CN110829844A - 模块化低压交直流混合电力电子变压器拓扑及其控制方法 - Google Patents

模块化低压交直流混合电力电子变压器拓扑及其控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110829844A
CN110829844A CN201910926452.5A CN201910926452A CN110829844A CN 110829844 A CN110829844 A CN 110829844A CN 201910926452 A CN201910926452 A CN 201910926452A CN 110829844 A CN110829844 A CN 110829844A
Authority
CN
China
Prior art keywords
voltage
low
phase
bridge
direct current
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201910926452.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110829844B (zh
Inventor
欧阳少迪
刘进军
杨跃
陈晖�
陈星星
宋曙光
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xian Jiaotong University
Original Assignee
Xian Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xian Jiaotong University filed Critical Xian Jiaotong University
Priority to CN201910926452.5A priority Critical patent/CN110829844B/zh
Publication of CN110829844A publication Critical patent/CN110829844A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110829844B publication Critical patent/CN110829844B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/33507—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of the output voltage or current, e.g. flyback converters
    • H02M3/33523—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of the output voltage or current, e.g. flyback converters with galvanic isolation between input and output of both the power stage and the feedback loop
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/10—Arrangements incorporating converting means for enabling loads to be operated at will from different kinds of power supplies, e.g. from ac or dc
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/33569—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements
    • H02M3/33576—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements having at least one active switching element at the secondary side of an isolation transformer
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/40—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc
    • H02M5/42—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters
    • H02M5/44—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac
    • H02M5/453—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M5/458—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M5/4585—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having a rectifier with controlled elements
