CN107395001B - 基于无线电能传输的高压电力电子变压器驱动系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于无线电能传输的高压电力电子变压器驱动系统及方法，本发明利用谐振式无线电能传输技术，经电感线圈将谐振频率电能以远距离无线方式发送给接收端驱动装置，经过整流和DC/DC变换后生成生成开通和关断电压，为开关管开通关断所需电压和电能；无线电能传输手段可通过空气间隙实现高耐压的电气隔离，满足开关管驱动高压等级的电位参考点抬升和高电气隔离度的要求。驱动装置可应用不同的谐振频率，避免产生同频的电磁干扰，从物理上实现驱动供电互相分开，减少各开关管之间的电磁耦合和干扰。控制PWM电脉冲信号通过光电转换，以光信号在发送端驱动装置和接收端驱动装置间通过光纤传递，实现光耦隔离。
Description
技术领域
本发明属于配变电领域，尤其涉及一种基于无线电能传输的高压电力电子变压器驱动系统及方法。
背景技术
电力变压器是电力系统不可替代的核心设备，它承载电压变换、电气隔离和能量传输的重要作用，但传统电力变压器其功能过于单一，越来越不能满足电网对新型电力设备的要求。
电力电子变压器是将变压器的电磁感应原理与电力电子技术进行集成优化，是实现新能源接入，建设坚强智能电网的关键设备，能够作为能量路由，实现能量双向流动，具有交直流母线，便于各种新能源接入，同时实现潮流控制无功补偿、谐波治理，提升电能质量。电力电子变压器中大量串联应用了IGBT功率开关器件，其数量和控制难度随着配变电压等级和容量升高而成倍增加。数量剧增功率开关器件不仅在物理上需要彼此绝缘和电气隔离，而且需要进行严格的时序控制防止直通短路。传统的接触式隔离电源一般很难实现如此规模的高隔离、高耐压分时供电及控制功能。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种基于无线电能传输的高压电力电子变压器驱动系统及方法，本发明通过引入谐振式无线电能传输装置，通过合理布局驱动电能传输装置，结合分时驱动供电控制策略，能够实现高压电力电子变压器的可靠控制，降低安装复杂度，提升安全性能，保证数量巨大的IGBT之间安全可靠的高压绝缘和电气隔离。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于无线电能传输的高压电力电子变压器驱动系统，包括发送端和接收端两部分，发送端由DC/AC模块控制发送电能，接收端由DC/DC模块控制接收电能并调整为开关管所需开通和关断电压，发送端和接收端之间通过空间电磁场传输电能，通过光纤线进行电能和信号的传输，发送端和接收端气隙非常大，自然形成高压电气隔离；
所述DC/DC模块与DC/AC模块之间通过谐振频率优化控制器进行输电谐振频率控制：通过将输电谐振频率进行定向偏移，并在安全距离以外调整发送端与接收端的安装间距，依次对相应的开关管进行通断控制，优化开关管的响应时间和驱动效率。
进一步的，所述发送端与接收端的按照所要驱动的开关管两两成对匹配，配对的发送端与接收端同轴设置。这样的设计能够保证谐振式无线电能驱动装置与高压电力电子变压器的各个MMC模块相对应，且能在保证装置的电气隔离性能前提下，降低安装应用复杂度，提高开关柜利用效率。
进一步的，所述发送端与接收端安装在开关柜的安装支架上，发送端与接收端之间的距离和位置可调整。
优选的，但不小于安全电气隔离要求距离的两倍。这样的设计能够根据使用环境的不同对于谐振式无线电能驱动装置灵活调整，又保证其电气隔离性能。
进一步的，根据发送端与接收端所驱动的电力电子变压器三相上下桥臂不同，将同一桥臂的发送端与接收端驱动装置排布在一起，形成互相隔离的驱动区域。
进一步的，将同一驱动区域接收端装置按照所驱动开关管的对地电位高低顺序，按照之字形排布，其中压差最高的两个接收端和要处于之字形的首尾位置，保证距离最远。
优选的，之字形排布的最小间距由输电线圈尺寸和开关管的承受的电压决定，且需满足大于两倍电气隔离距离的要求。
优选的，所述开关管为IGBT晶体管。
