CN111146962B - 一种能源互联网用紧凑型电力电子变压器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种能源互联网用紧凑型电力电子变压器及其控制方法，包括隔离控制电路、维也纳整流电路和三电平隔离DC/DC电路，所述隔离控制电路的输入端外接10kV交流高压，所述隔离控制电路的输出端与维也纳整流电路的输入端相连接，所述维也纳整流电路的输出端与三电平隔离DC/DC电路相连接，所述三电平隔离DC/DC电路的输出端为400V直流电压用于给负载供电，控制策略简单可靠，容易实现，可应用于能源互联网的各个领域，如5G基站和数据中心供电系统，光伏并网、风力发电、电动汽车充电等新能源领域，具有良好的应用前景。

Description

一种能源互联网用紧凑型电力电子变压器及其控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子变压器技术领域，具体涉及一种能源互联网用紧凑型电力电子变压器及其控制方法。
背景技术
能源互联网作为新能源技术与信息技术深度融合的新一代能源系统，是解决我国能源危机，促进能源结构转型的一种新的能源利用体系。而能实现电压变换、电气隔离、功率调节、储能及可再生能源接口等多种功能的电力电子变压器(PowerElectronicsTransformer，PET)正逐步成为能源互联网中的关键设备，其相关理论和关键技术一度成为了当前电力电子领域的研究热点。在中压领域，由于电力电子器件耐压不足，PET往往需要采用大量模块级联起来，导致系统成本高、功率密度低且控制策略复杂。常见的电力电子变压器的MMC拓扑结构，虽然可模块化组装，但是，模块个数要求多，拓扑结构和控制复杂，而且，子模块电容体积、成本高，功率密度低；还有电力电子变压器的基于高压器件的多电平拓扑，虽然单级模块即可完成从高压到低压的电能变换，功率密度高，但是，需要多只高压电力电子器件，造价昂贵。
因此，为了突破电力电子变压器研究中亟待解决的技术难题，应对现有研究水平的不足，设计出适应于能源互联网的紧凑型电力电子变压器，并简化其的控制策略，提高控制可靠性，是当前需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有的电力电子器件耐压不足，PET往往需要采用大量模块级联起来，导致系统成本高、功率密度低且控制策略复杂的问题。本发明的能源互联网用紧凑型电力电子变压器及其控制方法，在现有商用化SiC-MOSFET的基础上，研究基于无损缓冲电路的SiC-MOSFET串联均压方案，形成阻断电压≥10kV的高压电力电子开关器件，在得到高压器件的基础上，拓扑简单，子模块数量少，控制简单，造价降低，具体包括隔离控制电路、维也纳整流电路和三电平隔离DC/DC电路，对多电平调制策略进行优化，控制策略简单可靠，容易实现，可应用于能源互联网的各个领域，如5G基站和数据中心供电系统，光伏并网、风力发电、电动汽车充电等新能源领域，具有良好的应用前景。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种能源互联网用紧凑型电力电子变压器，包括隔离控制电路、维也纳整流电路和三电平隔离DC/DC电路，
所述隔离控制电路的输入端外接10kV交流高压，所述隔离控制电路的输出端与维也纳整流电路的输入端相连接，所述维也纳整流电路的输出端与三电平隔离DC/DC电路相连接，所述三电平隔离DC/DC电路的输出端为400V直流电压用于给负载供电，
所述三电平隔离DC/DC电路，包括依次串联的三电平逆变电路、隔离变压器、两电平整流电路，
所述三电平逆变电路的输入端为三电平隔离DC/DC电路的输入端与维也纳整流电路的输出端相连接，所述两电平整流电路两电平整流电路的输出端为三电平逆变电路的输出端用于给负载供电。
前述的能源互联网用紧凑型电力电子变压器，所述隔离控制电路、维也纳整流电路和三电平隔离DC/DC电路均选择SiC-MOSFET半导体器件。
前述的能源互联网用紧凑型电力电子变压器，还包括用于采集电路参数的检测电路，分别与隔离控制电路、维也纳整流电路和三电平隔离DC/DC电路对应的检测电路连接的控制器，
所述控制器用于对能源互联网用紧凑型电力电子变压器进行闭环控制，生成对隔离控制电路、维也纳整流电路和三电平隔离DC/DC电路的控制指令。
前述的能源互联网用紧凑型电力电子变压器，所述控制器包括功率控制模块、电能质量调节模块和电流环控制模块，
所述功率控制模块，用于确定电力电子变压器的有功电流指令值；
所述电能质量调节模块，用于确定电力电子变压器的无功谐波电流指令值，根据所述有功电流指令值和所述无功谐波电流指令值，确定电力电子变压器的复合电流指令值；
所述电流环控制模块，用于检测电力电子变压器的输出电流，通过电流控制算法，控制所述电力电子变压器的输出电流跟随所述复合电流指令值变化。