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/02—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal
    • H02M7/04—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/12—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/21—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/217—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M7/219—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only in a bridge configuration

Abstract

本发明公开了一种模块化低压交直流混合电力电子变压器拓扑及其控制方法，包括输入级、隔离级与输出级。输入级采用三相串联H桥变换器；隔离级采用双有源全桥变换器；输出级采用三相两电平变换器。每个H桥变换器的直流端口与一个双有源全桥变换器的一次侧直流端口连接；隔离级的双有源全桥变换器分为两组，它们的二次侧直流端口分别并联，其中第一组双有源全桥变换器的二次侧直流端口并联后的正极作为电力电子变压器低压直流端口的正极，第二组双有源全桥变换器的二次侧直流端口并联后的负极作为电力电子变压器低压直流端口的负极，第一组的负极与第二组的正极连接作为电力电子变压器低压直流端口的中性点。

Description

模块化低压交直流混合电力电子变压器拓扑及其控制方法
技术领域
本发明属于电力电子变压器技术领域，具体涉及一种模块化低压交直流混合电力电子变压器拓扑及其控制方法。
背景技术
传统电力变压器结构简单、效率高、可靠性高，广泛应用于电力系统。但过低的工作频率导致传统变压器体积大，笨重，而且矿物油、环氧树脂、难燃油等作为绝缘或冷却介质使用存在火灾和环境污染的潜在隐患。另外，它通常只能够实现电气隔离、电压等级变换和功率双向传递等相对单一的功能，而无网侧电能质量调节、谐波传递隔绝、过载及故障保护、负载电压调节等等功能。传统变压器的这些弱点使它无法满足一些诸如智能电网等新应用场合的功能要求。在过去的几十年中，电力电子技术有了长足全面的快速发展，越来越多的电力电子装置在电力系统中得到应用。在这个大背景下，针对传统变压器的上述弱点，研究人员和工程师提出了电力电子变压器(Power Electronic Transformer)或者固态变压器(Solid-State Transformer)加以解决。未来的电力电子变压器可以作为目前广泛应用的传统配电变压器的替代品。
由于未来电网需要大规模接入分布式能源，低压电网将广泛呈现交直流混合的形式。根据近年来公布的直流配电的最新标准，低压直流电网倾向于采用双极性结构，因此未来的电力电子变压器的低压级需要同时提供双极性直流端口与三相四线制交流端口。能够实现这一功能的电力电子变压器拓扑结构在目前的文献中未被提及或讨论过。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种模块化低压交直流混合电力电子变压器拓扑及其控制方法，以实现低压交直流混合的功能。
为达到上述目的，本发明一种模块化低压交直流混合电力电子变压器拓扑，包括依次连接的输入级、隔离级和输出级；
输入级为三相串联H桥，每相包括2N个串联的单相H桥变换器，N为正整数；
隔离级包括第一组双有源桥变换器和第二组双有源桥变换器；两组双有源桥变换器均包括3N个双有源桥变换器；第一组的3N个双有源桥变换器的直流输入端分别与输入级A相的N个H桥变换器、输入级B相的N个H桥变换器、输入级C相的N个H桥变换器的直流端口连接；第二组的3N个双有源全桥变换器的直流输入端分别与输入级A相另外N个H桥变换器、输入级B相另外N个H桥变换器、输入级C相另外N个H桥变换器连接；第一组双有源桥变换器的直流输出端并联后的正极作为电力电子变压器低压直流端口的正极，第二组双有源全桥变换器的直流输出端并联后的负极作为电力电子变压器低压直流端口的负极，第一组双有源桥变换器的直流输出端并联后的负极与第二组双有源桥变换器的直流输出端并联后的正极连接作为电力电子变压器低压直流端口的中性点；低压直流端口的正极与中性点形成的端口为高侧低压直流端口，低压直流端口的负极与中性点形成的端口为低侧低压直流端口；
输出级为三相两电平变换器，三相两电平变换器的直流端口与电力电子变压器高侧低压直流端口的正极和低侧低压直流端口的负极连接，三相两电平变换器的交流端口用于接负载。
进一步的，三相两电平变换器的交流端口连接有LC滤波器，LC滤波器的中点与电力电子变压器低压直流端口的中性点连接。
进一步的，输入级的每个单相H桥变换器的直流端接有变换器电容C1。
进一步的，双有源全桥变换器包括一次侧单相H桥变换器、高频变压器T和二次侧单相H桥变换器，一次侧单相H桥变换器的直流端口为双有源全桥的直流输入端，一次侧单相H桥的交流端口通过电抗器L1连接至高频变压器的一次侧线圈，高频变压器的二次侧线圈通过电抗器L2连接至二次侧单相H桥变换器的交流端口，二次侧单相H桥的直流端口为双有源全桥的直流输出端。
