CN212811579U

CN212811579U - 一种电力电子变压器构造

Info

Publication number: CN212811579U
Application number: CN202021373750.0U
Authority: CN
Inventors: 何晓琼; 余昊伦; 高仕斌
Original assignee: Southwest Jiaotong University; China State Railway Group Co Ltd
Current assignee: Southwest Jiaotong University; China State Railway Group Co Ltd
Priority date: 2020-07-14
Filing date: 2020-07-14
Publication date: 2021-03-26
Anticipated expiration: 2030-07-14

Abstract

本实用新型公开了一种电力电子变压器构造，属于电力电子技术领域。中间保护开关由3个同开同闭的开关组，分别与级联整流器的上输出口、钳位中点、下输出口相串联；当电力电子变压器正常运行时，中间保护开关处于闭合状态，直直变换器处于投放状态；当电力电子变压器直流环节出现故障后，快速断开中间保护开关；该系统通过载波层叠计算，产生电平k，同时判断调制波u*所处区域R；根据k及R，建立n子模块级联整流器的开关状态方程，建立第一开关状态表；采集各子模块的直流输出电压并进行排序，将所得开关状态进行平滑优化处理并建立第二开关状态表，将第二开关状态表中的开关状态匹配到各子模块，即完成了对直流环节故障的重构。

Description

一种电力电子变压器构造

技术领域

本实用新型属于电力电子技术领域。

背景技术

近年来，随着多电平电力电子技术的发展，对适用于高铁列车牵引传动系统的电力电子变压器的需求日益提升；该变压器主要由单相级联变换器、中间隔离开关与直直变换器组成。由于前级结构单相三电平中点钳位级联整流器具有“串联分压”特性，因此当其后端的直流环节出现故障而导致各子模块功率不平衡时，若不加以控制，将可能因为个别子模块电压漂移而损坏电路中其它元器件；极端情况下，当某一直流环节因故障而被切除时，级联整流器会因该故障子模块的“开路”而导致其输出电压升高，从而造成系统解体，无法正常工作。因此，对电力电子变压器直流环节故障重构策略的研究具有重要意义。

近年来，针对所述问题，有学者提出了一种带反向矢量的故障重构方法，利用单相三电平中点钳位级联整流器的桥臂合成反向大矢量，选择最佳的开关状态S_i。这种重构方法通过在调制过程中插入反向大矢量，使直流侧支撑电容处于强制充放电状态，从而极大的提升了重构范围。然而这种方法中出现了开关状态S_i的“跨步式”跃迁，这将导致电力电子变压器系统的等效开关频率增高，大大降低功率开关器件的寿命，增大了系统损耗，也降低了系统的可靠性。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种电力电子变压器构造，它能有效地解决电力电子变压器的结构特性和运行稳定性的技术问题。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种电力电子变压器构造，包括级联整流器主电路、后端直直变换器及系统控制电路；所述级联整流器主电路包括n个子模块，其中n为正整数；所述子模块均采用基于IGBT功率开关的单相二极管钳位三电平整流器，包括桥臂a与桥臂b；每个所述桥臂上共有4个IGBT开关管，开关管S_a1和开关管S_a2为桥臂a的上半桥臂，开关管S_a3和开关管S_a4为桥臂a的下半桥臂，开关管S_b1和开关管S_b2为桥臂b的上半桥臂，开关管S_b3和开关管S_b4为桥臂b的下半桥臂；所述桥臂的开关管S_a2与开关管S_a3之间、开关管S_b2与开关管S_b3之间并联两个二极管；每个所述子模块中的桥臂a和桥臂b所对应的载波相位相差π；每个所述子模块交流输入端口级联，直流输出端口相互独立；直流侧电容C1与C2串联实现稳压，滤波电感L和滤波电容C串联构成二次谐波电路，级联整流器的上输出口、钳位中点、下输出口分别串联了中间保护开关，所述保护开关包括三个同开同闭的开关K_i1、K_i2、K_i3；其中，K的下标代表第i子模块，分别级联整流器的上输出口、钳位中点、下输出口相串联；当电力电子变压器系统正常运行时，中间保护开关处于闭合状态，后端直直变换器投入运行；当电力电子变压器系统直流环节出现故障后，快速断开中间保护开关，防止直流环节的故障影响到前端，后端直直变换器切除运行；电力电子变压器系统的控制电路包括FPGA 主控制板、I/O板、与AD采样电路连接的电压/电流互感器及驱动电路；所述FPGA主控制板采用EP3C55F484C8芯片作为主控制芯片。

