CN110808687A - 一种高变比电力电子变压器 - Google Patents

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Abstract

一种高变比电力电子变压器，由第一单相变换器、第二单相变换器和m个隔离型DC‑DC变换器组成，m为正整数。正常运行时，当电网电压为正时，控制所述的第一单相变换器的第一桥臂和第四桥臂导通，第二桥臂和第三桥臂关断，所述的第二单相变换器第一半导体开关Q1和第四半导体开关Q4导通，第二半导体开关Q2和第三半导体开关Q3关断；当电网电压为负时，控制所述的第一单相变换器的第二桥臂和第三桥臂导通，第一桥臂和第四桥臂关断，所述的第二单相变换器第二半导体开关Q2和第三半导体开关Q3导通，第一半导体开关Q1和第四半导体开关Q4关断；即能实现交流电压变换。本发明高变比电力电子变压器储能元件数量少，功率密度高。

Description

一种高变比电力电子变压器
技术领域
本发明涉及一种电力电子变压器。
背景技术
高速动车组列车具有动力分散、动拖比大、加速、爬坡能力强以及换向便利等优点，是未来高速列车的主要发展方向之一。虽然我国在高速动车组领域的研究起步较晚，但发展极其迅速。在前期引进的高速动车组列车基础上，进行自主研发与创新，已逐渐形成具备中国标准和知识产权的“复兴号”动车组列车，运行速度已经达到350km/h。另外，截止2019年底，我国高速铁路总里程已经达到2.9万公里，在世界所有高铁国家中跃居第一。
高速铁路的快速发展对相关产业和装备技术的发展也提出了更高的要求。作为高速动车组列车动力的核心部分——车载牵引变流系统，其性能优劣将直接影响高速动车组的安全性、可靠性和经济性。我国的高速动车组车载牵引变流系统一般由三部分组成，即车载牵引变压器、四象限背靠背变流器和驱动电机。车载牵引变压器将高速动车组前端25kV左右的高压交流电变换为低压交流电，通过四象限背靠背变流器实现变频控制，为驱动电机供电。
高速动车组列车运行速度快，导致车载牵引变压器功率较大。目前，我国运行时速分别为160km/h、250km/h和350km/h的高速动车组，其车载牵引变压器容量分别为1.6MVA、3.6MVA和6.4MVA，过大的容量导致车载牵引变压器体积大、重量重，是目前制约高速动车组运载能力进一步提升的关键因素。因此，有必要研制体积更小、重量更轻的高变比电压变换装置，替代现有的车载牵引变压器，近一步提升车载牵引系统性能，对我国高速动车组的发展具有重要意义。
为解决上述问题，相关文献和专利也分别提出了不同的解决方案，在《IEEETransactions on Power Electronics》2013年第28卷第12期5522-5534页刊登的《PowerElectronic Traction Transformer-Low Voltage Prototype》提出一种基于级联H桥的车载电力电子变压器拓扑，用于替代欧洲部分铁路电力机车上的16.7Hz牵引变压器，并已完成了示范运行。但该电力电子变压器结构复杂，储能元件数量众多，而且欧洲部分铁路系统中采用的16.7Hz牵引变压器本身已比我国50Hz牵引变压器体积大，因此，此类电力电子变压器并不能直接替代我国高速动车组车载牵引变压器。中国专利CN 106655794 B和CN108923618 B也分别提出了不同类型的电力电子变压器拓扑，但这些拓扑均存在储能元件数量多，功率密度低等缺点，不能直接用于替代现有高速动车组车载牵引变压器。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提出一种适用于替代现有高速动车组车载牵引变压器的高变比电力电子变压器。本发明可以实现高变比的交流电压变换且储能元件数量少。
本发明高变比电力电子变压器，由第一单相变换器、第二单相变换器和m个隔离型DC-DC变换器组成，m为正整数；所述的第一单相变换器包含第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂；所述的第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂均由n个半导体开关器件S1～Sn串联构成，n为正整数；所述的第二单相变换器包含第一半导体开关Q1、第二半导体开关Q2、第三半导体开关Q3和第四半导体开关Q4；所述的m个隔离型DC-DC变换器包含输入侧连接端子T1和T2，输出侧连接端子T3和T4。
电网侧连接端子A连接至第一单相变换器连接端子a，电网侧连接端子B连接至第一单相变换器连接端子b；第一单相变换器的第一桥臂与第三桥臂并联后连接至第一单相变换器的正极连接端子P1，第一单相变换器的第二桥臂与第四桥臂并联后连接至第一单相变换器的负极连接端子N1；第一单相变换器的正极连接端子P1连接至第一隔离型DC-DC变换器输入侧连接端子T1，第一单相变换器的负极连接端子N1连接至第m隔离型DC-DC变换器输入侧连接端子T2；m个隔离型DC-DC变换器的输出侧连接端子T3连接至第二单相变换器的正极连接端子P2，m个隔离型DC-DC变换器的输出侧连接端子T4连接至第二单相变换器的负极连接端子N2；第二单相变换器的连接端子x连接至负载侧连接端子X，第二单相变换器的连接端子y连接至负载侧连接端子Y。