进一步的，电力电子变压器低压直流端口的正极和低压直流端口的中性点之间连接有电容C21，电力电子变压器低压直流端口的负极和中性点之间连接有电容C22。
一种上述的模块化低压交直流混合电力电子变压器拓扑的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：采样输入级与高侧低压直流端口对应的所有单相H桥变换器的电容C1的电压
Figure BDA0002219067280000031
采样输入级与低侧低压直流端口对应的所有单相H桥变换器的电容C1的电压
Figure BDA0002219067280000032
求取所有
Figure BDA0002219067280000033
和的平均值Vdc_MV；其中k代表相，k∈A,B,C，i代表第i个单相H桥变换器，i∈1,2......N
步骤2：将所有电容C1的电压平均值Vdc_MV与设定的输入级直流电压指令比较，通过PI调节器输出有功电流指令
步骤3：根据无功需求确定无功电流指令
Figure BDA0002219067280000037
步骤4：检测输入级的交流侧电流iA、iB、iC，并计算电流iA、iB、iC的有功分量id和无功分量iq；
步骤5：将各相的有功分量id与有功电流指令
Figure BDA0002219067280000038
比较，将各相的无功分量iq与无功电流指令
Figure BDA0002219067280000039
进行比较，通过PI调节器输出输入级在dq坐标系下的有功电压指令
Figure BDA00022190672800000310
与无功电压指令
Figure BDA00022190672800000311
步骤6：将各相有功电压指令
Figure BDA00022190672800000312
与无功电压指令
Figure BDA00022190672800000313
分别通过坐标变换后得到输入级在静止坐标系下的总的指令电压
Figure BDA00022190672800000314
步骤7：将与高侧低压直流端口连接的单相H桥变换器电容电压去平均值得到高侧平均直流电压Vdc_MV_up，将与低侧低压直流端口连接的单相H桥变换器的电容电压去平均值得到低侧平均直流电压Vdc_MV_down；
步骤8：将步骤7中得到的高侧平均直流电压Vdc_MV_up与低侧平均直流电压Vdc_MV_down进行比较，通过PI调节器输出高侧和低侧输入级变换器电压指令的调节系数kMV，令1-kMV＝kMV_up作为高侧输入级变换器的调节系数；1+kMV＝kMV_down作为低侧输入级变换器的调节系数；
步骤9：将步骤8得到的高侧输入级变换器的调节系数kMV_up与步骤6得到的总的指令电压相乘，作为高侧输入级变换器的指令电压；将步骤8得到的kMV_down与步骤6得到的总的指令电压相乘，作为低侧输入级变换器的指令电压；
步骤10：采样高侧低压直流端口的电压Vdc_LV_up；
步骤11：将高侧低压直流端口的电压Vdc_LV_up与设定的高侧低压直流指令电压比较，通过PI调节器输出隔离级高侧各个双有源全桥变换器的平均相移指令φavr_up；
步骤12：将步骤1得到的输入级高侧各个单相H桥变流器的电容电压
Figure BDA0002219067280000044
与步骤7得到的高侧平均直流电压Vdc_MV_up比较，通过PI调节器输出各个单相H桥变流器对应的高侧隔离级双有源全桥变换器的相移调节量指令
Figure BDA0002219067280000045
实现输入级高侧电容电压平衡；
步骤13：将步骤11得到的隔离级高侧各个双有源全桥变换器的平均相移指令φavr_up与步骤12得到的高侧隔离级双有源全桥变换器的相移调节量指令
Figure BDA0002219067280000046
叠加作为隔离级高侧双有源全桥变换器的相移指令
Figure BDA0002219067280000047
步骤14：采样低侧低压直流端口的电压Vdc_LV_down；
步骤15：将低侧低压直流端口的电压Vdc_LV_down与设定的低侧低压直流指令电压
Figure BDA0002219067280000048
比较，通过PI调节器输出隔离级低侧各个双有源全桥变流器的平均相移指令φavr_down；
步骤16：将步骤1得到的输入级低侧各个单相H桥变流器的电容电压
Figure BDA0002219067280000049
与低侧平均直流电压Vdc_MV_down比较，通过PI调节器输出各个单相H桥变流器对应的隔离级低侧双有源全桥变换器的相移调节量指令
Figure BDA0002219067280000051
实现输入级低侧电容电压平衡；
步骤17：将步骤15得到的隔离级低侧各个双有源全桥变流器的平均相移指令φavr_down与步骤16得到的隔离级双有源全桥变换器的相移调节量指令
Figure BDA0002219067280000052
指令叠加，作为隔离级低侧双有源全桥变换器的相移指令
Figure BDA0002219067280000053
与现有技术相比，本发明所述的种模块化低压交直流混合电力电子变压器拓扑至少具有以下有益效果：
1)隔离级的隔离变压器可以实现传统电力变压器的变压和隔离基本功能；
2)通过输出级的三相两电平变换器，以及电力电子变压器低压直流端口的中性点可以实现三相四线制交流输出，符合我国低压配电网的惯例；
