阅读说明：本技术 基于dab的电力电子变压器子模块拓扑及其控制方法 (Power electronic transformer sub-module topology based on DAB and control method thereof ) 是由 魏星 吴小丹 杨晨 陈武 马大俊 舒良才 郁正纲 伏祥运 孙海霞 朱立位 岳付昌 于 2019-01-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于DAB的电力电子变压器子模块拓扑及其控制方法,可组成CHB结构的电力电子变压器,实现中高压交流到中高压直流与低压直流的电能变换。该拓扑在DAB变换器结构的基础上,通过对半桥结构的复用,结合相应的控制策略,可实现子模块拓扑中复用开关管的零电压开通,有助于减少开关器件损耗,提高变换器效率,同时具有开关器件少、结构紧凑的优点。(The invention discloses a DAB-based power electronic transformer submodule topology and a control method thereof, which can form a power electronic transformer with a CHB structure and realize electric energy conversion from medium-high voltage alternating current to medium-high voltage direct current and low-voltage direct current. On the basis of a DAB converter structure, the topology can realize zero-voltage switching-on of a multiplexing switch tube in the sub-module topology by multiplexing a half-bridge structure and combining a corresponding control strategy, is favorable for reducing the loss of a switch device and improving the efficiency of the converter, and has the advantages of few switch devices and compact structure.)

基于DAB的电力电子变压器子模块拓扑及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于DAB(dual active bridge，双有源桥功率变换器)变换器的电力电子变压器子模块拓扑及其控制方法，属于电力电子的技术领域。

背景技术

随着可再生能源发电的迅速发展、直流类负荷的增多，传统的工频变压器由于缺少智能控制环节以及直流变换端口，已经不足以应对现代电力系统的要求与挑战。并且工频变压器体积庞大，重量较大，要求了较大的占地面积。而随着半导体器件的迅速发展，提出了一种基于大功率电力电子变流技术的新型智能变压器，不仅可以减小变压器的重量体积，并且可以提供多种交直流端口，具有灵活多变的可控性，方便了各种分布式能源、储能和负荷的灵活接入，为高效地解决当今电网面临的诸多难题提供了可能。

目前已有很多学者提出了多种电力电子变压器拓扑结构，但一般都是利用模块化多电平变流器或者级联全桥的拓扑结构，将高压交流电整流变换成高压直流电，再使用多个DC-DC变换器串并联的结构对高压直流电降压为低压直流电。这些电力电子变压器拓扑使用了较多的功率器件，且交流侧开关管难以实现软开关导致损耗较大，效率不高，阻碍了电力电子变压器的进一步发展。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种基于DAB变换器的电力电子变压器子模块拓扑及其控制方法，解决电力电子变压器拓扑高压交流侧子模块开关器件不能实现软开关，导致损耗较大，整机效率不高的问题。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种基于DAB的电力电子变压器子模块拓扑，由原边桥式电路、高频变压器与副边桥式电路组成，其中所述原边桥式电路由三组桥臂、第一储能电容与电感组成，三组桥臂包括由开关管Q ₁/Q ₂构成的第一桥臂，由开关管Q ₃/Q ₄构成的第二桥臂，由开关管S ₁/S ₂构成的第五桥臂；原边第五桥臂与第二桥臂中间点构成交流端口；原边第二桥臂与第一桥臂中间点通过电感连接高频变压器原边绕组，三组桥臂与第一储能电容并联；副边桥式电路由全桥电路与第二储能电容并联组成，全桥电路中间点连接高频变压器副边绕组，副边全桥电路包括由开关管Q ₅/Q ₆构成的第三桥臂和由开关管Q ₇/Q ₈构成的第四桥臂。

本发明相应提出了上述基于DAB的电力电子变压器子模块拓扑的控制方法，采用占空比控制与移相控制相结合的控制方法，其中占空比由交流侧调制波决定，移相角由电力电子变压器实际传递的功率大小决定。在本控制方法中，交流侧桥臂占空比仍由传统级联H桥变换器控制策略决定，但其DAB变换器控制不再采用单一移相控制，而采用占空比控制与移相控制相结合。

