CN203827197U - 一种模块化h桥级联型多电平互平衡电力电子变压器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种模块化H桥级联型多电平互平衡电力电子变压器，以IGBT为基本构成电力电子器件，利用有效的控制策略使得电力电子变压器满足四象限控制运行，可以进行双向潮流控制，并且主电路采用H桥级联型多电平模块化结构，方便大规模模块化生产，可以满足实际高电压等级应用，并使输出电压谐波含量更低，器件开关频率低，损耗更小，无均压问题。本专利提出的系统结构为AC/DC/AC方式，具备高压级、隔离级和低压级，在完成常规变压器变压、隔离、能量传递等功能的同时，亦可以完成潮流控制和电能质量调节功能。

Description

一种模块化H桥级联型多电平互平衡电力电子变压器

技术领域

本实用新型涉及一种变压器，具体涉及一种模块化H桥级联型多电平互平衡电力电子变压器。

背景技术

电力电子变压器又称为固态变压器或柔性变压器，它是以电力电子变流技术和电磁感应技术为基础的新型变压器，它彻底的改变了传统变压器的系统结构，在实现常规电力变压器电压等级变换、电气隔离和能量传递等基本功能的基础上，还可以实现双向潮流控制、电能质量控制等许多额外功能，是下一代智能电网建设的关键装备。采用全控型复合电力电子器件绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)，可以实现电力电子变压器的灵活控制，方便其能在四象限运行。然而目前该种器件的最高耐受电压低于6.5千伏，而我国目前的配电网低电压配电变压器也在10千伏以上，如果采用器件串联均压的方式，还必须另外加装均压电路和控制方法，即使是采用功率器件直接串联的两电平结构，也存在动、静均压问题，并且dv/dt较大，会产生难以处理的电磁干扰问题，存在着功率器件失效甚至击穿等隐患。因此受电力电子元器件发展水平的限制，适应于电网需求的高压、大功率、大电流的满足四象限运行的电力电子变压器离实用化还相距甚远。

多电平技术的提出，为中高压型大功率变流器的研究和应用提供了一条崭新思路，且具有两电平变流器不可相比的一系列优势，例如输出电压等级高、电压波形好、谐波小等，其主要有三种拓扑结构：二极管箝位型、飞跃电容箝位型、具有独立直流电压源的H桥级联型。飞跃电容箝位型多电平变流器需要大量大体积的电容，二极管箝位型多电平变流器存在固有的直流中点电位不平衡问题，H桥级联电压型多电平变流器不存在中点电位波动问题。目前的一些电力电子变压器技术不具备三相电能自动互平衡的能力，需要单独进行控制才能解决。

电力电子变压器是近年来随着大功率电力电子技术的发展而逐步发展起来的新型电力变压器。它在实现常规电力变压器电压等级变换、电气隔离和能量传递等基本功能的基础上，还可以实现潮流控制、电能质量控制等许多额外功能，这是因为它可以实际控制包括对电压(或电流)的幅值、相位、频率、相数、相序和波形等电能参数。

实用新型内容

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种模块化H桥级联型多电平互平衡电力电子变压器，以IGBT为基本构成电力电子器件，利用有效的控制策略使得电力电子变压器满足四象限控制运行，可以进行双向潮流控制，并且主电路采用H桥级联型多电平模块化结构，方便大规模模块化生产，可以满足实际高电压等级应用，并使输出电压谐波含量更低，器件开关频率低，损耗更小，无均压问题。本专利提出的系统结构为AC/DC/AC方式，具备高压级、隔离级和低压级，在完成常规变压器变压、隔离、能量传递等功能的同时，亦可以完成潮流控制和电能质量调节功能。

为了实现上述目的，本实用新型采取如下方案：

本发明提供一种模块化H桥级联型多电平互平衡电力电子变压器，所述电力电子变压器包括AC/DC整流器、DC/AC变流器、高频变压器、AC/DC变流器、低压级直流母线并联模块和DC/AC逆变器；所述AC/DC整流器通过高压直流母线连接所述DC/AC变流器，所述DC/AC变流器、高频变压器和AC/DC变流器依次连接，所述AC/DC变流器通过低压直流母线连接低压级直流母线并联模块，所述低压级直流母线并联模块连接所述DC/AC逆变器。

工频交流输入信号经过所述AC/DC整流器变换为第一直流电压信号，所述DC/AC变流器将所述第一直流电压信号调制为高频交流方波信号，所述高频交流方波信号经过所述高频变压器实现电压等级变换和电磁隔离，所述AC/DC变流器再将高频变压器输出的高频交流方波信号转换为第二直流电压信号，所述第二直流电压信号通过低压级直流母线并联模块输入给所述DC/DC逆变器，DC/AC逆变器将第二直流电压信号变换为所需的工频交流输出信号，实现对负载的供电。