3)直流端口通过将隔离级DC/DC变换器分为两组，一组隔离级DC/DC变换器的直流输出端并联形成高侧低压输出端口，另一组隔离级DC/DC变换器的直流输出端并联形成地侧低压输出端口，实现双极性直流输出，符合最新的直流配电网标准结构；
4)与现有的通过电压平衡器实现双极性直流输出的拓扑结构相比，本拓扑通过两组双有源全桥变换器直接输出双极性直流电压，无需电压平衡器，节省了半导体器件的容量，同时省去了对电压平衡器的控制，控制上更为简化。
本发明所述的控制方法，通过输入级变换器控制输入级高侧各电容的平均电压、输入级低侧各电容的平均电压，且通过输入级变换器实现高侧各电容平均电压与低侧各电容平均电压的平衡；通过高侧隔离级变换器实现输入级高侧各电容电压的平衡，通过低侧隔离级变换器实现输入级低侧各电容平均电压的平衡。
附图说明
图1单相H桥变换器结构图；
图2双有源全桥变换器结构图；
图3三相两电平变换器结构图；
图4输入级电流波形图；
图5输入级各变换器电容电压波形图；
图6低压直流端口电压波形图；
图7低压交流端口电压波形图；
图8低压交流端口负载电流波形图；
图9低压交流端口中线电流波形图；
图10为本发明所提出的电力电子变压器的拓扑结构图；
图11为本发明所述的方法的步骤1至步骤6的示意图；
图12为本发明所述的方法的步骤8的示意图；
图13为步骤9的示意图；
图14为本发明所述的方法的步骤11的示意图；
图15为本发明所述的方法的步骤12的示意图；
图16为本发明所述的方法的步骤13的示意图；
图17为本发明所述的方法的步骤15的示意图；
图18为本发明所述的方法的步骤16的示意图；
图19为本发明所述的方法的步骤17示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提出一种输入级三相中压交流输入、低压级同时输出双极性直流与三相四线制交流的电力电子变压器拓扑结构，以实现低压交直流混合的功能。
一种模块化低压交直流混合电力电子变压器拓扑。分为三级：输入级、隔离级与输出级。输入级采用三相串联H桥变换器；隔离级采用双有源全桥变换器；输出级采用三相两电平变换器。输入级每个H桥变换器的直流端口与一个双有源全桥变换器的一次侧直流端口连接；隔离级的双有源全桥变换器分为两组，两组双有源全桥变换器的二次侧直流端口分别并联，其中第一组双有源全桥变换器的二次侧直流端口并联后的正极作为电力电子变压器低压直流端口的正极，第二组双有源全桥变换器的二次侧直流端口并联后的负极作为电力电子变压器低压直流端口的负极，第一组的负极与第二组的正极连接作为电力电子变压器低压直流端口的中性点。输出级变换器的直流端口与电力电子变压器低压直流端口的正、负极连接，交流端口与LC滤波器连接并供给三相负载；LC滤波器的中点与电力电子变压器低压直流端口的中性点连接。该拓扑结构可以使电力电子变压器实现双极性低压直流输出与三相四线制低压交流输出。
实施例1：输入侧10kV交流，输出侧0.38kV三相四线制交流与±375V双极性直流的电力电子变压器。
采用如图10所示的拓扑结构，一种模块化低压交直流混合电力电子变压器拓扑包括输入级、隔离级和输出级。
输入级为三相串联H桥，每相包括2N个相同的串联的单相H桥变换器，N为正整数，串联后经过电抗器G与电网的一相连接。每相的单相H桥变换器的级联数目由输入电压等级和所选用的电力电子器件水平决定。在本实施例中，输入电压为10kV(线电压)，输入级星形连接，选用耐压3.3kV的IGBT并设定直流电压为2500V时，每相包括4个单相H桥变换器串联，即2N＝4。输入级一共有12个单相H桥变换器。
如图1所示，单相H桥变换器包括功率器件S1、S2、S3和S4，四个功率器件构成全桥电路，全桥电路一端为直流端口一端为单相交流端口。每个单相H桥变换器的直流端接有变换器电容C1；每相2N个单相H桥变换器的交流端口串联，并与一个电抗器G串联后与中压级电网的一相连接，相与相之间的单相H桥变换器星型连接或三角形连接。
隔离级包括三相双有源全桥变换器，每相包括4个双有源全桥变换器，一共有12个双有源全桥变换器。双有源全桥变换器的结构如图2所示，由两个单相H桥变换器、一个两端口高频变压器、两个电抗器L1以及电抗器L2组成。一次侧单相H桥变换器的直流端口为双有源全桥的直流输入端，一次侧单相H桥的交流端口通过电抗器L1连接到高频变压器的一次侧线圈，高频变压器的二次侧线圈通过电抗器L2连接到二次侧单相H桥变换器的交流端口，二次侧单相H桥的直流端口为双有源全桥的直流输出端。
每个双有源全桥变换器的直流输入端与输入级的一个单相H桥变换器的直流端口连接，每个双有源全桥变换器的直流输出端与低压侧的两个375V直流母线之一连接。双有源全桥变换器的一次侧IGBT也采用3.3kV的IGBT，二次侧IGBT采用耐压等级650V的IGBT，高频变压器的匝比为20:3。
12个双有源全桥变换器分成两组，每组6个双有源全桥变换器，其中第一组的6个双有源全桥变换器分别与输入级A相的2个H桥变换器、输入级B相的2个H桥变换器、输入级C相的2个H桥变换器连接；第二组的6个双有源全桥变换器与输入级A相余下的2个H桥变换器、输入级B相余下的2个H桥变换器、输入级C相余下的2个H桥变换器连接。
第一组双有源全桥变换器的直流输出端并联成高侧直流母线，第二组双有源全桥变换器的直流输出端并联成低侧直流母线。
