CN111030483A - 一种电力电子变压器及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例涉及变压器技术领域，公开了一种电力电子变压器及控制方法。本发明中，包括：变流器、公共直流母线、DC/DC变换器；变流器的交流侧提供三相交流接口，交流器的直流侧提供直流接口；直流接口通过公共直流母线连接DC/DC变换器的高压侧；DC/DC变换器的低压侧提供低压直流接口。通过公共直流母线连接变流器与DC/DC变换器，相比较现有技术中变流器中每个子模块均连接一个DAB结构来说，减少了DAB模块的数量，相应地，该电力电子变压器的体积和重量也减少了，并降低了投入在DAB模块中的成本。另外，三相电网接入交流器的三相交流接口时，功率瞬时值两倍频分量相互抵消，直流母线电压不存在低频波动，提高了直流输出电压质量。

Description

一种电力电子变压器及控制方法
技术领域
本发明实施例涉及变压器技术领域，特别涉及一种电力电子变压器及控制方法。
背景技术
随着智能电网、能源互联网等未来电网技术的快速发展，能实现变压、电气隔离、功率调节与控制、可再生能源接入等多种功能的电力电子变压器，相关理论和技术的研究得到了越来越广泛的关注。电力电力变压器一般应用于中、高压大功率的场合，可以替代传统的工频变压器，相比于传统变压器，电力电子变压器更加适用于丰富系统功能、提高系统性能等方面的应用。目前主要集中在电力机车牵引用的车载变流器系统、智能电网、能源互联网和分布式可再生能源发电并网系统。
但是，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：现有技术中的电力电力变压器的体积、重量较大，相应地成本较高，经济性较差，且在部分工况下应用受限。
发明内容
本发明实施方式的目的在于提供一种电力电子变压器及控制方法，使得电力电子变压器的体积与重量减小并节约成本，且能提供多种类型电压接口并可以在多种模式下运行。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种电力电子变压器，包括：变流器、公共直流母线、DC/DC变换器；所述变流器的交流侧提供三相交流接口，所述交流器的直流侧提供直流接口；所述直流接口通过所述公共直流母线连接所述DC/DC变换器的高压侧；所述DC/DC变换器的低压侧提供低压直流接口。
本发明的实施方式还提供了一种电力电子变压器的控制方法，应用上述的电力电子变压器，包括：根据所述公共直流母线的电压设定值以及所述公共直流母线的实际电压值，或者根据所述变流器的有功功率设定值以及所述公共直流母线的实际功率值，得到第一电流参考值；根据所述第一电流参考值与三相交流电的电流值，得到的第一电压参考值；根据无功功率的设定值得到第二电流参考值；根据所述第二电流参考值与所述三相交流电的电流值得到第二电压参考值；根据所述第一电压参考值、所述第二电压值参考值得到三相静止坐标系下的三相电压参考波；根据所述三相参考波生成对所述变流器脉冲信号。
本发明的实施方式还提供了一种电力电子变压器的控制方法，应用上述的电力电子变压器，包括：将所述DC/DC变换器的DAB模块低压直流接口的实际电压值与电压设定值相减得到电压误差值；根据所述电压误差值生成所述DAB模块移相角；通过所述DAB模块移相角以及相邻两个DAB模块的方波移相角调节所述DAB模块的漏感电压，控制所述DAB模块传输功率的大小和方向。
本发明实施方式相对于现有技术而言，通过公共直流母线连接变流器与DC/DC变换器实现与其他端口互联，相比较现有技术中变流器中每个子模块均连接一个DAB结构从而实现与其他端口进行互联来说，减少了DAB模块的数量，相应地，该电力电子变压器的体积和重量也减少了，并降低了投入在DAB模块中的成本。另外，三相电网接入交流器的三相交流接口时，功率瞬时值两倍频分量相互抵消，直流母线电压不存在低频波动，提高了直流输出电压质量。
另外，所述公共直流母线包括正极直流母线、负极直流母线，所述正极直流母线与所述负极直流母线之间还提供高压直流接口。高压直流接口可在降压环境下运行，且降压环境下仍可通过高压直流接口传递功率，不影响其余接口的工作。
