CN107171578B

CN107171578B - 两级变换型交流-直流电力电子变压器

Info

Publication number: CN107171578B
Application number: CN201710480255.6A
Authority: CN
Inventors: 李子欣; 王平; 李耀华; 高范强; 徐飞; 马逊
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2017-06-22
Filing date: 2017-06-22
Publication date: 2019-07-30
Anticipated expiration: 2037-06-22
Also published as: CN107171578A

Abstract

一种两级变换型交流‑直流电力电子变压器，包含三台滤波电感L_ga、L_gb和L_gc，三台级联型变流器CC_A、和CC_B和CC_C，三个低频阻隔电容器C_LFB1、C_LFB2和C_LFB3，三台高频隔离变压器T_HF1、T_HF2和T_HF3，以及三台高频整流器REC₁、REC₂和REC₃。所述的两级变换型交流‑直流电力电子变压器包括低频交流到高频交流的直接AC/AC变换器和高频交流到直流的AC/DC变换器两级变换。级联型变流器CC_A、和CC_B和CC_C的实现电能由低频交流到高频交流的直接AC/AC变换，高频整流器REC₁、REC₂和REC₃实现电能的高频AC/DC变换。相比电力电子变压器的已有拓扑，本发明的电能转换级数少，开关器件数量少，运行效率高。

Description

两级变换型交流-直流电力电子变压器

技术领域

本发明涉及一种电力电子变压器，特别涉及一种两级型高压交流输入-直流输出的电力电子变压器。

背景技术

电力电子变压器作为现代智能电网中的新型电气设备，一般通过电力电子变流器+高频隔离变压器的方式实现电气隔离、电压变换、功率传输等多种功能。由于采用数百Hz到数十kHz高频变压器实现电气隔离，因此电力电子变压器比传统的工频变压器所需的铁芯材料更少。另外，由于电力电子变压器和可以提供直流接口，具备光伏等可再生能源直接接入能力，同时可以补偿交流电网无功和谐波，隔离原副边故障等多种功能，在智能电网、能源互联网、轨道交通机车牵引等领域具有广泛的应用前景。

但是，对于10kV或更高电压等级的应用而言，目前的技术方案下，电力电子变压器从输入到输出通常需要多级电力电子变换器对电能进行AC/DC、DC/AC或者AC/AC的变换。多级电能变换器的存在严重影响了电力电子变压器系统效率的提高，也使得系统结构复杂，电力电子器件数量众多，造价高且可靠性差。例如，对于连接高压交流电网、低压直流输出的电力电子变压器来说，现有的电路拓扑通常要经过多级的电力电子变换器：发明专利CN02139030、CN200910025824、CN200910238441、CN201310016540、CN201410135384等均是经过了AC(工频)/DC、DC/AC(高频)和AC(高频)/DC三级电能变换器，并采用高频变压器实现不同端口之间的电气隔离；另外，发明专利CN201510078708中电力电子变压器采用的工频变压器，且两个交流端口之间通过VSC存在电气连接，不能实现交流端口之间的电气隔离。

发明内容

本发明的目的旨在克服现有电力电子变压器电路拓扑从输入到输出经过的电能变换级数多、效率低，以及半导体开关器件数量多，可靠性差等缺点，提出一种两级变换型交流-直流电力电子变压器及其控制方法。本发明只用两级电力电子变换器级便可实现交流-直流变换，且可高频隔离。

本发明两级变换型交流-直流电力电子变压器包含三台滤波电感L_ga、L_gb和L_gc，三台级联型变流器CC_A、CC_B和CC_C，三个低频阻隔电容器C_LFB1、C_LFB2和C_LFB3，三台高频隔离变压器T_HF1、T_HF2和T_HF3，以及三台高频整流器REC₁、REC₂和REC₃。所述的两级变换型交流-直流电力电子变压器的交流端口包括A、B、C三个连接端子，直流端口包括P和N两个连接端子，功率可以在交流端口A、B、C与直流端口P、N之间双向流动。

三个滤波电感L_ga、L_gb和L_gc分别有一个端子连接到所述变压器交流端口的A、B、C三个连接端子上，三个滤波电感L_ga、L_gb和L_gc的另外三个端子分别作为所述变压器的连接端子T₁、T₂和T₃；三台级联型变流器CC_A、CC_B和CC_C均由数量相同的子模块SM在交流侧依次串联连接组成，三台级联型变流器CC_A、CC_B和CC_C均有一端连接到中性点M上，三台级联型变流器CC_A、CC_B和CC_C的另外一端分别连接到所述变压器的三个连接端子T₁、T₂、T₃；三台高频隔离变压器T_HF1、T_HF2和T_HF3的原边绕组均有一个端子连接到中性点M上，高频隔离变压器T_HFx的原边绕组未连接到中性点M的另外一个端子与低频阻隔电容器C_LFBx串联后，连接到端子T_x，x＝1，2，3；高频隔离变压器T_HFx的副边绕组连接到高频整流器REC_x的交流侧，x＝1，2，3；高频整流器REC₁、REC₂和REC₃的直流侧正极均连接到所述变压器的直流端口连接端子P；高频整流器REC₁、REC₂和REC₃的直流侧负极均连接到所述变压器的直流端口连接端子N。

