一种串并混合连接的电力电子变压器及控制系统的制作方法

1.本发明涉及电力电子变压器领域，尤其涉及一种串并混合连接的电力电子变压器及控制系统。


背景技术：

2.目前，电力电子变压器(power electronic transformer，简称pet)，采用电力电子变流技术，实现电能转换和电气隔离。相比传统配电变压器，电力电子变压器能够实现潮流的主动控制，并且利于装置的小型化和节省成本。
3.为了兼容传统配电变压器的功能，电力电子变压器的一次侧往往接入中压交流电网，通常最低为10kv/50hz的三相交流电网，低压侧可以根据需要接直流或交流电网。
4.一种典型的电力电子变压器结构如图1所示，其中最为核心的部分是三相中压交流电转换为低压直流电部分。图1方案的中压侧采用串联方式来承受较高电压，低压直流侧采用并联来提供大电流。因此，每个模块的一侧是单相交流电，另一侧是直流电，如图1中是h桥和dab两个部分组成一个基本模块。图2所示为ac/dc电力电子变压器其中1相，另外2相是相同的。
5.因为稳态时交流电的功率是脉动的，而直流侧的功率是保持不变的，因此为了保持输入输出功率相匹配，每个模块内部需要配置一定的储能元件，储能的大小与交流的频率有关。一般采用工频50hz的交流电，它的功率脉动频率是100hz，通常需要在h桥和dab之间配置较多的电容进行储能，而储能电容体积大、可靠性差，不利于电力电子变压器的功率密度和可靠性的提升。
6.因此，亟需一种新的三相模块来构建的电力电子变压器，以减少模块内的储能电容。


