基于多端口高頻變壓器的自平衡式電力電子變壓器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于電力電子變壓器技術領域，涉及全范圍自動平衡不對稱負載的三相電 力電子變壓器，具體涉及一種基于多端口高頻變壓器的自平衡式電力電子變壓器拓撲及控 制策略。
【背景技術】
[0002] 傳統電力變壓器結構簡單、效率高、可靠性高，廣泛應用于電力系統。但過低的工 作頻率導致傳統變壓器體積大，笨重，而且礦物油、環氧樹脂、難燃油等作為絕緣或冷卻介 質的使用存在火災和環境污染的潛在隱患。另外，傳統電力變壓器通常只能夠實現電氣隔 離、電壓等級變換和功率雙向傳遞等相對單一的功能，而無網側電能質量調節、諧波傳遞隔 絕、過載及故障保護、負載電壓調節等功能。傳統電力變壓器的這些弱點使它無法滿足諸如 智能電網等新應用場合的功能要求。
[0003] 在過去的幾十年中，電力電子技術有了長足全面的快速發展，越來越多的電力電 子裝置在電力系統中應用。在這個大背景下，針對傳統變壓器的上述弱點，研究人員和工程 師提出了電力電子變壓器(Power Electronic Transformer)或者固態變壓器（Solid-State Transformer)加以解決。但是，現有電力電子變壓器拓撲在不平衡負載補償能力方 面存在不足:補償不平衡負載的范圍小，如果需要補償全范圍不平衡負載，則需要額外提高 電力電子變壓器所用半導體器件的功率容量。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于提供一種基于多端口高頻變壓器的自平衡式電力電子變壓器， 能夠實現對不平衡負載的補償。
[0005] 為達到上述目的，本發明采用了以下技術方案：
[0006] 該電力電子變壓器包括輸入級、隔尚級與輸出級，輸入級、隔尚級與輸出級中每個 功率變換器為H橋變換器，輸入級采用A、B、C三相結構的級聯式模塊化功率變換器，隔離級 的每個四端口高頻變壓器的三個二次側分別經過隔離級二次側功率變換器以及輸出級功 率變換器連接到輸出級的U、V、W三相，隔離級的每個四端口高頻變壓器的一次側經過隔離 級一次側功率變換器連接到輸入級的各個功率變換器，每個輸入級功率變換器都能給輸出 級的U、V、W三相供應能量。
[0007] 輸入級每相包括N個串聯的輸入級功率變換器，總共有3N個輸入級功率變換器;隔 離級包括3N個隔離級一次側功率變換器、3N個四端口高頻變壓器以及9N個隔離級二次側功 率變換器，四端口變壓器的一次側線圈為1個，二次側線圈為3個，其中3個二次側線圈匝數 相同；一個隔離級一次側功率變換器的直流端口與對應一個輸入級功率變換器的直流端口 相連，一個隔離級一次側功率變換器的交流端口與對應一個四端口高頻變壓器的一次側線 圈相連;一個四端口高頻變壓器的二次側線圈各串聯一個電感，并分別與對應三個隔離級 二次側功率變換器的交流端口相連;輸出級包括3N個輸出級功率變換器，每個四端口高頻 變壓器的3個二次側線圈分別通過對應的電感以及隔離級二次側功率變換器與輸出級的三 相中各一個輸出級功率變換器相連，每個輸入級功率變換器通過一個四端口高頻變壓器同 時給輸出級三相提供功率。
[0008] 所述輸出級功率變換器的直流端口與隔離級二次側功率變換器的直流端口相連。
[0009] 所述輸入級功率變換器的直流端口并接電容，所述輸出級功率變換器的交流端口 串接LC濾波器，輸出級功率變換器的直流端口并接電容。
[0010]所述電力電子變壓器的控制包括輸入級的整流控制、隔離級的功率控制以及輸出 級的逆變控制三部分。
[0011] 所述輸入級的整流控制包括平均直流電壓控制、相間直流電壓均衡控制以及相內 模塊直流電壓均衡控制三個層面;平均直流電壓控制用DQ電壓電流雙閉環控制來實現;相 間直流電壓均衡控制采用用于平衡三相間的功率的零序電壓注入來實現;相內模塊直流電 壓均衡控制是通過用PI控制器調節各模塊的調制波幅值實現。
[0012] 所述相間直流電壓均衡控制具體包括以下步驟:對輸入級A、B、C三相的直流電壓 進行采樣，各相直流電壓與平均直流電壓的比較結果即反映了各相所需要的零序功率值， 根據三相的零序功率值之和為〇,將A、B兩相各自的平均直流電壓與三相總的平均直流電壓 比較，通過PI控制器得到A、B兩相所需要的零序功率值的大小P QA、PQB，然后通過以下公式計 算得到零序電壓指令值：
[0013]
[0014]其中，Uo*為零序電壓的幅值，Θ為零序電壓相對于電網電流的相位差，Is為電網電 流幅值。
[0015] 所述隔離級的功率控制采用電壓源-電流源型控制，每個輸出級功率變換器的直 流端口并接的電容與3個隔離級二次側功率變換器連接，這3個隔離級二次側功率變換器 中，第一個隔離級二次側功率變換器按電壓源控制，第二以及第三個隔離級二次側功率變 換器按電流源控制，使第二以及第三個隔離級二次側功率變換器給該電容提供的功率與作 為電壓源的第一個隔離級二次側功率變換器相等，從而保證這3個隔離級二次側功率變換 器的功率均分。
[0016] 所述輸出級的逆變控制中，對輸出級按三個單相逆變器分別控制，每個逆變器采 用電壓電流雙閉環控制策略。
[0017] 與現有技術相比，本發明的有益技術效果是：
[0018] 1、可以實現傳統電力變壓器的變壓、隔離等基本功能；
[0019] 2、輸入級采用三相結構的級聯式模塊化功率變換器，面對不同等級的輸入電壓， 只需要計算對應級聯模塊數，按照對應模塊數級聯便可承受對應電壓；
[0020] 3、本發明可以全范圍應對不對稱負載。每相中每個輸入級功率變換器通過四端口 高頻變壓器與分別屬于輸出級三相的三個功率變換器對應，輸出級三相供電網絡中的任意 相的功率都能平均反映到輸入級的每個功率變換器上，因此不管輸出三相供電網絡中的三 相功率如何不平衡，輸入級的每個功率變換器所承擔的功率值都是相同的，從而輸入級三 相的功率是平衡的，輸入級電流自然也是平衡的。
[0021] 仿真結果驗證了本發明所述電力電子變壓器的正常運行與補償不平衡負載的能 力，為工程應用提供了很好的參考價值。
【附圖說明】
[0022] 圖1為本發明仿真實驗中所涉及的基于多端口高頻變壓器的自平衡式電力電子變 壓器的結構示意圖；圖1中:Grid_A為電網A相、Grid_B為電網B相、Grid_C為電網C相、LoadJJ 為負載的U相、Load_V為負載的V相、Load_W為負載的W相、η為中性點(三個中性點合并了）；1 為電抗器，2為輸入級功率變換器，3為電容，4為隔離級一次側功率變換器，5為四端口高頻 變壓器，6為電感，7為隔離級二次側功率變換器，8為電容，9為輸出級功率變換器，10為LC濾 波器;其中所有的功率變換器均為H橋變換器；電容3和電容8上的電壓為直流，通常可選用 大容量電解電容，電感的值由電力電子變壓器的功率決定；
[0023] 圖2為隔離級單元的結構示意圖；圖2中：up為高頻變壓器一次側線圈對應的功率 變換器所產生的交流方波電壓，即加在高頻變壓器一次側線圈上的電壓；Ip為一次側線圈 電流;US 1、US2、US3分別為高頻變壓器二次側的三個線圈對應的功率變換器所產生的交流方 波電壓，即加在高頻變壓器二次側的三個線圈與電感6上的電壓；i S1、iS2、iS3分別為二次側 三個線圈的電流;I: k: k: k是高頻變壓器的變比；
[0024] 圖3為隔離級單元的電壓波形圖；圖3中：、於e、分別是某一個高頻變壓器 二次側對應的三個功率變換器所產生的交流方波電壓相對于一次側對應的功率變換器所 產生的交流方波電壓的相位差；
[0025] 圖4為輸出級的某一個直流母線電容與隔離級的連接方式示意圖，圖4為圖1的局 部細節圖；圖4中：Vprij、V PRI_2、VPRI_3為三個輸入級功率變換器所輸出的直流電壓;V sec為輸 出級某一個功率變換器的直流母線電壓;uP1、uP2、u P3為三個隔離級一次側功率變換器的交 流電壓;usl、uS2、u S3為三個隔離級二次側功率變換器的交流電壓；敎、於、抑分別為US1相對 于UP1、US2相對于UP2、US3相對于UP3的相位差;L為圖1中的電感6 ; Idcl、Idc2、Idc3為連接到某一 個輸出級功率變換器的直流電容上的三個隔離級二次側功率變換器給電容充電的電流；
[0026] 圖5為隔離級單元的控制器原理框圖，圖5中的采樣與輸出與圖4對應；圖5中： VSEC_REF為二次側直