另外，所述电力电子变压器还包括VSC逆变器；所述DC/DC变换器的低压侧提供多个低压直流接口，其中一个所述低压直流接口连接所述VSC逆变器的直流侧，所述VSC逆变器的交流侧提供低压交流接口。VSC逆变器不仅可以提供低压直流接口，也可以提供低压交流接口，使得本方案的电力电子变压器可以根据实际需要提供各种类型的接口，应用范围更广。
另外，每个所述桥臂包括桥臂电感、N个子模块，所述N个子模块包括X个全桥子模块、Y个半桥子模块，所述X个全桥子模块、所述Y个半桥子模块、所述桥臂电感之间串联连接。采用混合型的变流器作为高压交流侧，使得变流器的可以根据不同模式切换所需投入的子模块，应用范围更广；且当公共直流母线发生故障时完成故障穿越，保证在一定故障工况下电力电子变压器无需离网且保证其余接口的正常工作，提高了设备可靠性。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是根据本发明第一实施方式一种电力电子变压器的拓扑结构示意图；
图2是根据本发明第一实施方式中半桥结构的电路结构图；
图3是根据本发明第一实施方式中全桥结构的电路结构图；
图4是根据本发明第二实施方式一种电力电力变压器控制方法的控制流程图；
图5是根据本发明第二实施方式子模块均匀排序流程图；
图6是根据本发明第三实施方式一种电力电力变压器控制方法的控制流程图；
图7是根据本发明第三实施方式DAB模块经过调制后的实际电压电流图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本发明的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。
本发明的第一实施方式涉及一种电力电子变压器。本实施方式中，包括：变流器、公共直流母线、DC/DC变换器；变流器的交流侧提供三相交流接口，交流器的直流侧提供正极直流接口、负极直流接口；正极直流接口与负极直流接口通过公共直流母线连接DC/DC变换器的高压侧；DC/DC变换器的低压侧提供低压直流接口。通过公共直流母线连接变流器与DC/DC变换器，相比较现有技术中变流器中每个桥臂中的子模块均连接一个DAB结构来说，减少了DAB模块的数量，相应地，该电力电子变压器的体积和重量也减少了，并降低了投入在DAB模块中的成本。另外，三相电网接入交流器的三相交流接口时，功率瞬时值两倍频分量相互抵消，直流母线电压不存在低频波动，提高了直流输出电压质量。
本实施方式中的电力电子变压器的拓扑结构如图1所示。
具体地说，变流器101交流侧提供三相交流接口a、b、c，用于与三相电网连接；变流器101的直流侧提供了直流接口，即正极直流接口d、负极直流接口f。DC/DC变换器102包括高压侧与低压侧，高压侧提供两个接口，图1电路中的e、g接口。公共直流母线包括正极直流母线、负极直流母线，图1电路中de段表示正极直流母线，图1电路中fg段表示负极直流母线。变流器101的正极直流接口d与负极直流接口f通过公共直流母线连接DC/DC变换器102高压侧的两个接口e、g，DC/DC变换器102的低压侧提供低压直流接口，图1电路中LVDC(LowVoltage Direct Current)接口。
通过公共直流母线连接变流器的直流侧与DC/DC变换器高压侧，相比较现有技术中变流器中每个子模块均连接一个DAB结构来说，减少了DAB模块的数量，相应地，该电力电子变压器的体积和重量也减少了，并降低了投入在DAB模块中的成本。
具体地说，变流器101包括六个桥臂1011，变流器101包括三路并联设置的支路，每个支路包括两个串联的桥臂1011，每个支路中的两个桥臂之间存在一个连接节点a、b、c，三个连接节点a、b、c构成三相交流接口，用于连接三相电网。
具体地说，每个桥臂包括N个子模块、桥臂电感Ls，其中，N个子模块中包含X个全桥子模块、Y个半桥子模块，X个全桥子模块、Y个半桥子模块、桥臂电感之间串联连接。
