基于三端口高频变压器的电力电子变压器及其控制方法
阅读说明：本技术 基于三端口高频变压器的电力电子变压器及其控制方法 (Power electronic transformer based on three-port high-frequency transformer and control method thereof ) 是由 欧阳少迪 刘进军 陈晖� 杨跃 陈星星 宋曙光 于 2019-09-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于三端口高频变压器的电力电子变压器及其控制方法,每个H桥变换器与三有源全桥变换器的一次侧直流端口连接,三有源全桥变换器的二次侧的第一个直流端口的正极作为该变换器的输出正极,第二个直流端口的负极作为该变换器的输出负极,二次侧的第一个直流端口的负极与第二个直流端口的正极连接作为该变换器的输出中性点；所有的三有源全桥变换器的输出正极连接成为电力电子变压器低压直流端口的正极；所有输出负极连接成为电力电子变压器低压直流端口的负极；所有输出中性点连接成为电力电子变压器低压直流端口的中性点。该拓扑结构可以使电力电子变压器实现双极性低压直流输出与三相四线制低压交流输出。(The invention discloses a power electronic transformer based on a three-port high-frequency transformer and a control method thereof, wherein each H-bridge converter is connected with primary side direct current ports of three active full-bridge converters, the positive pole of the first direct current port on the secondary side of the three active full-bridge converters is used as the output positive pole of the converter, the negative pole of the second direct current port is used as the output negative pole of the converter, and the negative pole of the first direct current port on the secondary side is connected with the positive pole of the second direct current port to be used as the output neutral point of the converter; the output anodes of all the three active full-bridge converters are connected to form the anode of the low-voltage direct-current port of the power electronic transformer; all output cathodes are connected to form the cathode of the low-voltage direct current port of the power electronic transformer; all output neutral points are connected to become neutral points of the low-voltage direct current ports of the power electronic transformer. The topological structure can enable the power electronic transformer to realize bipolar low-voltage direct current output and three-phase four-wire system low-voltage alternating current output.)
技术领域
本发明属于电力电子变压器技术领域，具体涉及一种基于三端口高频变压器的电力电子变压器及其控制方法。
背景技术
传统电力变压器结构简单、效率高、可靠性高，广泛应用于电力系统。但过低的工作频率导致传统变压器体积大，笨重，而且矿物油、环氧树脂、难燃油等作为绝缘或冷却介质使用存在火灾和环境污染的潜在隐患。另外，它通常只能够实现电气隔离、电压等级变换和功率双向传递等相对单一的功能，而无网侧电能质量调节、谐波传递隔绝、过载及故障保护、负载电压调节等等功能。传统变压器的这些弱点使它无法满足一些诸如智能电网等新应用场合的功能要求。在过去的几十年中，电力电子技术有了长足全面的快速发展，越来越多的电力电子装置在电力系统中得到应用。在这个大背景下，针对传统变压器的上述弱点，研究人员和工程师提出了电力电子变压器(Power Electronic Transformer)或者固态变压器(Solid-State Transformer)加以解决。