所述的两级变换型交流-直流电力电子变压器包括低频交流到高频交流的直接AC/AC变换器和高频交流到直流的AC/DC变换器两级变换，级联型变流器CC_A、和CC_B和CC_C实现电能由低频交流到高频交流的直接AC/AC变换，高频整流器REC₁、REC₂和REC₃实现电能的高频AC/DC变换。

所述的两级变换型交流-直流电力电子变压器中的级联型变流器CC_A、CC_B和CC_C的参考电压均由两部分组成，分别为：

u_CCA＝u_{CCA_convention_control}+u_{square_HF_CM}

u_CCB＝u_{CCB_convention_control}+u_{square_HF_CM}

u_CCC＝u_{CCC_convention_control}+u_{square_HF_CM}

其中，u_{CCA_convention_control}为级联型变流器CC_A传统的电容电压外环+电流内环的双闭环控制及子模块SM的均压控制后的低频输出电压、u_{CCB_convention_control}为级联型变流器CC_B传统的电容电压外环+电流内环的双闭环控制及子模块SM的均压控制后的低频输出电压，u_{CCC_convention_control}为级联型变流器CC_C传统的电容电压外环+电流内环的双闭环控制及子模块SM的均压控制后的低频输出电压，u_{square_HF_CM}为级联型变流器CC_A、CC_B和CC_C的高频方波共模电压，u_{square_HF_CM}的占空比50％，频率为f_{square_HF}。

由于级联型变流器CC_A、CC_B和CC_C星形连接于M点，且所述两级变换型交流-直流电力电子变压器的交流端口为三相三线制，不存在共模回路，而三个变流器中的高频方波电压u_{square_HF_CM}为共模电压，因此其不会在三相交流侧产生高频电流，只会影响并联连接到级联型变流器CC_A、CC_B和CC_C的低频阻隔电容器C_LFB1、C_LFB2和C_LFB3，以及三台高频隔离变压器T_HF1、T_HF2和T_HF3的原边电路。

所述的两级变换型交流-直流电力电子变压器中的低频阻隔电容器C_LFB1、C_LFB2和C_LFB3阻隔了级联型变流器CC_A、和CC_B和CC_C输出电压的低频成分u_{CCA_convention_control}、u_{CCB_convention_control}和u_{CCC_convention_control}，而高频方波共模电压u_{square_HF_CM}将级联型变流器CC_A、和CC_B和CC_C的电能从高频隔离变压器T_HF1、T_HF2和T_HF3的原边传递到副边，其特征在于：低频阻隔电容器C_LFB1、C_LFB2和C_LFB3分别与高频隔离变压器T_HF1、T_HF2和T_HF3的漏感组成的串联谐振电路的谐振频率等于f_{square_HF}，高频整流器REC₁、REC₂和REC₃的交流侧电压均为占空比为50％的方波，且与u_{square_HF}的频率及相位均相同，高频整流器REC₁、REC₂和REC₃均为零电流开关的软开关方式实现了电能的高频AC/DC变换。