具体地说，本实施方式可以根据具体需要选取合适的半桥与全桥的个数。假设变流器交流侧的输出电压为Uac，直流侧的电压为Udf，直流侧额定电压为Udfn，则交流调制度Mac＝Uac/0.5Udf，直流调制度Mdf＝Udf/Udfn，其中，Mdfmin≤Mdf≤1,Mdfmin为最小直流电压运行下直流调制度，即可直流穿越承受的最小直流电压所得调制度。在给定Mac、Mdfmin与子模块电容额定电压Ucn(全、半桥子模块电容额定电压一致)的条件下，桥臂电压Uarm＝NUcn,且满足Udfn(Mdfmin-Mac)/2≤Uarm≤Udfn(1+Mac)/2，当所有子模块都工作时，此时Uarm值最大，Uarm＝Udfn(1+Mac)/2，可得每个桥臂所有子模块总数N＝Udfn(1+Mac)/2Ucn；在低压穿越时，Uarm的值最小，一般满足低电压穿越的条件下Udcmin小于Mac，桥臂负电压由全桥子模块提供，Uarm＝XUcn,＝Udfn(Mac-Mdfmin)/2，因此可得X＝(Mac-Mdfmin)Udfn/2Ucn，则半桥子模块个数Y＝N-X。
公式Udfn(Mdfmin-Mac)/2≤Uarm≤Udfn(1+Mac)/2的推导过程如下，以变流器中的a相为例，包括上桥臂、下桥臂，Upd代表上桥臂电压，Unf代表上下桥臂电压，根据基尔霍夫电压定律可得：a节点的电压Ua＝0.5*(Unf-Upd)，直流侧电压Udf＝Upd+Unf；由于直流调制度Mdc＝Udf/Udfn，将其代入到Udf等式中可得关于上下桥臂电压Unf与Upd的方程：Unf＝Ua+0.5MdcUdfn、Upd＝0.5MdcUdfn-Ua；引入交流调制度等式Mac＝Uac/0.5Udf，将其替带上下桥臂电压方程Upd与Unf中的Uac，即可得：Unf＝(MacUdf+MdcUdfn)/2、Upd＝(MdcUdfn-MacUdf)/2；最后化简可得Unf与Upd关于交流调制度Mac与直流调制度Mdc有关等式：Unf＝0.5Udfn(MacMdc+Mdc)、Upd＝0.5Udfn(Mdc-MacMdc)，而Mdc调制度范围为0～1，因此根据前面推导可得：Udfn(Mdfmin-Mac)/2≤Uarm≤Udfn(1+Mac)/2。
半桥子模块的电路结构图如图2所示，包括两个串联的开关器件T、以及与两个开关器件T并联的电容C，每个开关器件T由一个晶体管及与晶体管反并联的二极管构成。全桥子模块的电路结构图如图3所示，其与半桥子模块的区别主要在于还包含两个串联的开关器件T，工包含四个开关器件T、一个电容C，四个开关器件两两串联之后再并联连接，并与电容C并联连接。
具体地说，DC/DC变换器102包括M个DAB模块，每个DAB模块包括两侧接口，M个DAB模块的其中一侧接口串联连接形成高压侧，该高压侧包括两个接口e、g；M个DAB模块的另一侧接口并联连接形成低压侧，其中，每个DAB模块均可以提供一个低压直流接口，因此，DC/DC变换器得到低压侧可以包含多个低压直流接口。本实施方式中，低压侧提供了两个低压直流接口，即两个DAB模块提供了低压直流接口，其中一个低压直流接口连接一个VSC逆变器103，VSC逆变器用于将低压直流接口的低压直流电转换为低压交流电，因此，VSC逆变器的交流侧可提供一个低压交流接口h、i，用于提供低压交流电。由于DAB低压侧不仅可直接提供低压直流接口，也可以接BUCK/BOOST电路或利用VSC逆变器提供交流接口，使得本实施方式可以根据实际需要提供各种类型不同电压范围的接口，应用范围更广。
在一个例子中，低压直流接口可以连接BUCK模块或BOOST模块，BUCK模块为降压型的DC/DC模块，BOOST模块为升压式的DC/DC模块，因此，可以提供降压或者升压接口，可以根据实际需要提供多种类型的接口，应用范围更广。
本实施方式中，公共直流母线包括正极直流母线de、负极直流母线fg，正极直流母线de与负极直流母线fg之间还提供一个高压直流接口。因此，本实施方式包括高压直流接口以及低压直流接口、低压交流接口，使得本实施方式可以根据不同的需求在不同的电压等级下与其他直流配电网互联。另外，高压直流接口可在降压环境下运行，且降压环境下仍可通过高压直流接口传递功率，不影响其余模块的工作状态。
