CN109861552A - 三相交流高效率电力电子变压器及其控制方法 - Google Patents

三相交流高效率电力电子变压器及其控制方法 Download PDF

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胡钰杰
赵聪
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Abstract

三相交流高效率电力电子变压器及其控制方法，由全控型半导体开关器件Tx1‑Tx8、反并联二极管Dx1‑Dx8、全控型半导体开关器件Ty1‑Ty8、反并联二极管Dy1‑Dy8、第一高频隔离型DC/DC变换器(1)和第二高频隔离型DC/DC变换器(2)组成。三相交流高效率电力电子变压器中，全控型半导体开关器件Tx1‑Tx8、Ty1‑Ty8的开关频率与交流输入电压的基波频率相同，因此这些开关器件的开关损耗极低。所述的三相交流高效率电力电子变压器中，第一高频隔离型DC/DC变换器(1)和第二高频隔离型DC/DC变换器(2)中的半导体开关器件工作在软开关状态，开关损耗也较低。相比现有的交流输入、交流输出的电力电子变压器方案，本发明可以减少半导体开关器件损耗，提高运行效率。

Description

三相交流高效率电力电子变压器及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种电力电子变压器，特别涉及一种三相交流输入、三相交流输出的高效率电力电子变压器及控制方法。
背景技术
作为现代智能电网、电气化轨道交通等领域的新型电气设备，电力电子变压器一般通过电力电子变换器和高频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。
相比于传统的工频变压器，三相交流输入交流输出的电力电子变压器从输入到输出通常需要对电能进行AC(工频)/DC、DC/AC(高频)、AC(高频)/DC和DC/AC(工频)的变换。现有的电力电子变压器AC(工频)/DC和DC/AC(工频)环节多采用PWM整流器，而PWM整流器开关频率较高，且无法实现所有开关器件均工作在软开关状态，开关损耗大，严重影响了电力电子变压器系统效率的提高。发明专利CN02139030、CN200910025824、CN200910238441、CN201310016540、CN201410135384的AC/DC和DC/AC环节均由PWM整流器组成。
发明内容
本发明的目的旨在克服现有现有电力电子变压器工频变换环节开关损耗大、效率低的缺点，提出一种高效率的三相交流电力电子变压器。
所述的三相交流电力电子变压器，由全控型半导体开关器件Tx1-Tx8、反并联二极管Dx1-Dx8、第一高频隔离型DC/DC变换器和第二高频隔离型DC/DC变换器组成。第一高频隔离型DC/DC变换器的输入端正负极端子分别为Px1、Nx1，第一高频隔离型DC/DC变换器的输出端正负极端子分别为Px2、Nx2；第二高频隔离型DC/DC变换器的输入端正负极端子分别为Py1、Ny1，第二高频隔离型DC/DC变换器的输出端正负极端子分别为Py2、Ny2。全控型半导体开关器件Tx1的发射极和全控型半导体开关器件Tx2的集电极连接至三相交流输入侧端子A，全控型半导体开关器件Tx3的发射极和全控型半导体开关器件Tx4的集电极及全控型半导体开关器件Ty3的发射极和全控型半导体开关器件Ty4的集电极连接至三相交流输入侧端子B，全控型半导体开关器件Ty3的发射极和全控型半导体开关器件Ty4的集电极连接至三相交流输入侧端子C；全控型半导体开关器件Tx1的集电极和全控型半导体开关器件Tx3的集电极连接至第一高频隔离型DC/DC变换器的输入端子Px1,全控型半导体开关器件Tx2的发射极和全控型半导体开关器件Tx4的发射极连接至第一高频隔离型DC/DC变换器的输入端子Nx1,全控型半导体开关器件Ty1的集电极和全控型半导体开关器件Ty3的集电极连接至第二高频隔离型DC/DC变换器的输入端子Py1,全控型半导体开关器件Ty2的发射极和全控型半导体开关器件Ty4的发射极连接至第二高频隔离型DC/DC变换器输入端子Ny1；全控型半导体开关器件Tx5的发射极和全控型半导体开关器件Tx6的集电极连接至三相交流输出侧端子a，全控型半导体开关器件Tx7的发射极、全控型半导体开关器件Tx8的集电极及全控型半导体开关器件Ty5的发射极和全控型半导体开关器件Ty6的集电极连接至三相交流输出侧端子b，全控型半导体开关器件Ty7的发射极和全控型半导体开关器件Ty8的集电极连接至三相交流输出侧端子c；全控型半导体开关器件Tx5的集电极和全控型半导体开关器件Tx7的集电极连接至第一高频隔离型DC/DC的输出端子Px2,全控型半导体开关器件Tx6的发射极和全控型半导体开关器件Tx8的发射极与第一高频隔离型DC/DC变换器输入端子Nx2,全控型半导体开关器件Ty5的集电极和全控型半导体开关器件Ty7的集电极连接至第二高频隔离型DC/DC变换器的输出端子Py2,全控型半导体开关器件Ty6的发射极和全控型半导体开关器件Ty8的发射极连接至第二高频隔离型DC/DC变换器输出端子Ny2。
本发明对全控型半导体开关器件Tx1-Tx8和全控型半导体开关器件Ty1-Ty8的控制方法如下：
全控型半导体开关器件Tx1-Tx8的开关频率与交流输入侧电压的基波频率相同，当输入的线电压uAB>0时，则导通全控型半导体开关器件Tx1、Tx4和Tx5、Tx6，关断全控型半导体开关器件Tx2、Tx3和Tx6、Tx7，当输入的线电压uAB<0时，则导通全控型半导体开关器件Tx2、Tx3和全控型半导体开关器件Tx6、Tx7，关断全控型半导体开关器件Tx1、Tx4和Tx5、Tx6。
全控型半导体开关器件Ty1-Ty8的开关频率与交流输入侧电压的基波频率相同，当输入的线电压uBC>0时，则导通全控型半导体开关器件Ty1、Ty4和Ty5、Ty8，关断全控型半导体开关器件Ty2、Ty3和Ty6、Ty7，当输入的线电压uBC<0时，则导通全控型半导体开关器件Ty2、Ty3和Ty6、Ty7，关断全控型半导体开关器件Ty1、Ty4和Ty5、Ty8。
所述的第一高频隔离型DC/DC变换器的输出侧电压uPx2Nx2与控制目标为：uPx2Nx2＝K×uPx1Nx1。其中，K等于所述三相交流高效率电力电子变压器交流输出电压与交流输入电压幅值之比，uPx1Nx1为第一高频隔离型DC/DC变换器的输入侧电压。第二高频隔离型DC/DC变换器的输出侧电压uPy2Ny2与控制目标的关系为：uPy2Ny2＝K×uPy1Ny1。其中，K等于所述三相交流高效率电力电子变压器交流输出电压与交流输入电压幅值之比，uPy1Ny1为高频隔离型DC/DC变换器2的输入侧电压。具体控制方法见附图说明。
所述的第一高频隔离型DC/DC变换器和第二高频隔离型DC/DC变换器为串联谐振式双有源桥(Dual Active Bridge，DAB)型DC/DC变换器，其中的所有开关器件均工作在零电流开关的软开关状态。
附图说明
图1为本发明三相交流高效率电力电子变压器电路原理图；
图2为本发明高频隔离型DC/DC变换器的电路原理图；
图3为本发明三相交流高效率电力电子变压器输入侧线电压与输出侧线电压波形；
图4为本发明高频隔离型DC/DC变换器高频变压器端口电压与电流波形。
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。
如图1所示，本发明三相交流高效率电力电子变压器，由全控型半导体开关器件Tx1-Tx8、全控型半导体开关器件Ty1-Ty8、第一高频隔离型DC/DC变换器1和第二高频隔离型DC/DC变换器2组成。