当然，本领域技术人员能够在本发明的工作原理的基础上将IGBT晶体管替换为其他开关管，只要是能够满足由电子驱动装置驱动、通断时间可控且通电状态可调的开关管器件均可，这属于本领域技术人员的简单替换，理应属于本发明的保护范围。
一种应用上述驱动系统的高压变压器，包括依次连接的高压侧全桥式模块化变流器、中压DC-DC隔离变换器和低压侧逆变器，其中：
所述高压侧全桥式模块化变流器包括三相桥臂，每相桥臂均包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和下桥臂均包括若干个串联的MMC模块，且每个MMC模块均包括多个串联的开关管，且所述开关管的通断由驱动系统控制。
一种上述高压电力电子变压器的构建方法，包括以下步骤：
(1)依次连接高压侧全桥式模块化变流器、中压DC-DC隔离变换器和低压侧逆变器；
(2)构建高压侧全桥式模块化变流器，形成三相桥臂，每相桥臂均包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和下桥臂均包括若干个串联的MMC模块，且每个MMC模块均包括多个串联的开关管，且所述开关管的通断由谐振式无线电能驱动装置控制；
(3)构建谐振式无线电能驱动装置，连接发送端和接收端，发送端由DC/AC模块控制发送电能，接收端由DC/DC模块控制接收电能并调整为开关管所需开通和关断电压，发送端和接收端之间通过空间电磁场传输电能，通过光纤线进行电能和信号的传输，在DC/DC模块与DC/AC模块之间连接谐振频率优化控制器。
基于上述系统的驱动优化控制方法，包括：
步骤一，依次对各个驱动区域的发送端和接收端进行初始优化，将对应区域的电力电子变压器控制信号改为开关管直通模式；
步骤二，对某一驱动区域，以谐振频率f和安装间距h为变量，以开关管响应时间t和供电传输效率n为优化目标，建立多目标优化函数f(t,n)，求取最优解集(f,h)，根据现场安装情况，折中选取谐振频率f和安装间距h，使得到的各个开关管开通和关断响应时间和供电效率满足供电要求。以此调整发送端的DC/AC模块输出以调整输电谐振频率f，实现谐振频率的定向偏移，发送端与接收端的安装间距h在最小安全距离以外任意调整；
步骤三，确认当前区域的谐振频率和关断延时时间，进行下一个驱动区域的优化；
步骤四，全部优化完成后，接通电力电子变压器正常控制信号，根据电力电子变压器控制信号，判断所要控制开通桥臂对应的驱动区域；
步骤五，打开对应驱动区域的发送端DC/AC模块，此时配对的接收端在PWM驱动下，控制开关管开通和关断，同一驱动区域内的发送端发出输电磁场叠加增强，且互为冗余，采用步骤三优化得到的相同谐振频率；
步骤六，当更换接通桥臂时，首先通过DC/AC模块关断当前区域的供电，根据步骤三的优化结果，延时一段时刻后对目标相应驱动区域执行供电，进行控制。
在关闭PWM控制的同时也切断驱动区域的供电，可防止控制信号错误引起的电力电子变压器上下桥臂直通短路。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)高压电力电子变压器的高压侧开关管间有超高电压差，传统隔离变压器绝缘和耐压不满足要求，同时大量安装时，开关柜空间利用率低。本发明的高压电力电子变压器采用谐振式无线电能驱动装置，不再近距离安装，采用本发明的安全隔离安装方法，在改善驱动电能传输效率和响应的同时，利用远距离空气气隙，实现超高耐压的电气隔离，还能够根据电力电子变压器实际应用时所需的耐压等级，通过任意调整间距来满足要求，更适合应用于电力电子变压器这种需要同时驱动大量开关管的系统场合中；
(2)本发明的基于无线电能驱动的高压电力电子变压器应用控制方法，通过将高压侧的开关管驱动根据控制高压电力电子变压器桥臂划分多个驱动区域，同一驱动区域的供电采用相同频率的多个发送端，既实现了输电磁场增强，提升装置的驱动能力和响应速度，也加强了故障冗余设计，提升了系统容错性能；
