CN110401364A - 三级型混合频率电力电子变压器软开关调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种三级型混合频率电力电子变压器AC‑AC‑DC变换级调制方法，包括：AC‑AC‑DC变换级高压侧和低压侧均采用PWM调制，AC‑AC‑DC变换级高压侧PWM调制的载波和低压侧PWM调制的载波的频率相同，通过移相角控制传输功率的大小与方向，AC‑AC‑DC变换级的高频环节通过PWM谐波电压与谐波电流传递能量。该调制方法可实现AC‑AC‑DC变换级所有开关器件的零电压导通，降低开关损耗；利用PWM谐波电压与谐波电流传递能量，可降低对AC‑AC‑DC变换级高压侧直流电压的需求，以减少子模块数，适用于高压侧为模块化变流器结构的拓扑和高压侧为电压源型变流器结构的拓扑。

Description

三级型混合频率电力电子变压器软开关调制方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种三级型混合频率电力电子变压器AC-AC-DC变换级调制方法。
背景技术
混合频率指多种频率分量的叠加。混合频率电力电子变压器是指变换器在同一端口同时输出不同频率的电压/电流信号。三级型混合频率电力电子变压器由AC-AC-DC变换级和DC-AC变换级组成，其中AC-AC-DC变换级包括高压侧AC-AC变换级和低压侧AC-DC变换级。三级型电力电子变压器具有变换级数少，器件、元件用量少的优点。与传统三级型电力电子变压器不同，三级型混合频率电力电子变压器通过低通滤波器与带通滤波器的组合，使得AC-AC变换器混合输出的低频和高频电流经不同的通路分别流向交流电网与高频变压器，从而无需输出共模电压，进一步降低了器件、元件数。然而，现有调制方法需要AC-AC-DC变换级的AC-AC变换器利用不同子模块同时输出低频交流和高频交流/矩形波，不仅要求AC-AC变换器的直流电压满足低频交流和高频交流/矩形波电压输出之和，同时无法实现AC-AC变换器的软开关，损耗较高，此外，还要求AC-AC变换器必须为模块化结构(如级联H桥、模块化多电平变流器等)，无法基于电压源型变流器结构，不利于采用宽禁带半导体器件对电力电子变压器进行结构简化。现有调制存在的上述不足影响了三级型混合频率电力电子变压器的发展与应用。
因此，亟需一种新的调制方法，降低三级型混合频率电力电子变压器的AC-AC-DC变换级桥臂直流电压需求，同时实现AC-AC-DC变换级软开关，提高三级型混合频率电力电子变压器的效率、功率密度，延长使用寿命，降低成本，对三级型混合频率电力电子变压器工程化具有重要的意义。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种三级型混合频率电力电子变压器AC-AC-DC变换级软开关调制方法，包括：
AC-AC-DC变换级高压侧和低压侧均采用PWM调制，AC-AC-DC变换级高压侧PWM调制的载波和低压侧PWM调制的载波的频率相同，通过移相角控制传输功率的大小与方向，AC-AC-DC变换级的高频环节通过PWM谐波电压与谐波电流传递能量。
所述通过移相角控制传输功率的大小与方向具体包括：
当高压侧PWM调制的载波相位超前低压侧PWM调制的载波时，有功功率由高压侧传送至低压侧；
当高压侧PWM调制的载波相位滞后低压侧PWM调制的载波时，有功功率由低压侧传送至高压侧；
当高压侧PWM调制的载波与低压侧PWM调制的载波同相位，即移相角为0时，有功功率为0。
所述高压侧PWM调制和低压侧PWM调制的调制波频率相同。
所述高压侧PWM调制和低压侧PWM调制均为双极性调制，或均为单极性调制。
所述PWM调制的载波频率高于AC-AC-DC变换级的电容与电感的串联谐振频率。
所述PWM调制为正弦脉冲宽度调制。
本发明的有益效果在于：
本发明提出了一种三级型混合频率电力电子变压器AC-AC-DC变换级软开关调制方法，在该调制方法下，AC-AC-DC变换级的高频环节通过PWM谐波电压与谐波电流传递能量，故高压侧直流电压只需满足高压交流输出要求，从而有效减少了高压侧器件与元件数目；同时，AC-AC-DC变换级所有开关器件均可实现零电压导通，大幅降低了开关损耗；此外，本发明对AC-AC-DC变换级高压侧为电压源型变流器的结构同样有效，有利于使用宽禁带半导体器件，以大幅简化三级型混合频率电力电子变压器的复杂度。综上所述，本发明有利于提高三级型模块化电力电子变压器效率、功率密度，延长使用寿命，降低其成本与工程化难度。
附图说明
图1为一种模块化结构的三级型混合频率电力电子变压器拓扑；
图2为一种基于两电平电压源型换流器的三级型混合频率电力电子变压器拓扑；
图3为本发明提出的调制方法的原理图；
图4为本发明提出的调制方法的高压侧和低压侧电压的PWM谐波幅值谱；
图5为本发明提出的调制方法的典型电压波形和典型电流波形。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