技术实现要素：

7.为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种串并混合连接的电力电子变压器及控制系统，其能解决运行成本高的问题。
8.设计原理：对于三相交流系统来说，当三相功率平衡的时候，三相的功率之和是保持不变的，这时候它和直流功率是相匹配的，理论上模块内部可以不需要进行储能，实际应用中只需要对开关纹波进行滤波就可以了。因此，设计一种新的ac/dc电力电子变压器结构，对传统电力电子变压器中的模块组合方式进行修改，采用串并联混合连接。
9.设计方案：本技术的总设计方案为，电力电子变压器中的模块组合方式采用串并联混合连接，中压三相交流侧的每一相仍然采用ac/dc子模块串联的方式，但是在低压直流侧，先在三相系统中各的每一相各取一个ac/dc子模块进行串联，这三个ac/dc子模块组成一个新的三相ac/dc模块，再将每个三相ac/dc并联起来。
10.本发明的目的之一采用如下技术方案实现：
11.一种串并混合连接的电力电子变压器，包括由多个三相ac/dc模块连接的中压三
相交流侧和低压直流侧，每个三相ac/dc模块具有3个独立的中压交流端口和1个低压直流端口；
12.其中，在中压三相交流侧，三相ac/dc模块的每一相作为一个ac/dc子模块，通过对应1个中压交流端口，每个三相ac/dc模块的3个ac/dc子模块分别通过电感接入三相中压交流端口，通过各个中压交流端口接入中压交流供电网；
13.在低压直流侧，三相ac/dc模块的每一ac/dc子模块串联后，再将每个三相ac/dc模块并联起来，即通过各低压直流端口并联起来形成所述低压直流侧，用于接入低压直流输出电网。
14.优选的，每个三相ac/dc模块包括输入侧h桥、电气隔离元件和输出侧h桥，每个输入侧h桥包括输入侧电容cin、4个输入侧开关q1
‑
q4和输入侧电感lk，每个输出侧h桥包括4个输出侧开关q6
‑
q8和输出侧电容cout；由于输出侧ac/dc子模块采用串联输出的方式，输入的三相功率在输出侧可以互补，因此输入侧电容cin和输出侧电容cout无需采用大容值电容，只需要滤除高频开关纹波，不需要滤除工频纹波。
15.优选的，输入侧开关q1
‑
q4采用双向开关，以实现功率双向流动；输出侧开关q5
‑
q8使用绝缘栅双极型晶体管igbt。
16.优选的，所述电气隔离元件采用高频变压器。
17.本发明还公开了一种三相ac/dc供电控制系统，所述控制系统包括由多个三相ac/dc模块构成的电力电子变压器，电力电子变压器的输入侧接入中压交流供电网，通过锁相环获取中压交流供电网的三相交流相位，并通过相位分配器对各个三相ac/dc模块进行中压交流电压的相位分配，各个三相ac/dc模块间通过采用移相pwm方式，在中压三相交流侧产生多电平效果。
18.优选的，三相ac/dc模块的中压三相交流侧的驱动信号根据相位产生，以此驱动输入侧开关；三相ac/dc模块的低压直流侧由功率控制获得低压驱动信号。
19.优选的，低压直流侧采用原副边移相控制，当功率从高压侧流向低压侧时，低压侧pwm信号相位相对高压侧滞后一个相位角从而通过控制移相角实现输出功率的大小控制。
20.相比现有技术，本发明的有益效果在于：本技术的电力电子变压器，采用串并联混合连接，中压三相交流侧的每一相仍然采用ac/dc子模块串联的方式，但是在低压直流侧，先在三相系统中各的每一相各取一个ac/dc子模块进行串联，这三个ac/dc子模块组成一个新的三相ac/dc模块，再将每个三相ac/dc模块并联起来；由于输出侧三个子模块采用了串联输出的方式，输入的三相功率在输出侧可以互补，因此输入侧电容cin和输出侧cout都不需要很大的容值，只需要滤除高频开关纹波，不需要滤除工频纹波。以此，减少模块内的储能电容体积，提升了电力电子变压器的功率密度和可靠性。
附图说明
21.图1为现有的电力电子变压器结构示意图；
22.图2为现有的单相ac/dc电力电子变压器示意图；
23.图3为本发明基于串并联混合连接的电力电子变压器示意图；
24.图4为三相ac/dc模块的接口示意图；
25.图5为三相ac/dc模块的主电路结构示意图；
26.图6为双向开关示意图；
27.图7为控制系统示意图；
28.图8为中压三相交流侧的三相输入电压波形示意图；
29.图9为三相电压斩波后的波形示意图；
30.图10为输出电压、电流和移相值的对应关系示例图。
具体实施方式
31.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
32.实施例一
33.一种串并混合连接的电力电子变压器，参见图3
‑
图6，包括由多个三相ac/dc模块连接的中压三相交流侧和低压直流侧，每个三相ac/dc模块具有3个独立的中压交流端口和1个低压直流端口。
34.其中，在中压三相交流侧，三相ac/dc模块的每一相作为一个ac/dc子模块，通过对应1个中压交流端口，每个三相ac/dc模块的3个ac/dc子模块分别通过电感接入三相中压交流端口，通过各个中压交流端口接入中压交流供电网。
35.在低压直流侧，三相ac/dc模块的每一ac/dc子模块串联后，再将每个三相ac/dc模块并联起来，即通过各低压直流端口并联起来形成所述低压直流侧，用于接入低压直流输出电网。
36.进一步的，参见图5，每个三相ac/dc模块包括输入侧h桥、电气隔离元件和输出侧h桥，每个输入侧h桥包括输入侧电容cin、4个输入侧开关q1
‑
q4和输入侧电感lk，每个输出侧h桥包括4个输出侧开关q6
‑
q8和输出侧电容cout。
37.其中，输入侧开关q1
‑
q4采用图6中图6a或图6b两种双向开关，以实现功率双向流动。
38.其中，输出侧开关q5
‑
q8使用绝缘栅双极型晶体管igbt。
39.其中，所述电气隔离元件采用高频变压器t。
40.从图中可以看出，由于输出侧ac/dc子模块采用串联输出的方式，输入的三相功率在输出侧可以互补，因此输入侧电容cin和输出侧电容cout无需采用大容值电容，只需要滤除高频开关纹波，不需要滤除工频纹波。以此减少模块内的储能电容。
41.实施例二
42.一种三相ac/dc供电控制系统，参见图7，控制系统包括由多个三相ac/dc模块构成的如实施例一所示的电力电子变压器，电力电子变压器的输入侧接入中压交流供电网，通过锁相环获取中压交流供电网的三相交流相位，并通过相位分配器对各个三相ac/dc模块进行中压交流电压的相位分配，各个三相ac/dc模块间通过采用移相pwm方式，在中压三相交流侧产生多电平效果。控制系统通过相位分配器给各个三相ac/dc模块分配一个pwm相位基准θi，从而使各个模块的pwm严格保持固定相位差，这样有助于消除开关纹波。
43.每个三相ac/dc模块的控制是独立的。三相ac/dc模块的中压三相交流侧的驱动信号根据相位产生，以此驱动输入侧开关；三相ac/dc模块的低压直流侧由功率控制获得低压驱动信号。
44.其中，以一个三相ac/dc的电力电子变压器为例，其工作原理如下。假设中压三相交流侧的三相电压如图8所示。将t1时刻各模块斩波后生成的方波波形画出如图9所示，其每相占空比与电压幅值成正比，这可以用三相交流相位来确定，其目的是为了保证三相输入电流保持正弦。
45.其中，低压直流侧采用原副边移相控制，当功率从高压侧流向低压侧时，低压侧pwm信号相位相对高压侧滞后一个相位角从而通过控制移相角实现输出功率的大小控制。参见图10，由于采用了输出并联的方式，因此三相功率互相补充，可以输出平稳的直流电压。
46.最后，需要说明的是，上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。