CN111293868B - 一种固态变压器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种固态变压器及其控制方法，所述固态变压器包括功率交换通路、整流电路、三个DC/DC电路和DC/AC电路；在输入级(整流电路)之前设置了功率交换通路，由于功率交换通路对高频电压呈低阻抗特性，对基频电压呈高阻抗特性，整流电路的三个AC/DC电路可以通过功率交换通路进行能量交换，以达到平衡直流侧电容电压的目的。

Description

一种固态变压器及其控制方法
技术领域
本发明涉及直流输配电技术领域，特别是涉及一种固态变压器及其控制方法。
背景技术
近年来，交流输电的损耗越来越大，不易于电网互联等问题越来越突出。因此，直流输配电技术重新受到各国重视，世界各地加快了直流输电、配电网络的建设。而在直流电网中，固态变压器被广泛使用，其除了可以直接进行DC/DC变换外，还具有双向调节、高度可控和易模块化拓展等优点。但是在实际应用中，固态变压器的各相输入级直流侧电容电压受到不平衡负载和损耗功率不同等影响，导致其直流侧电容电压出现大范围波动现象，影响装置正常运行。
发明内容
本发明的目的是提供一种固态变压器及其控制方法，以实现输入级直流侧电压平衡控制，解决固态变压器输入级直流侧电容电压不稳定的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种固态变压器，所述固态变压器包括功率交换通路、整流电路、三个DC/DC电路和DC/AC电路；
所述整流电路的输入端与交流电源连接，所述功率交换通路并联在所述整流电路的输入端；所述整流电路包括三个AC/DC电路，三个所述AC/DC电路的输入端相互串联；三个AC/DC电路的输出端分别与三个所述DC/DC电路的输入端一一对应的连接；三个所述DC/DC电路的输出端并联后与所述DC/AC电路的输入端连接。
可选的，所述功率交换通路包括依次串联的电感L2、电容C2和电阻R2。
可选的，所述固态变压器还包括电容Ca1、电容Ca2和电容Ca3，电容Ca1、电容Ca2和电容Ca3分别并联在三个所述AC/DC电路的输出端。
可选的，所述DC/DC电路包括逆变器、变压器和整流器；
所述逆变器的输出端与所述变压器的输入端连接，所述变压器的输出端与所述整流器的输入端连接。
可选的，所述固态变压器还包括电容Cb1、电容Cb2和电容Cb3，电容Cb1、电容Cb2和电容Cb3分别并联在三个所述DC/DC电路的整流器的输出端。
可选的，所述固态变压器还包括电感L和输入端滤波电路；所述输入端滤波电路包括电容C1、电阻R1和电感L1；电容C1和电阻R1串联后并联在交流电源的两个输出端之间；
所述电感L串联在交流电源与电容C1和电阻R1串联电路之间的交流线路上，所述电感L1串联在电容C1和电阻R1串联电路与功率交换通路之间的交流线路上。
可选的，所述固态变压器还包括输出端滤波电路，所述输出端滤波电路连接在所述DC/AC电路的输出端；所述输出端滤波电路为由电感L2和电容Cc1组成的LC滤波电路。
一种固态变压器的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：
分别检测三个AC/DC电路的直流侧电容电压平均值得到第一电压平均值
Figure BDA0002394363540000021
第二电压平均值
Figure BDA0002394363540000022
和第三电压平均值
Figure BDA0002394363540000023
并计算第一电压平均值
Figure BDA0002394363540000024
，第二电压平均值
Figure BDA0002394363540000025
和第三电压平均值
Figure BDA0002394363540000026
得到整流电路直流侧电容电压平均值
Figure BDA0002394363540000027
用直流电压参考值Udref减去直流侧电容电压平均值
Figure BDA0002394363540000028
计算得到的差值经过PI调节器调节，得到有功电流参考值
Figure BDA00023943635400000217
通过对所述有功电流参考值
Figure BDA0002394363540000029
进行解耦控制，得到有功电压ud和无功电压uq；
对有功电压ud和无功电压uq进行dq/abc变换得到工频调制电压；
第二电压平均值
Figure BDA00023943635400000210
和第三电压平均值
Figure BDA00023943635400000211
分别减去直流侧电容电压平均值
Figure BDA00023943635400000212
计算得到的差值通过PI调节得到移相角
Figure BDA00023943635400000213
和
Figure BDA00023943635400000214
通过对移相角
Figure BDA00023943635400000215
和
Figure BDA00023943635400000216
进行移相调制，得到功率交换通路的高频调制电压；