所述AC/DC整流器由多个单相H桥变流器模块级联构成，以提高电力电子变压器输入测的电压等级；所述H桥变流器模块的级联数取决于电力电子变压器高压侧所接配电网的电压等级和所用功率器件的耐压水平，AC/DC整流器的三相电路采用星形结构。

所述DC/AC变流器由n个单相全桥DC/AC变流器模块组成，其直流侧通过高压直流母线与所述AC/DC整流器的直流侧连接，完成第一直流电压信号到高频交流方波信号的变换。

所述高频变压器每相绕组均采用n入三出的绕组结构，实现高/低压级高频交流方波信号电压等级变换和电气隔离。

所述AC/DC变流器由三个独立控制的单相全桥AC/DC变流器模块组成，完成高频交流方波信号到第二直流电压信号的变换。

所述AC/DC变流器的直流电压输出DC_Ai、DC_Bi和DC_Ci对应地并联，形成所述低压级直流母线并联模块的输出DC_a、DC_b和DC_c，其中i＝1、2、3。

所述DC/AC逆变器由三个单相全桥DC/AC变流器模块经LC滤波器输出所需要的工频交流输出信号，完成电力电子变压器的电压变换和电能传输。

所述高压直流母线和低压直流母线上分别设有多个直流电容。

所述AC/DC整流器和DC/AC逆变器分别位于高压级和低压级，所述高频AC/DC变流器、高频变压器和高频AC/DC变流器均位于隔离级。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

1.采用H桥级联型多电平结构，既可以降低器件使用数量、减少谐波影响又可以适应较高电压等级，并具有模块化结构特性；

2.采用三相子单元结构，即方便三相独立控制又可以实现模块化生产；

3.采用低压级直流母线对应并联的互平衡设计，可以实现当低压侧或高压侧系统发生三相不平衡时，不用采用特殊控制策略就能自动维持整个系统原有的平衡状态；

4.能够实现功率双向流动，既可以作为降压变压器，也可以作为升压变压器。

附图说明

图1是模块化H桥级联型多电平互平衡电力电子变压器结构图；

图2是本实用新型实施例中模块化H桥级联型多电平互平衡电力电子变压器结构图；

图3是本实用新型实施例中模块化H桥级联型多电平互平衡电力电子变压器电路拓扑结构图；

图4是本实用新型实施例中AC/DC整流器拓扑结构图；

图5是本实用新型实施例中DC/AC变流器拓扑结构图；

图6是本实用新型实施例中高频变压器拓扑结构图；

图7是本实用新型实施例中AC/DC变流器拓扑结构图；

图8是本实用新型实施例中低压级直流母线并联模块拓扑结构图；

图9是本实用新型实施例中DC/AC逆变器拓扑结构图；

图10是本实用新型实施例中高压级控制策略图；

图11是本实用新型实施例中隔离级控制策略图；

图12是本实用新型实施例中低压级控制策略图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

如图1-图3，本发明提供一种模块化H桥级联型多电平互平衡电力电子变压器，所述电力电子变压器包括AC/DC整流器、DC/AC变流器、高频变压器、AC/DC变流器、低压级直流母线并联模块和DC/AC逆变器；所述AC/DC整流器通过高压直流母线连接所述DC/AC变流器，所述DC/AC变流器、高频变压器和AC/DC变流器依次连接，所述AC/DC变流器通过低压直流母线连接低压级直流母线并联模块，所述低压级直流母线并联模块连接所述DC/AC逆变器。

工频交流输入信号经过所述AC/DC整流器变换为第一直流电压信号，所述DC/AC变流器将所述第一直流电压信号调制为高频交流方波信号，所述高频交流方波信号经过所述高频变压器实现电压等级变换和电磁隔离，所述AC/DC变流器再将高频变压器输出的高频交流方波信号转换为第二直流电压信号，所述第二直流电压信号通过低压级直流母线并联模块输入给所述DC/DC逆变器，DC/AC逆变器将第二直流电压信号变换为所需的工频交流输出信号，实现对负载的供电。

如图4，所述AC/DC整流器由多个单相H桥变流器模块级联构成，以提高电力电子变压器输入测的电压等级；所述H桥变流器模块的级联数取决于电力电子变压器高压侧所接配电网的电压等级和所用功率器件的耐压水平，AC/DC整流器的三相电路采用星形结构。AC/DC整流器的这种拓扑结构具有输入电压波形好、谐波含量少，电流波形质量良好和功率因数可调等优点。

如图5，所述DC/AC变流器由n个单相H桥DC/AC变流器模块组成，其直流侧通过高压直流母线与所述AC/DC整流器的直流侧连接，完成第一直流电压信号到高频交流方波信号的变换。