所述后端直直变换器包括n个DC-DC模块，其中n为正整数；每个所述DC-DC模块原边与前端级联整流器子模块通过中间保护开关串联且相互独立，副边输出端口相互并联；每个所述DC-DC模块均采用基于IGBT功率开关的双边半桥直直变换器，包括桥臂c与桥臂d；每个所述桥臂上共有4个IGBT开关管，开关管S_c1和开关管S_c2为桥臂c的上半桥臂，开关管S_c3和开关管S_c4为桥臂c的下半桥臂，开关管S_d1和开关管S_d2为桥臂d的上半桥臂，开关管S_d3和开关管S_d4为桥臂d的下半桥臂；每个所述DC-DC模块中间变压器采用中高频变压器；直流侧电容C3与C4串联实现稳压。

电力电子变压器控制电路包括FPGA主控制板、I/O板、与AD采样电路连接的电压/电流互感器及驱动电路；所述FPGA主控制板采用EP3C55F484C8芯片作为主控制芯片。

本实用新型所采用的第二种技术方案是，提供电力电子变压器直流环节故障后的重构策略，其结构包括纯阻性负载、级联整流器主电路及其控制电路；

纯阻性负载接入级联整流器各个子模块输出侧，以模拟电力电子变压器中后端直直变换器；由于电力电子变压器中直流电压漂移的本质为有功功率的分布不平衡，因此可用所述负载模拟电力电子变压器后端直直变换器；每个所述纯阻性负载前加装保护开关，以模拟中间保护开关，防止直流环节的故障影响到前端；

级联整流器主电路包括n个子模块，其中n为正整数；每个所述子模块采用基于IGBT 功率开关的单相二极管钳位三电平整流器，包括桥臂a与桥臂b；每个所述桥臂上共有4个 IGBT开关管，开关管S_a1和开关管S_a2为桥臂a的上半桥臂，开关管S_a3和开关管S_a4为桥臂a的下半桥臂，开关管S_b1和开关管S_b2为桥臂b的上半桥臂，开关管S_b3和开关管S_b4为桥臂b的下半桥臂；所述桥臂的开关管S_a2与开关管S_a3之间、开关管S_b2与开关管S_b3之间并联两个二极管；每个所述子模块中的桥臂a和桥臂b的对应的载波相位相差π；每个所述子模块交流输入端口级联，直流输出端口相互独立；直流侧电容C1与C2串联实现稳压，滤波电感L和滤波电容C串联构成二次谐波电路；

级联整流器控制电路包括FPGA主控制板、I/O板、与AD采样电路连接的电压/电流互感器及驱动电路；所述FPGA主控制板采用EP3C55F484C8芯片作为主控制芯片。

本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型提出的一种适用于高铁列车牵引传动系统的电力电子变压器构造，在前端级联整流器环节与后端直流环节之间加装了中间保护开关，降低了电力电子变压器直流环节故障对前端级联整流器带来的损害，提高了电力电子变压器运行稳定性；

2.本实用新型提出的一种电力电子变压器构造，可根据工程容量需求对所述方法中的子模块数n进行实际配置，具有较强的适用性与延展性。

附图说明

图1是本实用新型整体电路示意图。

图2是本实用新型控制电路示意图。

图3是本实用新型基于单相三电平级联整流器的电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

根据电力电子变压器的特性，其前端设备单相二极管钳位三电平级联整流器本身具备一定的冗余度，可通过特定的开关序列实现对直流侧电容C1、C2的强制充放电，从而调节直流侧电压，实现直流环节的故障重构；因此本实用新型充分利用了该特性，提出一种适用于高速列车传统系统电力电子变压器直流环节故障的重构方法，当电力电子变压器中有子模块的直流环节出现故障时，利用直流侧电容进行系统重构，在确保输出电能质量情况下，系统仍能安全可靠运行。

如图1所示是电力电子变压器系统的拓扑图，包括前端级联整流器、中间保护开关组以及后端直直变换器；所述电力电子变压器从接触网取电，将接触网上27.5kV/50Hz的交流点传输至高速列车传动系统系，再通过铁轨接入零电位点；图2为本实用新型控制电路示意图，通过电流、电压传感器采集电气参数，传输到AD采样电路后，再通过I/O板与 FPGA主控制板相连，生成驱动信号通过驱动电路传输到各开关管；由于本实用新型通过分配前端级联整流器的开关状态以实现系统的故障重构，因此本实用新型第二种技术方案主要研究前端单相三电平二极管钳位级联整流器拓扑；单相三电平二极管钳位级联整流器拓扑如图3所示，包括n个子模块，其中n为正整数；每个所述子模块采用基于IGBT功率开关的单相二极管钳位三电平整流器，包括桥臂a与桥臂b；每个所述桥臂上共有4个IGBT 开关管，开关管S_a1和开关管S_a2为桥臂a的上半桥臂，开关管S_a3和开关管S_a4为桥臂a的下半桥臂，开关管S_b1和开关管S_b2为桥臂b的上半桥臂，开关管S_b3和开关管S_b4为桥臂b 的下半桥臂；所述桥臂的开关管S_a2与开关管S_a3之间、开关管S_b2与开关管S_b3之间并联两个二极管；每个所述子模块中的桥臂a和桥臂b的对应的载波相位相差π；每个所述子模块交流输入端口级联，直流输出端口相互独立；直流侧接电容C1与C2串联实现稳压，滤波电感L和滤波电容C串联构成二次谐波电路。

