CN109921653A - 一种单相电力电子变压器拓扑结构及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种单相电力电子变压器拓扑结构及其控制方法，拓扑结构包括依次连接的输入级电路、隔离级电路和输出级电路，所述输入级电路包括一个工作在工频切换状态的H桥电路，所述隔离级电路包括一个双向DC‑DC变换器，通过LC串联谐振传输功率，同时实现开关零电流关断，减小开关损耗，所述输出级电路也是H桥电路结构，通过开关逆变实现输出端电压幅值的调整。本发明的单相电力电子变压器拓扑结构无中间储能环节，直流母线电容采用小容值薄膜电容，可以减小整个系统的体积并提高系统的可靠性，并且可以实现功率双向流动。

Description

一种单相电力电子变压器拓扑结构及其控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，更具体地，涉及一种单相电力电子变压器拓扑结构及其控制方法。
背景技术
传统的工频变压器不仅体积大，功能也比较单一。随着智能电网的迅速发展及各种分布式能源的并网，传统的工频变压器的功能已不能满足现代电力系统的要求。电力电子变压器，又称固态变压器、智能变压器或柔性变压器，是一种通过电力电子技术实现电力系统电压变换和能量传递的新型变压器。电力电子变压器不仅体积小、重量轻，还具有一次、二次侧电压、电流和功率均高度可控、本身有断路器的功能，无需传统的变压器继电保护装置等优点。
目前的电力电子变压器有很多种拓扑结构，一般包括整流级、隔离级和逆变级。为了保证整流输出电压保持基本恒定，通常在整流级的输出侧并联一个较大容值的电解电容，会增加整个系统的体积。
发明内容
本发明提供一种克服上述问题的一种单相电力电子变压器拓扑结构及其控制方法。本发明的单相电力电子变压器拓扑结构及其控制方法无中间储能环节，直流母线电容采用小容值薄膜电容，可以减小整个系统的体积并提高系统的可靠性，并且可以实现功率双向流动。
本发明提供的单相电力电子变压器拓扑结构，由输入级电路、隔离级电路和输出级电路组成，其中所述输入级电路由第一H桥电路构成，输入端接单相交流电源，输出端与所述隔离级的输入端相连；所述隔离级电路包括一个双向DC-DC变换器，输入端与所述第一H桥电路的输出端相连，输出端与所述输出级电路的输入端相连；所述输出级电路由第三H桥电路构成，输入端与所述隔离级的输出端相连，输出端与负载或交流电网相连。
进一步地，所述第一H桥电路由两对串联的开关管并联组成。
所述隔离级电路包括依次相连的原边直流母线电容、第一半桥电路、LC谐振电路、高频变压器、第二H桥电路和副边直流母线电容；其中所述原边直流母线电容由单个薄膜电容或两个薄膜电容串联连接构成，所述第一半桥电路由一对串联连接的开关管组成，所述LC谐振电路，包含谐振电容和谐振电感，所述第二H桥电路由两对串联的开关管并联组成，所述副边直流母线电容由单个薄膜电容构成，所述输出级电路由第三H桥电路构成；所述第三H桥电路由两对串联的开关管并联组成。
进一步地，所述原边直流母线侧电容的两端分别与所述第一H桥电路的第二桥臂的两端相连；所述第一半桥电路的桥臂两端分别与所述原边直流侧母线电容两端相连，当所述原边直流母线电容由单个薄膜电容构成时：所述LC谐振电路的两端分别接于所述第一半桥电路的桥臂中点和所述原边直流母线电容的任意一端；当所述原边直流母线电容由两个薄膜电容串联连接构成时：所述LC谐振电路的两端分别接于所述第一半桥电路的桥臂中点和所述原边直流母线电容的中点，所述第二H桥电路的第一桥臂中点和第二桥臂中点分别与所述高频变压器的副边绕组两端连接，所述副边直流母线电容两端分别与第二H桥电路的第二桥臂两端连接，所述高频变压器的原边绕组串联于所述LC谐振电路上，所述第三H桥电路的第一桥臂两端分别所述副边直流母线电容相连，所述第三H桥电路的第一桥臂中点和第二桥臂中点分别与负载或交流电网两端相连。
进一步地，所述LC谐振电路，其中谐振电感为所述高频变压器的漏感。