高侧低压直流母线的负端与低侧低压直流母线的正端连接，形成总的低压直流母线的中性点。高侧直流母线的正极与低侧直流母线的负极形成总的直流母线的正负极。高侧低压直流母线电压为375V(即正极电压为+375V)，低侧低压直流母线电压也为375V(即负极电压为-375V)，低压直流端口正负极之间的总电压为750V。高侧低压直流母线和中性点之间连接有电容C21，低侧低压直流母线和中性点之间连接有电容C22。高侧低压直流母线与中性点形成的端口为高侧低压直流端口，低侧低压直流母线与中性点形成的端口为低侧低压直流端口。
输出级的功率变换器为三相两电平逆变器，结构如图3所示，包括1个三相交流端口与1个直流端口。IGBT采用1.7kV的IGBT。三相两电平逆变器的直流端口与低压直流端口的正、负极连接，三相两电平逆变器的交流端口经LC滤波器向负载供电，LC滤波器包括滤波电感L3和滤波电容C3。从总的低压直流母线的中性点引出中性线，与LC滤波器及负载的中点连接，构成三相四线制输出。
为了验证所提出的拓扑的有效性，根据实施例的参数在MATLAB/SIMULINK中搭建了仿真模型并进行了仿真验证。验证结果如表1所示。
表1电力电子变压器仿真参数
图4到图9为电力电子变压器的仿真波形。图4为输入级的电流波形，可见输入电流为正弦波形；图5为输入级各个单相H桥变换器的电容C1的电压波形，平均值稳定为2500V；图6为低压直流端口的电压波形，可见正极为+375V，负极为-375V；图7为输出级的交流电压波形，每相的输出电压为220V(即线电压0.38kV)；图8为输出级的交流电流波形，交流端口的负载为三相不平衡的；图9为输出级的中线电流波形。结合图7、8、9，可见输出级能够在不平衡负载下能输出标准的0.38kV三相交流电压。
上述电力电子变压器的控制方法，输入级与隔离级的控制步骤如下：
步骤1：采样输入级与高侧低压直流端口对应的所有单相H桥变换器的电容C1的电压其中k代表相(k∈A,B,C)，i代表第i个(i∈1,2......N)；采样输入级与低侧低压直流端口对应的所有单相H桥变换器的电容C1的电压
Figure BDA0002219067280000112
其中k代表相(k∈A,B,C)，i代表第i个(i∈1,2......N)，求取所有
Figure BDA0002219067280000113
和
Figure BDA0002219067280000114
的平均值Vdc_MV；
步骤2：将所有电容C1的电压平均值Vdc_MV与设定的输入级直流电压指令
Figure BDA0002219067280000115
比较，输入级直流指令电压
Figure BDA0002219067280000116
根据变换器设计参数得到，通过PI调节器输出有功电流指令
Figure BDA0002219067280000117
步骤3：无功电流指令
Figure BDA0002219067280000118
由电网的无功需求决定，在本实施例中，电力电子变压器不进行无功补偿，无功电流指令
Figure BDA0002219067280000119
设置为0；
步骤4：检测输入级的交流侧电流iA、iB、iC，并计算电流iA、iB、iC的有功分量id与无功分量iq；
步骤5：将各相的有功分量id与有功电流指令
Figure BDA00022190672800001110
比较、将各相的无功分量iq与
Figure BDA00022190672800001111
进行比较，通过PI调节器输出输入级在dq坐标系下的有功电压指令
Figure BDA00022190672800001112
与无功电压指令
Figure BDA00022190672800001113
步骤6：将各相有功电压指令
Figure BDA00022190672800001114
与无功电压指令
Figure BDA00022190672800001115
分别通过坐标变换后得到输入级在静止坐标系下的总的指令电压
Figure BDA00022190672800001116
步骤7：将与高侧低压直流端口连接的单相H桥变换器(简称高侧输入级变换器)电容电压
Figure BDA00022190672800001117
去平均值得到高侧平均直流电压Vdc_MV_up，将与低侧低压直流端口连接的单相H桥变换器(简称低侧输入级变换器)的电容电压
Figure BDA00022190672800001118
去平均值得到低侧平均直流电压Vdc_MV_down。
步骤8：将步骤7中得到的Vdc_MV_up与Vdc_MV_down进行比较，通过PI调节器输出高侧、低侧输入级变换器电压指令的调节系数kMV，令1-kMV＝kMV_up作为高侧输入级变换器的调节系数；1+kMV＝kMV_down作为低侧输入级变换器的调节系数；
步骤9：将步骤8得到的kMV_up与步骤6得到的总的指令电压
Figure BDA0002219067280000121
相乘，作为高侧输入级变换器的指令电压；将步骤8得到的kMV_down与步骤6得到的总的指令电压
Figure BDA0002219067280000122
相乘，作为低侧输入级变换器的指令电压；
步骤10：采样高侧低压直流端口的电压Vdc_LV_up；
步骤11：将高侧低压直流端口的电压Vdc_LV_up与设定的高侧低压直流指令电压
Figure BDA0002219067280000123
比较，高侧低压直流指令电压
Figure BDA0002219067280000124
