一种单级式电力电子变压器三相组串系统及其控制方法

本申请涉及电力电子与电能变换，特别涉及一种单级式电力电子变压器三相组串系统及其控制方法。

背景技术：

1、单级式ac-ac电力电子变压器相较于传统多级变换结构（ac-dc-dc-ac）具有效率高、体积小、控制简单等优势。然而，在将单级变换模块扩展至三相供电系统时，仍面临以下技术问题：

2、第一，启动冲击电流问题。单级变换模块中通常包含谐振腔（如llc结构）和高频隔离变压器，在启动瞬间由于电容充电或磁芯瞬态饱和，容易产生数倍于额定值的电流冲击，导致功率开关管过应力或触发过流保护。

3、第二，三相解耦控制问题。当三个单级变换模块共用中性点构成三相四线制输出时，非对称性负载会导致中性点电位偏移，若各相控制相互耦合，则难以实现各相输出电压的独立稳压。

4、第三，故障冗余能力不足。现有三相电力电子变压器系统中，任一模块故障往往导致整机停机，不适用于煤矿、数据中心等对连续供电要求高的场景。

5、第四，保护机制单一。现有系统多采用软件过流保护，响应时间在毫秒级以上，无法在微秒级时间内保护功率器件免受短路损坏。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本申请采用的第一个技术方案是：提供了一种单级式电力电子变压器三相组串系统，包括：

2、三个结构相同的单级ac-ac变换模块，其输入端分别连接三相电网的各相火线与中性线；

3、三相四线制输出结构，配置为将三个所述变换模块的输出端中性点互连；每个所述变换模块包括由折叠桥式单元、谐振腔、高频隔离变压器、翻转桥式单元依次电连接构成的单级能量传递支路；

4、控制系统，配置为通过捕获输入电压相位并控制所述折叠桥式单元与翻转桥式单元的开关频率，实现能量从输入侧到输出侧的单级变换；

5、所述系统通过对各相能量变换支路的分相独立频率调制，并配合中性线电流回路，实现三相输出电压的解耦稳压控制以及对非对称性负载工况下的中性点电位偏移抑制。

6、进一步地，所述控制系统配置有软启动程序：

7、在系统启动阶段，所述控制系统输出初始频率高于额定谐振频率的驱动脉冲，并控制所述驱动脉冲的频率按预设斜率下降至所述额定谐振频率，以通过增大所述谐振腔的等效感抗来限制启动瞬间的电荷注入电流。

8、进一步地，所述驱动脉冲的初始频率配置为所述额定谐振频率的3至5倍。

9、进一步地，所述控制系统包括中央控制器和分别设于各所述变换模块内的从控制器；所述中央控制器与各所述从控制器通过通信总线连接，用于在任一变换模块发生故障时，重新分配余下两个变换模块的运行功率。

10、进一步地，所述从控制器内置有基于响应时间尺度的多级保护逻辑：

11、第一级保护：通过硬件比较器监控功率器件电流，在超过第一阈值时封锁驱动信号，响应时间为微秒级；

12、第二级保护：在检测到谐振电流异常或负载短路时，封锁所述翻转桥式单元并使所述折叠桥式单元进入直通模式，响应时间为毫秒级。

13、进一步地，还包括：

14、线温检测单元，配置在所述变换模块内部的磁性元件表面；

15、漏电流检测单元，配置在所述变换模块的输入端与输出端之间； 所述控制系统配置为：当任一检测单元的反馈值超过预设安全阈值时，执行停机或降额操作。

16、进一步地，所述折叠桥式单元包括由受控功率开关管组成的桥路；所述控制系统通过锁相环跟踪输入电压相位，并在电压过零点时刻控制所述桥路进行极性翻转。

17、本申请采用的第二个技术方案是：提供了一种应用于前述任一项的系统的控制方法，包括：

18、s1：各所述变换模块独立进行输入电压锁相，并捕捉电压过零点；

19、s2：以高于额定谐振频率的初始频率启动，并控制频率随时间线性下降，以抑制启动电流冲击；

20、s3：以额定谐振频率为中心，根据输出端反馈电压实时微调开关频率，实现输出稳压。

21、进一步地，在所述s3步骤中，开关频率的变化范围被限制在所述额定谐振频率的0.8倍至1.2倍之间。

22、进一步地，还包括冗余切换步骤：当中央控制器接收到任一从控制器的故障报警信号后，切断该故障模块与输出母线的连接，并调节其余正常运行模块的功率基准值，使系统以降额模式持续供电。

23、本申请由于采用以上技术方案，与现有技术相比，具有如下至少一项的有益效果：

24、1、通过分相独立频率调制和中性线回路配合，实现了三相解耦稳压及中性点电位偏移抑制，无需额外补偿电路。

25、2、高频软启动方法利用谐振腔高频区高阻抗特性，有效抑制启动电流冲击。

26、3、中央控制器与从控制器协同，实现故障模块的快速切除和剩余模块功率重分配，提升系统容错性。

27、4、线温与漏电流多维监测，提高在高危场景运行的安全性。

1.一种单级式电力电子变压器三相组串系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制系统配置有软启动程序：

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述驱动脉冲的初始频率配置为所述额定谐振频率的3至5倍。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制系统包括中央控制器和分别设于各所述变换模块内的从控制器；所述中央控制器与各所述从控制器通过通信总线连接，用于在任一变换模块发生故障时，重新分配余下两个变换模块的运行功率。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述从控制器内置有基于响应时间尺度的多级保护逻辑：

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述折叠桥式单元包括由受控功率开关管组成的桥路；所述控制系统通过锁相环跟踪输入电压相位，并在电压过零点时刻控制所述桥路进行极性翻转。

8.一种应用于权利要求1至7任一项所述系统的控制方法，其特征在于，包括：

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述s3步骤中，开关频率的变化范围被限制在所述额定谐振频率的0.8倍至1.2倍之间。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括冗余切换步骤：当中央控制器接收到任一从控制器的故障报警信号后，切断该故障模块与输出母线的连接，并调节其余正常运行模块的功率基准值，使系统以降额模式持续供电。