本实施方式中，通过公共直流母线连接变流器与DC/DC变换器实现与其他端口互联，相比较现有技术中变流器中每个子模块均连接一个DAB结构，从而实现与其他端口进行互联来说，减少了DAB模块的数量，相应地，该电力电子变压器的体积和重量也减少了，并降低了投入在DAB模块中的成本。
本发明的第二实施方式涉及一种电力电子变压器的控制方法，该方法的控制流程图如图4所示。
本实施方式中，变流器采用直流电压控制模式，首先根据公共直流母线的电压设定值Udfref以及实际电压值Udf得到第一电流参考值；根据无功功率的设定值得到第二电流参考值；具体地说，将压设定值Udfref与实际电压值Udf相减，再经PI环节后得到坐标变换后的第一电流参考值Idref；无功功率设定值Qref经变换后得到第二电流参考值Iqref。
之后，根据第一电流参考值Idref与三相交流电Ig，得到的第一电压参考值Idref；根据第二电流参考值Iqref与三相交流电的电流得到第二电压参考值Iqref；具体地说，三相交流电Ig经过PARK变换后分别与第一电压参考值Idref、第二电流参考值Iqref相减，三相交流电Ig再经过前馈环节进行解耦，再通过PI调节最后生成DQ坐标系下的第一电压参考值Udref、第二电压参考值Uqref。
之后，根据第一电压参考值Udref、第二电压参考值Uqref得到三相静止坐标系下的三相电压参考波；具体地说，对DQ坐标系下的第一电压参考值Ud、第二电压参考值Uq进行反PARK变换得到三相静止坐标系下的三相电压参考波ABC。
最后，根据三相参考波ABC生成对变流器桥臂的子模块脉冲信号；具体地说，如图5所示，为子模块均匀排序流程图。将三相电压参考波ABC输入至交流器中的三相交流接口a、b、c中，使得变流器根据三相参考波ABC对计算变流器中每个桥臂所需投入的子模块数量n；若所需投入子模块数量n与当前投入的子模块数量nhis相同，则保持当前投入的子模块的工作状态；若所需投入子模块数量n与当前投入的子模块数量nhis不相同，则确定需要投入的目标子模块，生成对目标子模块的脉冲信号,从而实现对桥臂上的不同子模块的控制。
具体地说，若所需投入子模块数量n与当前投入的子模块数量nhis不相同，则判断直流调制度Mdf是否大于交流调制度Mac的一半，若是，则对全半桥子模块电容电压进行排序，若否，对全桥子模块电容电压进行排序。在全半桥子模块电容电压进行排序过程中，先判断桥臂输出电平数m是否大于0，若m大于0且当桥臂电流Ip大于0，正投入n个电压最低的子模块；若m大于0且当桥臂电流Ip小于等于0，正投入n个电压最高的子模块；若m小于等于0且桥臂电流Ip大于0，负投入n个电压最低的全桥子模块；若m大于0且桥臂电流Ip小于等于0，负投入n个电压最高的全桥子模块。在对全桥子模块电容电压进行排序过程中，先判断桥臂输出电平数m是否大于0，若m大于0且桥臂电流Ip大于0，正投入n个电压最低的全桥子模块；若m大于0且桥臂电流Ip小于或等于0，正投入n个电压最高的全桥子模块；若m小于或等于0且桥臂电流Ip大于0，负投入n个电压最高的全桥子模块；若m小于或等于0且桥臂电流Ip小于或等于0，负投入n个电压最低的全桥子模块。
在一个例子中，变流器可采用有功控制模式，直流电压控制模式与有功控制模式同时只能运行其中一种。有功控制则是测得的公共直流母线的实际功率值P之后，与变流器有功功率设定值Pref进行比较，并经PI环节生成第一电流参考值Idref，变流器有功功率设定值Pref是变流器整流侧控制器下发的指令值。由于采用了有功控制模式，当公共直流母线发生故障时，变流器由控电压模式转换为控电流模式，此时母线上故障电流迅速降为零，有功功率参考值设为零，实际有功功率也为零，此时通过有功控制模式可以得到所需投入的目标子模块，生成对目标子模块的脉冲信号，从而实现对公共直流母线的故障隔离。
本实施方式中，通过直流电压控制模式与有功控制模式之间的切换，可以根据实际需要调节不同的模式，使得本实施方式的应用范围更广。
本发明的第三实施方式涉及一种电力电子变压器的控制方法，该方法的控制流程图如图6所示。