进一步地，所述开关管为带反并联续流二极管的IGBT或MOSFET，或是其他具有同等作用的开关器件。
所述电力电子变压器拓扑结构的控制方法，包括如下步骤：
(1)对所述输入级电路的H桥电路开关施加占空比为0.5，频率为50Hz的方波信号，将原边直流母线的正弦半波电压转换成正弦电压；
(2)功率正向传输时：所述隔离级电路的所述第一半桥开关高频动作，将原边直流母线的正弦半波直流电转换为包络线为正弦的高频交流电，再经过高频变压器耦合到副边，第二H桥电路中开关不动作，经开关的体二极管或反并联的二极管不控整流再将高频交流电转换为正弦半波直流电；功率反向传输时：所述隔离级电路的所述第二H桥电路中开关高频动作，将副边直流母线的正弦半波直流电转换为包络线为正弦的高频交流电，再经过高频变压器耦合到原边，第一半桥中开关不动作，经开关的体二极管或反并联的二极管不控整流再将高频交流电转换为正弦半波直流电；
(3)对所述输出级电路的第三H桥电路进行双闭环反馈控制，其中所述第三H桥电路由两对串联的开关管并联组成，具体为：
采样的输出电压与根据锁相环得到的输入电压角度确定的参考电压进行比较得到电压误差信号，然后电压误差信号经过电压外环调节器的输出量作为电流内环的电流参考值并与采样的得到的输出电流进行比较得到电流误差信号，电流误差信号经过电流内环调节器的输出量与输出电压相加后除以副边直流母线电压得到调制信号，调制信号再与三角载波进行比较得到驱动信号，驱动所述第三H桥电路的开关实现副边幅值可控正弦电网的输出。
本发明的单相电力电子变压器拓扑结构及其控制方法无中间储能环节，直流母线电容采用小容值薄膜电容，可以减小整个系统的体积并提高系统的可靠性，并且可以实现功率双向流动。
附图说明
图1为根据本发明实施例的单相电力电子变压器拓扑结构的整体电路示意图。
图2为单相电力电子变压器输出电压、电流波形。
图3为单相电力电子变压器原边直流母线电压波形。
图4为单相电力电子变压器输入电压、电流波形。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，本发明所提供的单相电力电子变压器拓扑机构依次相连的输入级电路、隔离级电路和输出级电路，所述输入级电路由第一H桥电路构成。
优选的，所述第一H桥电路由两对串联的开关管并联组成，包括：第一IGBT功率器件S1、第二IGBT功率器件S2、第三IGBT功率器件S3和第四IGBT功率器件S4，具体连接方式为：
所述第一IGBT功率器件S1的集电极和所述第三IGBT功率器件S3的集电极相连，所述第二IGBT功率器件S2的发射极和所述第四IGBT功率器件S4的发射极相连，所述第一IGBT功率器件S1的发射极与所述第二IGBT功率器件S2的集电极相连，所述第三IGBT功率器件S3的发射极与所述第四IGBT功率器件S4的集电极相连。
所述第一H桥电路的第一桥臂中点和第二桥臂中点分别与单相输入交流电两端相连。
所述隔离级电路包括依次连接的原边直流母线电容、第一半桥电路、LC谐振电路、高频变压器、第二H桥电路和副边直流母线电容。
所述原边直流母线电容由单个薄膜电容C1或两个薄膜电容C1、C2串联连接构成，所述原边直流母线侧电容的两端分别与所述第一H桥的第二桥臂两端点P1和N1相连。
优选的，所述第一半桥电路由一对串联的开关管组成，包括第一MOSFET功率器件S5和第二MOSFET功率器件S6，所述第一MOSFET功率器件S5的源极和所述第二MOSFET功率器件S6的漏极相连，所述第一半桥电路桥臂的两端点分别与所述第一H桥电路第二桥臂的两端点P1和N1相连。
所述LC谐振电路，包括谐振电感和谐振电容，其中谐振电感是高频变压器的漏感，当所述原边直流母线电容由单个电容构成时：所述LC谐振电路的两端分别与所述第一半桥电路桥臂中点和所述第一H桥电路第二桥臂的任意一端相连；当所述原边直流母线电容由两个电容串联连接构成时：所述LC谐振电路的两端分别于所述第一半桥电路桥臂中点和所述原边直流母线电容的中点相连。