附图说明

图1为本发明两级变换型交流-直流电力电子变压器电路原理图；

图2为本发明两级变换型交流-直流电力电子变压器中级联型变流器A、B、C内的子模块SM以及中高频整流器REC₁、REC₂、REC₃的一种共同的具体实现电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1为本发明两级变换型交流-直流电力电子变压器电路原理图：本发明两级变换型交流-直流电力电子变压器包含三台滤波电感L_ga、L_gb和L_gc，三台级联型变流器CC_A、CC_B和CC_C，三个低频阻隔电容器C_LFB1、C_LFB2和C_LFB3，三台高频隔离变压器T_HF1、T_HF2和T_HF3，以及三台高频整流器REC₁、REC₂和REC₃。所述的两级变换型交流-直流电力电子变压器交流端口包括A、B、C三个连接端子，直流端口包括P和N两个连接端子，功率可以在交流端口A、B、C与直流端口P、N之间双向流动。三个滤波电感L_ga、L_gb和L_gc分别有一个端子连接到所述变压器交流端口的三个连接端子A、B、C上，三个滤波电感L_ga、L_gb和L_gc的另外三个端子分别作为所述变压器的连接端子T₁、T₂和T₃；三台级联型变流器CC_A、CC_B和CC_C均由数量相同的子模块SM在交流侧依次串联连接组成。三台级联型变流器CC_A、CC_B和CC_C均有一端连接到中性点M上，三台级联型变流器CC_A、CC_B和CC_C的另外一端分别连接到三个连接端子T₁、T₂、T₃。三台高频隔离变压器T_HF1、T_HF2和T_HF3的原边绕组均有一个端子连接到中性点M上，高频隔离变压器T_HFx原边绕组未连接到中性点M的另外一个端子与低频阻隔电容器C_LFBx串联后连接到端子T_x，此处x＝1，2，3；高频隔离变压器T_HFx副边绕组连接到高频整流器REC_x的交流侧，x＝1，2，3；高频整流器REC₁、REC₂、REC₃的直流侧正极均连接到直流端口的连接端子P；高频整流器REC₁、REC₂、REC₃的直流侧负极均连接到直流端口的连接端子N。

所述的两级变换型交流-直流电力电子变压器包括低频交流到高频交流的直接AC/AC变换器和高频交流到直流的AC/DC变换器两级变换，级联型变流器CC_A、和CC_B和CC_C的实现电能由低频交流到高频交流的直接AC/AC变换，而高频整流器REC₁、REC₂和REC₃实现电能的高频AC/DC变换。

所述的两级变换型交流-直流电力电子变压器中的级联型变流器CC_A、和CC_B和CC_C的参考电压均由两部分组成，分别为：

u_CCA＝u_{CCA_convention_control}+u_{square_HF_CM}

u_CCB＝u_{CCB_convention_control}+u_{square_HF_CM}

u_CCC＝u_{CCC_convention_control}+u_{square_HF_CM}

其中，u_{CCA_convention_control}为级联型变流器CC_A传统的电容电压外环+电流内环的双闭环控制以及子模块SM的均压控制后的低频输出电压、u_{CCB_convention_control}为级联型变流器CC_B传统的电容电压外环+电流内环的双闭环控制以及子模块SM的均压控制后的低频输出电压，u_{CCC_convention_control}为级联型变流器CC_C传统的电容电压外环+电流内环的双闭环控制以及子模块SM的均压控制后的低频输出电压，u_{square_HF_CM}为级联型变流器CC_A、和CC_B和CC_C的高频方波共模电压，u_{square_HF_CM}的占空比50％，频率为f_{square_HF}。由于级联型变流器CC_A、和CC_B和CC_C星形连接于M点，且所述两级变换型交流-直流电力电子变压器的交流端口为三相三线制，不存在共模回路，而三个变流器中的高频方波电压u_{square_HF_CM}为共模电压，因此其不会在三相交流侧产生高频电流，只会影响并联连接到级联型变流器CC_A、和CC_B和CC_C的低频阻隔电容器C_LFB1、C_LFB2和C_LFB3以及三台高频隔离变压器T_HF1、T_HF2和T_HF3的原边电路。

图2为本发明两级变换型交流-直流电力电子变压器中级联型变流器A、B、C内的子模块SM以及中高频整流器1、2、3的一种共同的具体实现电路原理图：直流电容C_dc、开关T₁-T₄、二极管D₁-D₄、开关T₁与T₂的公共连接点为x，开关T₃与T₄的公共连接点为y，开关T₁和T₃的集电极均连接到直流电容C_dc的正极，开关T₂和T₄的发射极连接到直流电容C_dc的负极；开关T_x的集电极与二极管D_x阴极连接在一起，开关T_x的发射极与二极管D_x阳极连接在一起，此处的x＝1，2，3，4。当该电路作为级联型变流器A、B、C内的子模块SM时，端子x和y作为SM的交流端口连接端子，相邻的子模块SM中上一个子模块SM的端子x与下一个子模块SM的端子y连接在一起，多个子模块SM如此串联连接在一起构成级联型变流器A、B和C。当该电路作为中高频整流器1、2、3时，端子x和y作为中高频整流器1、2、3的交流侧连接端子，直流电容C_dc的正负极作为中高频整流器1、2、3的直流侧连接端子。