将工频调制电压与高频调制电压相加，根据相加得到的结果进行脉冲调制，得到整流电路的三个AC/DC电路的各开关管的触发脉冲。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供一种固态变压器及其控制方法，所述固态变压器包括功率交换通路、整流电路、三个DC/DC电路和DC/AC电路；在输入级(整流电路)之前设置了功率交换通路，由于功率交换通路对高频电压呈低阻抗特性，对基频电压呈高阻抗特性，整流电路的三个AC/DC电路可以通过功率交换通路进行能量交换，以达到平衡直流侧电容电压的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种固态变压器的电路拓扑结构示意图；
图2为本发明提供的半桥整流逆变器的拓扑结构图；
图3为本发明提供的全桥整流逆变器的拓扑结构图；
图4为本发明提供的一种固态变压器的控制方法的原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种固态变压器及其控制方法，以实现输入级直流侧电压平衡控制，解决固态变压器输入级直流侧电容电压不稳定的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种固态变压器，如图1所示，所述固态变压器包括功率交换通路、整流电路、三个DC/DC电路和DC/AC电路；所述整流电路的输入端与交流电源连接，所述功率交换通路并联在所述整流电路的输入端；所述整流电路包括三个AC/DC电路，三个所述AC/DC电路的输入端相互串联；三个AC/DC电路的输出端分别与三个所述DC/DC电路的输入端一一对应的连接；三个所述DC/DC电路的输出端并联后与所述DC/AC电路的输入端连接。所述功率交换通路包括依次串联的电感L2、电容C2和电阻R2。本发明在输入级(整流电路)之前设置了功率交换通路，由于功率交换通路对高频电压呈低阻抗特性，对基频电压呈高阻抗特性，整流电路的三个AC/DC电路可以通过功率交换通路进行能量交换，以达到平衡直流侧电容电压的目的。
本发明的AC/DC电路为半桥整流逆变器或全桥整流逆变器，如图2所示为半桥整流逆变器。开关管S1的集电极与电容(Ca1、Ca2或Ca3)的正极连接；开关管S1的发射极与半桥模块的输入端的正极以及开关管S2的集电极连接；开关管S2的发射极与半桥模块的输入端的负极以及电容的负极连接。开关管S1和开关管S2为电力场效应管、电力晶体管或绝缘栅双极晶体管的半导体开关管。
如图3所示为全桥整流逆变器。开关管S1的集电极和开关管S3的集电极以及电容(Ca1、Ca2或Ca3)的正极连接；开关管S1的发射极和开关管S2的集电极以及全桥模块的输入端连接；开关管S2的发射极与开关管S4的发射极以及电容的负极相连；开关管S3的发射极与开关管S4的集电极以及全桥模块的输出端连接。开关管为电力场效应管、电力晶体管或绝缘栅双极晶体管的半导体开关管。
作为一种优选的实施方式但不限于此实施方式，所述固态变压器还包括电容Ca1、电容Ca2和电容Ca3，电容Ca1、电容Ca2和电容Ca3分别并联在三个所述AC/DC电路的输出端。所述DC/DC电路包括逆变器、变压器和整流器；所述逆变器的输出端与所述变压器的输入端连接，所述变压器的输出端与所述整流器的输入端连接。所述固态变压器还包括电容Cb1、电容Cb2和电容Cb3，电容Cb1、电容Cb2和电容Cb3分别并联在三个所述DC/DC电路的整流器的输出端。
作为一种优选的实施方式但不限于此实施方式，所述固态变压器还包括电感L和输入端滤波电路；所述输入端滤波电路包括电容C1、电阻R1和电感L1；电容C1和电阻R1串联后并联在交流电源的两个输出端之间；所述电感L串联在交流电源与电容C1和电阻R1串联电路之间的交流线路上，所述电感L1串联在电容C1和电阻R1串联电路与功率交换通路之间的交流线路上。所述固态变压器还包括输出端滤波电路，所述输出端滤波电路连接在所述DC/AC电路的输出端；所述输出端滤波电路为由电感L2和电容Cc1组成的LC滤波电路。
如图4所示，本发明还提供一种固态变压器的控制方法，所述控制方法包括如下步骤：
分别检测三个AC/DC电路的直流侧电容电压平均值得到第一电压平均值
Figure BDA0002394363540000051
第二电压平均值
Figure BDA0002394363540000052
和第三电压平均值
Figure BDA0002394363540000053
并计算第一电压平均值
Figure BDA0002394363540000054
，第二电压平均值
Figure BDA0002394363540000055
和第三电压平均值
Figure BDA0002394363540000056
得到整流电路直流侧电容电压平均值
Figure BDA0002394363540000057
用直流电压参考值Udref减去直流侧电容电压平均值
Figure BDA0002394363540000058
计算得到的差值经过PI调节器调节，得到有功电流参考值
Figure BDA0002394363540000059
通过对所述有功电流参考值
Figure BDA00023943635400000510
进行解耦控制，得到有功电压ud和无功电压uq；
对有功电压ud和无功电压uq进行dq/abc变换得到工频调制电压ua、ub和uc；
第二电压平均值
Figure BDA00023943635400000511
和第三电压平均值
Figure BDA00023943635400000512
分别减去直流侧电容电压平均值
Figure BDA00023943635400000513
计算得到的差值通过PI调节得到移相角
Figure BDA00023943635400000514