三级型混合频率电力电子变压器主要包括采用模块化的级联型拓扑和非模块化的两电平电压源型拓扑，如图1、图2所示。本发明适用于上述拓扑。
本发明调制方法原理图如图3所示：
AC-AC-DC变换级高压侧和低压侧均采用PWM调制，AC-AC-DC变换级高压侧PWM调制的载波和低压侧PWM调制的载波的频率相同、相位存在移相角。当PWM调制的载波频率高于AC-AC-DC变换级的电容与电感的串联谐振频率时，AC-AC-DC变换级呈感性，可通过改变高压侧和低压侧载波的移相角调节传输功率。
具体的，当有功功率由高压侧传送至低压侧时，高压侧PWM调制的载波相位超前低压侧PWM调制的载波；当有功功率由低压侧传送至高压侧时，高压侧PWM调制的载波相位滞后低压侧PWM调制的载波；当有功功率为0时，高压侧PWM调制的载波与低压侧PWM调制的载波同相位，即移相角为0。
具体的，所述高压侧PWM调制的调制波和低压侧PWM调制的调制波频率相同；所述高压侧PWM调制和低压侧PWM调制均为双极性调制，或均为单极性调制，以保证频率特性一致，如图4所示，图4(a)为高压侧电压PWM谐波幅值谱，图4(b)为低压侧电压PWM谐波幅值谱，二者相等，故当高、低压侧载波存在移相角时，高、低压侧PWM谐波存在相位差，从而在高频变压器中产生谐波电流。由图4可以看出，在PWM载波频率fs处、边带谐波2fs±f0(f0为调制波频率)处PWM谐波幅值较大，起主要作用；所述PWM调制为正弦脉冲宽度调制，以产生低频交流输出与电网实现能量交换。
当高压侧调制波和低压侧调制波相等，载波均为三角载波且均采用双极性调制时，图1中高压侧PWM谐波电压Vp和低压侧PWM谐波电压Vs的傅里叶展开分别为：
式(1)、式(2)中，M1、M2分别为高压侧和低压侧的调制比，ωs为开关角频率，ω0为调制波角频率，δ为高压侧三角载波相对低压侧三角载波的移相角，Vdc1和Vdc2分别为高压侧子模块直流电压之和与低压直流电压。
由基波分析法可得，经高频变压器传输的有功功率约为：
式中Vp1、Vs1分别为Vp、Vs的基频电压，n为高频变压器变比，X为串联电感、电容在开关频率下的等效阻抗。
由式(3)可知，传输功率近似满足双主动全桥特性，可通过移相角控制传输功率的大小与方向。此外，由于高压侧和低压侧电压的谐波特性一致，除基频电压外，其余次谐波也会传输功率，因此实际传输功率将高于式(3)所示功率。
上文阐述了本发明调制的功率传输关系，为控制策略设计提供参考。以下讨论软开关条件与设计方法：
如图5所示，当高压侧调制波和低压侧调制波相等时，图1中AC-AC-DC变换级高压侧电压、低压侧电压和高频变压器电共流存在3种不同情况。为满足AC-AC-DC变换级所有开关的零电压导通，可配置AC-AC-DC变换级电感、开关频率、调制比和高频变压器变压比保证全负载范围内，图5(a)、(b)和(c)中，绕组电流的负半轴拐点电流值i1、正半轴拐点电流值i2和并网电流iac均满足：
i1+iac<0且i2+iac>0 (4)
图5(a)、(b)和(c)中，电流i1和i2分别如表1所示:
表1三种情况下的i1和i2
表1中，d为占空比。根据表1，通过在不同的传输有功功率P的情况下改变iac、d、M1和M2，在满足式(4)的前提下，根据需要，优化选择开关器件电流有效值或峰值最小，或调制比最高的参数组合，即可得到实现软开关情况下的拓扑优化参数组合。
实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种三级型混合频率电力电子变压器AC-AC-DC变换级软开关调制方法，其特征在于，包括：
AC-AC-DC变换级高压侧和低压侧均采用PWM调制，AC-AC-DC变换级高压侧PWM调制的载波和低压侧PWM调制的载波的频率相同，通过移相角控制传输功率的大小与方向，AC-AC-DC变换级的高频环节通过PWM谐波电压与谐波电流传递能量。
2.根据权利要求1所述调制方法，其特征在于，所述通过移相角控制传输功率的大小与方向具体包括：
当高压侧PWM调制的载波相位超前低压侧PWM调制的载波时，有功功率由高压侧传送至低压侧；
当高压侧PWM调制的载波相位滞后低压侧PWM调制的载波时，有功功率由低压侧传送至高压侧；
当高压侧PWM调制的载波与低压侧PWM调制的载波同相位，即移相角为0时，有功功率为0。
3.根据权利要求2所述调制方法，其特征在于，所述高压侧PWM调制和低压侧PWM调制的调制波频率相同。
4.根据权利要求3所述调制方法，其特征在于，所述高压侧PWM调制和低压侧PWM调制均为双极性调制，或均为单极性调制。
5.根据权利要求4所述调制方法，其特征在于，所述PWM调制的载波频率高于AC-AC-DC变换级的电容与电感的串联谐振频率。
6.根据权利要求1～5任一所述调制方法，其特征在于，所述PWM调制为正弦脉冲宽度调制。
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