默认为+375V；通过PI调节器输出隔离级高侧各个双有源全桥变换器的平均相移指令φavr_up；
步骤12：将步骤1检测的输入级高侧各个单相H桥变流器的电容电压
Figure BDA0002219067280000125
与步骤7得到的高侧平均直流电压Vdc_MV_up比较，通过PI调节器输出各个单相H桥变流器对应的高侧隔离级双有源全桥变换器的相移调节量指令
Figure BDA0002219067280000126
实现输入级高侧电容电压平衡；
步骤13：将步骤11得到的隔离级高侧各个双有源全桥变换器的平均相移指令φavr_up与步骤12得到的高侧隔离级双有源全桥变换器的相移调节量指令
Figure BDA0002219067280000127
叠加作为隔离级高侧双有源全桥变换器的相移指令
Figure BDA0002219067280000128
步骤14：采样低侧低压直流端口的电压Vdc_LV_down；
步骤15：将低侧低压直流端口的电压Vdc_LV_down与设定的低侧低压直流指令电压
Figure BDA0002219067280000129
比较，低侧低压直流指令电压
Figure BDA00022190672800001210
默认为-375V；通过PI调节器输出隔离级低侧各个双有源全桥变流器的平均相移指令φavr_down；
步骤16：将步骤1检测的输入级低侧各个单相H桥变流器的电容电压与低侧平均直流电压Vdc_MV_down比较，通过PI调节器输出各个单相H桥变流器对应的隔离级低侧双有源全桥变换器的相移调节量指令实现输入级低侧电容电压平衡；
步骤17：将步骤15得到的隔离级低侧各个双有源全桥变流器的平均相移指令φavr_down与步骤16得到的隔离级双有源全桥变换器的相移调节量指令
Figure BDA0002219067280000132
指令叠加，作为隔离级低侧双有源全桥变换器的相移指令
Figure BDA0002219067280000133
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种模块化低压交直流混合电力电子变压器拓扑，其特征在于，包括依次连接的输入级、隔离级和输出级；
所述输入级为三相串联H桥，每相包括2N个串联的单相H桥变换器，N为正整数；
所述隔离级包括第一组双有源桥变换器和第二组双有源桥变换器；两组双有源桥变换器均包括3N个双有源桥变换器；第一组的3N个双有源桥变换器的直流输入端分别与输入级A相的N个H桥变换器、输入级B相的N个H桥变换器、输入级C相的N个H桥变换器的直流端口连接；第二组的3N个双有源全桥变换器的直流输入端分别与输入级A相另外N个H桥变换器、输入级B相另外N个H桥变换器、输入级C相另外N个H桥变换器连接；第一组双有源桥变换器的直流输出端并联后的正极作为电力电子变压器低压直流端口的正极，第二组双有源全桥变换器的直流输出端并联后的负极作为电力电子变压器低压直流端口的负极，第一组双有源桥变换器的直流输出端并联后的负极与第二组双有源桥变换器的直流输出端并联后的正极连接作为电力电子变压器低压直流端口的中性点；低压直流端口的正极与中性点形成的端口为高侧低压直流端口，低压直流端口的负极与中性点形成的端口为低侧低压直流端口；
所述输出级为三相两电平变换器，三相两电平变换器的直流端口与所述电力电子变压器高侧低压直流端口的正极和低侧低压直流端口的负极连接，三相两电平变换器的交流端口用于接负载。
2.根据权利要求1所述的一种模块化低压交直流混合电力电子变压器拓扑，其特征在于，所述三相两电平变换器的交流端口连接有LC滤波器，所述LC滤波器的中点与电力电子变压器低压直流端口的中性点连接。
3.根据权利要求1所述的一种模块化低压交直流混合电力电子变压器拓扑，其特征在于，所述输入级的每个单相H桥变换器的直流端接有变换器电容C1。
4.根据权利要求1所述的一种模块化低压交直流混合电力电子变压器拓扑，其特征在于，所述双有源全桥变换器包括一次侧单相H桥变换器、高频变压器T和二次侧单相H桥变换器，所述一次侧单相H桥变换器的直流端口为双有源全桥的直流输入端，一次侧单相H桥的交流端口通过电抗器L1连接至高频变压器的一次侧线圈，高频变压器的二次侧线圈通过电抗器L2连接至二次侧单相H桥变换器的交流端口，二次侧单相H桥的直流端口为双有源全桥的直流输出端。
5.根据权利要求1所述的一种模块化低压交直流混合电力电子变压器拓扑，其特征在于，所述电力电子变压器低压直流端口的正极和低压直流端口的中性点之间连接有电容C21，电力电子变压器低压直流端口的负极和中性点之间连接有电容C22。
6.一种权利要求1所述的模块化低压交直流混合电力电子变压器拓扑的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：采样输入级与高侧低压直流端口对应的所有单相H桥变换器的电容C1的电压
Figure FDA0002219067270000021
采样输入级与低侧低压直流端口对应的所有单相H桥变换器的电容C1的电压
Figure FDA0002219067270000022
求取所有和
Figure FDA0002219067270000024
的平均值Vdc_MV；其中k代表相，k∈A,B,C，i代表第i个单相H桥变换器，i∈1,2......N
步骤2：将所有电容C1的电压平均值Vdc_MV与设定的输入级直流电压指令
Figure FDA0002219067270000025
比较，通过PI调节器输出有功电流指令