纯阻性负载接入级联整流器各个子模块输出侧，以模拟电力电子变换器直流环节；由于电力电子变压器中各子模块直流电压的漂移问题本质为有功功率的分布不平衡，且在本重构方法中不用探讨级联整流器后端相连的拓扑结构，因此直直环节可用纯阻性负载替代；每个所述纯阻性负载前加装保护开关，以模拟中间保护开关，防止直流环节的故障影响到前端。

当电力电子变压器中有子模块出现直流环节故障时，控制系统将采集该故障特征量，生成调制波u^*输出到载波层叠计算子模块，载波层叠计算后将电平数k、区间号R与子模块数n。

故障诊断系统根据故障特征诊断出故障位置和类型，随后将故障子模块旁路，并调整剩余子模块的载波进行系统重构，将调整后的载波分别分配给各个子模块，由于系统是闭环控制，载波移相以后调制波也会跟随载波自动变化进行重构，输出电压经过RMS(有效值计算)，和参考电压比较得到误差信号经过PI(比例积分控制)调节得到调制波系数，乘上单位调制波，再与重构后的调制子模块中的载波比较产生开关信号控制各个子模块，最终保证级联系统的稳定输出。

本实用新型所提出的电力电子变压器主电路结构，在传统电力电子变压器的基础上，增加了中间保护开关，降低了因直流环节故障而损坏前端级联整流器的风险；本实用新型所提出的电力电子变压器直流环节故障重构方法，充分考虑了开关状态S_i“跨步式”跃迁的问题，在有效降低系统等效开关频率的基础上，最大限度地利用各子模块直流电容充放电实现了故障的重构，增强了系统运行的可靠性，扩宽了系统重构后的稳定范围，即使出现极端恶劣的故障状态，即某一直流环节因故障被完全切除，仍能保证系统正常稳定运行；本实用新型提出的电力电子变压器直流环节故障重构方法，可根据工程容量需求对所述方法中的子模块数n进行实际配置，具有较强的适用性与延展性。

Claims

1.一种电力电子变压器构造，包括级联整流器主电路、后端直直变换器及系统控制电路；所述级联整流器主电路包括n个子模块，其中n为正整数；所述子模块均采用基于IGBT功率开关的单相二极管钳位三电平整流器，包括桥臂a与桥臂b；每个所述桥臂上共有4个IGBT开关管，开关管S_a1和开关管S_a2为桥臂a的上半桥臂，开关管S_a3和开关管S_a4为桥臂a的下半桥臂，开关管S_b1和开关管S_b2为桥臂b的上半桥臂，开关管S_b3和开关管S_b4为桥臂b的下半桥臂；所述桥臂的开关管S_a2与开关管S_a3之间、开关管S_b2与开关管S_b3之间并联两个二极管；每个所述子模块中的桥臂a和桥臂b所对应的载波相位相差π；每个所述子模块交流输入端口级联，直流输出端口相互独立；直流侧电容C1与C2串联实现稳压，滤波电感L和滤波电容C串联构成二次谐波电路，其特征在于：级联整流器的上输出口、钳位中点、下输出口分别串联了中间保护开关，所述保护开关包括三个同开同闭的开关K_i1、K_i2、K_i3；其中，K的下标代表第i子模块，分别级联整流器的上输出口、钳位中点、下输出口相串联；当电力电子变压器系统正常运行时，中间保护开关处于闭合状态，后端直直变换器投入运行；当电力电子变压器系统直流环节出现故障后，快速断开中间保护开关，防止直流环节的故障影响到前端，后端直直变换器切除运行；电力电子变压器系统的控制电路包括FPGA主控制板、I/O板、与AD采样电路连接的电压/电流互感器及驱动电路；所述FPGA主控制板采用EP3C55F484C8芯片作为主控制芯片。

2.根据权利要求1所述的一种电力电子变压器构造，其特征在于：所述后端直直变换器包括n个DC-DC模块，其中n为正整数；每个所述DC-DC模块原边与前端级联整流器子模块通过中间保护开关串联且相互独立，副边输出端口相互并联；每个所述DC-DC模块均采用基于IGBT功率开关的双边半桥直直变换器，包括桥臂c与桥臂d；每个所述桥臂上共有4个IGBT开关管，开关管S_c1和开关管S_c2为桥臂c的上半桥臂，开关管S_c3和开关管S_c4为桥臂c的下半桥臂，开关管S_d1和开关管S_d2为桥臂d的上半桥臂，开关管S_d3和开关管S_d4为桥臂d的下半桥臂；每个所述DC-DC模块中间变压器采用中高频变压器；直流侧电容C3与C4串联实现稳压。