阅读说明：本技术 单相交直流电力电子变压器 (Single-phase AC/DC power electronic transformer ) 是由 李子欣 胡钰杰 赵聪 高范强 徐飞 王平 李耀华 于 2019-09-09 设计创作，主要内容包括：一种单相交直流电力电子变压器,由半导体开关器件T<Sub>x1</Sub>-T<Sub>x4</Sub>、二极管D<Sub>x1</Sub>-D<Sub>x4</Sub>、半导体开关器件T<Sub>y1</Sub>、T<Sub>y2</Sub>、二极管D<Sub>y1</Sub>、D<Sub>y2</Sub>、高频隔离型双向DC/DC变换器、滤波电感L<Sub>f</Sub>和直流电容C<Sub>dc</Sub>组成。所述半导体开关器件T<Sub>x1</Sub>-T<Sub>x4</Sub>的开关状态由所述单相交直流电力电子变压器交流端口Z1和Z2端子之间的电压u<Sub>s</Sub>决定。所述的高频隔离型双向DC/DC变换器有两个直流端口,第二直流端口的电压u<Sub>P2N2</Sub>的实时控制目标为：u<Sub>P2N2</Sub>＝K×u<Sub>P1N1</Sub>,其中,u<Sub>P1N1</Sub>为高频隔离型双向DC/DC变换器第一直流端口的电压,K为不随时间变化的固定常数。所述的单相交直流电力电子变压器直流端口电压u<Sub>dc</Sub>及高频隔离型双向DC/DC变换器的第二直流端口的电流i<Sub>sec</Sub>均通过反馈方式进行双闭环控制。(A single-phase AC/DC power electronic transformer is composed of semiconductor switch device T x1 ‑T x4 Diode D x1 ‑D x4 Semiconductor switching device T y1 、T y2 Diode D y1 、D y2 High-frequency isolation type bidirectional DC/DC converter and filter inductor L f And a DC capacitor C dc And (4) forming. The semiconductor switching device T x1 ‑T x4 By the voltage u between the terminals of the ac port Z1 and Z2 of the single-phase ac/dc power electronic transformer s And (6) determining. The high-frequency isolated bidirectional DC/DC converter is provided with two DC ports, and the voltage u of the second DC port P2N2 The real-time control targets of (1) are: u. of P2N2 ＝K×u P1N1 Wherein u is P1N1 Is a first high-frequency isolated bidirectional DC/DC converterThe voltage at the dc port, K, is a fixed constant that does not change over time. The direct-current port voltage u of the single-phase alternating-current and direct-current power electronic transformer dc And the current i of the second direct current port of the high-frequency isolation type bidirectional DC/DC converter sec The double closed-loop control is carried out in a feedback mode.)

单相交直流电力电子变压器

技术领域

本发明涉及一种电力电子变压器，特别涉及一种具有单相交流端口和直流端口的高效率电力电子变压器及控制方法。

背景技术

电力电子变压器一般通过电力电子变换器和高频变压器实现电气隔离、电压变换、功率传输等多种电气设备的复合功能。电力电子变压器在智能电网、可再生能源并网发电、交直流混合配电网、能源互联网等领域具有广泛的应用前景。

现有的电力电子变压器技术方案通常采用多个环节的交直流电力电子变换器实现电能的形式变换，导致系统结构复杂，所需元器件数量多，效率难以提高，且经济性差，严重影响了其推广和规模应用。例如，中国发明专利CN201310016540、CN201410135384、CN201510129159、CN201610274288、CN201710079402、CN201711082371、CN201811171060等都存在上述问题。

