本發(fā)明涉及一種交直流混合配電領(lǐng)域的電力電子變壓器及其控制方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)代配電網(wǎng)中包含越來(lái)越多的分布式可再生能源、儲(chǔ)能和消費(fèi)電子類直流負(fù)荷。多類型能源、儲(chǔ)能和直流負(fù)荷直接并入直流配電網(wǎng)將可以節(jié)省大量的換流環(huán)節(jié)，提高電能變換效率。電力電子變壓器一般具有不同電壓等級(jí)的交流和直流端口，用于多種類型的分布式能源、儲(chǔ)能和負(fù)荷的靈活接入，以及交/直流電網(wǎng)的互聯(lián)。它除了具有傳統(tǒng)變壓器的電壓等級(jí)變換和電氣隔離功能之外，還具有潮流雙向控制、電能質(zhì)量控制、裝置自保護(hù)與自診斷、通訊與信息交換等多種功能，在智能電網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)及未來(lái)交直流互聯(lián)電網(wǎng)中發(fā)揮不可替代的重要作用，是其實(shí)現(xiàn)電能變換和處理的核心裝置。

現(xiàn)有的電力電子變壓器電路拓?fù)浞桨钢?，一般均是將高壓交流整流變換到直流電壓，然后利用DC/DC變換器將直流電壓變換得到所需要的直流電壓。例如，美國(guó)專利US 5943229、中國(guó)專利CN 101572495 A、中國(guó)專利CN 101707443 A、中國(guó)專利CN 105680488 A、中國(guó)專利CN 104682728 A和中國(guó)專利CN 103208929 A等。

這些已有的方案的缺點(diǎn)是通常包含交流-直流、直流-高頻交流、高頻變壓器升/降壓、高頻交流-直流的四級(jí)電能變換，所需的功率模塊數(shù)量也較多。從而導(dǎo)致系統(tǒng)效率和功率密度不高，也制約了電力電子變壓器的大規(guī)模應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有電力電子變壓器需要經(jīng)過(guò)四級(jí)電能變換，導(dǎo)致系統(tǒng)效率和功率密度低的缺點(diǎn)，提出一種電力電子變壓器及其控制方法。本發(fā)明只需要經(jīng)過(guò)三級(jí)電能變換即可實(shí)現(xiàn)高壓交流與低壓直流之間的電能變換，且可實(shí)現(xiàn)低壓H橋電路的軟開(kāi)關(guān)，可降低電路的開(kāi)關(guān)損耗。

本發(fā)明電力電子變壓器由輸入級(jí)、中間級(jí)和輸出級(jí)三級(jí)串聯(lián)組成，輸入級(jí)為高壓交流級(jí)，中間級(jí)為高頻隔離級(jí)，輸出級(jí)為低壓直流級(jí)。所述的高壓交流級(jí)由全橋子模塊型模塊化多電平變流器組成，高頻隔離級(jí)由高頻變壓器和在其原邊串聯(lián)的諧振電容組成，低頻直流級(jí)由H橋電路和并聯(lián)在H橋直流側(cè)的直流儲(chǔ)能電容組成。輸入級(jí)、中間級(jí)和輸出級(jí)組成的三級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)三級(jí)電能變換環(huán)節(jié)：高壓交流級(jí)實(shí)現(xiàn)工頻交流到高頻交流的電能變換，高頻隔離級(jí)實(shí)現(xiàn)高頻交流電壓的升降，低壓直流級(jí)實(shí)現(xiàn)高頻交流到直流的電能變換。

高壓交流級(jí)的模塊化多電平變流器與低壓直流級(jí)的H橋電路通過(guò)高頻隔離級(jí)的高頻變壓器與串聯(lián)諧振電容器構(gòu)成一個(gè)串聯(lián)諧振電路。其中模塊化多電平變流器將三相交流電壓變換為高頻方波電壓，H橋電路產(chǎn)生與模塊化多電平變流器同頻同相的高頻方波電壓。

對(duì)本發(fā)明電力電子變壓器的控制方法一方面以低壓直流級(jí)輸出母線電壓為電壓外環(huán)反饋量，以模塊化多電平變流器高壓交流側(cè)電流為電流內(nèi)環(huán)反饋量，進(jìn)行dq軸下雙閉環(huán)控制。通過(guò)調(diào)節(jié)高壓交流側(cè)三相電流的有功分量來(lái)實(shí)現(xiàn)低壓直流電壓穩(wěn)定可控。另一方面使模塊化多電平變流器與低壓直流級(jí)H橋均輸出同頻同相的方波電壓。經(jīng)由高頻變壓器和諧振電容形成的諧振回路，會(huì)在高頻側(cè)產(chǎn)生近似正弦的電流。具體步驟如下：

(1)高壓交流級(jí)模塊化多電平變流器采用基于dq變換的電壓電流雙閉環(huán)控制方法，以低壓直流級(jí)電容電壓作為電壓外環(huán)的反饋值以模塊化多電平變流器高壓交流側(cè)電流為電流內(nèi)環(huán)反饋量，具體包括：

(1.1)對(duì)低壓直流級(jí)電容電壓、高壓交流側(cè)三相電流與三相電壓進(jìn)行采樣；

(1.2)將低壓直流級(jí)電容電壓采樣值u_cL與參考直流電壓值u_{dc_ref}進(jìn)行比較，比較后的電壓差值經(jīng)過(guò)電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)輸出作為模塊化多電平變流器d軸電流環(huán)的基準(zhǔn)i_{d_ref}；

(1.3)模塊化多電平變流器交流側(cè)三相電流采樣值經(jīng)過(guò)dq變換得到d軸、q軸兩個(gè)電流分量i_gd和i_gd，交流側(cè)三相電壓采樣值經(jīng)過(guò)dq變換得到d軸、q軸兩個(gè)電壓分量e_gd和e_gd；其中dq變換所用相位基準(zhǔn)由三相電壓采樣值經(jīng)過(guò)鎖相計(jì)算獲得；

(1.4)將上述得到的d軸電流環(huán)的基準(zhǔn)i_{d_ref}與d軸電流i_gd進(jìn)行比較，比較后的差值經(jīng)過(guò)d軸電流環(huán)PI調(diào)節(jié)得到輸出量i_{d_PI}；將q軸電流環(huán)的參考值與q軸電流進(jìn)行比較，比較后的差值經(jīng)過(guò)q軸電流環(huán)PI調(diào)節(jié)得到輸出量i_{q_PI}；以d軸的電壓分量e_gd和q軸的電壓分量e_gq為前饋量，分別減去d軸的電流環(huán)輸出量i_{d_PI}和q軸的電流環(huán)輸出量i_{q_PI}，進(jìn)行解耦運(yùn)算后再進(jìn)行反dq變換得到模塊化多電平變流器三相交流電壓參考值u_{k_ref}(k＝a,b,c)；

(2)高壓交流級(jí)模塊化多電平變流器計(jì)算各橋臂參考電壓，并進(jìn)行調(diào)制，具體包括：

(2.1)生成一個(gè)頻率值為f_hf、占空比為50％且幅值為U_hf的雙極性方波電壓，將其作為模塊化多電平變流器高頻輸出側(cè)的參考電壓u_{hf_ref}；

(2.2)模塊化多電平變流器的a、b、c三相電路的上下橋臂參考電壓根據(jù)高頻輸出側(cè)的參考電壓u_{hf_ref}和該相交流電壓參考值u_{k_ref}，計(jì)算得到；

(2.3)由模塊化多電平變流器各橋臂單元的參考電壓計(jì)算每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)需要投入的模塊個(gè)數(shù)，并進(jìn)行調(diào)制。

(3)低壓直流級(jí)的H橋電路中的開(kāi)關(guān)器件采用雙極性調(diào)制，占空比為50％，且相位與模塊化多電平變流器高頻輸出側(cè)參考電壓u_{hf_ref}相同。

本發(fā)明電力電子變壓器及其控制方法具有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：

1.只需要經(jīng)過(guò)交流-高頻交流、高頻變壓器升/降壓、高頻交流-直流三級(jí)電能變換。

2.主電路構(gòu)成一個(gè)串聯(lián)諧振電路，H橋電路中每個(gè)開(kāi)關(guān)均工作在零電流關(guān)斷方式下，減小了開(kāi)關(guān)損耗。

3.模塊化多電平變流器中采用全橋子模塊，其電路結(jié)構(gòu)與H橋電路相同，可以進(jìn)行統(tǒng)一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4.可以有效減少功率模塊數(shù)量，節(jié)省成本并可提高功率密度。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明電力電子變壓器的電路原理圖；

圖2為本發(fā)明電力電子變壓器高壓交流級(jí)模塊化多電平變流器子模塊電路原理圖；

圖3為本發(fā)明電力電子變壓器控制方法的控制框圖；

圖4為本發(fā)明電力電子變壓器中高頻變壓器次級(jí)電壓與電流的仿真計(jì)算波形圖；

圖5為本發(fā)明電力電子變壓器低壓直流電壓的仿真計(jì)算波形圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。

如圖1所示，本發(fā)明電力電子變壓器主電路由輸入級(jí)、中間級(jí)和輸出級(jí)三級(jí)串聯(lián)組成：輸入級(jí)為高壓交流級(jí)，中間級(jí)為高頻隔離級(jí)，輸出級(jí)為低壓直流級(jí)。

所述的高壓交流級(jí)由全橋子模塊型模塊化多電平變流器組成，高頻隔離級(jí)由高頻變壓器HFT和串聯(lián)諧振電容C₁組成，低頻直流級(jí)由H橋電路和直流儲(chǔ)能電容C₁組成。

如圖1所示，本發(fā)明電力電子變壓器的三級(jí)電路的連接方式為：高壓交流級(jí)模塊化多電平變流器的高頻輸出端子為P₁和N₁，高頻輸出端子P₁與高頻隔離級(jí)的串聯(lián)諧振電容C₁串聯(lián)后連接到高頻隔離級(jí)的高頻變壓器HFT的初級(jí)端子X(jué)₁上，高頻輸出端子N₁連接到高頻變壓器HFT的初級(jí)端子Y₁上。高頻變壓器HFT的次級(jí)端子X(jué)₂連接到低壓直流級(jí)的H橋的輸出端子J₁上，高頻變壓器HFT的另一次級(jí)端子Y₂連接到低壓直流級(jí)的H橋的另一輸出端子K₁上。

高壓交流級(jí)的模塊化多電平變流器由三相六橋臂組成，每個(gè)橋臂包含n個(gè)串聯(lián)子模塊和1個(gè)電抗器，串聯(lián)子模塊的數(shù)目由電壓等級(jí)和所選用電力電子器件水平?jīng)Q定。如圖2所示，每個(gè)子模塊均采用全橋子模塊結(jié)構(gòu)，由四只全控型電力電子開(kāi)關(guān)器件組成單相全橋，并在單相全橋的直流側(cè)并聯(lián)一個(gè)電容。每個(gè)橋臂的電抗器電感值相同，均為L(zhǎng)_arm。

高頻隔離級(jí)由高頻變壓器HFT和串聯(lián)諧振電容C₁構(gòu)成。模塊化多電平變流器的橋臂電抗與串聯(lián)諧振電容以及高頻變壓器的漏抗構(gòu)成一個(gè)串聯(lián)諧振回路。橋臂電抗值L_arm、電容器容值C₁和高頻變壓器漏抗值L_tl滿足以下關(guān)系式：

其中，f_hf為串聯(lián)諧振回路的諧振頻率，也是高頻變壓器的工作頻率，L_tl為高頻變壓器漏抗值。

低壓直流級(jí)由H橋電路和直流儲(chǔ)能電容C₂成。如圖1所示，H橋電路由第一開(kāi)關(guān)T₁、第二開(kāi)關(guān)T₂、第三開(kāi)關(guān)T₃、第四開(kāi)關(guān)T₄，第一二極管D₁、第二二極管D₂、第三二極管D₃、第四二極管D₄組成。其中，第一開(kāi)關(guān)T₁與第一二極管D₁反并聯(lián)，第二開(kāi)關(guān)T₂與第二二極管D₂反并聯(lián)，第三開(kāi)關(guān)T₃與第三二極管D₃反并聯(lián)，第四開(kāi)關(guān)T₄與第四二極管D₄反并聯(lián)；第一二極管D₁的正極和第二二極管D₂的負(fù)極相連作為H橋電路的端子J₁；第三二極管D₃的正極和第四二極管D₄的負(fù)極相連作為H橋電路的端子K₁；第一二極管D₁的負(fù)極和第三二極管D₂的負(fù)極相連作為H橋電路的端子J₂；第三二極管D₃的正極和第四二極管D₄的正極相連作為H橋電路的端子K₂。

H橋電路的直流側(cè)與直流儲(chǔ)能電容C₂并聯(lián)。

本發(fā)明電力電子變壓器的控制方法如下：

一方面，以低壓直流級(jí)輸出母線電壓為電壓外環(huán)反饋量，以模塊化多電平變流器高壓交流側(cè)電流為電流內(nèi)環(huán)反饋量，進(jìn)行dq軸下雙閉環(huán)控制。通過(guò)調(diào)節(jié)高壓交流側(cè)三相電流的有功分量來(lái)實(shí)現(xiàn)低壓直流電壓穩(wěn)定可控。

另一方面，以頻率為f_hf、占空比為50％，且幅值為U_hf的雙極性方波電壓設(shè)置為模塊化多電平變流器高頻輸出側(cè)參考電壓u_{hf_ref}。同時(shí)以與u_{hf_ref}同頻同相的方波電壓為低壓直流級(jí)H橋電路的調(diào)制參考波u_{l_ref}。H橋電路經(jīng)過(guò)雙極性調(diào)制后產(chǎn)生與高壓交流級(jí)模塊化多電平變流器高頻輸出側(cè)同頻同相的方波電壓。

高頻變壓器的原副邊電壓變比N₁:N₂滿足以下關(guān)系式：

N₁:N₂＝U_hf:U_{dc_ref} (2)