和
Figure BDA00023943635400000515
通过对移相角
Figure BDA00023943635400000516
和
Figure BDA00023943635400000517
进行移相调制，得到功率交换通路的高频调制电压uA、uB和uC；
将工频调制电压ua、ub和uc与高频调制电压uA、uB和uC相加，根据相加得到的结果进行脉冲调制，得到整流电路的三个AC/DC电路的各开关管的触发脉冲，使整流电路完成整流功能的同时能够稳定其直流侧电容电压。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供一种固态变压器及其控制方法，所述固态变压器包括功率交换通路、整流电路、三个DC/DC电路和DC/AC电路；在输入级(整流电路)之前设置了功率交换通路，由于功率交换通路对高频电压呈低阻抗特性，对基频电压呈高阻抗特性，整流电路的三个AC/DC电路可以通过功率交换通路进行能量交换，以达到平衡直流侧电容电压的目的。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种固态变压器的控制方法，其特征在于，所述控制方法用于控制固态变压器，所述固态变压器包括功率交换通路、整流电路、三个DC/DC电路和DC/AC电路；所述整流电路的输入端与交流电源连接，所述功率交换通路并联在所述整流电路的输入端；所述整流电路包括三个AC/DC电路，三个所述AC/DC电路的输入端相互串联；三个AC/DC电路的输出端分别与三个所述DC/DC电路的输入端一一对应的连接；三个所述DC/DC电路的输出端并联后与所述DC/AC电路的输入端连接；
所述控制方法包括如下步骤：
分别检测三个AC/DC电路的直流侧电容电压平均值得到第一电压平均值
Figure FDA0002789523570000011
第二电压平均值
Figure FDA0002789523570000012
和第三电压平均值
Figure FDA0002789523570000013
并计算第一电压平均值
Figure FDA0002789523570000014
第二电压平均值
Figure FDA0002789523570000015
和第三电压平均值
Figure FDA0002789523570000016
得到整流电路直流侧电容电压平均值
Figure FDA0002789523570000017
用直流电压参考值Udref减去直流侧电容电压平均值
Figure FDA0002789523570000018
计算得到的差值经过PI调节器调节，得到有功电流参考值
Figure FDA0002789523570000019
通过对所述有功电流参考值
Figure FDA00027895235700000110
进行解耦控制，得到有功电压ud和无功电压uq；
对有功电压ud和无功电压uq进行dq/abc变换得到工频调制电压；
第二电压平均值
Figure FDA00027895235700000111
和第三电压平均值
Figure FDA00027895235700000112
分别减去直流侧电容电压平均值
Figure FDA00027895235700000113
计算得到的差值通过PI调节得到移相角
Figure FDA00027895235700000114
和
Figure FDA00027895235700000115
通过对移相角
Figure FDA00027895235700000116
和
Figure FDA00027895235700000117
进行移相调制，得到功率交换通路的高频调制电压；
将工频调制电压与高频调制电压相加，根据相加得到的结果进行脉冲调制，得到整流电路的三个AC/DC电路的各开关管的触发脉冲。
2.根据权利要求1所述的固态变压器的控制方法，其特征在于，所述功率交换通路包括依次串联的电感L2、电容C2和电阻R2。
3.根据权利要求1所述的固态变压器的控制方法，其特征在于，所述固态变压器还包括电容Ca1、电容Ca2和电容Ca3，电容Ca1、电容Ca2和电容Ca3分别并联在三个所述AC/DC电路的输出端。
4.根据权利要求1所述的固态变压器的控制方法，其特征在于，所述DC/DC电路包括逆变器、变压器和整流器；
所述逆变器的输出端与所述变压器的输入端连接，所述变压器的输出端与所述整流器的输入端连接。
5.根据权利要求1或4所述的固态变压器的控制方法，其特征在于，所述固态变压器还包括电容Cb1、电容Cb2和电容Cb3，电容Cb1、电容Cb2和电容Cb3分别并联在三个所述DC/DC电路的整流器的输出端。
6.根据权利要求1所述的固态变压器的控制方法，其特征在于，所述固态变压器还包括电感L和输入端滤波电路；所述输入端滤波电路包括电容C1、电阻R1和电感L1；电容C1和电阻R1串联后并联在交流电源的两个输出端之间；
所述电感L串联在交流电源与电容C1和电阻R1串联电路之间的交流线路上，所述电感L1串联在电容C1和电阻R1串联电路与功率交换通路之间的交流线路上。
7.根据权利要求1所述的固态变压器的控制方法，其特征在于，所述固态变压器还包括输出端滤波电路，所述输出端滤波电路连接在所述DC/AC电路的输出端；所述输出端滤波电路为由电感L2和电容Cc1组成的LC滤波电路。
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