发明内容

本发明的目的旨在克服现有电力电子变压器电能变换环节多、效率低、结构复杂等缺点，提出一种高效率的单相交直流电力电子变压器电路拓扑及控制方法。

本发明单相交直流电力电子变压器由半导体开关器件T_x1-T_x4、二极管D_x1-D_x4、半导体开关器件T_y1、T_y2、二极管D_y1、D_y2、高频隔离型双向DC/DC变换器、滤波电感L_f和直流电容C_dc组成。半导体开关器件T_x1的集电极和D_x1的阴极连接在一起，半导体开关器件T_x1的发射极和D_x1的阳极连接在一起；半导体开关器件T_x2的集电极和D_x2的阴极连接在一起，半导体开关器件T_x2的发射极和D_x2的阳极连接在一起；半导体开关器件T_x3的集电极和D_x3的阴极连接在一起，半导体开关器件T_x3的发射极和D_x3的阳极连接在一起；半导体开关器件T_x4的集电极和D_x4的阴极连接在一起，半导体开关器件T_x4的发射极和D_x4的阳极连接在一起。高频隔离型双向DC/DC变换器具有两个直流端口，高频隔离型双向DC/DC变换器的第一直流端口的正负极端子分别为P₁、N₁，高频隔离型双向DC/DC变换器的第二直流端口的正负极端子分别为P₂、N₂，半导体开关器件T_x1的发射极和半导体开关器件T_x2的集电极连接至Z1点，半导体开关器件T_x3的发射极和半导体开关器件T_x4的集电极连接至Z2点；半导体开关器件T_x1的集电极和T_x3的集电极连接到高频隔离型双向DC/DC变换器的P₁端子，半导体开关器件T_x2的发射极和T_x4的发射极连接到高频隔离型双向DC/DC变换器的N₁端子；半导体开关器件T_y1的发射极和半导体开关器件T_y2的集电极连接至高频隔离型双向DC/DC变换器的P₂端子，半导体开关器件T_y1的集电极连接至直流电容C_dc的正极端子P_dc，半导体开关器件T_y2的发射极连接至直流电容C_dc的负极端子N_dc；滤波电感L_f的一端连接至高频隔离型双向DC/DC变换器的N₂端子，滤波电感L_f的另外一端连接至直流电容C_dc的负极端子N_dc；Z1和Z2作为所述单相交直流电力电子变压器交流端口的两个连接端子，连接至单相交流电源或单相交流电网；直流电容C_dc的正极端子P_dc和负极端子N_dc分别作为所述单相交直流电力电子变压器直流端口的正极和负极连接端子。

所述半导体开关器件T_x1-T_x4的开关状态由所述单相交直流电力电子变压器交流端口Z1和Z2端子之间的电压u_s决定，且当u_s>0时，则导通半导体开关器件T_x1和T_x4，并关断半导体开关器件T_x2和T_x3；当u_s<0时，则导通半导体开关器件T_x2和T_x3，并关断半导体开关器件T_x1和T_x4；所述的高频隔离型双向DC/DC变换器第二直流端口的电压u_P2N2的实时控制目标为：u_P2N2＝K×u_P1N1，其中，K为不随时间变化的常数；u_P1N1为所述高频隔离型双向DC/DC变换器第一直流端口的电压。

所述的单相交直流电力电子变压器直流端口P_dc和N_dc之间的直流电压u_dc通过闭环反馈方式进行控制，直流电压u_dc闭环反馈控制器的参考值为所述单相交直流电力电子变压器的直流端口的目标电压；直流电压u_dc的闭环反馈控制器输出为Reg_out_u_dc；所述的高频隔离型双向DC/DC变换器的第二直流端口P₂端子的电流i_sec也通过闭环反馈方式进行控制，第二直流端口P₂端子的电流i_sec的闭环反馈控制器的i_{sec_ref}参考值由下式确定：

i_{sec_ref}＝Reg_out_u_dc×|u_z1z2|

其中，u_z1z2为所述单相交直流电力电子变压器交流端口Z1和Z2端子之间的电压；

第二直流端口P₂端子的电流i_sec的闭环反馈控制器的传递函数Reg_i_sec(s)如下：

Reg_i_sec(s)＝K_p+K_r2×s/[s²+(2ω₁)²]+K_r4×s/[s²+(4ω₁)²]

其中，K_p、K_r2和K_r4分别为闭环反馈控制器的三个部分的系数，Kp为比例部分的系数，Kr2为二倍频谐振控制器的系数，Kr4为四倍频谐振控制器的系数，K_p、K_r2和K_r4均为常数；ω₁为所述单相交直流电力电子变压器交流端口Z1和Z2端子之间的电压u_z1z2的基波角频率，s为拉普拉斯复数变量。

