基于直流侧电容谐振的电力电子变压器开关控制系统

摘要

本发明属于电力电子变压器控制策略领域，具体涉及了一种基于直流侧电容谐振的电力电子变压器开关控制系统，旨在解决现有技术无法在降低控制复杂度、保证可靠性的前提下，实现电力电子变压器功率密度的提升的问题。本发明包括：第一变流器、第二变流器和第三变流器构成；根据第一变流器交流输入侧电压极性控制第一变流器和第三变流器功率半导体导通与关断；根据第二变流器电路参数计算第二变流器功率半导体开关周期，控制第二变流器功率半导体导通与关断，从而实现电力电子变压器输入电压至输出电压变换。本发明在降低控制复杂度、保证可靠性的前提下，提高电力电子变压器的功率密度。

说明书

技术领域

本发明属于电力电子变压器控制策略领域，具体涉及了一种基于直流侧电容谐振的电力电子变压器开关控制系统。

背景技术

以风能、光伏为首的可再生能源发电系统在现有电网中的比例正逐年提升，其间接性和波动性对所接入电网的可控性也提出了更高的要求，提高电网系统调节能力、增强新能源消纳能力以及发展高效节能技术也成为未来电网战略规划和研发的重点。电力电子变压器一般是指通过电力电子变换技术及高频隔离变压器实现的新型多功能电力电子设备。电力电子变压器不仅具备传统工频变压器电压变换和隔离功能外，还能够实现谐波治理、无功补偿、可再生能源发电系统接入、端口故障隔离以及与智能设备通讯，是未来智能电网和能源互联网发展的关键设备之一。

现有的已取得广泛研究的电力电子变压器主要有基于级联H桥和基于模块化多电平变流器两种类型的电路拓扑。级联H桥型电力电子变压器由输入串联、输出并联的双有源桥变换器与H桥模块构成。模块化多电平变流器型电力电子变压器是由输入串联、输出并联的双有源桥变换器与模块化多电平变流器高压直流侧连接构成。两种结构的电力电子变压器均存在储能电容体积大、重量重等缺点，严重制约其功率密度的提高。另外，现有的电力电子变压器普遍存在运行效率低的缺点，导致其散热系统体积较大，进一步降低了电力电子变压器功率密度。

为解决以上问题，一些文献提出一种基于全桥型模块化多电平变流器的电力电子变压器[1]，虽然隔离环节只有一台高频变压器，但全桥型模块化多电平变流器储能电容体积仍较大，功率密度较低。一些文献提出利用全桥型模块化多电平变流器直接输出高频电压和电流以减少电能变换级数[2]，但高频电压会导致全桥型模块化多电平变流器开关频率较高，效率低，功率密度难以提高。一些文献提出一种能够实现输入串联、输出并联双有源桥变换器冗余运行的电力电子变压器电路拓扑[3]，能够提高电力电子变压器运行可靠性，但此种结构功率半导体器件数量较多，谐振回路也需要谐振电容，功率密度较低。还有一些文献提出一种基于矩阵变换的电力电子变压器电路拓扑[4]，虽然高频回路无需谐振电容，但其输入与输出侧均需配置滤波电容，功率密度难以提高。另外，矩阵变换器存在控制复杂、保护困难等缺点，导致该电力电子变压器可靠性较低。

总的来说，现有电力电子变压器功率模块需要直流电容承受直流电压，而该直流电容较大，一般可达到mF级别，另外高频回路还需要谐振电容以完成谐振软开关，因而电容数量多、容值大，占用空间多，导致现有的电力电子变压器功率密度较低。

以下文献是与本发明相关的技术背景资料：

[1]王婷、王广柱、张勋、吴钦，基于模块化多电平矩阵变换器的电力电子变压器控制策略，电工技术学报2016年第31卷18期.

[2]高范强、李子欣、徐飞、王哲、赵聪、王平、李耀华，一种高频链模块化电力电子变压器，电工电能新技术2017年第36卷5期.

[3]赵聪、高范强、李子欣、王平、王哲、李耀华，电力电子变压器、双向直流变换器及其控制方法，CN109039081A，20180620.

[4]吴争、杨晓梅、吉宇、费益军、徐晓轶、陈铭明、袁宇波、李强，一种电力电子变压器，CN110034687A，20190418.