本发明高变比电力电子变压器的m个隔离型DC-DC变换器输入侧串联、输出侧并联；第i隔离型DC-DC变换器的输入侧连接端子T1连接至第i-1隔离型DC-DC变换器的输入侧连接端子T2，第i隔离型DC-DC变换器的输入侧连接端子T2连接至第i+1隔离型DC-DC变换器的输入侧连接端子T1，2≤i≤m-1，i、m为正整数；m个隔离型DC-DC变换器输出侧连接端子T3并联连接，m个隔离型DC-DC变换器输出侧连接端子T4并联连接。
对本发明高变比电力电子变压器的控制方法如下：
正常运行过程中，根据电网侧电压极性决定第一单相变换器和第二单相变换器工作状态；当电网侧电压为正时，控制第一单相变换器第一桥臂和第四桥臂的半导体开关器件处于导通状态，第二桥臂和第三桥臂的半导体开关器件处于关断状态，控制第二单相变换器第一半导体开关Q1和第四半导体开关Q4处于导通状态，第二半导体开关Q2和第三半导体开关Q3处于关断状态；当电网侧电压为负时，控制第一单相变换器第二桥臂和第三桥臂半导体开关器件处于导通状态，第一桥臂和第四桥臂半导体开关器件处于关断状态，控制第二单相变换器第二半导体开关Q2和第三半导体开关Q3处于导通状态，第一半导体开关Q1和第四半导体开关Q4处于关断状态，即能实现高变比交流电压变换。
附图说明
图1为本发明高变比电力电子变压器原理图；
图2a、图2b、图2c为本发明高变比电力电子变压器的仿真波形，其中，图2a为高变比电力电子变压器电网侧电压波形；图2b为高变比电力电子变压器负载侧电压波形；图2c为高变比电力电子变压器隔离型DC-DC变换器高频变压器原边电压和原边电流波形。
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。
图1为本发明高变比电力电子变压器原理图。如图1所示，本发明的高变比电力电子变压器由第一单相变换器、第二单相变换器和m个隔离型DC-DC变换器组成，m为正整数；所述的第一单相变换器包含第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂；所述的第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂均由n个半导体开关器件S1～Sn串联构成，n为正整数；所述的第二单相变换器包含第一半导体开关Q1、第二半导体开关Q2、第三半导体开关Q3和第四半导体开关Q4；所述的m个隔离型DC-DC变换器包含输入侧连接端子T1和T2，输出侧连接端子T3和T4；电网侧连接端子A连接至第一单相变换器连接端子a，电网侧连接端子B连接至第一单相变换器连接端子b；第一单相变换器第一桥臂与第三桥臂并联后连接至第一单相变换器的正极连接端子P1，第一单相变换器第二桥臂与第四桥臂并联后连接至第一单相变换器的负极连接端子N1；第一单相变换器的正极连接端子P1连接至第一隔离型DC-DC变换器的输入侧连接端子T1，第一单相变换器的负极连接端子N1连接至第m隔离型DC-DC变换器的输入侧连接端子T2；m个隔离型DC-DC变换器的输出侧连接端子T3连接至第二单相变换器的正极连接端子P2，m个隔离型DC-DC变换器的输出侧连接端子T4连接至第二单相变换器的负极连接端子N2；第二单相变换器的连接端子x连接至负载侧连接端子X，第二单相变换器连接端子y连接至负载侧连接端子Y。
本发明高变比电力电子变压器的m个隔离型DC-DC变换器输入侧串联、输出侧并联；第i隔离型DC-DC变换器的输入侧连接端子T1连接至第i-1隔离型DC-DC变换器的输入侧连接端子T2，第i隔离型DC-DC变换器的输入侧连接端子T2连接至第i+1隔离型DC-DC变换器的输入侧连接端子T1，2≤i≤m-1，i、m为正整数；m个隔离型DC-DC变换器输出侧连接端子T3并联连接，m个隔离型DC-DC变换器输出侧连接端子T4并联连接。
以下为本发明的一个实施例。
本实施例的高变比电力电子变压器参数如下：
Figure BDA0002300805710000051
对本发明高变比电力电子变压器的控制方法如下：
正常运行过程中，根据电网侧电压极性决定第一单相变换器和第二单相变换器工作状态；当电网侧电压为正时，控制第一单相变换器第一桥臂和第四桥臂半导体开关器件处于导通状态，第二桥臂和第三桥臂半导体开关器件处于关断状态，控制第二单相变换器第一半导体开关Q1和第四半导体开关Q4处于导通状态，第二半导体开关Q2和第三半导体开关Q3处于关断状态；当电网侧电压为负时，控制第一单相变换器第二桥臂和第三桥臂半导体开关器件处于导通状态，第一桥臂和第四桥臂半导体开关器件处于关断状态，控制第二单相变换器第二半导体开关Q2和第三半导体开关Q3处于导通状态，第一半导体开关Q1和第四半导体开关Q4处于关断状态，即能实现高变比交流电压变换。
图2为本发明高变比电力电子变压器仿真波形。其中，图2a为高变比电力电子变压器电网侧交流电压波形；图2b为高变比电力电子变压器负载侧交流电压波形；图2c为高变比电力电子变压器隔离型DC-DC变换器高频变压器原边电压和原边电流波形，为便于观察，将隔离型DC-DC变换器高频变压器原边电流放大100倍置于图中。如图2a、图2b和图2c所示，实施例中电力电子变压器的电压变比为30:1，因此，本发明的高变比电力电子变压器不仅可以实现高变比的交流电压变换，还能够显著减少储能元件数量，成本较低。此外，本发明高变比电力电子变压器还能够实现隔离型DC-DC变换器所有半导体开关器件的软开关，效率较高。