优选的，所述第二H桥电路由两对串联的开关管并联组成，包括第三MOSFET功率器件S7、第四MOSFET功率器件S8、第五MOSFET功率器件S9、第六MOSFET功率器件S10，所述第三MOSFET功率器件S7的源极和所述第四MOSFET功率器件S8漏极相连，所述第五MOSFET功率器件S9的源极和所述第六MOSFET功率器件S10漏极相连，所述第三MOSFET功率器件S7的漏极和所述第五MOSFET功率器件S9漏极相连，所述第四MOSFET功率器件S8的源极和所述第六MOSFET功率器件S10源极相连。
所述副边直流母线电容由单个薄膜电容C3构成，所述副边直流母线电容的两端P2和N2分别与所述第二H桥电路的第二桥臂两端相连。
所述高频变压器的原边绕组串联于所述LC谐振电路上(即高频变压器的原边绕组可以位于电容和电感之间，也可以位于电容与电感串联后电路的其中一端)，所述高频变压器的副边绕组两端分别与所述第二H桥电路的第一桥臂桥臂中点和第二桥臂中点相连。
所述输出级电路由第三H桥电路构成。
优选的，所述第三H桥电路由两对串联的开关管并联组成，包括第五IGBT功率器件S11、第六IGBT功率器件S12、第七IGBT功率器件S13和第八IGBT功率器件S14。
所述第五IGBT功率器件S11的集电极与所述第七IGBT功率器件S13的集电极相连，所述第六IGBT功率器件S12的发射极与所述第八IGBT功率器件S14的发射极相连，所述第五IGBT功率器件S11的发射极与所述第六IGBT功率器件S12的集电极相连，所述第七IGBT功率器件S13的发射极与所述第八IGBT功率器件S14的集电极相连。
所述第三H桥电路的第一桥臂两端点分别与第二H桥电路的桥臂两端点P2和N2相连，所述第三H桥电路的第一桥臂中点和第二桥臂中点分别与负载或交流电网两端连接。
所述第一IGBT功率器件S1、所述第二IGBT功率器件S2、所述第三IGBT功率器件S3、所述第四IGBT功率器件S4、第五IGBT功率器件S11、所述第六IGBT功率器件S12、所述第七IGBT功率器件S13、所述第八IGBT功率器件S14的两端均反并联一个续流二极管。
其中，“反并联”指IGBT功率器件的集电极与二极管阴极相连，其发射极与二极管的阳极相连。
值得一提的是，本发明的输入级电路、隔离级电路和输出级电路的所述开关管可以具体为带反并联续流二极管的IGBT或MOSFET管子(例如图1中的MOS管具体为增强型的NMOS管)，或是其它具有同等作用的开关器件。
所述电力电子变压器拓扑结构的控制方法，包括如下步骤：
(1)对所述输入级电路的H桥电路开关施加占空比为0.5，频率为50Hz的方波信号，将原边直流母线的正弦半波电压转换成正弦电压；
(2)功率正向传输时：所述隔离级电路的所述第一半桥高频动作，将原边直流母线的正弦半波直流电转换为包络线为正弦的高频交流电，再经过高频变压器耦合到副边，第二H桥电路中开关不动作，经开关的体二极管或反并联的二极管不控整流再将高频交流电转换为正弦半波直流电；
功率反向传输时：所述隔离级电路的所述第二H桥电路中开关高频动作，将副边直流母线的正弦半波直流电转换为包络线为正弦的高频交流电，再经过高频变压器耦合到原边，第一半桥中开关不动作，经开关的体二极管或反并联的二极管不控整流再将高频交流电转换为正弦半波直流电；
(3)对所述输出级电路的H桥电路进行双闭环反馈控制，具体为：
采样的输出电压与根据锁相环得到的输入电压角度确定的参考电压进行比较得到电压误差信号，然后电压误差信号经过电压外环调节器的输出量作为电流内环的电流参考值并与采样的得到的输出电流进行比较得到电流误差信号，电流误差信号经过电流内环调节器的输出量与输出电压相加后除以副边直流母线电压得到调制信号，调制信号再与三角载波进行比较得到驱动信号，驱动所述第三H桥电路的开关实现副边幅值可控正弦电网的输出。
参见图2-4的电压和电流波形可知，基于“薄膜电容+半桥电路+LC谐振电路+高频变压器+全桥电路+薄膜电容”有机组成的隔离电路能够使得本发明的拓扑结构能够获得很好地变压和功率传递效果，且无中间储能环节，直流母线电容采用小容值薄膜电容，可以减小整个系统的体积并提高系统的可靠性，并且可以实现功率双向流动。