由于未来电网需要大规模接入分布式能源，低压电网将广泛呈现交直流混合的形式。根据近年来公布的直流配电的最新标准，低压直流电网倾向于采用双极性结构，因此未来的电力电子变压器的低压级需要同时提供双极性直流端口与三相四线制交流端口。能够实现这一功能的电力电子变压器拓扑结构在目前的文献中未被提及或讨论过。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于三端口高频变压器的电力电子变压器及其控制方法，以实现低压交直流混合的功能，且不借助第四桥臂既能实现三相四线制输出。
为达到上述目的，本发明所述一种基于三端口高频变压器的电力电子变压器，包括依次连接的输入级、隔离级和输出级；
输入级为三相串联H桥，每相包括N个串联的第一单相H桥变换器，N为正整数；
隔离级包括三相三有源全桥变换器，每相包括N个三有源全桥变换器，所述三有源全桥变换器包括三端口高频变压器，所述三端口高频变压器的高压线圈与第二单相H桥变换器的交流端口连接，所述三端口高频变压器的第一低压线圈和第三单相H桥变换器的交流端口连接，所述三端口高频变压器的第二低压线圈和第四单相H桥变换器的交流端口连接；所述第三单相H桥变换器的直流端口为三有源全桥变换器的第一直流输出端，所述第四单相H桥变换器的直流端口为三有源全桥变换器的第二直流输出端；
所有的三有源全桥变换器的第一直流输出端的正极连接起来，作为电力电力变压器低压直流端口的正极；所有三有源全桥第二直流输出端的负极连接起来作为低压直流端口的负极；所有第一直流输出端的负极与所有第二直流输出端的正极连接，作为低压直流端口的中性点；低压直流端口的正极与中性点形成的端口为高侧低压直流端口，低压直流端口的负极与中性点形成的端口为低侧低压直流端口；
所述输出级为三相两电平变换器，三相两电平变换器的直流端口与所述电力电子变压器低压直流端口的正极和负极连接，三相两电平变换器的交流端口用于接负载。
进一步的，三相两电平变换器的交流端口连接有LC滤波器，所述LC滤波器的中点与电力电子变压器低压直流端口的中性点连接。
进一步的，每个第一单相H桥变换器的直流端接有变换器电容C1。
进一步的，三端口高频变压器的高压线圈通过电抗器L1与第二单相H桥变换器的交流端口连接，所述三端口高频变压器的第一低压线圈通过电抗器L2和第三单相H桥变换器的交流端口连接，所述三端口高频变压器的第二低压线圈通过电抗器L3和第四单相H桥变换器的交流端口连接。
进一步的，电力电子变压器低压直流端口的正极和低压直流端口的中性点之间连接有电容C21，电力电子变压器低压直流端口的负极和中性点之间连接有电容C22。
一种上述的基于三端口高频变压器的电力电子变压器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、采样输入级与高侧低压直流端口对应的所有单相H桥变换器的电容C1的电压采样输入级与低侧低压直流端口对应的所有单相H桥变换器的电容C1的电压
步骤2、将所有电容C1的电压平均值Vdc_MV与设定的输入级直流电压指令
步骤3、根据无功需求确定无功电流指令
步骤4、检测输入级的交流侧电流iA、iB、iC，并计算电流iA、iB、iC的有功分量id和无功分量iq；
步骤5、将各相的有功分量id与有功电流指令比较，将各相的无功分量iq与无功电流指令
步骤6、将各相有功电压指令
步骤7、采样高侧低压直流端口的电压Vdc_LV_up；
步骤8、将步骤7得到的高侧低压直流端口的电压Vdc_LV_up与设定的高侧低压直流指令电压
步骤9、将步骤1检测的输入级各个单相H桥变流器的电容电压与输入级变换器平均电容电压Vdc_MV比较，通过PI调节器输出各个输入级单相H桥变换器对应的三有源全桥变换器的二次侧高侧单相H桥变换器的相移调节量指令
步骤10：将步骤8得到的高侧单相H桥变换器的平均相移指令
步骤11：采样低侧低压直流端口的电压Vdc_LV_down；
步骤12：将步骤11得到的低侧低压直流端口的电压Vdc_LV_down与设定的低侧低压直流指令电压
步骤13：采样隔离级各个三有源全桥变换器的二次侧低侧单相H桥变换器的输出电流
步骤14：将步骤13检测的三有源全桥变换器的二次侧低侧单相H桥变换器的输出电流
步骤15：将步骤12得到的隔离级各个三有源全桥变流器的低侧单相H桥变换器的平均相移指令
与现有技术相比，本发明所述的种基于三端口高频变压器的电力电子变压器至少具有以下有益效果：
1)隔离级的隔离变压器可以实现传统电力变压器的变压和隔离的基本功能；
2)通过输出级的三相两电平变换器，以及电力电子变压器低压直流端口的中性点可以实现三相四线制交流输出，符合我国低压配电网的惯例。