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即现有技术无法在降低控制复杂度、保证可靠性的前提下，实现电力电子变压器功率密度的提升的问题，本发明提供了一种基于直流侧电容谐振的电力电子变压器开关控制系统，电力电子变压器的高频回路无需谐振电容，并且其直流侧的电容器C1和电容器C2均为μF级别，从而大幅度减小电力电子变压器体积，提高电力电子变压器的功率密度，该系统包括第一变流器、第二变流器和第三变流器；

所述第一变流器包括功率半导体S1、功率半导体S2、功率半导体S3和功率半导体S4，用于将输入侧的交流电压U

所述第二变流器包括功率半导体Q1、功率半导体Q2、功率半导体Q3、功率半导体Q4、功率半导体Q5、功率半导体Q6、功率半导体Q7、功率半导体Q8、电容器C1、电容器C2和高频变压器，用于将直流电压U

所述第三变流器包括功率半导体R1、功率半导体R2、功率半导体R3和功率半导体R4，用于将直流电压U

在一些优选的实施例中，所述第一变流器，其连接关系为：

所述功率半导体S1的源极和功率半导体S2的漏极连接到一起作为第一变流器的正输入端；

所述功率半导体S3的源极和功率半导体S4的漏极连接到一起作为第一变流器的负输入端；

所述功率半导体S1的漏极和功率半导体S3的漏极连接到一起作为第一变流器的正输出端；

所述功率半导体S2的源极和功率半导体S4的源极连接到一起作为第一变流器的负输出端。

在一些优选的实施例中，所述第二变流器，其连接关系为：

所述功率半导体Q1的源极和功率半导体Q2的漏极一起连接至高频变压器的正输入端；

所述功率半导体Q3的源极和功率半导体Q4的漏极一起连接至高频变压器的负输入端；

所述功率半导体Q1的漏极和功率半导体Q3的漏极一起至电容器C1的正极作为第二变流器的正输入端；

所述功率半导体Q2的源极和功率半导体Q4的源极一起至电容器C1的负极作为第二变流器的负输入端；

所述第二变流器的正输入端连接至所述第一变流器的正输出端；所述第二变流器的负输入端连接至所述第一变流器的负输出端；

所述功率半导体Q5的源极和功率半导体Q6的漏极一起连接至高频变压器的正输出端；

所述功率半导体Q7的源极和功率半导体Q8的漏极一起连接至高频变压器的负输出端；

所述功率半导体Q5的漏极和功率半导体Q7的漏极一起至电容器C2的正极作为第二变流器的正输出端；

所述功率半导体Q6的源极和功率半导体Q8的源极一起至电容器C2的负极作为第二变流器的负输出端。

在一些优选的实施例中，所述第三变流器，其连接关系为：

所述功率半导体R1的源极和功率半导体R2的漏极连接到一起作为第三变流器的正输出端；

所述功率半导体R3的源极和功率半导体R4的漏极连接到一起作为第三变流器的负输出端；

所述功率半导体R1的漏极和功率半导体R3的漏极连接到一起作为第三变流器的正输入端；

所述功率半导体R2的源极和功率半导体R4的源极连接到一起作为第三变流器的负输入端；

所述第三变流器的正输入端连接至所述第二变流器的正输出端；所述第三变流器的负输入端连接至所述第二变流器的负输出端。

在一些优选的实施例中，所述第一变流器，其工作过程为：

当所述第一变流器交流输入侧电压U

当所述第一变流器交流输入侧电压U

在一些优选的实施例中，所述第二变流器，其谐振周期为：

其中，T为第二变流器的谐振周期，L

在一些优选的实施例中，所述第二变流器，其功率半导体的周期为：

T

其中，T

在一些优选的实施例中，所述第二变流器，其工作过程为：

当时间为kT

当时间为(k+1)T

其中，k为大于或等于0的整数。

在一些优选的实施例中，所述第三变流器，其工作过程为：

当所述第一变流器交流输入侧电压U

当所述第一变流器交流输入侧电压U

本发明的有益效果：

(1)本发明基于直流侧电容谐振的电力电子变压器开关控制系统，能够使电力电子变压器直流侧的电容参与谐振，既能够减少高频回路谐振电容的数量，又能够大幅度降低电力电子变压器的储能电容值，从而能够在降低控制复杂度、保证可靠性的前提下，提高电力电子变压器的功率密度。

(2)本发明基于直流侧电容谐振的电力电子变压器开关控制系统，结构简单，并简化了控制过程，在提高电力电子变压器的功率密度的同时，降低了成本，提高了控制效率。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明基于直流侧电容谐振的电力电子变压器开关控制系统的拓扑示意图；

图2是本发明基于直流侧电容谐振的电力电子变压器开关控制系统一种实施例的仿真示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本发明的一种基于直流侧电容谐振的电力电子变压器开关控制系统，该系统包括第一变流器、第二变流器和第三变流器；

所述第一变流器包括功率半导体S1、功率半导体S2、功率半导体S3和功率半导体S4，用于将输入侧的交流电压U

所述第二变流器包括功率半导体Q1、功率半导体Q2、功率半导体Q3、功率半导体Q4、功率半导体Q5、功率半导体Q6、功率半导体Q7、功率半导体Q8、电容器C1、电容器C2和高频变压器，用于将直流电压U