第一高频隔离型DC/DC变换器1的输入端正负极端子，分别为Px1、Nx1，第一高频隔离型DC/DC变换器1的输出端正负极端子分别为Px2、Nx2，第二高频隔离型DC/DC变换器2的输入端正负极端子分别为Py1、Ny1，第二高频隔离型DC/DC变换器2的输出端正负极端子分别为Py2、Ny2。全控型半导体开关器件Tx1的发射极和全控型半导体开关器件Tx2的集电极连接至三相交流输入侧端子A，全控型半导体开关器件Tx3的发射极和全控型半导体开关器件Tx4的集电极，以及全控型半导体开关器件Ty3的发射极和全控型半导体开关器件Ty4的集电极连接至三相交流输入侧端子B，全控型半导体开关器件Ty3的发射极和全控型半导体开关器件Ty4的集电极连接至三相交流输入侧端子C，全控型半导体开关器件Tx1的集电极和全控型半导体开关器件Tx3的集电极连接至第一高频隔离型DC/DC变换器的1输入端子Px1,全控型半导体开关器件Tx2的发射极和全控型半导体开关器件Tx4的发射极连接至第一高频隔离型DC/DC变换器的1输入端子Nx1,全控型半导体开关器件Ty1的集电极和全控型半导体开关器件Ty3的集电极连接至第二高频隔离型DC/DC变换器2的输入端子Py1,全控型半导体开关器件Ty2的发射极和全控型半导体开关器件Ty4的发射极连接至高频隔离型DC/DC变换器2的输入端子Ny1。全控型半导体开关器件Tx5的发射极和全控型半导体开关器件Tx6的集电极连接至三相交流输出侧端子a，全控型半导体开关器件Tx7的发射极和全控型半导体开关器件Tx8的集电极，以及全控型半导体开关器件Ty5的发射极和全控型半导体开关器件Ty6的集电极连接至三相交流输出侧端子b，全控型半导体开关器件Ty7的发射极和全控型半导体开关器件Ty8的集电极连接至三相交流输出侧端子c。全控型半导体开关器件Tx5的集电极和全控型半导体开关器件Tx7的集电极连接至第一高频隔离型DC/DC变换器的1输出端子Px2,全控型半导体开关器件Tx6的发射极和全控型半导体开关器件Tx8的发射极连接至第一高频隔离型DC/DC变换器的1输入端子Nx2,全控型半导体开关器件Ty5的集电极和全控型半导体开关器件Ty7的集电极连接至第二高频隔离型DC/DC变换器2的输出端子Py2,全控型半导体开关器件Ty6的发射极和全控型半导体开关器件Ty8的发射极连接至第二高频隔离型DC/DC变换器的2输出端子Ny2。
本发明对全控型半导体开关器件Tx1-Tx8、全控型半导体开关器件Ty1-Ty8的控制方法如下：当输入的线电压uAB>0时，则导通全控型半导体开关器件Tx1、Tx4和Tx5、Tx6，关断全控型半导体开关器件Tx2、Tx3和Tx6、Tx7，当输入的线电压uAB<0时，则导通全控型半导体开关器件Tx2、Tx3和Tx6、Tx7，关断全控型半导体开关器件Tx1、Tx4和Tx5、Tx6。当输入的线电压uBC>0时，则导通全控型半导体开关器件Ty1、Ty4和Ty5、Ty8，关断全控型半导体开关器件Ty2、Ty3和Ty6、Ty7，当输入的线电压uBC<0时，则导通全控型半导体开关器件Ty2、Ty3和Ty6、Ty7，关断全控型半导体开关器件Ty1、Ty4和Ty5、Ty8。
图2为高频隔离型DC/DC变换器的电路原理图。高频隔离型DC/DC变换器采用串联谐振式双有源桥(Dual Active Bridge，DAB)型DC/DC变换器，由直流电容C1、C2、开关T1-T8、反并联二极管D1-D8、高频变压器THF和谐振电容Cr组成。开关T1、T3的集电极连接至电容C1的正极P1，开关T1、T3的发射极与开关T2、T4的集电极相连，开关T2、T4的发射极连接至电容C1的负极N1。开关T5、T7的集电极连接至电容C2的正极P2，开关T5、T7的发射极与开关T6、T8的集电极相连，开关T6、T8的发射极连接至电容C2的负极N2。谐振电容Cr的一端与交流端子a1相连，谐振电容Cr的另一端与高频变压器端子x1相连，交流端子b1与高频变压器端子y1相连。交流端子a2与变压器端子x2相连，交流端子b2与变压器端子y2相连。