进一步地，由开关管Q ₁/Q ₂构成的第一桥臂，其占空比由交流侧调制波与三角载波比较得到，且Q _1、 Q ₂驱动互补；对于由开关管Q ₃/Q ₄构成的第二桥臂，其占空比也由交流侧调制波与三角载波比较得到，但第二桥臂中的三角载波与第一桥臂中相位相差180度；相应地，对于由Q ₅/Q ₆与Q ₇/Q ₈构成的第三、四桥臂，调制方法与第一、二桥臂相同，但其三角载波分别相对于第一、二桥臂延迟一定相位即移相角。

进一步地，所述移相角采用对直流侧电压闭环控制得到。

本发明同时提出了第二种基于DAB的电力电子变压器子模块拓扑，由原边桥式电路、高频变压器与副边桥式电路组成，其中所述原边桥式电路由全桥电路、第一储能电容与电感组成，原边全桥电路包括由开关管Q ₁/Q ₂构成的第一桥臂和由开关管Q ₃/Q ₄构成的第二桥臂，第一桥臂的中点与第一桥臂下管发射极共同构成交流输出端口，原边第二桥臂与第一桥臂中间点通过电感连接高频变压器原边绕组，两组桥臂与第一储能电容并联；副边桥式电路由全桥电路与第二储能电容并联组成，全桥电路中间点连接高频变压器副边绕组，副边全桥电路包括由开关管Q ₅/Q ₆构成的第三桥臂和由开关管Q ₇/Q ₈构成的第四桥臂。

本发明相应提出了上述第二种基于DAB的电力电子变压器子模块拓扑的控制方法，采用占空比控制与移相控制相结合的控制方法，其中占空比由交流侧调制波决定，移相角由电力电子变压器实际传递的功率大小决定。本控制方法中，交流侧半桥桥臂占空比仍由传统级联H桥变换器控制策略决定，但其DAB变换器控制不再采用单一移相控制，而采用占空比控制与移相控制相结合。

进一步地，由开关管Q ₁/Q ₂构成的第一桥臂，其占空比由交流侧调制波与三角载波比较得到，且Q _1、 Q ₂驱动互补；对于由开关管Q ₃/Q ₄构成的第二桥臂，其占空比也由交流侧调制波与三角载波比较得到，但第二桥臂中的三角载波与第一桥臂中相位相差180度；相应地，对于由Q ₅/Q ₆与Q ₇/Q ₈构成的第三、四桥臂，调制方法与第一、二桥臂相同，但其三角载波分别相对于第一、二桥臂延迟一定相位即移相角。

进一步地，所述移相角采用对直流侧电压闭环控制得到。

本发明的有益效果是：本发明对传统的基于级联H桥变换器与DAB变换器的电力电子变压器子模块拓扑进行改进，通过对半桥结构的复用，结合相应的控制策略，可实现复用开关管与DAB变换器开关管的零电压开通，有助于降低器件开关损耗，提升效率，同时减少了子模块开关器件数量。

附图说明

图1为本发明提出的一种基于DAB的电力电子变压器子模块拓扑的全桥子模块拓扑图。

图2为本发明提出的一种基于DAB的电力电子变压器子模块拓扑的半桥子模块拓扑图。

图3为传统型基于DAB的电力电子变压器子模块拓扑图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。

如图1所示，为本发明提出的一种基于DAB的电力电子变压器子模块拓扑的全桥子模块拓扑图。本发明对传统的基于级联H桥变换器与DAB变换器的电力电子变压器子模块拓扑进行改进，新型子模块拓扑由原边桥式电路、高频变压器与副边桥式电路组成，其中所述原边桥式电路由三组桥臂、第一储能电容与电感组成，三组桥臂包括由开关管Q ₁/Q ₂构成的第一桥臂，由开关管Q ₃/Q ₄构成的第二桥臂，由开关管S ₁/S ₂构成的第五桥臂；原边第五桥臂与第二桥臂中间点构成交流端口；原边第二桥臂与第一桥臂中间点通过电感连接高频变压器原边绕组，三组桥臂与第一储能电容并联；副边桥式电路由全桥电路与第二储能电容并联组成，全桥电路中间点连接高频变压器副边绕组，副边全桥电路包括由开关管Q ₅/Q ₆构成的第三桥臂和由开关管Q ₇/Q ₈构成的第四桥臂。该子模块拓扑通过对半桥结构的复用，结合相应的控制策略，可实现复用开关管与DAB变换器开关管的零电压开通，有助于降低器件开关损耗，提升效率，同时减少了子模块开关器件数量。该拓扑结构也可去除由开关管S1/S2构成的桥臂，仅开关管Q1/Q2构成的第一桥臂的中间点与Q2管发射极构成新的输出端口，可形成半桥子模块拓扑结构，可用于MMC结构的电力电子变压器系统中。