如图6，所述高频变压器频率通常工作在千赫兹(kHz)级别，高频化的目的主要是大幅缩小变压器的体积、减轻重量、减少散热以及提高变压器容量与效率等。高频变压器中每相绕组均采用n入三出的绕组结构，实现高/低压级高频交流方波信号电压等级变换和电气隔离。

如图7，所述AC/DC变流器由三个独立控制的单相H桥AC/DC变流器模块组成，完成高频交流方波信号到第二直流电压信号的变换。

如图9，所述DC/AC逆变器由三个单相H桥DC/AC变流器模块经LC滤波器输出所需要的工频交流输出信号，完成电力电子变压器的电压变换和电能传输。

H桥级联变流器直流侧电容是相互独立的，很容易实现各个级联模块直流电压的均衡控制。并且，每相均由结构相同的几个电压源型单相全桥变流器级联而成，因此易于实现模块化设计。由于其直流电源相对独立，若有H桥单元出现故障也可将其旁路，可靠性高。

低压级直流母线对应并联的互平衡设计，可以实现当低压侧或高压侧系统发生三相不平衡时，不用采用特殊控制策略就能自动维持整个系统原有的平衡状态。

如图8，AC/DC变流器的直流电压输出DC_Ai、DC_Bi和DC_Ci对应地并联，形成所述低压级直流母线并联模块的输出DC_a、DC_b和DC_c，其中i＝1、2、3。这种在低压母线直流侧交错并联的最大优点是从结构上解决了电力电子变压器高、低压侧系统不平衡的相互影响，而且自动提高了供电可靠性，只要一个子模块运行正常就能保证基本用电，大大提高了供电可靠性，而且其结构简单、控制方便，这也是本专利设计的电力电子变压器可以实现自动互平衡功能的关键所在。

如图2，所述AC/DC整流器和DC/AC逆变器分别位于高压级和低压级，所述高频AC/DC变流器、高频变压器和高频AC/DC变流器均位于隔离级。

如图10，所述高压级的控制目标包括高压级直流母线电压恒定和工频交流输入电流正弦和功率因数灵活可调；

位于高压级的AC/DC整流器采用双环控制策略，即直流电压外环和交流输入电流内环；

直流电压外环是为了控制AC/DC整流器直流侧电压恒定，交流输入电流内环是按照直流电压外环输出的有功电流指令值进行电流控制。如实现功率因数可调的正弦波电流控制，采用电网电压前馈解耦控制使三相AC/DC变换器电流内环(i_d,i_q)实现解耦，并且可消除电网电压扰动。采用前馈解耦控制策略，且电流调节器和电压调节器都采用PI控制器时的通过变换矩阵得到高压级H桥级联多电平变流器在dq坐标系下的数学模型方程式为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_d^{*}=-(k_{\mathrm{iP}}+\frac{k_{\mathrm{iI}}}{S})(i_d^{*}-i_d)+\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_q+e_d\\ u_q^{*}=-(k_{\mathrm{iP}}+\frac{k_{\mathrm{iI}}}{S})(i_q^{*}-i_q)-\mathrm{\ω}{\mathrm{Li}}_d+e_q\end{array}\right.$

其中，L为交流侧滤波电感，i_d,i_q分别为三相交流输入电流i_a,i_b,i_c的d、q轴分量；分别为d、q轴交流输入参考电流值；e_d,e_q分别为三相电网电压的d、q轴分量；分别为三相调制信号的d、q轴分量。

变换矩阵为：

$T_{\mathrm{abc}/\mathrm{dq}}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \cos (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& \cos (\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ -\sin \mathrm{\θ}& -\sin (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& -\sin (\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right]$

为维持直流电压总和的恒定，本专利采用PI控制，将实际直流电压总和除以H桥级联模块数得到实际直流电压平均值，将此平均值与给定直流电压平均值比较，输出经过PI(1)控制器后作为电流内环有功电流指令值。另外为了尽可能避免因为H桥体特性或电路参数不完全一致导致级联H桥之间直流电压不平衡，在直流电压控制环中，将单个H桥模块的直流电压与实际直流电压平均值比较，输出的偏差经过PI(2)控制器后作为相移补偿信号Δδ_i，用以修正各个级联H桥模块调制波的相角差，从而达到控制各个级联H桥模块直流电压恒定的目的，并采用载波移相SPWM调制技术。

交流电流内环采用状态反馈解耦控制，三相交流输入电流i_a,i_b,i_c经过坐标变换得到d、q轴分量i_d,i_q，分别与各自的电流指令值比较，得到的偏差经过PI(3)、PI(4)控制器，再与电网电压前馈信号e_d,e_q和i_d,i_q的交叉反馈解耦信号综合，最后作为d、q轴调制波指令电压信号，经过坐标变换后得到，输入到高压级调制信号发生器，产生开关控制信号，从而实现直流侧电压稳定控制和交流输入电流单位功率因数正弦控制。