第一高频隔离型DC/DC变换器1的输出侧电压uPx2Nx2与控制目标的关系为：uPx2Nx2＝K×uPx1Nx1。其中，K等于所述三相交流高效率电力电子变压器交流输出电压与交流输入电压幅值之比，uPx1Nx1为第一高频隔离型DC/DC变换器1的输入侧电压。第二高频隔离型DC/DC变换器2的输出侧电压uPy2Ny2与控制目标的关系为：uPy2Ny2＝K×uPy1Ny1，其中，K等于所述三相交流高效率电力电子变压器交流输出电压与交流输入电压幅值之比，uPy1Ny1为第二高频隔离型DC/DC变换器2的输入侧电压。
高频隔离型DC/DC变换器的控制方法如下：高频隔离型DC/DC变换器的开关频率与电路的谐振频率相同，在开关周期Ts的前半周期开关T1、T4、T5和T8同时导通，开关T2、T3、T6和T7同时关断，在开关周期Ts的后半周期开关T1、T4、T5和T8同时关断，开关T2、T3、T6和T7同时导通。第一高频隔离型DC/DC变换器1和第二高频隔离型DC/DC变换器2均按照上述方法控制，其中的所有开关器件均工作在零电流开关的软开关状态。
应用本发明搭建的1140V/380V三相交流电力电子变压器仿真参数如下：
输入三相交流线电压有效值：1140V
输出三相交流线电压有效值：380V
高频变压器变比：1140：380
高频变压器折算至高压侧漏感Lr：6.33uH
谐振电容Cr：10uF
高频变压器额定工作频率：20kHz
开关频率和谐振频率：20kHz
直流电容C1：1mF
直流电容C2：3mF
负载功率：1MW
图3、图4为本发明三相交流高效率电力电子变压器的仿真验证结果。图3中，uAB、uBC和uCA为三相交流高效率电力电子变压器的三相输入线电压，uab、ubc和uca为三相交流高效率电力电子变压器的三相输出线电压，从仿真结果可以看出，输出电压幅值是输入电压的1/3，相位与输入电压基本相同，实现了变压器的基本功能。图4中，u为高频隔离型DC/DC变换器中高频变压器高压侧的电压，i为高频隔离型DC/DC变换器中高频变压器的电流，从仿真结果可以看出，高频隔离型DC/DC变换器工作在串联谐振状态下，所有开关器件均工作在零电流开关的软开关状态。仿真结果表明了本发明的可行性和正确性。

Claims (6)

1.一种三相交流高效率电力电子变压器，其特征在于，所述的三相交流高效率电力电子变压器由全控型半导体开关器件Tx1-Tx8、反并联二极管Dx1-Dx8、全控型半导体开关器件Ty1-Ty8、反并联二极管Dy1-Dy8、第一高频隔离型DC/DC变换器(1),以及第二高频隔离型DC/DC变换器(2)组成；
第一高频隔离型DC/DC变换器(1)的输入端正负极端子分别为Px1、Nx1，第一高频隔离型DC/DC变换器(1)的输出端正负极端子分别为Px2、Nx2，第二高频隔离型DC/DC变换器(2)的输入端正负极端子分别为Py1、Ny1，第二高频隔离型DC/DC变换器(2)的输出端正负极端子分别为Py2、Ny2；
全控型半导体开关器件Tx1的发射极和全控型半导体开关器件Tx2的集电极连接至三相交流输入侧端子A，全控型半导体开关器件Tx3的发射极和全控型半导体开关器件Tx4的集电极及全控型半导体开关器件Ty3的发射极和全控型半导体开关器件Ty4的集电极连接至三相交流输入侧端子B，全控型半导体开关器件Ty3的发射极和全控型半导体开关器件Ty4的集电极连接至三相交流输入侧端子C；全控型半导体开关器件Tx1的集电极和全控型半导体开关器件Tx3的集电极连接至第一高频隔离型DC/DC变换器(1)的输入端子Px1,全控型半导体开关器件Tx2