附图说明

图1为本发明单相交直流电力电子变压器电路原理图；

图2为本发明单相交直流电力电子变压器中高频隔离型双向DC/DC变换器的一种具体电路原理图；

图3为本发明单相交直流电力电子变压器的交流端口电压与电流仿真波形；

图4为本发明单相交直流电力电子变压器的直流端口电压与电流仿真波形。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明单相交直流电力电子变压器由半导体开关器件T_x1-T_x4、二极管D_x1-D_x4、半导体开关器件T_y1、T_y2、二极管D_y1、二极管D_y2、高频隔离型双向DC/DC变换器、滤波电感L_f和直流电容C_dc组成。半导体开关器件T_x1的集电极和D_x1的阴极连接在一起，半导体开关器件T_x1的发射极和D_x1的阳极连接在一起；半导体开关器件T_x2的集电极和D_x2的阴极连接在一起，半导体开关器件T_x2的发射极和D_x2的阳极连接在一起；半导体开关器件T_x3的集电极和D_x3的阴极连接在一起，半导体开关器件T_x3的发射极和D_x3的阳极连接在一起；半导体开关器件T_x4的集电极和D_x4的阴极连接在一起，半导体开关器件T_x4的发射极和D_x4的阳极连接在一起。高频隔离型双向DC/DC变换器具有两个直流端口，高频隔离型双向DC/DC变换器的第一直流端口正负极端子分别为P₁、N₁，高频隔离型双向DC/DC变换器的第二直流端口正负极端子分别为P₂、N₂，半导体开关器件T_x1的发射极和半导体开关器件T_x2的集电极连接至Z1点，半导体开关器件T_x3的发射极和半导体开关器件T_x4的集电极连接至Z2点；半导体开关器件T_x1的集电极和T_x3的集电极连接到高频隔离型双向DC/DC变换器的P₁端子，半导体开关器件T_x2的发射极和T_x4的发射极连接到高频隔离型双向DC/DC变换器的N₁端子；半导体开关器件T_y1的发射极和半导体开关器件T_y2的集电极连接至高频隔离型双向DC/DC变换器的P₂端子，半导体开关器件T_y1的集电极连接至直流电容C_dc的正极端子P_dc，半导体开关器件T_y2的发射极连接至直流电容C_dc的负极端子N_dc；滤波电感L_f的一端连接至高频隔离型双向DC/DC变换器的N₂端子，滤波电感L_f的另外一端连接至直流电容C_dc的负极端子N_dc；Z1和Z2作为所述单相交直流电力电子变压器交流端口的两个连接端子，连接至单相交流电源或单相交流电网；直流电容C_dc的正极端子P_dc和负极端子N_dc分别作为所述单相交直流电力电子变压器直流端口的正极和负极连接端子。

所述半导体开关器件T_x1-T_x4的开关状态由所述单相交直流电力电子变压器交流端口Z1和Z2端子之间的电压u_s决定，且当u_z1z2>0时，则导通半导体开关器件T_x1和T_x4，并关断半导体开关器件T_x2和T_x3；当u_z1z2<0时，则导通半导体开关器件T_x2和T_x3，并关断半导体开关器件T_x1和T_x4；所述的高频隔离型双向DC/DC变换器第二直流端口的电压u_P2N2的实时控制目标为：u_P2N2＝K×u_P1N1，其中，K为不随时间变化的固定常数；u_P1N1为所述高频隔离型双向DC/DC变换器第一直流端口的电压。

所述的单相交直流电力电子变压器直流端口P_dc和N_dc之间的直流电压u_dc通过闭环反馈方式进行控制，u_dc闭环反馈控制器的参考值为所述单相交直流电力电子变压器的直流端口的目标电压；u_dc的闭环反馈控制器输出为Reg_out_u_dc；所述的高频隔离型双向DC/DC变换器的第二直流端口P₂端子的电流i_sec也通过闭环反馈方式进行控制，该电流i_sec的闭环反馈控制器的i_{sec_ref}参考值由下式确定：

i_{sec_ref}＝Reg_out_u_dc×|u_z1z2|

其中，u_z1z2为所述单相交直流电力电子变压器交流端口Z1和Z2端子之间的电压；电流i_sec的闭环反馈控制器的传递函数如下：

Reg_i_sec(s)＝K_p+K_r2×s/[s²+(2ω₁)²]+K_r4×s/[s²+(4ω₁)²]