(3)本发明的基于无线电能驱动的高压电力电子变压器应用控制方法，通过多目标优化函数，现场反馈控制调节驱动区域的谐振频率，有效提升了区域驱动效率，不同驱动区域应用不同谐振频率，有助于削弱接收端同频输电EMI干扰；
(4)本发明的基于无线电能驱动的高压电力电子变压器应用控制方法，通过控制区域之间的供电开关，实现分时供电，将不同驱动区域的硬件供电互锁，防止电力电子变压器IGBT的控制信号错误时造成上下桥臂直通短路故障。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是基于无线电能驱动的高压电力电子变压器结构和应用示意图。
图2(a)是谐振式无线电能驱动装置安全隔离安装及优化配置方式的侧视图。
图2(b)是谐振式无线电能驱动装置安全隔离安装及优化配置方式的正视图。
图3是时分高压电力电子变压器IGBT驱动优化控制流程图。
其中，1、高压电力电子变压器，2、高压侧模块化变流器，3、下桥臂，4、上桥臂，5、IGBT，6、MMC模块，7、电力电子变压器控制信号，8、谐振式无线电能驱动装置，9、发送端，10、接收端，11、谐振频率优化控制器，12、DC/AC模块，13、DC/DC模块；
1-1、发送端，1-2、接收端，1-3、配对的发送端与接收端，1-4、开关柜，1-5、安装支架，1-6、距离位置，1-7、接收端I，1-8、接收端II，1-9、间距，1-10、输电线圈尺寸。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
术语解释部分：
IGBT：(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。
EMI：Electromagnetic Interference，电磁干扰。
SM：Signal module，信号模块。
MMC：Modular Multilevel Converter，多电平变换模块。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在电力电子变压器中大量串联应用了IGBT功率开关器件，其数量和控制难度随着配变电压等级和容量升高而成倍增加，数量剧增功率开关器件不仅在物理上需要彼此绝缘和电气隔离，而且需要进行严格的时序控制防止直通短路，传统的接触式隔离电源一般很难实现如此规模的高隔离、高耐压分时供电及控制功能的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种基于无线电能传输的高压电力电子变压器驱动控制及优化方法，电力电子变压器高压侧级联MMC模块中所有IGBT采用谐振式无线电能驱动装置完成供电和输出控制。
谐振式无线电能驱动装置包括发送端和接收端两部分，发送端由DC/AC模块控制发送电能，接收端由DC/DC模块控制接收电能并调整为IGBT所需开通和关断电压。发送端和接收端之间通过空间电磁场和光纤线进行电能和信号的传输，通过气隙实现高压隔离。
驱动电能采用直流24V电压供电，通过能量变换产生高频交流电能，利用谐振式无线电能传输技术，经电感线圈将谐振频率电能以远距离无线方式发送给接收端驱动装置，经过整流和DC/DC变换后生成生成IGBT开通压V+和关断电压V-，为IGBT开通关断所需电压和电能；无线电能传输手段可通过空气间隙实现高耐压的电气隔离，满足IGBT驱动高压等级的电位参考点抬升和高电气隔离度的要求。驱动装置可应用不同的谐振频率，避免产生同频的电磁干扰，从物理上实现驱动供电互相分开，减少各IGBT驱动装置之间的电磁耦合和干扰。控制PWM电脉冲信号通过光电转换，以光信号在发送端驱动装置和接收端驱动装置间通过光纤传递，实现光耦隔离，在接收端驱动装置的保护及控制模块中重新生成IGBT的保护和控制逻辑，执行IGBT的开通关断及过压过流保护。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，高压电力电子变压器1的高压侧模块化变流器2各相的下桥臂3和上桥臂4由多个IGBT5的串联MMC模块6组成，通过给其中每个IGBT发出电力电子变压器控制信号7，控制IGBT开通和关断来实现变压器降压变流功能。