的发射极和全控型半导体开关器件Tx4的发射极连接至第一高频隔离型DC/DC变换器(1)的输入端子Nx1,全控型半导体开关器件Ty1的集电极和全控型半导体开关器件Ty3的集电极连接至第二高频隔离型DC/DC变换器(2)的输入端子Py1,全控型半导体开关器件Ty2的发射极和全控型半导体开关器件Ty4的发射极连接至第二高频隔离型DC/DC变换器(2)输入端子Ny1；全控型半导体开关器件Tx5的发射极和全控型半导体开关器件Tx6的集电极连接至三相交流输出侧端子a，全控型半导体开关器件Tx7的发射极、全控型半导体开关器件Tx8的集电极及全控型半导体开关器件Ty5的发射极和全控型半导体开关器件Ty6的集电极连接至三相交流输出侧端子b，全控型半导体开关器件Ty7的发射极和全控型半导体开关器件Ty8的集电极连接至三相交流输出侧端子c；全控型半导体开关器件Tx5的集电极和全控型半导体开关器件Tx7的集电极连接至第一高频隔离型DC/DC(1)的输出端子Px2,全控型半导体开关器件Tx6的发射极和全控型半导体开关器件Tx8的发射极与第一高频隔离型DC/DC变换器(1)输入端子Nx2,全控型半导体开关器件Ty5的集电极和全控型半导体开关器件Ty7的集电极连接至第二高频隔离型DC/DC变换器(2)的输出端子Py2,全控型半导体开关器件Ty6的发射极和全控型半导体开关器件Ty8的发射极连接至第二高频隔离型DC/DC变换器(2)输出端子Ny2。
2.如权利要求1所述的三相交流高效率电力电子变压器，其特征在于：全控型半导体开关器件Tx1-Tx8的开关频率与交流输入侧电压的基波频率相同，当输入的线电压uAB>0时，则导通全控型半导体开关器件Tx1、Tx4和全控型半导体开关器件Tx5、Tx6，关断全控型半导体开关器件Tx2、Tx3和全控型半导体开关器件Tx6、Tx7，当输入的线电压uAB<0时，则导通全控型半导体开关器件Tx2、Tx3和全控型半导体开关器件Tx6、Tx7，关断全控型半导体开关器件Tx1、Tx4和Tx5、Tx6。
3.如权利要求1所述的三相交流高效率电力电子变压器，其特征在于：全控型半导体开关器件Ty1-Ty8的开关频率与交流输入侧电压的基波频率相同，当输入的线电压uBC>0时，则导通全控型半导体开关器件Ty1、Ty4和全控型半导体开关器件Ty5、Ty8，关断全控型半导体开关器件Ty2、Ty3和全控型半导体开关器件Ty6、Ty7，当输入的线电压uBC<0时，则导通全控型半导体开关器件Ty2、Ty3Ty6、Ty7，关断全控型半导体开关器件Ty1、Ty4、Ty5、Ty8。
4.如权利要求1所述的三相交流高效率电力电子变压器，其特征在于：所述的第一高频隔离型DC/DC变换器(1)的输出侧电压uPx2Nx2与控制目标的关系为：uPx2Nx2＝K×uPx1Nx1，其中，K等于所述三相交流高效率电力电子变压器交流输出电压与交流输入电压幅值之比，uPx1Nx1为第一高频隔离型DC/DC变换器(1)的输入侧电压。
5.如权利要求1所述的三相交流高效率电力电子变压器，其特征在于：所述的第二高频隔离型DC/DC变换器(2)的输出侧电压uPy2Ny2与控制目标的关系为：uPy2Ny2＝K×uPy1Ny1；其中，K等于所述三相交流高效率电力电子变压器交流输出电压与交流输入电压幅值之比，uPy1Ny1为第二高频隔离型DC/DC变换器(2)的输入侧电压。
6.如权利要求1所述的三相交流高效率电力电子变压器，其特征在于：所述的第一高频隔离型DC/DC变换器(1)和第二高频隔离型DC/DC变换器(2)为串联谐振式双有源桥型DC/DC变换器，第一高频隔离型DC/DC变换器(1)和第二高频隔离型DC/DC变换器(2)的所有开关器件均工作在零电流开关的软开关状态。
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