其中，K_p、K_r2和K_r4分别为闭环反馈控制器的三个部分的系数，Kp为比例部分的系数，Kr2为二倍频谐振控制器的系数，Kr4为四倍频谐振控制器的系数，K_p、K_r2和K_r4均为常数；均为常数，ω1为所述单相交直流电力电子变压器交流端口Z1和Z2端子之间的电压u_z1z2的基波角频率，s为拉普拉斯复数变量。

图2为本发明单相交直流电力电子变压器中高频隔离型双向DC/DC变换器的一种实施例的具体电路原理图。该高频隔离型双向DC/DC变换器采用串联谐振式双有源桥(DualActive Bridge，DAB)型DC/DC变换器，由直流电容C₁、C₂、半导体开关T₁-T₈、二极管D₁-D₈、高频变压器T_HF和谐振电容C_r组成。半导体开关T₂的集电极与二极管D₂的阴极连接在一起，半导体开关T₂的发射极与二极管D₂的阳极连接在一起；半导体开关T₃的集电极与二极管D₃的阴极连接在一起，半导体开关T₃的发射极与二极管D₃的阳极连接在一起；半导体开关T₄的集电极与二极管D₄的阴极连接在一起，半导体开关T₄的发射极与二极管D₄的阳极连接在一起；半导体开关T₅的集电极与二极管D₅的阴极连接在一起，半导体开关T₅的发射极与二极管D₅的阳极连接在一起；半导体开关T₆的集电极与二极管D₆的阴极连接在一起，半导体开关T₆的发射极与二极管D₆的阳极连接在一起；半导体开关T₇的集电极与二极管D₇的阴极连接在一起，半导体开关T₇的发射极与二极管D₇的阳极连接在一起；半导体开关T₈的集电极与二极管D₈的阴极连接在一起，半导体开关T₈的发射极与二极管D₈的阳极连接在一起；半导体开关T₁、T₃的集电极连接至电容C₁的正极P₁，半导体开关T₁、T₃的发射极与半导体开关T₂、T₄的集电极相连，半导体开关T₂、T₄的发射极连接至电容C₁的负极N₁。半导体开关T₅、T₇的集电极连接至电容C₂的正极P₂，半导体开关T₅、T₇的发射极与开关T₆、T₈的集电极相连，半导体开关T₆、T₈的发射极连接至电容C₂的负极N₂。谐振电容C_r一端与交流端子a₁相连，。谐振电容C_r的另外一端与高频变压器端子x₁相连，交流端子b₁与高频变压器端子y₁相连。交流端子a₂与变压器端子x₂相连，交流端子b₂与变压器端子y₂相连。

应用本发明搭建的400V交流/750V直流单相交直流电力电子变压器仿真参数如下：

交流端口电压：有效值400V，频率50Hz

直流端口电压：750V

高频变压器原副边额定电压：565V:565V

高频变压器折算至高压侧漏感L_r：6.33μH

谐振电容C_r：10μF

开关频率：19.2kHz

DAB死区时间：2μs

直流电容C₁：50μF

直流电容C₂：50μF

直流端口电容C_dc:30mF

滤波电感L_f:1mH

直流端口负载：50kW电阻负载

图3、图4为本发明单相交直流电力电子变压器的仿真验证结果。图3中，u_s为单相交直流电力电子变压器的交流端口电压，i_pri为单相交直流电力电子变压器的交流端口电流。从仿真结果可以看出，通过本发明的单相交直流电力电子变压器的控制方法，交流端口电压与电流基本同相位，且输入电流保持了良好的正弦度。图4中，u_dc为单相交直流电力电子变压器的直流端口电压，i_dc为放大五倍后的单相交直流电力电子变压器的直流端口电流。从仿真结果可以看出，通过本发明的单相交直流电力电子变压器的控制方法，直流端口电压稳定在750V，输出功率为50kW。上述仿真结果验证了本发明单相交直流电力电子变压器的可行性和正确性。