一种能源互联网用紧凑型电力电子变压器的控制方法，包括以下步骤，
步骤（A），通过检测电路实时监测维也纳整流电路与高压配电网连接的状态；
步骤（B），当高压配电网发生故障时，控制器发送的控制指令给隔离控制电路，断开维也纳整流电路和高压配电网的连接；
步骤（C），当高压配电网正常工作时，发送给控制器，用于进行运行模式切换判断；
步骤（D），控制器发送并网切换命令给维也纳整流电路和三电平隔离DC/DC电路，且高压配电网处于正常运行状态下，维也纳整流电路和三电平隔离DC/DC电路启动并网切换控制；
步骤（E），切换完成后，电力电子变压器，则转到步骤（A）。
前述的能源互联网用紧凑型电力电子变压器的控制方法，步骤（D），维也纳整流电路和三电平隔离DC/DC电路启动并网切换控制，包括如下，
（D1），整流侧维也纳整流电路工作于整流模式，控制输出端的电压；
（D2），三电平隔离DC/DC电路使用低压直流母线电压外环，模块功率内环的双环控制结构，输出侧的直流电压稳定在400V。
本发明的有益效果是：本发明的能源互联网用紧凑型电力电子变压器及其控制方法，在现有商用化SiC-MOSFET的基础上，研究基于无损缓冲电路的SiC-MOSFET串联均压方案，形成阻断电压≥10kV的高压电力电子开关器件，在得到高压器件的基础上，拓扑简单，子模块数量少，控制简单，造价降低，具体包括隔离控制电路、维也纳整流电路和三电平隔离DC/DC电路，对多电平调制策略进行优化，控制策略简单可靠，容易实现，可应用于能源互联网的各个领域，如5G基站和数据中心供电系统，光伏并网、风力发电、电动汽车充电等新能源领域，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明的能源互联网用紧凑型电力电子变压器的拓扑图；
图2是本发明的检测电路的系统框图；
图3是本发明的控制器的系统框图；
图4是本发明的能源互联网用紧凑型电力电子变压器控制方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明的能源互联网用紧凑型电力电子变压器，包括隔离控制电路、维也纳整流电路和三电平隔离DC/DC电路，
所述隔离控制电路的输入端外接10kV交流高压，所述隔离控制电路的输出端与维也纳整流电路的输入端相连接，所述维也纳整流电路的输出端与三电平隔离DC/DC电路相连接，所述三电平隔离DC/DC电路的输出端为400V直流电压用于给负载供电，所述三电平隔离DC/DC电路，包括依次串联的三电平逆变电路、隔离变压器、两电平整流电路，所述三电平逆变电路的输入端为三电平隔离DC/DC电路的输入端与维也纳整流电路的输出端相连接，所述两电平整流电路两电平整流电路的输出端为三电平逆变电路的输出端用于给负载供电。
所述整流侧三电平维也纳电路、隔离控制电路、逆变侧负载飞跨式谐振软开关电路均选择SiC-MOSFET半导体器件，SiC-MOSFET串联均压方案构建的整流侧三电平维也纳电路、隔离控制电路、逆变侧负载飞跨式谐振软开关电路能满足低损耗、高开关速度的要求，否则会限制变流器的开关频率和效率。本项目采用缓冲电路实现SiC-MOSFET的串联均压，针对传统RC或RCD缓冲电路中高损耗、低速度的缺陷，提出了可以将缓冲电路中的能量回馈到母线中的新型串联均压缓冲电路方案，因此缓冲电路不产生额外的损耗；并且缓冲电路仅在SiC-MOSFET过压时发生动作，不再减缓SiC-MOSFET的开关速度。
本发明的能源互联网用紧凑型电力电子变压器，如图2所示，还包括用于采集电路参数的检测电路，分别与整流侧三电平维也纳电路、隔离控制电路、逆变侧负载飞跨式谐振软开关电路对应的检测电路连接的控制器，
所述控制器用于对能源互联网用紧凑型电力电子变压器进行闭环控制，生成对隔离控制电路、维也纳整流电路和三电平隔离DC/DC电路的控制指令。
如图3所示，所述控制器包括功率控制模块、电能质量调节模块和电流环控制模块，
所述功率控制模块，用于确定电力电子变压器的有功电流指令值；
所述电能质量调节模块，用于确定电力电子变压器的无功谐波电流指令值，根据所述有功电流指令值和所述无功谐波电流指令值，确定电力电子变压器的复合电流指令值；
所述电流环控制模块，用于检测电力电子变压器的输出电流，通过电流控制算法，控制所述电力电子变压器的输出电流跟随所述复合电流指令值变化。
如图4所示，本发明的能源互联网用紧凑型电力电子变压器的控制方法，其包括以下步骤，
步骤（A），通过检测电路实时监测维也纳整流电路与高压配电网连接的状态；
步骤（B），当高压配电网发生故障时，控制器发送的控制指令给隔离控制电路，断开维也纳整流电路和高压配电网的连接；
步骤（C），当高压配电网正常工作时，发送给控制器，用于进行运行模式切换判断；
步 骤（D），控制器发送并网切换命令给维也纳整流电路和三电平隔离DC/DC电路，且高压配电网处于正常运行状态下，维也纳整流电路和三电平隔离DC/DC电路启动并网切换控制；