3)所有隔离级DC/DC变换器的第三单相H桥变换器的直流端口连接起来，形成高侧低压直流端口；所有隔离级DC/DC变换器的第四单相H桥变换器的直流端口连接起来，形成低侧低压直流端口，实现双极性直流输出，符合最新的直流配电网标准结构。
4)与现有的通过电压平衡器实现双极性直流输出的拓扑结构相比，本拓扑无需电压平衡器，节省了半导体器件的容量，同时省去了对电压平衡器的控制，控制上更为简化。
本发明所提出的控制策略，将正负极的不平衡负载功率平均分配到输入级各个变换器中，使得输入级各变换器的功率平衡，不影响输入级侧的电能质量。可以很好地应对直流端口正负极功率不平衡的工况。
附图说明
图1为单相H桥变换器结构图；
图2为三有源全桥变换器结构图；
图3为三相两电平变换器结构图；
图4为输出级电压波形图；
图5为输出级电流波形图；
图6为低压直流端口电压波形图；
图7为低压直流端口的输出电流波形图；
图8为输入级各变换器的输出功率波形图；
图9为输入级各变换器的直流电压波形图；
图10为输入级的输入电流波形图；
图11为本发明的电力电子变压器拓扑；
图12为高频方波电压波形；
图13为本发明所述的方法的步骤1至步骤6的示意图；
图14为本发明所述的方法的步骤8的示意图；
图15为本发明所述的方法的步骤9的示意图；
图16为本发明所述的方法的步骤10的示意图；
图17为本发明所述的方法的步骤12的示意图；
图18为本发明所述的方法的步骤14的示意图；
图19为本发明所述的方法的步骤15的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提出一种输入级三相中压交流输入、低压级同时输出双极性直流与三相四线制交流的电力电子变压器拓扑结构，以实现低压交直流混合的功能。
一种基于三端口高频变压器的电力电子变压器。分为三级：输入级、隔离级与输出级。输入级采用三相串联H桥变换器；隔离级采用三有源全桥变换器；输出级采用三相两电平变换器。
输入级每个H桥变换器的直流端口与一个三有源全桥变换器的一次侧直流端口连接；隔离级的三有源全桥变换器分为两组，两组三有源全桥变换器的二次侧直流端口分别并联，其中第一组三有源全桥变换器的二次侧直流端口并联后的正极作为电力电子变压器低压直流端口的正极，第二组三有源全桥变换器的二次侧直流端口并联后的负极作为电力电子变压器低压直流端口的负极，第一组的负极与第二组的正极连接作为电力电子变压器低压直流端口的中性点。输出级变换器的直流端口与电力电子变压器低压直流端口的正、负极连接，交流端口与LC滤波器连接并供给三相负载；LC滤波器的中点与电力电子变压器低压直流端口的中性点连接。该拓扑结构可以使电力电子变压器实现双极性低压直流输出与三相四线制低压交流输出。
实施例1：输入侧10kV交流，输出侧0.38kV三相四线制交流与±375V双极性直流的电力电子变压器。
采用如图11所示的拓扑结构，一种基于三端口高频变压器的电力电子变压器包括输入级、隔离级和输出级。
输入级为三相串联H桥，每相包括N个串联的相同的第一单相H桥变换器，N为正整数，串联后经过电抗器G与电网的一相连接。每相的第一单相H桥变换器的级联数目由输入电压等级和所选用的电力电子器件水平决定。在本实施例中，输入电压为10kV(线电压)，输入级星形连接，选用耐压3.3kV的IGBT并设定直流电压为2500V时，每相包括4个单相H桥变换器串联，即N＝4。输入级一共有12个单相H桥变换器。
如图1所示，第一单相H桥变换器包括功率器件S1、S2、S3和S4，四个功率器件构成全桥电路，全桥电路一端为直流端口一端为单相交流端口。每个单相H桥变换器的直流端接有变换器电容C1；每相N个单相H桥变换器的交流端口串联，并与一个电抗器G串联后与中压级电网的一相连接，相与相之间的单相H桥变换器星型连接或三角形连接。
隔离级包括三相三有源全桥变换器，每相包括4个三有源全桥变换器，一共有12个三有源全桥变换器。三有源全桥变换器的结构如图2所示，由三个单相H桥变换器、一个三端口高频变压器、电抗器L1、电抗器L2以及电抗器L3组成，三个单相H桥变换器包括第二单相H桥变换器、第三单相H桥变换器和第四单相H桥变换器。
三端口高频变压器的一次侧为一个高压线圈，二次侧有两个低压线圈，分别为第一低压线圈和第二低压线圈。三个单相H桥变换器的交流端口分别通过一个电抗器与高频变压器的一个线圈连接。具体的，第二单相H桥变换器的交流端口通过电抗器L1与高频变压器的高压线圈连接，第三单相H桥变换器的交流端口和高频变压器的第一低压线圈通过电抗器L2连接，第四单相H桥变换器的交流端口和高频变压器的第二低压线圈通过电抗器L3连接。一次侧单相H桥变换器的直流端口为三有源全桥变换器的直流输入端，第三单相H桥变换器的直流端口为三有源全桥变换器的第一直流输出端，第四单相H桥变换器的直流端口为三有源全桥变换器的第二直流输出端。
每个三有源全桥变换器的直流输入端与第一单相H桥变换器的直流端口连接，每个三有源全桥变换器的直流输出端与低压侧的两个375V直流母线之一连接。三有源全桥变换器的一次侧IGBT也采用3.3kV的IGBT，二次侧IGBT采用耐压等级650V的IGBT，高频变压器的匝比为20:3:3。