IGBT通过谐振式无线电能驱动装置8进行驱动供电和控制，谐振式无线电能驱动装置包括发送端9和接收端10，其中发送端DC/AC模块12和接收端AC/DC模块13，通过谐振频率优化控制器11进行控制。
如图2(a)、图2(b)所示，谐振式无线电能驱动装置安全隔离安装方法，用于合理排布谐振式无线电能驱动装置，在保证装置的电气隔离性能前提下，降低安装应用复杂度，提高开关柜利用效率，包括如下步骤：
步骤一，驱动装置的发送端1-1与接收端1-2按照所要驱动的IGBT两两成对匹配，配对的发送端与接收端1-3处于同轴位置，安装在开关柜1-4的安装支架1-5上，发收端距离位置1-6可以调整，但不小于安全电气隔离要求距离的2倍。
步骤二，根据发送端与接收端所驱动的电力电子变压器三相上下桥臂不同，将同一桥臂的发送端与接收端驱动装置排布在一起，形成6个互相隔离的驱动区域1～6。
步骤三，将同一区域的接收端装置按照所驱动桥臂上IGBT的绝对电位高低顺序进行1～n排序，并按照之字形排布，最终外轮廓为圆形，按照之字形顺时针排布，其中压差最高的两个接收端1-7和1-8要处于之字形的首尾两端，保证距离最远。之字形排布的最小间距1-9由输电线圈尺寸1-10和电力电子变压器IGBT承受的电压决定，其最小的空气间隙满足2倍电气隔离要求。
如图3所示，时分高压电力电子变压器IGBT驱动优化控制，能够实现电力电子变压器控制算法的最终驱动输出，准确控制电力电子变压器IGBT开断功能，降低供电损耗和输电EMI干扰问题，以切断电能供应的方式保证IGBT关断逻辑，防止控制指令错误时发生短路故障和损坏。包括如下步骤：
步骤一，依次对6个驱动区域的发送端和接收端进行初始优化，将对应区域的电力电子变压器控制信号改为IGBT直通模式。
步骤二，对某一驱动区域，以谐振频率f和安装间距h为变量，以开关管响应时间t和供电传输效率n为优化目标，建立多目标优化函数f(t,n)，求取最优解集(f,h)，根据现场安装情况，折中选取谐振频率f和安装间距h，使得到的各个开关管开通和关断响应时间和供电效率满足供电要求。以此调整发送端的DC/AC模块输出以调整输电谐振频率f，和发送端与接收端的安装间距h。
步骤三，确认当前区域的谐振频率和关断延时时间，进行下一个驱动区域的优化。
步骤四，全部优化完成后，接通电力电子变压器正常控制信号，根据电力电子变压器控制信号，判断所要控制开通桥臂对应的驱动区域。
步骤五，打开对应驱动区域的发送端DC/AC模块，此时配对的接收端在PWM驱动下，控制IGBT开通和关断，同一驱动区域内的发送端发出输电磁场叠加增强，且互为冗余，采用步骤三优化得到的相同谐振频率，能够增强传输能力和容错性，提高传输效率。
步骤六，当更换接通桥臂时，首先通过DC/AC模块关断当前区域的供电，根据步骤三的优化结果，延时一段时刻后对目标相应驱动区域进行打开操作，在关闭PWM控制的同时也切断驱动区域的供电，可防止控制信号错误引起的电力电子变压器上下桥臂直通短路。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (9)
1.一种驱动优化控制方法，采用一种基于无线电能传输的高压电力电子变压器驱动系统，所述驱动系统包括发送端和接收端两部分，发送端输出电能由DC/AC模块控制发送电能，接收端由DC/DC模块控制接收电能并调整为开关管所需开通和关断电压，发送端和接收端之间通过空间电磁场和光纤线进行电能和信号的传输，通过气隙实现高压隔离；
所述DC/DC模块与DC/AC模块之间连接有谐振频率优化控制器，将输电谐振频率进行定向偏移，将发送端与接收端的安装间距在安全距离以外调整，优化开关管的响应时间和驱动效率，依次对相应的开关管进行通断控制；
其特征是：包括以下步骤：
步骤一，依次对各个驱动区域的发送端和接收端进行初始优化，将对应驱动区域的高压电力电子变压器控制信号改为开关管直通模式；