Claims

1.一种两级变换型交流-直流电力电子变压器，其特征在于：所述的电力电子变压器包含三台滤波电感L_ga、L_gb和L_gc，三台级联型变流器CC_A、和CC_B和CC_C，三个低频阻隔电容器C_LFB1、C_LFB2和C_LFB3，三台高频隔离变压器T_HF1、T_HF2和T_HF3，以及三台高频整流器REC₁、REC₂和REC₃；所述的两级变换型交流-直流电力电子变压器的交流端口包括A、B、C三个连接端子，直流端口包括P和N两个连接端子；功率能够在交流端口A、B、C与直流端口P、N之间双向流动；三个滤波电感L_ga、L_gb和L_gc分别有一个端子连接到三个连接端子A、B、C上，三个滤波电感L_ga、L_gb和L_gc的另外三个端子分别作为所述变压器的连接端子T₁、T₂和T₃；三台级联型变流器CC_A、CC_B和CC_C均由数量相同的子模块SM在交流侧依次串联连接组成，三台级联型变流器CC_A、CC_B和CC_C均有一端连接到中性点M上，三台级联型变流器CC_A、CC_B和CC_C的另外一端分别连接到三个连接端子T₁、T₂、T₃上；三台高频隔离变压器T_HF1、T_HF2和T_HF3的原边绕组均有一个端子连接到中性点M上，高频隔离变压器T_HFx原边绕组未连接到中性点M的另外一个端子与低频阻隔电容器C_LFBx串联后连接到端子T_x，高频隔离变压器T_HFx的副边绕组连接到高频整流器REC_x的交流侧，x＝1，2，3；高频整流器REC₁、REC₂、REC₃的直流侧正极均连接到直流端口连接端子P；高频整流器REC₁、REC₂、REC₃的直流侧负极均连接到直流端口连接端子N；

所述的电力电子变压器包括低频交流到高频交流的直接AC/AC变换器和高频交流到直流的AC/DC变换器两级变换；级联型变流器CC_A、CC_B和CC_C实现电能由低频交流到高频交流的直接AC/AC变换，高频整流器REC₁、REC₂和REC₃实现电能的高频AC/DC变换；

所述的级联型变流器CC_A、CC_B和CC_C的参考电压均由两部分组成，分别为：

u_CCA＝u_{CCA_convention_control}+u_{square_HF_CM}

u_CCB＝u_{CCB_convention_control}+u_{square_HF_CM}

u_CCC＝u_{CCC_convention_control}+u_{square_HF_CM}

其中，u_{CCA_convention_control}为级联型变流器CC_A传统的电容电压外环+电流内环的双闭环控制以及子模块SM的均压控制后的低频输出电压、u_{CCB_convention_control}为级联型变流器CC_B传统的电容电压外环+电流内环的双闭环控制以及子模块SM的均压控制后的低频输出电压，u_{CCC_convention_control}为级联型变流器CC_C传统的电容电压外环+电流内环的双闭环控制以及子模块SM的均压控制后的低频输出电压，u_{square_HF_CM}为级联型变流器CC_A、和CC_B和CC_C的高频方波共模电压，u_{square_HF_CM}的占空比50％，频率为f_{square_HF}。

2.如权利要求1所述的两级变换型交流-直流电力电子变压器，其特征在于：由于所述的级联型变流器CC_A、CC_B和CC_C星形连接于M点，且所述两级变换型交流-直流电力电子变压器的交流端口为三相三线制，不存在共模回路，而三个变流器中的高频方波电压u_{square_HF_CM}为共模电压，因此不会在三相交流侧产生高频电流，只会影响并联连接到级联型变流器CC_A、和CC_B和CC_C的低频阻隔电容器C_LFB1、C_LFB2和C_LFB3及三台高频隔离变压器T_HF1、T_HF2和T_HF3的原边电路。

3.如权利要求1所述的两级变换型交流-直流电力电子变压器，其特征在于：所述的低频阻隔电容器C_LFB1、C_LFB2和C_LFB3阻隔了级联型变流器CC_A、CC_B和CC_C输出电压的低频成分u_{CCA_convention_control}、u_{CCB_convention_control}和u_{CCC_convention_control}，高频方波共模电压u_{square_HF_CM}将级联型变流器CC_A、CC_B和CC_C的电能从高频隔离变压器T_HF1、T_HF2和T_HF3的原边传递到副边；低频阻隔电容器C_LFB1、C_LFB2和C_LFB3分别与高频隔离变压器T_HF1、T_HF2和T_HF3的漏感组成的串联谐振电路的谐振频率等于f_{square_HF}，高频整流器REC₁、REC₂和REC₃的交流侧电压均为占空比为50％的方波，且与串联谐振电路的谐振频率u_{square_HF}的频率及相位均相同，高频整流器REC₁、REC₂和REC₃均为零电流开关的软开关方式，实现电能的高频AC/DC变换。