步骤3：根据无功需求确定无功电流指令
Figure FDA0002219067270000027
步骤4：检测输入级的交流侧电流iA、iB、iC，并计算电流iA、iB、iC的有功分量id和无功分量iq；
步骤5：将各相的有功分量id与有功电流指令
Figure FDA0002219067270000028
比较，将各相的无功分量iq与无功电流指令
Figure FDA0002219067270000031
进行比较，通过PI调节器输出输入级在dq坐标系下的有功电压指令
Figure FDA0002219067270000032
与无功电压指令
Figure FDA0002219067270000033
步骤6：将各相有功电压指令
Figure FDA0002219067270000034
与无功电压指令
Figure FDA0002219067270000035
分别通过坐标变换后得到输入级在静止坐标系下的总的指令电压
Figure FDA0002219067270000036
步骤7：将与高侧低压直流端口连接的单相H桥变换器电容电压
Figure FDA0002219067270000037
去平均值得到高侧平均直流电压Vdc_MV_up，将与低侧低压直流端口连接的单相H桥变换器的电容电压
Figure FDA0002219067270000038
去平均值得到低侧平均直流电压Vdc_MV_down；
步骤8：将步骤7中得到的高侧平均直流电压Vdc_MV_up与低侧平均直流电压Vdc_MV_down进行比较，通过PI调节器输出高侧和低侧输入级变换器电压指令的调节系数kMV，令1-kMV＝kMV_up作为高侧输入级变换器的调节系数；1+kMV＝kMV_down作为低侧输入级变换器的调节系数；
步骤9：将步骤8得到的高侧输入级变换器的调节系数kMV_up与步骤6得到的总的指令电压
Figure FDA0002219067270000039
相乘，作为高侧输入级变换器的指令电压；将步骤8得到的kMV_down与步骤6得到的总的指令电压相乘，作为低侧输入级变换器的指令电压；
步骤10：采样高侧低压直流端口的电压Vdc_LV_up；
步骤11：将高侧低压直流端口的电压Vdc_LV_up与设定的高侧低压直流指令电压
Figure FDA00022190672700000311
比较，通过PI调节器输出隔离级高侧各个双有源全桥变换器的平均相移指令
步骤12：将步骤1得到的输入级高侧各个单相H桥变流器的电容电压与步骤7得到的高侧平均直流电压Vdc_MV_up比较，通过PI调节器输出各个单相H桥变流器对应的高侧隔离级双有源全桥变换器的相移调节量指令
Figure FDA00022190672700000314
实现输入级高侧电容电压平衡；
步骤13：将步骤11得到的隔离级高侧各个双有源全桥变换器的平均相移指令φavr_up与步骤12得到的高侧隔离级双有源全桥变换器的相移调节量指令
Figure FDA00022190672700000315
叠加作为隔离级高侧双有源全桥变换器的相移指令
Figure FDA0002219067270000041
步骤14：采样低侧低压直流端口的电压Vdc_LV_down；
步骤15：将低侧低压直流端口的电压Vdc_LV_down与设定的低侧低压直流指令电压
Figure FDA0002219067270000042
比较，通过PI调节器输出隔离级低侧各个双有源全桥变流器的平均相移指令φavr_down；
步骤16：将步骤1得到的输入级低侧各个单相H桥变流器的电容电压
Figure FDA0002219067270000043
与低侧平均直流电压Vdc_MV_down比较，通过PI调节器输出各个单相H桥变流器对应的隔离级低侧双有源全桥变换器的相移调节量指令
Figure FDA0002219067270000044
实现输入级低侧电容电压平衡；
步骤17：将步骤15得到的隔离级低侧各个双有源全桥变流器的平均相移指令φavr_down与步骤16得到的隔离级双有源全桥变换器的相移调节量指令
Figure FDA0002219067270000045
指令叠加，作为隔离级低侧双有源全桥变换器的相移指令
Figure FDA0002219067270000046
CN201910926452.5A 2019-09-27 2019-09-27 模块化低压交直流混合电力电子变压器拓扑及其控制方法 Active CN110829844B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910926452.5A CN110829844B (zh) 2019-09-27 2019-09-27 模块化低压交直流混合电力电子变压器拓扑及其控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910926452.5A CN110829844B (zh) 2019-09-27 2019-09-27 模块化低压交直流混合电力电子变压器拓扑及其控制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110829844A true CN110829844A (zh) 2020-02-21
CN110829844B CN110829844B (zh) 2021-01-19

Family

ID=69548350