步骤二，对某一驱动区域，以谐振频率f和安装间距h为变量，以开关管响应时间t和供电传输效率n为优化目标，建立多目标优化函数f(t,n)，求取最优解集(f,h)，根据现场安装情况，折中选取谐振频率f和安装间距h，使得到的各个开关管开通和关断响应时间和供电效率满足供电要求；以此调整发送端的DC/AC模块输出以调整输电谐振频率f，实现谐振频率的定向偏移，发送端与接收端的安装间距h在最小安全距离以外任意调整；
步骤三，确认当前驱动区域的谐振频率和关断延时时间，进行下一个驱动区域的优化；
步骤四，全部优化完成后，接通高压电力电子变压器正常控制信号，根据高压电力电子变压器控制信号，判断所要控制开通桥臂对应的驱动区域；
步骤五，打开对应驱动区域的发送端DC/AC模块，此时配对的接收端在PWM驱动下，控制开关管开通和关断，同一驱动区域内的发送端发出输电磁场叠加增强，且互为冗余，采用步骤三优化得到的对应驱动区域的谐振频率；
步骤六，当更换接通桥臂时，首先通过DC/AC模块关断当前驱动区域的供电，根据步骤三的优化结果，延时一段时刻后对目标相应驱动区域执行供电，进行控制。
2.如权利要求1所述的驱动优化控制方法，其特征是：所述发送端与接收端按照所要驱动的开关管两两成对匹配，配对的发送端与接收端同轴设置；这样的设计能够保证基于无线电能传输的高压电力电子变压器驱动系统与高压电力电子变压器的各个MMC模块相对应，且在保证基于无线电能传输的高压电力电子变压器驱动系统的电气隔离性能前提下，降低安装应用复杂度，提高开关柜利用效率。
3.如权利要求1所述的驱动优化控制方法，其特征是：所述发送端与接收端安装在开关柜的安装支架上，发送端与接收端距离位置可调整。
4.如权利要求1所述的驱动优化控制方法，其特征是：根据发送端与接收端所驱动的高压电力电子变压器三相上下桥臂不同，将同一桥臂的发送端与接收端驱动系统排布在一起，形成互相隔离的驱动区域。
5.如权利要求4所述的驱动优化控制方法，其特征是：将同一驱动区域接收端按照所驱动的桥臂上开关管的绝对电位高低顺序，按照之字形顺时针排布，其中压差最高的两个接收端处于之字形的首尾位置，保证距离最远。
6.如权利要求5所述的驱动优化控制方法，其特征是：之字形排布后基于无线电能传输的高压电力电子变压器驱动系统的最小的空气间隙由输电线圈尺寸和开关管的承受的电压决定，其最小的空气间隙满足大于两倍电气隔离距离要求。
7.如权利要求5所述的驱动优化控制方法，其特征是：所述开关管为IGBT晶体管。
8.一种高压电力电子变压器，其特征是，应用一种基于无线电能传输的高压电力电子变压器驱动系统，所述一种基于无线电能传输的高压电力电子变压器驱动系统采用如权利要求1-7任一项所述的驱动优化控制方法；
所述高压电力电子变压器包括依次连接的高压侧全桥式模块化变流器、中压侧DC-DC隔离变换器和低压侧逆变器，其中：
所述高压侧全桥式模块化变流器包括三相桥臂，每相桥臂均包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和下桥臂均包括若干个串联的MMC模块，且每个MMC模块均包括多个串联的开关管，且所述开关管的通断由驱动系统控制。
9.一种如权利要求8所述的高压电力电子变压器的构建方法，其特征是：包括以下步骤：
(1)依次连接高压侧全桥式模块化变流器、中压侧DC-DC隔离变换器和低压侧逆变器；
(2)构建高压侧全桥式模块化变流器，形成三相桥臂，每相桥臂均包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和下桥臂均包括若干个串联的MMC模块，且每个MMC模块均包括多个串联的开关管，且所述开关管的通断由基于无线电能传输的高压电力电子变压器驱动系统控制；
(3)构建基于无线电能传输的高压电力电子变压器驱动系统，连接发送端和接收端，发送端输出电能由DC/AC模块控制发送电能，接收端由DC/DC模块控制接收电能并调整为开关管所需开通和关断电压，发送端和接收端之间通过空间电磁场和光纤线进行电能和信号的传输，在DC/DC模块与DC/AC模块之间连接谐振频率优化控制器。
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