CN110690828A - 单相交直流电力电子变压器 - Google Patents

单相交直流电力电子变压器 Download PDF

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赵聪
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Abstract

一种单相交直流电力电子变压器，由半导体开关器件Tx1‑Tx4、二极管Dx1‑Dx4、半导体开关器件Ty1、Ty2、二极管Dy1、Dy2、高频隔离型双向DC/DC变换器、滤波电感Lf和直流电容Cdc组成。所述半导体开关器件Tx1‑Tx4的开关状态由所述单相交直流电力电子变压器交流端口Z1和Z2端子之间的电压us决定。所述的高频隔离型双向DC/DC变换器有两个直流端口，第二直流端口的电压uP2N2的实时控制目标为：uP2N2＝K×uP1N1，其中，uP1N1为高频隔离型双向DC/DC变换器第一直流端口的电压，K为不随时间变化的固定常数。所述的单相交直流电力电子变压器直流端口电压udc及高频隔离型双向DC/DC变换器的第二直流端口的电流isec均通过反馈方式进行双闭环控制。

Description

单相交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，特别涉及一种具有单相交流端口和直流端口的高效率电力电子变压器及控制方法。
背景技术
电力电子变压器一般通过电力电子变换器和高频变压器实现电气隔离、电压变换、功率传输等多种电气设备的复合功能。电力电子变压器在智能电网、可再生能源并网发电、交直流混合配电网、能源互联网等领域具有广泛的应用前景。
现有的电力电子变压器技术方案通常采用多个环节的交直流电力电子变换器实现电能的形式变换，导致系统结构复杂，所需元器件数量多，效率难以提高，且经济性差，严重影响了其推广和规模应用。例如，中国发明专利CN201310016540、CN201410135384、CN201510129159、CN201610274288、CN201710079402、CN201711082371、CN201811171060等都存在上述问题。
发明内容
本发明的目的旨在克服现有电力电子变压器电能变换环节多、效率低、结构复杂等缺点，提出一种高效率的单相交直流电力电子变压器电路拓扑及控制方法。
本发明单相交直流电力电子变压器由半导体开关器件Tx1-Tx4、二极管Dx1-Dx4、半导体开关器件Ty1、Ty2、二极管Dy1、Dy2、高频隔离型双向DC/DC变换器、滤波电感Lf和直流电容Cdc组成。半导体开关器件Tx1的集电极和Dx1的阴极连接在一起，半导体开关器件Tx1的发射极和Dx1的阳极连接在一起；半导体开关器件Tx2的集电极和Dx2的阴极连接在一起，半导体开关器件Tx2的发射极和Dx2的阳极连接在一起；半导体开关器件Tx3的集电极和Dx3的阴极连接在一起，半导体开关器件Tx3的发射极和Dx3的阳极连接在一起；半导体开关器件Tx4的集电极和Dx4的阴极连接在一起，半导体开关器件Tx4的发射极和Dx4的阳极连接在一起。高频隔离型双向DC/DC变换器具有两个直流端口，高频隔离型双向DC/DC变换器的第一直流端口的正负极端子分别为P1、N1，高频隔离型双向DC/DC变换器的第二直流端口的正负极端子分别为P2、N2，半导体开关器件Tx1的发射极和半导体开关器件Tx2的集电极连接至Z1点，半导体开关器件Tx3的发射极和半导体开关器件Tx4的集电极连接至Z2点；半导体开关器件Tx1的集电极和Tx3的集电极连接到高频隔离型双向DC/DC变换器的P1端子，半导体开关器件Tx2的发射极和Tx4的发射极连接到高频隔离型双向DC/DC变换器的N1端子；半导体开关器件Ty1的发射极和半导体开关器件Ty2的集电极连接至高频隔离型双向DC/DC变换器的P2端子，半导体开关器件Ty1的集电极连接至直流电容Cdc的正极端子Pdc，半导体开关器件Ty2的发射极连接至直流电容Cdc的负极端子Ndc；滤波电感Lf的一端连接至高频隔离型双向DC/DC变换器的N2端子，滤波电感Lf的另外一端连接至直流电容Cdc的负极端子Ndc；Z1和Z2作为所述单相交直流电力电子变压器交流端口的两个连接端子，连接至单相交流电源或单相交流电网；直流电容Cdc的正极端子Pdc和负极端子Ndc分别作为所述单相交直流电力电子变压器直流端口的正极和负极连接端子。