通过将DC/DC变换器的DAB模块低压直流接口的实际电压值UO与电压设定值Uref相减得到电压误差值。之后根据电压误差值生成DAB模块移相角，具体地说，电压误差值经过PI环节生成该DAB模块的移相角UV，通过该DAB模块移相角UV以及相邻两个DAB模块的方波移相角调节该DAB模块的漏感电压，控制该DAB模块传输功率的大小和方向。如图7所示，为DAB模块经过调制后的实际电压电流图，表示该DAB模块在调制工作状态下的电流变化情况。其中，Uh1与Uh2是该DAB模块中高压侧H1桥与低压侧H2桥的电压值，IL是当前DAB模块低压侧电流。
上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包括相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (9)

1.一种电力电子变压器，其特征在于，包括：变流器、公共直流母线、DC/DC变换器；
所述变流器的交流侧提供三相交流接口，所述交流器的直流侧提供直流接口；
所述直流接口通过所述公共直流母线连接所述DC/DC变换器的高压侧；
所述DC/DC变换器的低压侧提供低压直流接口。
2.根据权利要求1所述的电力电子变压器，其特征在于，所述变流器包括三路并联设置的支路，每个所述支路包括两个串联的桥臂，每个所述支路中的所述两个桥臂之间存在一个连接节点，三个所述连接节点构成所述三相交流接口。
3.根据权利要求1所述的电力电子变压器，其特征在于，所述DC/DC变换器包括M个DAB模块，每个所述DAB模块包括两侧接口，所述多个DAB模块的其中一侧接口串联连接形成所述高压侧，所述多个DAB模块的另一侧接口并联连接形成所述低压侧。
4.根据权利要求1所述的电力电子变压器，其特征在于，所述公共直流母线包括正极直流母线、负极直流母线，所述正极直流母线与所述负极直流母线之间还提供高压直流接口。
5.根据权利要求3所述的电力电子变压器，其特征在于，所述电力电子变压器还包括VSC逆变器；所述DC/DC变换器的低压侧提供多个低压直流接口，其中一个所述低压直流接口连接所述VSC逆变器的直流侧，所述VSC逆变器的交流侧提供低压交流接口。
6.根据权利要求2所述的电力电子变压器，其特征在于，
每个所述桥臂包括桥臂电感、N个子模块，所述N个子模块包括X个全桥子模块、Y个半桥子模块，所述X个全桥子模块、所述Y个半桥子模块、所述桥臂电感之间串联连接。
7.一种电力电子变压器的控制方法，应用于权利要求1至6任一项所述的电力电子变压器，其特征在于，包括：
根据所述公共直流母线的电压设定值以及所述公共直流母线的实际电压值，或者根据所述变流器的有功功率设定值以及所述公共直流母线的实际功率值，得到第一电流参考值；
根据所述第一电流参考值与三相交流电的电流值，得到的第一电压参考值；
根据无功功率的设定值得到第二电流参考值；
根据所述第二电流参考值与所述三相交流电的电流值得到第二电压参考值；
根据所述第一电压参考值、所述第二电压值参考值得到三相静止坐标系下的三相电压参考波；
根据所述三相参考波生成对所述变流器脉冲信号。
8.根据权利要求7所述的电力电子变压器的控制方法，其特征在于，
所述根据所述三相参考波生成所述变流器脉冲信号，包括：
根据所述三相参考波计算所述变流器中每个所述桥臂所需投入的子模块数量；
若所述子模块数量与当前投入的子模块数量相同，则生成对所述当前投入的子模块的脉冲信号；
若所述子模块数量与当前投入的子模块数量不相同，则确定需要投入的目标子模块，生成对所述目标子模块的脉冲信号。
9.一种电力电子变压器的控制方法，应用于权利要求1至6任一项所述的电力电子变压器，其特征在于，包括：
将所述DC/DC变换器的DAB模块低压直流接口的实际电压值与电压设定值相减得到电压误差值；
根据所述电压误差值生成所述DAB模块移相角；
通过所述DAB模块移相角以及所述DAB模块的H桥的方波移相角调节所述DAB模块的漏感电压，控制所述DAB模块传输功率的大小和方向。
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