最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种单相电力电子变压器拓扑结构，其特征在于，包括依次相连的输入级电路、隔离级电路和输出级电路，所述输入级电路由第一H桥电路构成；所述第一H桥电路由两对串联的开关管并联组成，所述第一H桥电路的第一桥臂中点和第二桥臂中点分别与单相输入交流电源的两端相连；
所述隔离级电路包括依次连接的原边直流母线电容、第一半桥电路、LC谐振电路、高频变压器、第二H桥电路和副边直流母线电容；
所述原边直流母线电容由单个薄膜电容或两个薄膜电容串联连接构成，所述原边直流母线侧电容的两端分别与所述第一H桥电路的第二桥臂的两端相连；
所述第一半桥电路由一对串联连接的开关管组成，所述第一半桥电路的桥臂两端分别与所述原边直流侧母线电容两端相连；
所述LC谐振电路，包含谐振电容和谐振电感，其中谐振电感为所述高频变压器的漏感，当所述原边直流母线电容由单个薄膜电容构成时：所述LC谐振电路的两端分别接于所述第一半桥电路的桥臂中点和所述原边直流母线电容的任意一端；当所述原边直流母线电容由两个薄膜电容串联连接构成时：所述LC谐振电路的两端分别与所述第一半桥电路的桥臂中点和所述原边直流母线电容的中点相连；
所述第二H桥电路由两对串联的开关管并联组成；
所述副边直流母线电容由单个薄膜电容构成，所述副边直流母线电容两端分别与第二H桥电路的第二桥臂两端连接；
所述高频变压器的原边绕组串联于所述LC谐振电路上，所述高频变压器的副边绕组的两端分别与所述第二H桥电路第一桥臂的中点和第二桥臂的中点相连。
2.根据权利要求1所述的单相电力电子变压器拓扑结构，其特征在于，所述输出级电路的由第三H桥电路构成，所述第三H桥电路由两对串联的开关管并联组成。
3.根据权利要求2所述的单相电力电子变压器拓扑结构，其特征在于，所述第三H桥电路的第一桥臂两端分别与所述副边直流母线电容两端相连，所述第三H桥电路的第一桥臂中点和第二桥臂中点分别与负载或交流电网两端相连。
4.根据权利要求1-3任一者所述的单相电力电子变压器拓扑结构，其特征在于，所述开关管为带反并联续流二极管的IGBT或MOSFET，或是其它具有同等作用的开关器件。
5.一种根据权利要求1-4中任一者所述单相电力电子变压器拓扑结构的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)对所述输入级电路的H桥电路开关施加占空比为0.5，频率为50Hz的方波信号，将原边直流母线的正弦半波电压转换成正弦电压；
(2)功率正向传输时：所述隔离级电路的所述第一半桥的开关管高频动作，将原边直流母线的正弦半波直流电转换为包络线为正弦的高频交流电，再经过高频变压器耦合到副边，第二H桥电路中的开关管不动作，经开关管的体二极管或反并联的二极管不控整流再将高频交流电转换为正弦半波直流电。
功率反向传输时：所述隔离级电路的所述第二H桥电路中开关高频动作，将副边直流母线的正弦半波直流电转换为包络线为正弦的高频交流电，再经过高频变压器耦合到原边，第一半桥中的开关管不动作，经开关管的体二极管或反并联的二极管不控整流再将高频交流电转换为正弦半波直流电；
(3)对所述输出级电路上的第三H桥电路进行双闭环反馈控制，其中所述第三H桥电路由两对串联的开关管并联组成，所述双闭环反馈控制具体为：
采样的输出电压与根据锁相环得到的输入电压角度确定的参考电压进行比较得到电压误差信号，然后电压误差信号经过电压外环调节器的输出量作为电流内环的电流参考值并与采样的得到的输出电流进行比较得到电流误差信号，电流误差信号经过电流内环调节器的输出量与输出电压相加后除以副边直流母线电压得到调制信号，调制信号再与三角载波进行比较得到单相逆变器的驱动信号，驱动所述第三H桥电路的开关实现副边幅值可控正弦电压的输出。
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