所述半导体开关器件Tx1-Tx4的开关状态由所述单相交直流电力电子变压器交流端口Z1和Z2端子之间的电压us决定，且当us>0时，则导通半导体开关器件Tx1和Tx4，并关断半导体开关器件Tx2和Tx3；当us<0时，则导通半导体开关器件Tx2和Tx3，并关断半导体开关器件Tx1和Tx4；所述的高频隔离型双向DC/DC变换器第二直流端口的电压uP2N2的实时控制目标为：uP2N2＝K×uP1N1，其中，K为不随时间变化的常数；uP1N1为所述高频隔离型双向DC/DC变换器第一直流端口的电压。
所述的单相交直流电力电子变压器直流端口Pdc和Ndc之间的直流电压udc通过闭环反馈方式进行控制，直流电压udc闭环反馈控制器的参考值为所述单相交直流电力电子变压器的直流端口的目标电压；直流电压udc的闭环反馈控制器输出为Reg_out_udc；所述的高频隔离型双向DC/DC变换器的第二直流端口P2端子的电流isec也通过闭环反馈方式进行控制，第二直流端口P2端子的电流isec的闭环反馈控制器的isec_ref参考值由下式确定：
isec_ref＝Reg_out_udc×|uz1z2|
其中，uz1z2为所述单相交直流电力电子变压器交流端口Z1和Z2端子之间的电压；
第二直流端口P2端子的电流isec的闭环反馈控制器的传递函数Reg_isec(s)如下：
Reg_isec(s)＝Kp+Kr2×s/[s2+(2ω1)2]+Kr4×s/[s2+(4ω1)2]
其中，Kp、Kr2和Kr4分别为闭环反馈控制器的三个部分的系数，Kp为比例部分的系数，Kr2为二倍频谐振控制器的系数，Kr4为四倍频谐振控制器的系数，Kp、Kr2和Kr4均为常数；ω1为所述单相交直流电力电子变压器交流端口Z1和Z2端子之间的电压uz1z2的基波角频率，s为拉普拉斯复数变量。
附图说明
图1为本发明单相交直流电力电子变压器电路原理图；
图2为本发明单相交直流电力电子变压器中高频隔离型双向DC/DC变换器的一种具体电路原理图；
图3为本发明单相交直流电力电子变压器的交流端口电压与电流仿真波形；
图4为本发明单相交直流电力电子变压器的直流端口电压与电流仿真波形。
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，本发明单相交直流电力电子变压器由半导体开关器件Tx1-Tx4、二极管Dx1-Dx4、半导体开关器件Ty1、Ty2、二极管Dy1、二极管Dy2、高频隔离型双向DC/DC变换器、滤波电感Lf和直流电容Cdc组成。半导体开关器件Tx1的集电极和Dx1的阴极连接在一起，半导体开关器件Tx1的发射极和Dx1的阳极连接在一起；半导体开关器件Tx2的集电极和Dx2的阴极连接在一起，半导体开关器件Tx2的发射极和Dx2的阳极连接在一起；半导体开关器件Tx3的集电极和Dx3的阴极连接在一起，半导体开关器件Tx3的发射极和Dx3的阳极连接在一起；半导体开关器件Tx4的集电极和Dx4的阴极连接在一起，半导体开关器件Tx4的发射极和Dx4的阳极连接在一起。高频隔离型双向DC/DC变换器具有两个直流端口，高频隔离型双向DC/DC变换器的第一直流端口正负极端子分别为P1、N1，高频隔离型双向DC/DC变换器的第二直流端口正负极端子分别为P2、N2，半导体开关器件Tx1的发射极和半导体开关器件Tx2的集电极连接至Z1点，半导体开关器件Tx3的发射极和半导体开关器件Tx4的集电极连接至Z2点；半导体开关器件Tx1的集电极和Tx3的集电极连接到高频隔离型双向DC/DC变换器的P1端子，半导体开关器件Tx2的发射极和Tx4的发射极连接到高频隔离型双向DC/DC变换器的N1端子；半导体开关器件Ty1的发射极和半导体开关器件Ty2的集电极连接至高频隔离型双向DC/DC变换器的P2端子，半导体开关器件Ty1的集电极连接至直流电容Cdc的正极端子Pdc，半导体开关器件Ty2的发射极连接至直流电容Cdc的负极端子Ndc；滤波电感Lf的一端连接至高频隔离型双向DC/DC变换器的N2端子，滤波电感Lf的另外一端连接至直流电容Cdc的负极端子Ndc；Z1和Z2作为所述单相交直流电力电子变压器交流端口的两个连接端子，连接至单相交流电源或单相交流电网；直流电容Cdc的正极端子Pdc和负极端子Ndc分别作为所述单相交直流电力电子变压器直流端口的正极和负极连接端子。
