一種直流母線電容低波動的三相電力電子變壓器拓撲結構的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種直流母線電容低波動的三相電力電子變壓器拓撲結構，其特征在于：該拓撲結構包括高壓整流電路、DC/DC變換電路和低壓DC/AC逆變電路；所述高壓整流電路的輸入端與高壓三相交流電網連接，所述高壓整流電路的輸出端經高壓直流母線電容與所述DC/DC變換電路一端連接，所述DC/DC變換電路另一端經低壓直流母線電容與所述低壓DC/AC逆變電路輸入端連接，所述低壓DC/AC逆變電路輸出端與低壓三相交流電網連接。本發明的體積與重量較小，而且不需要額外進行各個H橋子模塊直流母線電容電壓的平衡控制，可以廣泛在電力系統領域中應用。
【專利說明】
一種直流母線電容低波動的三相電力電子變壓器拓撲結構
技術領域
[000? ]本發明涉及一種電力電子變壓器拓撲結構，特別是關于一種電力電子技術領域中的直流母線電容低波動的三相電力電子變壓器拓撲結構。
【背景技術】
[0002]電力電子變壓器(Power Electronic Transformer，PET)作為一種新型電能傳輸設備，相對于傳統電力變壓器具有以下優點:1、體積與重量大大減小。2、可以實現任意幅值與頻率的交直流變換，一、二次側電壓電流波形可控，功率因數可調。3、自帶無功補償與保護功能，無需額外配套裝置。
[0003]現用于PET的全控器件多采用Si基絕緣柵雙極型晶體管(Insulated GateBipolar Transistor，IGBT)，但由于Si基IGBT電壓與功率等級的限制，難以滿足配電網中壓側電壓等級的要求。在目前提出的三相配電網PET拓撲中，多采用多電平變換器的形式，由此降低單個器件承受的電壓應力，易于實現高壓大容量，同時在相同開關頻率下輸出的電壓電流波形更接近正弦，諧波含量低。
[0004]在提出的應用于PET的多電平拓撲中，級聯H橋拓撲具有控制簡便、易于級聯擴展的特點。級聯H橋拓撲需要獨立的直流母線，然而在單相整流的級聯H橋拓撲中，每個H橋子模塊輸出的直流母線電壓都會不可避免地帶有二倍頻的波動，產生的二倍頻諧波難以濾除從而使得母線電容因為需要承受電容電壓應力而采用較大的容值。在此情況下，母線電容的體積與重量往往成為整個PET體積與重量最主要的部分。同時，在級聯數較多的情況下，對于各H橋模塊電壓平衡的控制算法相對復雜。
【發明內容】
[0005]針對上述問題，本發明的目的是提供一種直流母線電容低波動的三相電力電子變壓器拓撲結構，該拓撲結構體積與重量大大減小，而且不需要額外進行各個H橋子模塊直流母線電容電壓的平衡控制。
[0006]為實現上述目的，本發明采取以下技術方案:一種直流母線電容低波動的三相電力電子變壓器拓撲結構，其特征在于:該拓撲結構包括高壓整流電路、DC/DC變換電路和低壓DC/AC逆變電路;所述高壓整流電路的輸入端與高壓三相交流電網連接，所述高壓整流電路的輸出端經高壓直流母線電容與所述DC/DC變換電路一端連接，所述DC/DC變換電路另一端經低壓直流母線電容與所述低壓DC/AC逆變電路輸入端連接，所述低壓DC/AC逆變電路輸出端與低壓三相交流電網連接。
[0007]優選地，所述高壓整流電路包括A、B、C三相級聯H橋拓撲，每相級聯H橋拓撲結構相同，每相級聯H橋拓撲均包括若干個級聯的H橋整流子模塊，每一H橋整流子模塊輸出端均并聯一高壓直流母線電容;第一個所述H橋整流子模塊的一輸入端經一電感連接高壓三相交流電網A相整流輸入端，第一個所述H橋整流子模塊的另一輸入端與第二個所述H橋整流子模塊的一輸入端連接，第二個所述H橋整流子模塊的另一輸入端與第三個所述H橋整流子模塊的一輸入端連接，依次類推;最后一個所述H橋整流子模塊的另一輸入端經高壓直流母線與其余兩相級聯H橋拓撲中的最后一個所述H橋整流子模塊連接。
[0008]優選地，每一所述H橋整流子模塊均包括兩個并聯的橋臂，每個所述橋臂均由兩個功率開關器件組成。
[0009]優選地，所述DC/DC變換電路包括m組高頻逆變子模塊M、3m輸入η輸出的中高頻變壓器和η個高頻整流H橋，η和m均為自然數;所述m組高頻逆變子模塊M輸出端經所述中高頻變壓器與所述η個高頻整流H橋連接。
[0010]優選地，每組所述高頻逆變子模塊都包括三個高頻逆變H橋，三個所述高頻逆變H橋的輸入端分別與三相所述高壓直流母線電容Chax、ChbX、ChcX并聯，三個所述高頻逆變H橋分別經三相所述高壓直流母線電容Chax、Chbx、Chcx與所述H橋整流子模塊HBax、HBbx、HBcx連接;每一所述高頻逆變H橋的輸入端都與一高壓直流母線電容并聯，每一所述高頻逆變H橋的輸出端分別與所述中高頻變壓器的3m個輸入端連接;所述中高頻變壓器的η個輸出端分別連接一所述高頻整流H橋輸入端，各所述高頻整流H橋輸出端分別并聯一低壓直流母線電容。
[0011]優選地，各所述低壓直流母線電容之間最終并聯成為k個低壓直流母線連接至所述低壓DC/AC逆變電路。
[0012]優選地，高壓整流電路側采用電壓外環電流內環雙環反饋的控制方法控制輸入電流相位及每相直流母線電容電壓之和，采用電壓閉環反饋的方式對所述DC/DC變換電路中的高頻逆變子模塊M進行控制。
[0013]本發明由于采取以上技術方案，其具有以下優點:1、本發明PET拓撲可以通過控制直流母線兩側的功率平衡控制直流母線電容的電壓波動，使得直流母線電容理論上不存在電壓波動，僅作支撐電容使用，體積與重量大大減小。2、本發明由于直流母線電壓通過其后連接的H橋子模塊進行控制，因此不需要在整流側的控制算法中額外進行各個H橋子模塊直流母線電容電壓的平衡控制。本發明可以廣泛在電力系統領域中應用。
【附圖說明】
[0014]圖1是本發明的整體結構示意圖；
[0015]圖2是本發明的尚壓側整流電路不意圖；
[0016]圖3是本發明的DC/DC變換電路子模塊內部結構示意圖；
[0017]圖4是本發明的第一種DC/AC變換電路結構示意圖；
[0018]圖5是本發明的第二種DC/AC變換電路結構示意圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。
[0020]如圖1所示，本發明提供一種直流母線電容低波動的三相電力電子變壓器拓撲結構，其包括高壓整流電路、DC/DC變換電路和低壓DC/AC逆變電路。高壓整流電路的輸入端與高壓三相交流電網連接，高壓整流電路的輸出端經高壓直流母線電容與DC/DC變換電路一端連接，DC/DC變換電路另一端經低壓直流母線電容與低壓DC/AC逆變電路輸入端連接，低壓DC/AC逆變電路輸出端與低壓三相交流電網連接。
[0021]上述實施例中，如圖2所示，高壓整流電路包括A、B、C三相級聯H橋拓撲HBa、HBb、HBc，每相級聯H橋拓撲結構相同，僅以其中A相級聯H橋拓撲為例對高壓整流電路進行詳細介紹。A相級聯H橋拓撲包括若干個級聯的H橋整流子模塊HBan，每一 H橋整流子模塊輸出端均并聯一高壓直流母線電容Chax。第一個H橋整流子模塊HBal的一輸入端經一電感連接高壓三相交流電網A相整流輸入端，第一個H橋整流子模塊HBal的另一輸入端與第二個H橋整流子模塊HBa2的一輸入端連接，第二個H橋整流子模塊HBa2的另一輸入端與第三個H橋整流子模塊HBa3的一輸入端連接，依次類推;最后一個H橋整流子模塊HBan的另一輸入端經高壓直流母線與B相、C相級聯H橋拓撲HBb、HBc中的最后一個H橋整流子模塊連接。
[0022]其中，每一H橋整流子模塊均包括兩個并聯的橋臂，每個橋臂均由兩個功率開關器件組成。
[0023]上述各實施例中，如圖3所示，DC/DC變換電路包括m組高頻逆變子模塊M、3m輸入η輸出的中高頻變壓器和η個高頻整流H橋，η和m均為自然數3組高頻逆變子模塊M輸出端經3m輸入η輸出的中高頻變壓器與η個高頻整流H橋連接。
[0024]其中，每組高頻逆變子模塊M都包括三個高頻逆變H橋，三個高頻逆變H橋的輸入端分別與高壓直流母線電容Chax、Chbx、Chcx并聯，經高頻逆變H橋將輸入的直流母線電壓逆變成高頻方波。其中，連接每組高頻逆變子模塊M的三個高壓直流母線電容Chax、ChbX、ChcX分別來自A、B、C三相對應位置的直流母線，三個高頻逆變H橋分別經三相高壓直流母線電容Chax、Chbx、Chcx與H橋整流子模塊HBax、HBbx、HBcx連接。每一高頻逆變H橋的輸出端分別與中高頻變壓器的3m個輸入端連接。中高頻變壓器的η個輸出端分別連接一高頻整流H橋輸入端，由高頻整流H橋將高頻方波整流成直流低壓。各高頻整流H橋輸出端分別并聯一低壓直流母線電容Clx。
[0025]上述各實施例中，各低壓直流母線電容Clx之間可以進行靈活的連接，最終并聯成為k個低壓直流母線連接至低壓DC/AC逆變電路。低壓DC/AC逆變電路可以根據低壓直流母線的數量采用多種拓撲形式。例如，當低壓直流母線電容最終并聯成為單個低壓直流母線時，單個低壓直流母線連接低壓DC/AC逆變電路，此時該低壓DC/AC逆變電路為三相逆變電路，三相逆變電路可采用三相H橋拓撲；如圖4所示，低壓DC/AC逆變電路也可采用三相多電平逆變電路，如二極管鉗位多電平電路或ANPC形式。當低壓直流母線電容最終并聯成為3個低壓直流母線時，每個低壓直流母線均連接一低壓DC/AC逆變電路，此時低壓DC/AC逆變電路為單相逆變電路，每3個相鄰的單相逆變電路輸出的交流電壓相位互差120°，組合成三相低壓側輸出，如圖5所示，單相逆變電路也可以采用多電平電路拓撲。
[0026]綜上所述，本發明在高壓整流電路側采用電壓外環電流內環雙環反饋的控制方法控制輸入電流相位及每相直流母線電容電壓之和，而為了保證每個分立高壓直流母線電容電壓均衡且無二倍頻波動，采用電壓閉環反饋的方式對DC/DC變換電路中的高頻逆變子模±夬皿進行控制，保證每個高壓直流母線上輸出功率與輸入功率相一致，使得每個高壓直流母線電容電壓均衡且無二倍頻波動。
[0027]由于DC/DC變換電路中每個高頻逆變子模塊M的三個輸入端口連接的分立高壓直流母線電容，另一側分別與A、B、C三相對應高頻整流H橋連接，可知輸入M中三個高頻逆變H橋的功率在相位上互差120°，且存在二倍頻波動，而輸入的三相功率經過三個高頻逆變子模塊M輸入中高頻變壓器，在中高頻變壓器鐵芯中三相功率的二倍頻波動相互抵消，變為六倍頻波動。變壓器連接高頻整流H橋得到無二倍頻波動的直流電壓，再連接低壓直流母線。由此輸入功率的二倍頻波動通過中高頻變壓器得到抵消，而不存在于直流母線電容中，使得直流母線電容只需要選擇容值較小的支撐電容，大大減小了電容體積。