每个三有源全桥变换器第一直流输出端的正极作为该三有源全桥变换器输出的正极，第二直流输出端的负极作为该三有源全桥变换器输出的负极，第一直流输出端的负极与第二直流输出端的正极连接，作为该三有源全桥变换器输出的中性点。电力电子变压器中所有三有源全桥变换器的输出正极连接起来，作为低压直流端口的正极；所有三有源全桥变换器的输出负极连接起来，作为低压直流端口的负极；所有三有源全桥的中性点连接起来，作为低压直流端口的中性点。低压直流端口的正极与中性点形成的端口为高侧低压直流端口，低压直流端口的负极与中性点形成的端口为低侧低压直流端口。
高侧低压直流母线电压为375V(即正极电压为+375V)，低侧低压直流母线电压也为375V(即负极电压为-375V)，低压直流端口正负极之间的总电压为750V。高侧低压直流母线和中性点之间连接有电容C21，低侧低压直流母线和中性点之间连接有电容C22。
输出级的功率变换器为三相两电平逆变器，结构如图3所示，包括1个三相交流端口与1个直流端口。IGBT采用1.7kV的IGBT。三相两电平逆变器的直流端口与低压直流端口的正、负极连接，三相两电平逆变器的交流端口经LC滤波器向负载输出交流电压，LC滤波器包括滤波电感L3和滤波电容C3。电容C21和电容C22的中点与中性线连接，中性线与总的直流母线的中点连接，构成0.38kV三相四线制输出。
为了验证所提出的拓扑的有效性，根据实施例的参数在MATLAB/SIMULINK中搭建了仿真模型并进行了仿真验证。验证结果如表1所示。
表1电力电子变压器仿真参数
图4到图10为系统的仿真波形。图4为输出级电压波形，图5为输出级电流波形，输出级每相输出220V(有效值)电压，35kW。图6为低压直流端口电压，正极为+375V，负极为-375V；图7为低压直流端口的输出电流(滤波后，只取直流分量)，正极为288.3A，功率108kW，负极为-261.6A，功率98kW，功率差为10kW，符合仿真中的功率设置；图8为输入各变换器的输出功率(滤波后，只取直流分量)，所有的变换器输出功率均为17.2kW，可见所提出的拓扑结构能够在低压直流端口正负极功率不平衡情况下令输入级的各模块功率平衡；图9为输入级各变换器的直流电压波形，均稳定在2500V；图10为输入级的输入电流，为三相正弦波形。仿真波形表明本发明所提出的拓扑能够实现10kV/±375V直流与0.38kV交流的电能变换，同时在直流端口正负极功率不平衡下，输入级各变换器也能够实现功率平衡。
隔离级单元采用高频方波调制，其电压波形如图12所示：三有源全桥变换器的三个H桥均输出一个两电平方波，正负占空比均为50％。以一次侧单相H桥变换器输出的方波为相位基准，二次侧高侧单相H桥变换器、二次侧低侧单相H桥变换器输出的方波与一次侧单相H桥变换器输出的方波之间有相位差，分别为
隔离级中，所有一次侧单相H桥变换器输出的方波是同相位的，因此所有一次侧单相H桥变换器的控制信号是固定的，无需控制。
各个三有源全桥变换器中的二次侧高侧单相H桥变换器和二次侧低侧单相H桥变换器单独控制。通过调节
电力电子变压器每相有N个三有源全桥变换器，k相(k＝A,B,C)第i个(i＝1,2,……N)三有源全桥变换器的二次侧高侧单相H桥变换器相对于一次侧单相H桥变换器的相移指令为
参照图13至图19，基于以上所述电力电子变压器，输入级与隔离级的控制步骤如下：
步骤1：采样输入级与高侧低压直流端口对应的所有单相H桥变换器的电容C1的电压其中k代表相(k∈A,B,C)，i代表第i个(i∈1,2......N)；采样输入级与低侧低压直流端口对应的所有单相H桥变换器的电容C1的电压
步骤2：将所有电容C1的电压平均值Vdc_MV与设定的输入级直流指令电压
步骤3：无功电流指令
步骤4：检测输入级的交流侧电流iA、iB、iC，并计算电流iA、iB、iC的有功分量id与无功分量iq；
步骤5：将各相的有功分量id与有功电流指令
步骤6：将各相有功电压指令
步骤7：采样高侧低压直流端口的电压Vdc_LV_up；
步骤8：将步骤7得到的高侧低压直流端口的电压Vdc_LV_up与设定的高侧低压直流指令电压
步骤9：将步骤1检测的输入级各个单相H桥变流器的电容电压
步骤10：将步骤8得到的高侧单相H桥变换器的平均相移指令
步骤11：采样低侧低压直流端口的电压Vdc_LV_down；
步骤12：将步骤11得到的低侧低压直流端口的电压Vdc_LV_down与设定的低侧低压直流指令电压
步骤13：采样隔离级各个三有源全桥变换器的二次侧低侧单相H桥变换器的输出电流
步骤14：将步骤13检测的三有源全桥变换器的二次侧低侧单相H桥变换器的输出电流
步骤15：将步骤12得到的隔离级各个三有源全桥变流器的低侧单相H桥变换器的平均相移指令
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
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