所述半导体开关器件Tx1-Tx4的开关状态由所述单相交直流电力电子变压器交流端口Z1和Z2端子之间的电压us决定，且当uz1z2>0时，则导通半导体开关器件Tx1和Tx4，并关断半导体开关器件Tx2和Tx3；当uz1z2<0时，则导通半导体开关器件Tx2和Tx3，并关断半导体开关器件Tx1和Tx4；所述的高频隔离型双向DC/DC变换器第二直流端口的电压uP2N2的实时控制目标为：uP2N2＝K×uP1N1，其中，K为不随时间变化的固定常数；uP1N1为所述高频隔离型双向DC/DC变换器第一直流端口的电压。
所述的单相交直流电力电子变压器直流端口Pdc和Ndc之间的直流电压udc通过闭环反馈方式进行控制，udc闭环反馈控制器的参考值为所述单相交直流电力电子变压器的直流端口的目标电压；udc的闭环反馈控制器输出为Reg_out_udc；所述的高频隔离型双向DC/DC变换器的第二直流端口P2端子的电流isec也通过闭环反馈方式进行控制，该电流isec的闭环反馈控制器的isec_ref参考值由下式确定：
isec_ref＝Reg_out_udc×|uz1z2|
其中，uz1z2为所述单相交直流电力电子变压器交流端口Z1和Z2端子之间的电压；电流isec的闭环反馈控制器的传递函数如下：
Reg_isec(s)＝Kp+Kr2×s/[s2+(2ω1)2]+Kr4×s/[s2+(4ω1)2]
其中，Kp、Kr2和Kr4分别为闭环反馈控制器的三个部分的系数，Kp为比例部分的系数，Kr2为二倍频谐振控制器的系数，Kr4为四倍频谐振控制器的系数，Kp、Kr2和Kr4均为常数；均为常数，ω1为所述单相交直流电力电子变压器交流端口Z1和Z2端子之间的电压uz1z2的基波角频率，s为拉普拉斯复数变量。
图2为本发明单相交直流电力电子变压器中高频隔离型双向DC/DC变换器的一种实施例的具体电路原理图。该高频隔离型双向DC/DC变换器采用串联谐振式双有源桥(DualActive Bridge，DAB)型DC/DC变换器，由直流电容C1、C2、半导体开关T1-T8、二极管D1-D8、高频变压器THF和谐振电容Cr组成。半导体开关T2的集电极与二极管D2的阴极连接在一起，半导体开关T2的发射极与二极管D2的阳极连接在一起；半导体开关T3的集电极与二极管D3的阴极连接在一起，半导体开关T3的发射极与二极管D3的阳极连接在一起；半导体开关T4的集电极与二极管D4的阴极连接在一起，半导体开关T4的发射极与二极管D4的阳极连接在一起；半导体开关T5的集电极与二极管D5的阴极连接在一起，半导体开关T5的发射极与二极管D5的阳极连接在一起；半导体开关T6的集电极与二极管D6的阴极连接在一起，半导体开关T6的发射极与二极管D6的阳极连接在一起；半导体开关T7的集电极与二极管D7的阴极连接在一起，半导体开关T7的发射极与二极管D7的阳极连接在一起；半导体开关T8的集电极与二极管D8的阴极连接在一起，半导体开关T8的发射极与二极管D8的阳极连接在一起；半导体开关T1、T3的集电极连接至电容C1的正极P1，半导体开关T1、T3的发射极与半导体开关T2、T4的集电极相连，半导体开关T2、T4的发射极连接至电容C1的负极N1。半导体开关T5、T7的集电极连接至电容C2的正极P2，半导体开关T5、T7的发射极与开关T6、T8的集电极相连，半导体开关T6、T8的发射极连接至电容C2的负极N2。谐振电容Cr一端与交流端子a1相连，。谐振电容Cr的另外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。
应用本发明搭建的400V交流/750V直流单相交直流电力电子变压器仿真参数如下：
交流端口电压：有效值400V，频率50Hz
直流端口电压：750V
高频变压器原副边额定电压：565V:565V
高频变压器折算至高压侧漏感Lr：6.33μH
谐振电容Cr：10μF
开关频率：19.2kHz
DAB死区时间：2μs
直流电容C1：50μF
直流电容C2：50μF
直流端口电容Cdc:30mF
滤波电感Lf:1mH
直流端口负载：50kW电阻负载
图3、图4为本发明单相交直流电力电子变压器的仿真验证结果。图3中，us为单相交直流电力电子变压器的交流端口电压，ipri为单相交直流电力电子变压器的交流端口电流。从仿真结果可以看出，通过本发明的单相交直流电力电子变压器的控制方法，交流端口电压与电流基本同相位，且输入电流保持了良好的正弦度。图4中，udc为单相交直流电力电子变压器的直流端口电压，idc为放大五倍后的单相交直流电力电子变压器的直流端口电流。从仿真结果可以看出，通过本发明的单相交直流电力电子变压器的控制方法，直流端口电压稳定在750V，输出功率为50kW。上述仿真结果验证了本发明单相交直流电力电子变压器的可行性和正确性。