[0028]上述各實施例僅用于說明本發明，各部件的結構、尺寸、設置位置及形狀都是可以有所變化的，在本發明技術方案的基礎上，凡根據本發明原理對個別部件進行的改進和等同變換，均不應排除在本發明的保護范圍之外。
【主權項】
1.一種直流母線電容低波動的三相電力電子變壓器拓撲結構，其特征在于:該拓撲結構包括高壓整流電路、DC/DC變換電路和低壓DC/AC逆變電路;所述高壓整流電路的輸入端與高壓三相交流電網連接，所述高壓整流電路的輸出端經高壓直流母線電容與所述DC/DC變換電路一端連接，所述DC/DC變換電路另一端經低壓直流母線電容與所述低壓DC/AC逆變電路輸入端連接，所述低壓DC/AC逆變電路輸出端與低壓三相交流電網連接。2.如權利要求1所述的一種直流母線電容低波動的三相電力電子變壓器拓撲結構，其特征在于:所述高壓整流電路包括A、B、C三相級聯H橋拓撲，每相級聯H橋拓撲結構相同，每相級聯H橋拓撲均包括若干個級聯的H橋整流子模塊，每一 H橋整流子模塊輸出端均并聯一高壓直流母線電容;第一個所述H橋整流子模塊的一輸入端經一電感連接高壓三相交流電網A相整流輸入端，第一個所述H橋整流子模塊的另一輸入端與第二個所述H橋整流子模塊的一輸入端連接，第二個所述H橋整流子模塊的另一輸入端與第三個所述H橋整流子模塊的一輸入端連接，依次類推;最后一個所述H橋整流子模塊的另一輸入端經高壓直流母線與其余兩相級聯H橋拓撲中的最后一個所述H橋整流子模塊連接。3.如權利要求2所述的一種直流母線電容低波動的三相電力電子變壓器拓撲結構，其特征在于:每一所述H橋整流子模塊均包括兩個并聯的橋臂，每個所述橋臂均由兩個功率開關器件組成。4.如權利要求1所述的一種直流母線電容低波動的三相電力電子變壓器拓撲結構，其特征在于:所述DC/DC變換電路包括m組高頻逆變子模塊M、3m輸入η輸出的中高頻變壓器和η個高頻整流H橋，η和m均為自然數;所述m組高頻逆變子模塊M輸出端經所述中高頻變壓器與所述η個高頻整流H橋連接。5.如權利要求4所述的一種直流母線電容低波動的三相電力電子變壓器拓撲結構，其特征在于:每組所述高頻逆變子模塊都包括三個高頻逆變H橋，三個所述高頻逆變H橋的輸入端分別與三相所述高壓直流母線電容Chax、Chbx、Chcx并聯，三個所述高頻逆變H橋分別經三相所述高壓直流母線電容Chax、Chbx、Chcx與所述H橋整流子模塊HBax、HBbx、HBcx連接;每一所述高頻逆變H橋的輸入端都與一高壓直流母線電容并聯，每一所述高頻逆變H橋的輸出端分別與所述中高頻變壓器的3m個輸入端連接;所述中高頻變壓器的η個輸出端分別連接一所述高頻整流H橋輸入端，各所述高頻整流H橋輸出端分別并聯一低壓直流母線電容。6.如權利要求1所述的一種直流母線電容低波動的三相電力電子變壓器拓撲結構，其特征在于:各所述低壓直流母線電容之間最終并聯成為k個低壓直流母線連接至所述低壓DC/AC逆變電路。7.如權利要求1所述的一種直流母線電容低波動的三相電力電子變壓器拓撲結構，其特征在于:高壓整流電路側采用電壓外環電流內環雙環反饋的控制方法控制輸入電流相位及每相直流母線電容電壓之和，采用電壓閉環反饋的方式對所述DC/DC變換電路中的高頻逆變子模塊M進行控制。
【文檔編號】H02M5/458GK106026685SQ201610346075
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月23日
【發明人】鄭澤東, 李永東, 王優
【申請人】清華大學