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910926452.5A Active CN110829844B (zh) 2019-09-27 2019-09-27 模块化低压交直流混合电力电子变压器拓扑及其控制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110829844B (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101572495A (zh) * 2009-03-10 2009-11-04 东南大学 多功能电力电子变压器
CN104935182A (zh) * 2014-03-20 2015-09-23 南车株洲电力机车研究所有限公司 用于三电平牵引变流器的变压器
CN104993713A (zh) * 2015-07-22 2015-10-21 太原理工大学 一种双pwm固态变压器的控制方法
CN106452133A (zh) * 2016-09-27 2017-02-22 河南理工大学 一种构建双极性直流微网的核心变流器及其控制方法
CN107733244A (zh) * 2017-10-11 2018-02-23 西安交通大学 一种带消弧线圈的电力电子变压器及其控制方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101572495A (zh) * 2009-03-10 2009-11-04 东南大学 多功能电力电子变压器
CN104935182A (zh) * 2014-03-20 2015-09-23 南车株洲电力机车研究所有限公司 用于三电平牵引变流器的变压器
CN104993713A (zh) * 2015-07-22 2015-10-21 太原理工大学 一种双pwm固态变压器的控制方法
CN106452133A (zh) * 2016-09-27 2017-02-22 河南理工大学 一种构建双极性直流微网的核心变流器及其控制方法
CN107733244A (zh) * 2017-10-11 2018-02-23 西安交通大学 一种带消弧线圈的电力电子变压器及其控制方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
SHAODI OUYANG 等: "The Average Model of a Three-Phase Three-Stage Power Electronic Transformer", 《THE 2014 INTERNATIONAL POWER ELECTRONICS CONFERENCE》 *
欧阳少迪 等: "几种模块化多输出电力电子变压器拓扑的不平衡负载补偿能力比较", 《电工电能新技术》 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN110829844B (zh) 2021-01-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN207459728U (zh) 一种储能型多端口电力电子变压器
CN104685771A (zh) 电力变换装置
CN107134930B (zh) 基于mmc的电力电子配电变压器及其控制方法
CN108599583B (zh) 一种基于模块化多电平变换器的通用柔性能量管理系统
CN109217687A (zh) 基于mmc的配电网电力电子变压器及其控制方法
CN102163927A (zh) 一种采用多绕组中高频变压器的多电平变换器
CN111030152A (zh) 一种储能变流器系统及其控制方法
CN104852583A (zh) 一种用于中低压直流配电的高频链多电平直流变压器
CN113364311A (zh) 一种多中压交流端口固态变压器及其控制方法
CN110445389B (zh) 具备真双极低压直流端口的固态变压器装置的控制方法
CN100372208C (zh) 一种无隔离环节的三相统一电能质量控制器
CN110829845A (zh) 具有功率自平衡能力的电力电子变压器拓扑及其控制方法
CN113037117B (zh) 一种基于四有源桥的mmc-sst拓扑及控制方法
CN109980948A (zh) 一种三相间耦合五端口电力电子变压器
CN111416529A (zh) 模块化多电平固态变压器及其子模块功率均衡控制方法
CN110022071B (zh) 混合储能型直流变压器及其控制方法
CN109980968B (zh) 一种模块化多电平变换器、控制系统及其应用
CN108306324B (zh) 模块化集中式储能系统
CN102904420A (zh) 多端口变流器
CN107546983B (zh) 一种隔离型大功率高变比模块化双向直流变换器
CN101834451A (zh) 高压背靠背变流器
EP3916975A2 (en) Conversion device
CN104184356A (zh) 一种三相电力电子变压器的功率模块组
CN204578373U (zh) 一种用于中低压直流配电的高频链多电平直流变压器
CN110829844B (zh) 模块化低压交直流混合电力电子变压器拓扑及其控制方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant