一種高頻隔離電路、其控制方法以及固態(tài)變壓器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種高頻隔離電路、其控制方法以及固態(tài)變壓器。
【背景技術(shù)】
[0002]變壓器是電網(wǎng)中量大面廣的設(shè)備，盡管近年來在電壓等級、容量、效率和可靠性等方面不斷提高，但是其基本結(jié)構(gòu)和工作原理長期以來沒有發(fā)生根本性的改變。傳統(tǒng)變壓器體積龐大，功能單一，需要安裝復(fù)雜的繼電保護(hù)設(shè)備，在一側(cè)發(fā)生電壓幅值波動、電流波形畸變等電能質(zhì)量問題時會影響另一側(cè)，且輸出電壓受負(fù)載擾動而不能保持恒定，越來越不適應(yīng)未來電網(wǎng)“更加可靠、對環(huán)境更加友好、更加有效、更加靈活和更加經(jīng)濟(jì)”的發(fā)展趨勢。
[0003]新材料、新技術(shù)、新器件的出現(xiàn)，為研發(fā)面向未來的新一代電網(wǎng)設(shè)備創(chuàng)造了條件。固態(tài)變壓器(Solid State Transformer, SST)，又稱電力電子變壓器(Power ElectronicTransformer, PET)或電子電力變壓器(Electronic Power Transformer，EPT)，是一種集變壓、調(diào)壓、變頻、動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)裙δ苡谝惑w的“多用途變換器”，具有傳輸功率密度大、功能完善、控制先進(jìn)等特點(diǎn)，是未來電網(wǎng)的核心設(shè)備，并且也是可再生能源發(fā)電設(shè)備直接接入電網(wǎng)的理想接口。
[0004]國內(nèi)外的研宄者們從不同的角度提出了多種固態(tài)變壓器拓?fù)潆娐返膶?shí)現(xiàn)方案，從在電力電子變換過程中是否存在中間直流環(huán)節(jié)來看，電路拓?fù)淇梢詣澐譃閮纱箢?。一種拓?fù)涫窃谧儞Q過程中不存在直流環(huán)節(jié)，即AC-AC直接變換型，其基本工作原理為:輸入的工頻交流信號在一次側(cè)直接被調(diào)制成高頻交流信號，經(jīng)高頻變壓器耦合到二次側(cè)后，被解調(diào)還原為工頻交流信號。在這一過程中，一次側(cè)的調(diào)制和二次側(cè)的解調(diào)保持同步。該拓?fù)渌褂玫碾娏﹄娮庸β势骷?shù)量相對較少，結(jié)構(gòu)簡單，可以較大幅度地減小系統(tǒng)的體積和重量，但是可控性較差，變壓器二次側(cè)波形基本是對一次側(cè)波形的還原，并不具備對一次側(cè)、二次側(cè)電壓和電流的調(diào)節(jié)能力，難以對電能質(zhì)量的改善做出貢獻(xiàn)。
[0005]另一種拓?fù)涫窃谧儞Q過程中存在直流環(huán)節(jié)，稱為AC-DC-AC變換型，不僅可以完成AC-AC結(jié)構(gòu)的功能，還可以對交流側(cè)功率因數(shù)、電流波形進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制，其工作過程為:工頻交流電壓輸入整流器后，變換為直流電，再通過逆變電路，被調(diào)制成高頻方波電壓后加載至高頻變壓器；在高頻變壓器的二次側(cè)，高頻方波電壓被還原為直流電壓后再逆變?yōu)樗璧慕涣麟妷狠敵?。在這種結(jié)構(gòu)的固態(tài)變壓器中，變換環(huán)節(jié)和器件數(shù)量增多，但具有良好的控制特性，通過PWM調(diào)制方法和適當(dāng)?shù)目刂撇呗?，能夠?qū)崿F(xiàn)變壓器一、二次側(cè)的電壓、電流和功率的靈活控制。
[0006]為了設(shè)計(jì)適用于輸配電網(wǎng)電壓等級的固態(tài)變壓器工程化樣機(jī)，研宄人員提出將二極管箝位型多電平變換技術(shù)、飛跨電容型多電平變換技術(shù)和模塊級聯(lián)型變換技術(shù)應(yīng)用于輸入級AC-DC變換器與高頻變壓器高壓側(cè)的升頻變換器，提高器件的耐壓能力，同時通過移相調(diào)制控制策略可以提高交流側(cè)電壓波形的正弦度，減輕EMI干擾，減小濾波器體積。但是多電平技術(shù)需要使用大量的二極管、電容，不僅會增加成本同時還會降低電路的可靠性，因此應(yīng)用于電力系統(tǒng)的固態(tài)變壓器樣機(jī)一般采用模塊級聯(lián)型結(jié)構(gòu)，目前在其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、建模分析、運(yùn)行特性以及在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用已經(jīng)取得了一定的研宄成果。
[0007]但是，國內(nèi)外研宄者所提出的固態(tài)變壓器方案距離實(shí)際應(yīng)用都還有差距，一個重要原因是通過升高工作頻率來減小變壓器體積的同時帶來鐵芯損耗與電力電子功率器件損耗的大幅增長，因此與傳統(tǒng)電力變壓器相比，固態(tài)變壓器效率較低。為了降低電力電子功率器件的開關(guān)損耗，采用諧振軟開關(guān)的方式，使器件工作在零電壓開關(guān)(ZVS)狀態(tài)。軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用可以降低變換器的開關(guān)損耗，提高變換器的工作效率，為變換器的高頻化提供可能性，提高功率密度和動態(tài)性能。
[0008]電力電子功率器件的ZVS工作狀態(tài)是通過換流電感和諧振電容中的循環(huán)能量為器件輸出電容放電實(shí)現(xiàn)的。因此，為了維持ZVS工作狀態(tài)，循環(huán)能量應(yīng)大于電力電子功率器件輸出電容的總能量。而循環(huán)能量與換流電感的大小成正比，并與負(fù)載電流的平方成正比?，F(xiàn)有技術(shù)中均采用固定的變壓器繞組漏感或外接電感作為換流電感，在輕負(fù)載時，負(fù)載電流小，換流電感不夠大，循環(huán)能量不足會導(dǎo)致電力電子功率器件退出ZVS工作狀態(tài)；在重負(fù)載時，負(fù)載電流大，而換流電感保持不變，循環(huán)能量過大引起較大的附加通態(tài)損耗。同時，輕負(fù)載時系統(tǒng)損耗的主要部分是高頻變壓器的鐵芯損耗，而現(xiàn)有技術(shù)均沒有對此進(jìn)行優(yōu)化。綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)只能在很窄的負(fù)載范圍內(nèi)獲得高效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供了一種高頻隔離電路、其控制方法以及固態(tài)變壓器，該電路、其控制方法以及變壓器能夠在整個負(fù)載變化范圍內(nèi)得到高效率。
[0010]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所述的高頻隔離電路包括控制器、DC-AC轉(zhuǎn)換器、AC-DC轉(zhuǎn)換器、第一繞組切換開關(guān)、第二繞組切換開關(guān)、第三繞組切換開關(guān)、第四繞組切換開關(guān)及帶自耦抽頭的變壓器；
[0011]DC-AC轉(zhuǎn)換器的輸出端的正極與變壓器中初級線圈的一端相連接，DC-AC轉(zhuǎn)換器的輸出端負(fù)極分別與第一繞組切換開關(guān)的一端及第二繞組切換開關(guān)的一端相連接，第一繞組切換開關(guān)的另一端與變壓器中初級線圈的另一端相連接，第二繞組切換開關(guān)的另一端與變壓器中初級線圈中的自耦抽頭相連接；
[0012]AC-DC轉(zhuǎn)換器的輸入端的正極與第三繞組切換開關(guān)的一端及第四繞組切換開關(guān)的一端相連接，第三繞組切換開關(guān)的另一端與變壓器中次級線圈的一端相連接，第四繞組切換開關(guān)的另一端與變壓器中次級線圈的自耦抽頭相連接，AC-DC轉(zhuǎn)換器的輸入端的負(fù)極與變壓器中次級線圈的另一端相連接；
[0013]控制器的輸出端與DC-AC轉(zhuǎn)換器的控制端、AC-DC轉(zhuǎn)換器的控制端、第一繞組切換開關(guān)的控制端、第二繞組切換開關(guān)的控制端、第三繞組切換開關(guān)的控制端及第四繞組切換開關(guān)的控制端相連接。
[0014]所述DC-AC轉(zhuǎn)換器包括第一 IGBT管、第二 IGBT管、第一二極管、第二二極管、第一電容及第二電容；
[0015]所述第一二極管的兩端分別與第一 IGBT管的集電極及發(fā)射極相連接，第二二極管的兩端分別與第二 IGBT管的集電極及發(fā)射極相連接，第一 IGBT管的發(fā)射極與第二 IGBT管的集電極及變壓器中初級線圈的一端相連接，第一電容的一端與第一 IGBT管的集電極相連接，第一電容的另一端與第二電容的一端、第一繞組切換開關(guān)的一端及第二繞組切換開關(guān)的一端相連接，第二電容的另一端與第二 IGBT管的發(fā)射極相連接；
[0016]第一 IGBT管的柵極及第二 IGBT管的柵極與控制器的輸出端相連接。
[0017]所述AC-DC轉(zhuǎn)換器包括第三IGBT管、第四IGBT管、第三二極管、第四二極管、第三電容及第四電容；
[0018]所述第三二極管的兩端分別與第三IGBT管的集電極及發(fā)射極相連接，第四二極管的兩端分別與第四IGBT管的集電極及發(fā)射極相連接，第三IGBT管的發(fā)射極與第四IGBT管的集電極及變壓器中次級線圈的一端相連接，第三電容的一端與第三IGBT管的集電極相連接，第三電容的另一端與第四電容的一端、第三繞組切換開關(guān)的一端及第四繞組切換開關(guān)的一端相連接，第四電容的另一端與第四IGBT管的發(fā)射極相連接；
[0019]第三IGBT管的柵極及第四IGBT管的柵極與控制器的輸出端相連接。
[0020]本發(fā)明所述的高頻隔離電路的控制方法包括以下步驟:
[0021]獲取系統(tǒng)的負(fù)載電流信息，得預(yù)設(shè)工頻周期內(nèi)負(fù)載電流有效值的平均值；
[0022]當(dāng)?shù)玫降呢?fù)載電流有效值的平均值大于等于上限閾值時，則判斷第二繞組切換開關(guān)及第四繞組切換開關(guān)是否導(dǎo)通，若導(dǎo)通，則不動作，當(dāng)?shù)诙@組切換開關(guān)及第四繞組切換開關(guān)不導(dǎo)通時，控制器控制第一繞組切換開關(guān)及第三繞組切換開關(guān)斷開，延時死區(qū)時間后開通第二繞組切換開關(guān)及第四繞組切換開關(guān)；
[0023]當(dāng)?shù)玫降呢?fù)載電流有效值的平均值小于等于下限閾值時，則判斷第一繞組切換開關(guān)及第三繞組切換開關(guān)是否導(dǎo)通，若導(dǎo)通，則不動作，當(dāng)?shù)谝焕@組切換開關(guān)及第三繞組切換開關(guān)不導(dǎo)通時，控制器控制第二繞組切換開關(guān)及第四繞組切換開關(guān)斷開，再延遲死區(qū)時間后開通第一繞組切換開關(guān)及第三繞組切換開關(guān)；
[0024]當(dāng)?shù)玫降呢?fù)載電流有效值的平均值大于下限閾值且