Claims (3)

1.一种高变比电力电子变压器，由第一单相变换器、第二单相变换器和m个隔离型DC-DC变换器组成，m为正整数；所述的第一单相变换器包含第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂；所述的第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂均由n个半导体开关器件S1～Sn串联构成，n为正整数；所述的第二单相变换器包含第一半导体开关Q1、第二半导体开关Q2、第三半导体开关Q3和第四半导体开关Q4；所述的m个隔离型DC-DC变换器包含输入侧连接端子T1和T2，输出侧连接端子T3和T4；其特征在于：
电网侧连接端子A连接至第一单相变换器的连接端子a，电网侧连接端子B连接至第一单相变换器的连接端子b；第一单相变换器的第一桥臂与第三桥臂并联后连接至第一单相变换器的正极连接端子P1，第一单相变换器的第二桥臂与第四桥臂并联后连接至第一单相变换器的负极连接端子N1；第一单相变换器的正极连接端子P1连接至第一隔离型DC-DC变换器的输入侧连接端子T1，第一单相变换器的负极连接端子N1连接至第m隔离型DC-DC变换器的输入侧连接端子T2；m个隔离型DC-DC变换器的输出侧连接端子T3连接至第二单相变换器正极连接端子P2，m个隔离型DC-DC变换器输出侧连接端子T4连接至第二单相变换器负极连接端子N2；第二单相变换器连接端子x连接至负载侧连接端子X，第二单相变换器连接端子y连接至负载侧连接端子Y。
2.如权利要求1所述的高变比电力电子变压器，其特征在于：所述的m个隔离型DC-DC变换器的输入侧串联、输出侧并联；第i隔离型DC-DC变换器的输入侧连接端子T1连接至第i-1隔离型DC-DC变换器的输入侧连接端子T2，第i隔离型DC-DC变换器的输入侧连接端子T2连接至第i+1隔离型DC-DC变换器的输入侧连接端子T1，2≤i≤m-1，i、m为正整数；m个隔离型DC-DC变换器输出侧连接端子T3并联连接，m个隔离型DC-DC变换器输出侧连接端子T4并联连接。
3.如权利要求1所述的高变比电力电子变压器，其特征在于：正常运行过程中，根据电网侧电压极性决定第一单相变换器和第二单相变换器工作状态；当电网侧电压为正时，控制第一单相变换器第一桥臂和第四桥臂半导体开关器件处于导通状态，第二桥臂和第三桥臂半导体开关器件处于关断状态，控制第二单相变换器第一半导体开关Q1和第四半导体开关Q4处于导通状态，第二半导体开关Q2和第三半导体开关Q3处于关断状态；当电网侧电压为负时，控制第一单相变换器第二桥臂和第三桥臂半导体开关器件处于导通状态，第一桥臂和第四桥臂半导体开关器件处于关断状态，控制第二单相变换器第二半导体开关Q2和第三半导体开关Q3处于导通状态，第一半导体开关Q1和第四半导体开关Q4处于关断状态，即能实现高变比交流电压变换。
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