上述基于DAB的电力电子变压器全桥子模块拓扑控制方法如下，交流侧桥臂占空比仍由传统级联H桥变换器控制策略决定，但其DAB变换器控制不再采用单一移相控制，而采用占空比控制与移相控制相结合，其中占空比由交流侧调制波决定，移相角由DAB变换器实际传递的功率大小决定。关于具体驱动波形的生成，对于DAB变换器由开关管Q1/Q2构成的第一桥臂，其占空比由交流侧调制波与三角载波比较得到，且Q1、Q2驱动互补；对于由开关管Q3/Q4构成的第二桥臂，其占空比也由交流侧调制波与三角载波比较得到，但第二桥臂中的三角载波与第一桥臂中相位相差180度。相应地，对于DAB变换器由Q5/Q6与Q7/Q8构成的第三、四桥臂，调制方法与第一、二桥臂相同，但其三角载波分别相对于第一、二桥臂延迟一定相位，该相位即决定了传输的功率大小与方向，可采用对直流侧电压闭环控制或其他方法得到。

如图2所示为本发明提出的一种基于DAB的电力电子变压器子模块拓扑的半桥子模块拓扑图，由原边桥式电路、高频变压器与副边桥式电路组成，其中所述原边桥式电路由全桥电路、第一储能电容与电感组成，原边全桥电路包括由开关管Q ₁/Q ₂构成的第一桥臂和由开关管Q ₃/Q ₄构成的第二桥臂，第一桥臂的中点与第一桥臂下管发射极共同构成交流输出端口，原边第二桥臂与第一桥臂中间点通过电感连接高频变压器原边绕组，两组桥臂与第一储能电容并联；副边桥式电路由全桥电路与第二储能电容并联组成，全桥电路中间点连接高频变压器副边绕组，副边全桥电路包括由开关管Q ₅/Q ₆构成的第三桥臂和由开关管Q ₇/Q ₈构成的第四桥臂。

上述基于DAB的电力电子变压器子模块拓扑的半桥子模块拓扑控制方法如下，交流侧半桥桥臂占空比仍由传统级联H桥变换器控制策略决定，但其DAB变换器控制不再采用单一移相控制，而采用占空比控制与移相控制相结合，其中占空比由交流侧调制波决定，移相角由DAB变换器实际传递的功率大小决定。关于具体驱动波形的生成，对于DAB变换器由开关管Q1/Q2构成的第一桥臂，其占空比由交流侧调制波与三角载波比较得到，且Q1、Q2驱动互补；对于由开关管Q3/Q4构成的第二桥臂，其占空比也由交流侧调制波与三角载波比较得到，但第二桥臂中的三角载波与第一桥臂中相位相差180度。相应地，对于DAB变换器由Q5/Q6与Q7/Q8构成的第三、四桥臂，调制方法与第一、二桥臂相同，但其三角载波分别相对于第一、二桥臂延迟一定相位可采用对直流侧电压闭环控制或其他方法得到。

本发明对传统的基于级联H桥变换器与DAB变换器的电力电子变压器子模块拓扑进行改进，通过对半桥结构的复用，结合相应的控制策略，可实现复用开关管与DAB变换器开关管的零电压开通，有助于降低器件开关损耗，提升效率，对比图3所示的传统型电力电子变压器子模块拓扑减少了子模块开关器件数量。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。