其中，U_{dc_ref}為低壓直流級(jí)直流電壓參考值。

經(jīng)過(guò)由高頻變壓器和諧振電容形成的諧振回路，會(huì)在高頻側(cè)產(chǎn)生近似正弦的電流。

如圖3所示，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程包括以下步驟：

(1)高壓交流級(jí)模塊化多電平變流器采用基于dq變換的電壓電流雙閉環(huán)控制方法，以低壓直流級(jí)電容電壓作為電壓外環(huán)的反饋值，該步驟具體包括：

(1.1)對(duì)低壓直流級(jí)電容電壓u_cL、高壓交流側(cè)三相電流i_a、i_b、i_c與三相電壓e_a、e_b、e_c進(jìn)行采樣；

(1.2)將所述低壓直流級(jí)電容電壓u_cL與參考直流電壓u_{dc_ref}進(jìn)行比較，輸出電壓差值經(jīng)過(guò)電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)輸出作為模塊化多電平變流器d軸電流環(huán)的基準(zhǔn)i_{d_ref}；

(1.3)模塊化多電平變流器交流側(cè)三相電流經(jīng)過(guò)dq變換得到d軸、q軸兩個(gè)電流分量i_gd和i_gd，交流側(cè)三相電壓經(jīng)過(guò)dq變換得到d軸、q軸兩個(gè)電壓分量e_gd和e_gd；其中dq變換所用相位基準(zhǔn)θ由三相電壓采樣值經(jīng)過(guò)鎖相計(jì)算獲得；

(1.4)將上述得到的d軸電流環(huán)的基準(zhǔn)i_{d_ref}與d軸電流i_gd進(jìn)行比較，比較后的差值經(jīng)過(guò)d軸電流環(huán)PI調(diào)節(jié)得到輸出量i_{d_PI}；將q軸電流環(huán)的參考值與q軸電流進(jìn)行比較，比較后的差值經(jīng)過(guò)q軸電流環(huán)PI調(diào)節(jié)得到輸出量i_{q_PI}；以d軸和q軸的電壓分量e_gd和e_gq為前饋量，分別減去d軸和q軸的電流環(huán)輸出量i_{d_PI}和i_{q_PI}，進(jìn)行解耦運(yùn)算后再進(jìn)行反dq變換得到模塊化多電平變流器三相交流電壓參考值u_{a_ref}、u_{b_ref}、u_{c_ref}；

(2)高壓交流級(jí)模塊化多電平變流器計(jì)算各橋臂參考電壓，并進(jìn)行調(diào)制，該步驟具體包括：

(2.1)生成一個(gè)頻率值為f_hf、占空比為50％，且幅值為U_hf的雙極性方波電壓，將其作為模塊化多電平變流器高頻輸出側(cè)的參考電壓u_{hf_ref}；

(2.2)根據(jù)高頻輸出側(cè)的參考電壓u_{hf_ref}和該相交流電壓參考值u_{k_ref}，計(jì)算得出模塊化多電平變流器六個(gè)橋臂單元的參考電壓，具體計(jì)算公式為：

(2.3)由模塊化多電平變流器各橋臂單元的參考電壓計(jì)算每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)需要投入的模塊個(gè)數(shù)，并進(jìn)行調(diào)制。

(3)低壓直流級(jí)H橋電路中的開(kāi)關(guān)器件采用雙極性調(diào)制，占空比為50％，且相位與模塊化多電平變流器高頻輸出側(cè)參考電壓u_{hf_ref}相同。

圖4為本發(fā)明電力電子變壓器中高頻變壓器次級(jí)電壓u_xy2和次級(jí)電流i_xy2的仿真計(jì)算波形圖，圖5為低壓直流側(cè)直流電壓。仿真參數(shù)為：高壓交流電壓為10kV，低壓直流電壓額定值為750V，高壓交流級(jí)的模塊化多電平變流器各橋臂均包含6級(jí)全橋型子模塊串聯(lián)，子模塊電容為4mH，電容電壓額定值為1600V，橋臂電抗器為100μH，控制頻率為10kHz，其高頻側(cè)電壓參考值為幅值3200V、頻率2500Hz的雙極性50％占空比方波。高頻隔離級(jí)的諧振電容為60μH，高頻變壓器工作頻率為2.5kHz，變壓器漏感1.6μH。低壓直流級(jí)母線電容為3mF。負(fù)載為1Ω電阻。由仿真結(jié)果可見(jiàn)，本發(fā)明的控制方法使得電力電子變壓器中的模塊化多電平變流器、高頻變壓器與H橋電路工作在串聯(lián)諧振方式下，H橋電路的各開(kāi)關(guān)均處于零電流關(guān)斷工作方式。同時(shí)，本發(fā)明的控制方式能對(duì)低壓直流電壓有效控制。

上述仿真計(jì)算結(jié)果表明本發(fā)明正確可行。以上分析可以推廣到高頻隔離級(jí)與低壓直流級(jí)的N個(gè)單元串聯(lián)或并聯(lián)的方式。