直流电压控制。子模块将各级总电压平均值作为电压参考值，通过反馈每级电容电压，实时调节每个电容上电压均衡稳定，达到所有模块电压相同。锁相环节输出的相位信号用于提供电压矢量定向控制和触发脉冲生成所需的基准相位。
(2)中间隔离级
DAB使用移相控制使低压侧直流电压达到指定值，如图5所示。首先，比较低压侧直流电压与设定参考值，得到它们的差值，再由PI控制器得出DAB参考功率；同时采集DAB副边电流，经过低通滤波器后与副边电压相乘求出DAB模块反馈功率，最后与DAB参考功率求差值通过PI控制器调节各DAB模块移相角，从而达到控制低压侧功率的目的，当高压侧系统发生不平衡时，低压侧系统仍然可以维持原有的平衡状态。
(3)输出级
输出级中的直流端口直接从DAB副边接出，如电动汽车充电桩端口，控制方法采用基于功率反馈的功率均衡控制策略，如上图5DAB移相控制所示。
输出级中的交流端口由直流母线接DC/AC逆变器形成，交流输出通过电流内环和电压外环双闭环控制，实现输出的恒频恒压，控制框图如图6所示。先将输出电压、电感电流值经过DQ变换后分别得到输出电压与电感电流的d轴和q轴分量，然后将输出电压d、q分量分别与参考电压相比较，误差信号经电压PI调节器后作为电流内环参考值。采用电流内环无差拍控制，将电流参考值与电感电流d、q分量分别比较，所得误差信号经过电流内环无差拍调节器后，得到d、q轴分量的输出波形。最后将输出波形经过DQ反变换得到调制波，进行SPWM调制，产生脉冲驱动三相全桥电路，得到稳定的三相交流电压。电压外环电流内环的双闭环控制方式中，电感电流内环能够快速抑制负载扰动影响，获得较好的系统动态响应性能。电压外环可以改善输出电压波形，提高输出精度。
Claims (7)
1.一种多端口电力电子变压器，其特征在于：所述电力电子变压器拓扑结构包括整流级和中间隔离级，整流级包括M个混合级联模块，所述混合级联模块包括一个H桥整流模块和与之连接的n个子模块串联而成的模块，中间隔离级包括M*n个隔离模块；H桥整流模块的输入端作为混合级联模块的输入端，所述H桥整流模块的输入端通过级联后接入电网，所述H桥整流模块的输出端与所述n个子模块串联而成的模块的两个输入端连接，每个子模块的输出端作为混合级联模块的输出端，每个子模块具有两个输出端，M*n个整流子模块的输出端分别和与之相应的隔离模块的输入端连接；所述M*n个隔离模块的输出端均作为电力电子变压器的直流输出端，直流输出端根据所需电压等级和输出容量串并联；
所述子模块包括半桥电路和电容，所述半桥电路与所述电容并联。
2.根据权利要求1所述的一种多端口电力电子变压器，其特征在于：还包括DC-AC逆变器，所述的直流输出端并联形成直流母线，所述直流母线接入所述DC-AC逆变器直流侧，所述的DC-AC逆变器交流侧连接低压交流电网。
3.根据权利要求2所述的一种多端口电力电子变压器，其特征在于：所述的DC-AC逆变器包括全桥逆变电路和LC滤波电路，所述的逆变电路由储能电容和六个带反并联二极管的IGBT构成，所述的储能电容包括上级电容和下级电容，上级电容和下级电容为串联关系。
4.根据权利要求1所述的一种多端口电力电子变压器，其特征在于：电力电子变压器的控制电路包括：
整流级第一控制电路，用于控制H桥整流模块；
整流级第二控制电路，用于控制整流级子模块；
中间隔离级第一功率计算电路，用于计算中间隔离级模块功率。
5.根据权利要求4所述的一种多端口电力电子变压器，其特征在于，所述整流级第一控制电路包括：
总电压合成电路，计算整流级直流侧总电压并将输出给电压外环PI控制器和所述的整流级第二控制电路；
参考电压放大电路，将各模块直流侧电压参考值U_ref放大n倍，并发送给电压外环PI控制器；
PLL锁相环电路，用于获取瞬时电压Us的相位；
正弦发生电路，与所述PLL锁相环连接，用于根据PLL锁相环获取的Us相位，得到与Us同相的正弦信号Sinwt；
电压外环PI控制器，用于对直流侧总电压与n倍各子模块直流侧参考电压Udc_ref的差值进行PI调节，得到高压交流电网侧电流参考值Is*；
电流内环P控制器，用于对高压交流电网侧电流Is与高压交流电网侧电流参考值Is*的差值进行P调节，得到级联H桥模块调制信号。
6.根据权利要求4所述的一种多端口电力电子变压器，其特征在于：所述整流级第二控制电路包括：
除法电路，用于计算各子模块直流输出平均电压V_ref；
PI控制器，用于对直流输出平均电压V_ref与各子模块直流输出电压Udc1、Udc2…Udcn的差值进行PI调节，得到各子模块调制信号。
7.根据权利要求4所述的一种多端口电力电子变压器，其特征在于，所述中间隔离级第一功率计算电路，包括：
低通滤波器LPF，用于将脉冲直流信号id1、id2…idn转变成连续直流信号
功率计算单元，通过Uco分别与相乘，计算出各个隔离级传输的功率；
中间隔离级第一PI控制器，用于将低压侧直流输出电压Uco与低压侧直流输出电压参考值的差值进行PI控制，得到中间隔离级传输的总功率参考值，将其除以n，即得到各中间隔离级传输功率的参考值PDAB；
中间隔离级第二PI控制器，用于将各个中间隔离级传输的功率PDAB1、PDAB2…PDABn与中间隔离级传输功率的参考值PDAB的差值进行PI调节，得到各隔离模块移相控制角
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