所述第三变流器包括功率半导体R1、功率半导体R2、功率半导体R3和功率半导体R4，用于将直流电压U

为了更清晰地对本发明基于直流侧电容谐振的电力电子变压器开关控制系统进行说明，下面结合图1对本发明实施例中各模块展开详述。

本发明第一实施例的基于直流侧电容谐振的电力电子变压器开关控制系统，包括第一变流器、第二变流器和第三变流器，各模块详细描述如下：

第一变流器包括功率半导体S1、功率半导体S2、功率半导体S3和功率半导体S4，用于将输入侧的交流电压U

功率半导体S1的源极和功率半导体S2的漏极连接到一起作为第一变流器的正输入端；

功率半导体S3的源极和功率半导体S4的漏极连接到一起作为第一变流器的负输入端；

功率半导体S1的漏极和功率半导体S3的漏极连接到一起作为第一变流器的正输出端；

功率半导体S2的源极和功率半导体S4的源极连接到一起作为第一变流器的负输出端。

第一变流器的工作过程为：

当所述第一变流器交流输入侧电压U

当所述第一变流器交流输入侧电压U

第二变流器包括功率半导体Q1、功率半导体Q2、功率半导体Q3、功率半导体Q4、功率半导体Q5、功率半导体Q6、功率半导体Q7、功率半导体Q8、电容器C1、电容器C2和高频变压器，用于将直流电压U

功率半导体Q1的源极和功率半导体Q2的漏极一起连接至高频变压器的正输入端；

功率半导体Q3的源极和功率半导体Q4的漏极一起连接至高频变压器的负输入端；

功率半导体Q1的漏极和功率半导体Q3的漏极一起至电容器C1的正极作为第二变流器的正输入端；

功率半导体Q2的源极和功率半导体Q4的源极一起至电容器C1的负极作为第二变流器的负输入端；

第二变流器的正输入端连接至第一变流器的正输出端；第二变流器的负输入端连接至第一变流器的负输出端；

功率半导体Q5的源极和功率半导体Q6的漏极一起连接至高频变压器的正输出端；

功率半导体Q7的源极和功率半导体Q8的漏极一起连接至高频变压器的负输出端；

功率半导体Q5的漏极和功率半导体Q7的漏极一起至电容器C2的正极作为第二变流器的正输出端；

功率半导体Q6的源极和功率半导体Q8的源极一起至电容器C2的负极作为第二变流器的负输出端。

第二变流器，其谐振周期如式(1)所示：

其中，T为第二变流器的谐振周期，L

第二变流器，其功率半导体的周期如式(2)所示：

T

其中，T

第二变流器的工作过程为：

当时间为kT

当时间为(k+1)T

其中，k为大于或等于0的整数。

第三变流器包括功率半导体R1、功率半导体R2、功率半导体R3和功率半导体R4，用于将直流电压U

功率半导体R1的源极和功率半导体R2的漏极连接到一起作为第三变流器的正输出端；

功率半导体R3的源极和功率半导体R4的漏极连接到一起作为第三变流器的负输出端；

功率半导体R1的漏极和功率半导体R3的漏极连接到一起作为第三变流器的正输入端；

功率半导体R2的源极和功率半导体R4的源极连接到一起作为第三变流器的负输入端；

第三变流器的正输入端连接至第二变流器的正输出端；第三变流器的负输入端连接至第二变流器的负输出端。

第三变流器的工作过程为：

当所述第一变流器交流输入侧电压U

当所述第一变流器交流输入侧电压U

通过实验验证本发明系统性能，系统的参数如表1所示：

表1

当第一变流器交流输入侧电压U

根据第二变流器的电容器C1、电容器C2和漏感为L

根据第二变流器谐振周期计算其功率半导体的周期，如式(4)所示：

T

当时间为k50μs～(k+1)50μs时，第二变流器的功率半导体Q1、功率半导体Q4、功率半导体Q5和功率半导体Q8导通，功率半导体Q2、功率半导体Q3、功率半导体Q6和功率半导体Q7关断；

当时间为(k+1)50μs～(k+2)50μs时，第二变流器的功率半导体Q2、功率半导体Q3、功率半导体Q6和功率半导体Q7导通，功率半导体Q1、功率半导体Q4、功率半导体Q5和功率半导体Q8关断；

其中，k为大于或等于0的整数。

当第一变流器交流输入侧电压U

如图2所示，为本发明基于直流侧电容谐振的电力电子变压器开关控制系统一种实施例的仿真示意图，图2第一行为电力电子变压器第一变流器交流输入侧电压和电流，图2第二行为电力电子变压器第三变流器交流输出侧电压和电流，图2第三行为电力电子变压器第二变流器第一电容器和第二电容器电压，图2第四行为电力电子变压器第二变流器高频变压器原边电压和电流，图2第五行为电力电子变压器第二变流器高频变压器原边局部电压和电流波形。根据实施例仿真结果可知，该电力电子变压器能够实现交流输入电压至交流输出电压电能变换，高频环节无需谐振电容且第二变流器第一电容器和第二电容器容值均较小，具有较高的功率密度。

需要说明的是，上述实施例提供的基于直流侧电容谐振的电力电子变压器开关控制系统，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。

术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。