Claims (3)

1.一种单相交直流电力电子变压器，其特征在于，所述的单相交直流电力电子变压器由半导体开关器件Tx1-Tx4、二极管Dx1-Dx4、半导体开关器件Ty1、Ty2、二极管Dy1、Dy2、高频隔离型双向DC/DC变换器、滤波电感Lf和直流电容Cdc组成；半导体开关器件Tx1的集电极和Dx1的阴极连接在一起，半导体开关器件Tx1的发射极和Dx1的阳极连接在一起；半导体开关器件Tx2的集电极和Dx2的阴极连接在一起，半导体开关器件Tx2的发射极和Dx2的阳极连接在一起；半导体开关器件Tx3的集电极和Dx3的阴极连接在一起，半导体开关器件Tx3的发射极和Dx3的阳极连接在一起；半导体开关器件Tx4的集电极和Dx4的阴极连接在一起，半导体开关器件Tx4的发射极和Dx4的阳极连接在一起；高频隔离型双向DC/DC变换器具有两个直流端口，高频隔离型双向DC/DC变换器的第一直流端口正负极端子分别为P1、N1，高频隔离型双向DC/DC变换器的第二直流端口正负极端子分别为P2、N2；半导体开关器件Tx1的发射极和半导体开关器件Tx2的集电极连接至Z1点，半导体开关器件Tx3的发射极和半导体开关器件Tx4的集电极连接至Z2点；半导体开关器件Tx1的Tx3的集电极连接到高频隔离型双向DC/DC变换器的P1端子，半导体开关器件Tx2的Tx4的发射极连接到高频隔离型双向DC/DC变换器的N1端子；半导体开关器件Ty1的发射极和半导体开关器件Ty2的集电极连接至高频隔离型双向DC/DC变换器的P2端子，半导体开关器件Ty1的集电极连接至直流电容Cdc的正极端子Pdc，半导体开关器件Ty2的发射极连接至直流电容Cdc的负极端子Ndc；滤波电感Lf的一端连接至高频隔离型双向DC/DC变换器的N2端子，滤波电感Lf的另外一端连接至直流电容Cdc的负极端子Ndc；Z1和Z2作为所述单相交直流电力电子变压器交流端口的两个连接端子，连接至单相交流电源或单相交流电网；直流电容Cdc的正极端子Pdc和负极端子Ndc分别作为所述单相交直流电力电子变压器直流端口的正极和负极连接端子。
2.如权利要求1所述的单相交直流电力电子变压器，其特征在于：半导体开关器件Tx1-Tx4的开关状态由所述单相交直流电力电子变压器交流端口Z1和Z2端子之间的电压us决定，且当高频隔离型双向DC/DC变换器第二直流端口的电压uz1z2>0时，则导通半导体开关器件Tx1和Tx4，关断半导体开关器件Tx2和Tx3；当高频隔离型双向DC/DC变换器第二直流端口的电压uz1z2<0时，则导通半导体开关器件Tx2和Tx3，关断半导体开关器件Tx1和Tx4；所述的高频隔离型双向DC/DC变换器第二直流端口的电压uP2N2的实时控制目标为：uP2N2＝K×uP1N1，其中，K为不随时间变化的常数，uP1N1为所述高频隔离型双向DC/DC变换器第一直流端口的电压。
3.如权利要求1所述的单相交直流电力电子变压器，其特征在于：对所述的单相交直流电力电子变压器直流端口Pdc和Ndc之间的直流电压udc通过闭环反馈方式进行控制，直流电压udc闭环反馈控制器的参考值为所述单相交直流电力电子变压器的直流端口的目标电压；直流电压udc的闭环反馈控制器输出为Reg_out_udc；所述的高频隔离型双向DC/DC变换器的第二直流端口P2端子的电流isec也通过闭环反馈方式进行控制，第二直流端口P2端子的电流isec的闭环反馈控制器的isec_ref参考值由下式确定：
isec_ref＝Reg_out_udc×|uz1z2|
其中，uz1z2为所述单相交直流电力电子变压器交流端口Z1和Z2端子之间的电压；
第二直流端口P2端子的电流isec的闭环反馈控制器的传递函数如下：
Reg_isec(s)＝Kp+Kr2×s/[s2+(2ω1)2]+Kr4×s/[s2+(4ω1)2]
其中，Kp、Kr2和Kr4均为常数，分别为闭环反馈控制器的三个部分的系数，其中Kp为比例部分的系数，Kr2为二倍频谐振控制器的系数，Kr4为四倍频谐振控制器的系数；ω1为所述单相交直流电力电子变压器交流端口Z1和Z2端子之间的电压uz1z2的基波角频率，s为拉普拉斯复数变量。
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