一種混合級聯結構的多端口電力電子變壓器及其控制方法
【專利說明】一種混合級聯結構的多端口電力電子變壓器及其控制方法
【背景技術】
[0001] 近年來，隨著大功率電力電子器件技術與現代控制理論的發展，一種通過電力電 子技術實現電能變換的設備--電力電子變壓器（Power Electronic Transformer，PET) 正越來越受到國內外學者的重視。目前已有用于配電網的電力電子變壓器設備投入運行。 PET由于其高可控性、高供電質量以及諧波少的優良特性有著廣闊的應用前景。但現有結構 的電力電子變壓器也存在一些缺點，特別是多電源場合下的應用。
[0002] 傳統的多電平拓撲結構，隨著電平數和直流端口的增加，所需的電力電子器件以 及拓撲的復雜程度都將大大增加。而本發明中，設計了基于混合級聯結構的多端口電力電 子變壓器，級聯H橋與多個直流輸出子模塊連接，特別適合于高電壓變換到較低直流電壓 或直流側電流數需求較多的應用場合，如分布式儲能系統、電動汽車充電等。前級整流器橋 臂電壓變化率（dv/dt)和電流變化率（di/dt)都較低，開關器件承受的電壓應力小，且直流 偵U電容的耐壓值、容量和體積大大減小。交流側電平數比傳統電力電子變壓器多，各次諧波 含有率和總諧波畸變率也大大降低，從而可以減小甚至省去大容量的交流濾波器。全模塊 化的結構也使得容量拓展和冗余設計更為容易。
[0003] 現有的技術方案一：包括模塊化多電平整流器、隔離級和逆變器，模塊化多電平整 流器包括多個子模塊，逆變器包括多個相互并聯連接的功率變換模塊。現有技術一的缺點： (1)高壓側電平數少，諧波含量較高。（2)逆變器電路包括多個功率變換模塊，器件冗余，成 本高。
[0004] 現有的技術方案一：包括模塊化多電平整流器、隔離級和逆變器，模塊化多電平整 流器包括多個子模塊，逆變器包括多個相互并聯連接的功率變換模塊。現有技術一的缺點： (1)高壓側電平數少，諧波含量較高。（2)逆變器電路包括多個功率變換模塊，器件冗余，成 本高。
【發明內容】
[0005] 為了解決以上技術問題，本發明提供一種基于混合級聯結構的多端口電力電子變 壓器及其控制方法。
[0006] 本發明的技術方案如下：
[0007] -種混合級聯結構的多端口電力電子變壓器，其特征在于：所述電力電子變壓器 拓撲結構包括整流級和中間隔離級，整流級包括M個混合級聯模塊，所述混合級聯模塊包 括一個H橋整流模塊和與之連接的η個子模塊串聯而成的模塊，中間隔離級包括M*n個隔 離模塊；H橋整流模塊的輸入端作為混合級聯模塊的輸入端，所述H橋整流模塊的輸入端通 過級聯后接入電網，所述H橋整流模塊的輸出端與所述η個子模塊串聯而成的模塊的兩個 輸入端連接，每個子模塊的輸出端作為混合級聯模塊的輸出端，每個子模塊具有兩個輸出 端，Μ*η個整流子模塊的輸出端分別和與之相應的隔離模塊的輸入端連接；所述Μ*η個隔離 模塊的輸出端均作為電力電子變壓器的直流輸出端，直流輸出端根據所需電壓等級和輸出 容量串并聯；
[0008] 所述子模塊包括半橋電路和電容，所述半橋電路與所述電容并聯。
[0009] 所述的一種混合級聯結構的多端口電力電子變壓器，其特征在于：還包括DC-AC 逆變器，所述的直流輸出端口并聯形成直流母線，所述直流母線接入所述DC-AC逆變器直 流側，所述的DC-AC逆變器交流側連接低壓交流電網。
[0010] 所述的一種混合級聯結構的多端口電力電子變壓器，其特征在于：所述的DC-AC 逆變器包括全橋逆變電路和LC濾波電路，所述的逆變電路由儲能電容和六個帶反并聯二 極管的IGBT構成，所述的儲能電容包括上級電容和下級電容，上級電容和下級電容為串聯 關系。
[0011] 所述的隔離模塊包括由逆變電路、中頻變壓器、整流電路，所述的逆變電路輸入端 分別與所述的整流級的子模塊輸出端連接；所述的中頻變壓器高壓側分別與逆變電路輸出 端連接；所述的整流電路分別與中頻變壓器低壓側連接。
[0012] 所述的逆變電路為單相全橋逆變電路，所述的逆變電路由四個帶反并聯二極管 的IGBT構成；所述的整流電路為全橋整流電路，所述的整流電路由四個帶反并聯二極管的 IGBT構成。
[0013] 所述整流級的控制方法包括如下步驟：
[0014] 步驟Sl，獲取高壓交流電網側電流Is ;
[0015] 步驟S2,獲取整流級各子模塊直流輸出電壓Udcl、Udc2··· Udcn ;
[0016] 步驟S3,計算高壓交流電網側電流參考值Is、
[0017] 步驟S4,根據電網側電流參考值If以及高壓交流電網側電流采樣值Is對整流級 H橋整流模塊進行閉環控制；
[0018] 步驟S5,計算整流級各子模塊直流輸出電壓平均值V_ref ;
[0019] 步驟S6,根據各子模塊直流輸出平均電壓V_ref與各子模塊輸出電壓Udcl、 Udc2…Udcn分別對整流子模塊進行閉環控制。
[0020] 所述步驟S3包括：
[0021] 步驟S31，根據子模塊直流輸出電壓Udcl、Udc2…Udcn求和，得到直流側總電壓 J Ddck ； η
[0022] 步驟S32,根據直流側總電壓Σ 與各模塊直流側電壓參考值Ud C_ref的η倍 k =I 進行閉環控制得到交流側電流參考值的幅值is ;
[0023] 步驟S33,通過PLL鎖相環得到高壓側瞬時電壓Us的相位；
[0024] 步驟S34,通過正弦發生電路得到與Us同相位的正弦信號Sinwt ;
[0025] 步驟S35,將正弦信號Sinwt與交流側電流參考值的幅值is相乘，得到高壓交流電 網側電流參考值Is'
[0026] 所述中間隔離級的控制方法包括如下步驟：
[0027] 步驟Sl，獲取低壓側直流輸出電壓Uco ;
[0028] 步驟S2,獲取各隔離模塊低壓直流側輸出電流idl、id2··· idn ;
[0029] 步驟S3,根據低壓側直流輸出電壓參考值Ucc/與低壓側直流輸出電壓Uco進行閉 環控制得到各混合級聯模塊后所連接隔離模塊的功率總合，將功率總和除以n，得到各中頻 變壓器功率參考值P_;
[0030] 步驟S4,各隔離模塊低壓直流側輸出電流idl、id2··· idn經過低通濾波器LPF，得 到輸出電流計算值idl、idUdn;
[0031] 步驟S5,根據低壓側直流輸出電壓Uco與輸出電流計算值jdl、id2_" idii通過 功率計算單元得到各中頻變壓器功率pDAB1、ρ_2···ρ_ η;
[0032] 步驟S6,根據中頻變壓器功率參考值Pdab與各中頻變壓器功率P _、PDAB2…PDABn進 行閉環控制得到各隔離模塊移相控制角φ?、φ2···φ:η。
[0033] 所述的一種混合級聯結構的多端口電力電子變壓器，其特征在于：其控制電路包 括：
[0034] 整流級第一控制電路，用于控制H橋整流模塊；
[0035] 整流級第二控制電路，用于控制整流級子模塊；
[0036] 中間隔離級第一功率計算電路，用于計算中間隔離級模塊功率。
[0037] 所述整流級第一控制電路包括：
[0038] 總電壓合成電路，計算整流級直流側總電壓J ;并將藝輸出給電 A=I.
[0039] 壓外環PI控制器和所述的整流級第二控制電路；
[0040] 參考電壓放大電路，將各模塊直流側電壓參考值U_ref放大η倍，并發送給電壓外 環PI控制器；
[0041] PLL鎖相環電路，用于獲取瞬時電壓Us的相位；
[0042] 正弦發生電路，與所述PLL鎖相環連接，用于根據PLL鎖相環獲取的Us相位，得到 與Us同相的正弦信號Sinwt ;
[0043] 電壓外環PI控制器，用于對直流側總電壓與η倍各子模塊直流側參考電壓Udc_ ref的差值進行PI調節，得到高壓交流電網側電流參考值Is* ;
[0044] 電流內環P控制器，用于對高壓交流電網側電流Is與高壓交流電網側電流參考值 Is*的差值進行P調節，得到級聯H橋模塊調制信號。
[0045] 所述整流級第二控制電路包括：
[0046] 除法電路，用于計算各子模塊直流輸出平均電壓V_ref ;
[0047] PI控制器，用于對直流輸出平均電壓V_ref與各子模塊直流輸出電壓Udcl、 Udc2…Udcn的差值進行PI調節，得到各子模塊調制信號。
[0048] 所述中間隔離級第一功率計算電路，包括：
[0049] 低通濾波器LPF，用于將脈沖直流信號idl、id2*"idn轉變成連續直流信號 IdI、i d2... i dn；
[0050] 功率計算單元，通過Uco分別與id丨、idi，，idn相乘，計算出各個間隔離級傳輸 的功率；
[0051 ] 中間隔離級第一 PI控制器，用于將低壓側直流輸出電壓Uco與低壓側直流輸