步骤（E），切换完成后，电力电子变压器，则转到步骤（A）。
其中，维也纳整流电路和三电平隔离DC/DC电路启动并网切换控制，包括如下，
（D1），整流侧的维也纳整流电路工作于整流模式，控制输出端的电压；
（D2），三电平隔离DC/DC电路使用低压直流母线电压外环，模块功率内环的双环控制结构，输出侧的直流电压稳定在400V，这里的电平隔离DC/DC电路使用低压直流母线电压外环过程包括如下：
（D21）将维也纳整流电路输出的电流与三电平隔离DC/DC电路的输出电流作差，得到差值；
（D22）对所述差值进行电流闭环控制，得到维也纳整流电路的控制信号；
（D23）根据维也纳整流电路的控制信号，得到三电平隔离DC/DC电路的输出电压波形；
（D24）根据三电平隔离DC/DC电路的输出电压波形，通过滤波电感，得到能源互联网用紧凑型电力电子变压器的整体输出电流。
综上所述，本发明的能源互联网用紧凑型电力电子变压器及其控制方法，在现有商用化SiC-MOSFET的基础上，研究基于无损缓冲电路的SiC-MOSFET串联均压方案，形成阻断电压≥10kV的高压电力电子开关器件，在得到高压器件的基础上，拓扑简单，子模块数量少，控制简单，造价降低，具体包括隔离控制电路、维也纳整流电路和三电平隔离DC/DC电路，对多电平调制策略进行优化，控制策略简单可靠，容易实现，可应用于能源互联网的各个领域，如5G基站和数据中心供电系统，光伏并网、风力发电、电动汽车充电等新能源领域，具有良好的应用前景。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种能源互联网用紧凑型电力电子变压器，其特征在于：包括隔离控制电路、维也纳整流电路和三电平隔离DC/DC电路，
所述隔离控制电路的输入端外接10kV交流高压，所述隔离控制电路的输出端与维也纳整流电路的输入端相连接，所述维也纳整流电路的输出端与三电平隔离DC/DC电路相连接，所述三电平隔离DC/DC电路的输出端为400V直流电压用于给负载供电，
所述三电平隔离DC/DC电路，包括依次串联的三电平逆变电路、隔离变压器、两电平整流电路，
所述三电平逆变电路的输入端为三电平隔离DC/DC电路的输入端与维也纳整流电路的输出端相连接，所述两电平整流电路两电平整流电路的输出端为三电平逆变电路的输出端用于给负载供电，所述隔离控制电路、维也纳整流电路和三电平隔离DC/DC电路均选择SiC-MOSFET半导体器件，还包括用于采集电路参数的检测电路，分别与隔离控制电路、维也纳整流电路和三电平隔离DC/DC电路对应的检测电路连接的控制器，
所述控制器用于对能源互联网用紧凑型电力电子变压器进行闭环控制，生成对隔离控制电路、维也纳整流电路和三电平隔离DC/DC电路的控制指令，所述控制器包括功率控制模块、电能质量调节模块和电流环控制模块，
所述功率控制模块，用于确定电力电子变压器的有功电流指令值；
所述电能质量调节模块，用于确定电力电子变压器的无功谐波电流指令值，根据所述有功电流指令值和所述无功谐波电流指令值，确定电力电子变压器的复合电流指令值；
所述电流环控制模块，用于检测电力电子变压器的输出电流，通过电流控制算法，控制所述电力电子变压器的输出电流跟随所述复合电流指令值变化，
所述能源互联网用紧凑型电力电子变压器的控制方法，包括以下步骤，
步骤（A），通过检测电路实时监测维也纳整流电路与高压配电网连接的状态；
步骤（B），当高压配电网发生故障时，控制器发送的控制指令给隔离控制电路，断开维也纳整流电路和高压配电网的连接；
步骤（C），当高压配电网正常工作时，发送给控制器，用于进行运行模式切换判断；
步骤（D），控制器发送并网切换命令给维也纳整流电路和三电平隔离DC/DC电路，且高压配电网处于正常运行状态下，维也纳整流电路和三电平隔离DC/DC电路启动并网切换控制；
步骤（E），切换完成后，电力电子变压器，则转到步骤（A）；
其中，步骤（D），维也纳整流电路和三电平隔离DC/DC电路启动并网切换控制，包括如下，
（D1），整流侧维也纳整流电路工作于整流模式，控制输出端的电压；
（D2），三电平隔离DC/DC电路使用低压直流母线电压外环，模块功率内环的双环控制结构，输出侧的直流电压稳定在400V，该三 电平隔离DC/DC电路使用低压直流母线电压外环过程包括如下：
（D21）将维也纳整流电路输出的电流与三电平隔离DC/DC电路的输出电流作差，得到差值；
（D22）对所述差值进行电流闭环控制，得到维也纳整流电路的控制信号；
（D23）根据维也纳整流电路的控制信号，得到三电平隔离DC/DC电路的输出电压波形；
（D24）根据三电平隔离DC/DC电路的输出电压波形，通过滤波电感，得到能源互联网用紧凑型电力电子变压器的整体输出电流。
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