如图11，所述隔离级的控制目标包括高压级和低压级的电气隔离和电压等级变换；连接高频变压器原边的DC/AC变流器将第一直流电压信号调制成高频交流方波信号，经高频变压器耦合至副边，再经连接其副边的AC/DC变流器变换为第二直流电压信号。

隔离级副边变换器的直流电压U_o与参考直流电压U_ref作差后，经PI调节得到原边变换器电压u_ab和副边变换器电压u_cd的移相角θ，通过控制移相角θ来实现副边变换器的定直流母线电压控制。

如图12，所述低压级的控制目标是无论在对称负载还是不对称负载的情况下实现相电压幅值恒定和得到正弦波形；低压级的DC/AC逆变器采用双环控制，外环为输出电压瞬时值控制，保持输出电压幅值不变；内环为滤波电容电流瞬时值控制，采用SPWM控制，使得电压跟踪给定正弦波，维持输出波形的良好正弦性。

在外环，测量得到输出相电压瞬时值u₀与正弦波参考电压u_ref比较，形成误差信号，经过PI控制器作为电流内环瞬时参考值，与反馈的滤波电容电流i_c相比较，误差量经过P控制器后得到调制波u_r，与三角波比较，形成脉冲信号驱动逆变器。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种模块化H桥级联型多电平互平衡电力电子变压器，其特征在于：所述电力电子变压器包括AC/DC整流器、DC/AC变流器、高频变压器、AC/DC变流器、低压级直流母线并联模块和DC/AC逆变器；所述AC/DC整流器通过高压直流母线连接所述DC/AC变流器，所述DC/AC变流器、高频变压器和AC/DC变流器依次连接，所述AC/DC变流器通过低压直流母线连接低压级直流母线并联模块，所述低压级直流母线并联模块连接所述DC/AC逆变器。

2.根据权利要求1所述的模块化H桥级联型多电平互平衡电力电子变压器，其特征在于：工频交流输入信号经过所述AC/DC整流器变换为第一直流电压信号，所述DC/AC变流器将所述第一直流电压信号调制为高频交流方波信号，所述高频交流方波信号经过所述高频变压器实现电压等级变换和电磁隔离，所述AC/DC变流器再将高频变压器输出的高频交流方波信号转换为第二直流电压信号，所述第二直流电压信号通过低压级直流母线并联模块输入给所述DC/DC逆变器，DC/AC逆变器将第二直流电压信号变换为所需的工频交流输出信号，实现对负载的供电。

3.根据权利要求1所述的模块化H桥级联型多电平互平衡电力电子变压器，其特征在于：所述AC/DC整流器由多个单相H桥变流器模块级联构成，以提高电力电子变压器输入测的电压等级；所述H桥变流器模块的级联数取决于电力电子变压器高压侧所接配电网的电压等级和所用功率器件的耐压水平，AC/DC整流器的三相电路采用星形结构。

4.根据权利要求1所述的模块化H桥级联型多电平互平衡电力电子变压器，其特征在于：所述DC/AC变流器由n个单相全桥DC/AC变流器模块组成，其直流侧通过高压直流母线与所述AC/DC整流器的直流侧连接，完成第一直流电压信号到高频交流方波信号的变换。

5.根据权利要求1所述的模块化H桥级联型多电平互平衡电力电子变压器，其特征在于：所述高频变压器每相绕组均采用n入三出的绕组结构，实现高/低压级高频交流方波信号电压等级变换和电气隔离。

6.根据权利要求1所述的模块化H桥级联型多电平互平衡电力电子变压器，其特征在于：所述AC/DC变流器由三个独立控制的单相全桥AC/DC变流器模块组成，完成高频交流方波信号到第二直流电压信号的变换。

7.根据权利要求1所述的模块化H桥级联型多电平互平衡电力电子变压器，其特征在于：所述AC/DC变流器的直流电压输出DC_Ai、DC_Bi和DC_Ci对应地并联，形成所述低压级直流母线并联模块的输出DC_a、DC_b和DC_c，其中i＝1、2、3。

8.根据权利要求1所述的模块化H桥级联型多电平互平衡电力电子变压器，其特征在于：所述DC/AC逆变器由三个单相全桥DC/AC变流器模块经LC滤波器输出所需要的工频交流输出信号，完成电力电子变压器的电压变换和电能传输。

9.根据权利要求1所述的模块化H桥级联型多电平互平衡电力电子变压器，其特征在于：所述高压直流母线和低压直流母线上分别设有多个直流电容。

10.根据权利要求1所述的模块化H桥级联型多电平互平衡电力电子变压器，其特征在于：所述AC/DC整流器和DC/AC逆变器分别位于高压级和低压级，所述高频AC/DC变流器、高频变压器和高频AC/DC变流器均位于隔离级。