一种谐振型电力电子变流器及变流器装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及电力电子变流器【技术领域】，旨在提供一种谐振型电力电子变流器及变流器装置。该变流器包括输入级整流电路和后级的DC/DC电路，其输入级整流电路包括3个桥臂，每个桥臂由上下两个半桥臂组成，各桥臂的中点分别与高压交流电网的三相连接；每个半桥臂均包括n个模块单元，各模块单元端口首尾相连组成桥臂结构。本发明输入输出侧高频隔离，消去了笨重的低频变压器，同时实现高效率的能量传递和智能控制。能够阻断不同电网之间的谐波传递及故障的相互影响，同时输出电压范围很宽，可以实现电流、电压的连续调节，而且变流器系统运行信息收集简单方便，多个变流器系统之间可以相互通信，实现智能电网。
【专利说明】—种谐振型电力电子变流器及变流器装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力电子变流器【技术领域】，特别涉及一种可以实现高效率、高频隔离、高压输入、宽范围稳定电压输出，同时实现能量双向流动的电力电子变流器系统。
【背景技术】
[0002]随着生态环境问题的日益严重，以及传统能源的日益枯竭，节能技术以及新能源的高效利用正在得到世界各国的重视和支持。智能电网无疑作为节能技术中一个重要应用方面，目前已成为工业界和学术界的研究热点。分布式发电是新能源利用的重要方式。分布式发电跟智能电网的结合成为未来电网的一个必然趋势。
[0003]传统的新能源分布式发电系统，通过并网逆变器实现新能源到交流电网的能量传递。在较大功率场合，为了匹配并网逆变器输出与交流配电网电压，需要有工频变压器实现不同电网之间的连接，如光伏发电的220V交流输出与10kV、35kV的交流配电网之间的连接。上述传统的交流直接并网方式虽然简单，但由于分布式发电系统与整个电力系统通过交流电网耦合在一起，大大增加了系统能量调节的复杂性和控制难度。为了克服上述难题，基于低压直流母线的直流型微网系统引起了广泛的关注。通过在微网系统内部引入一个低压直流母线，方便可再生能源的接入，实现了交直流系统的解耦，同时也减少系统的功率变换级数，提高了系统整体效率。直流微网系统通过一个双向电力电子变流器连接到交流电网，实现微网与电网的能量交互。但是受限于目前电力电子器件的发展水平，这一架构同样需要一个工频配电变压器匹配双向电力电子变流器输出以及交流母线电压。
[0004]虽然工频变压器制作工艺简单，价格低廉，但是工频变压器存在体积大、重量重、对故障不具备隔离能力，工频变压器原副边电网之间谐波会相互耦合，不能做到完全意义上的电气隔离，同时工频变压器无法维持副边电压稳定，并且无法实现能量的自动调节和智能管理，已经越来越不能满足电力系统发展过程中提出的新需求，如智能电网。
[0005]为了灵活控制电网中的能量流动，有效利用新能源，同时减小变压器体积，目前学者们提出了一些解决方案，诸如欧盟的UNIFLEX-PM工程和北美的固态变压器结构(SST，也称电力电子变压器)等，这些方案可以控制能量的双向流动，同时利用高频变压器实现电气隔离，但是这些方案中电路结构复杂，控制繁琐，损耗大，效率低，同时冗余设计复杂，一旦某一器件出现故障，系统需要停电进行维修，可靠性低等，因此这些方案无法满足电网的要求。
[0006]国内电力系统中的近距离输电电压通常为IOkV和35kV，而目前适用于大功率场合的有源开关器件(IGBT，SiC MOSFET等)耐压在6kV以下，常用的为1700V和3300V耐压的IGBT，因此普通的变流器结构无法满足高压要求。
【发明内容】
[0007]本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种实现新能源输出和高压交流电网之间高效接口的谐振型电力电子变流器。[0008]为了解决上述技术问题，本发明的解决方案是:
[0009]提供一种谐振型电力电子变流器，包括输入级整流(逆变)电路和后级(隔离级)的DC/DC电路；
[0010]所述输入级整流(逆变)电路包括3个桥臂，每个桥臂由上下两个半桥臂组成，各桥臂的中点分别与高压交流电网的三相连接；每个半桥臂均包括η个模块单元SMuvw和一个桥臂电感；每个模块单元SMuvw均包括有源开关器件、储能电容和短路开关，并具有两个输出端口，各模块单元SMU?的端口首尾相连组成桥臂结构；所述模块单元SMuvw中，u=p, η ；v=a, b，c ； w=l, 2...η ；
[0011]所述后级的DC/DC电路，包括高频逆变电路、高频隔离变压器和高频整流电路；高频逆变电路包括两个桥臂，两个桥臂的中点均接于高频隔离变压器的原边，高频整流电路则接于闻频隔尚变压器的副边；闻频逆变电路的桥臂具有以下电路结构中的任意一种:
[0012](I)每个桥臂均由上下两个半桥臂组成，每个半桥臂包括m个模块单元SMhfij和一个桥臂电感；每个模块单元SMhfu均包括有源开关器件、储能电容和短路开关，并具有两个输出端口，各模块单元SMhfu的端口首尾相连组成桥臂结构；所述模块单元SMhfu中，i=l, 2，3，4 ； j=l, 2…m ;或
[0013](2)其中一个桥臂由上下两个半桥臂组成，每个半桥臂包括m个模块单元SMhfij和一个桥臂电 感；每个模块单元SMhfu均包括有源开关器件、储能电容和短路开关，并具有两个输出端口，各模块单元SMhfu的端口首尾相连组成桥臂结构；所述模块单元SMhfu中，i=l, 2 ；j=l, 2…m ;另一个桥臂由上下两个半桥臂组成，每个半桥臂则由L个电容Cu和一个桥臂电感串联而成，所述电容Cij中，i=3, 4 ； j=l, 2，3…L。
[0014]本发明中，所述高频逆变电路中还包括两个耦合电感，分别位于两个上桥臂的桥臂电感之间和两个下桥臂的桥臂电感之间。
[0015]本发明中，所述模块单元SMuw和模块单元SMhfij中，有源开关器件、储能电容和短路开关所组成的电路是下述结构中的任意一种:半桥结构、全桥结构、半桥改进结构、飞跨电容箝位三电平结构，或二极管箝位三电平结构(或者多个器件串联后构成的半桥结构和全桥结构等)。
[0016]本发明中，所述模块单元SMuvw和模块单元SMhfij中的有源开关器件为全控型电力电子器件，是下述产品中的任意一种:IGBT、IGCT、GT0，或SIC MOSFEF0
[0017]本发明中，所述高频隔离变压器的副边是单个绕组输出或多个绕组输出。
[0018]本发明中，所述高频隔离变压器是一个变压器或多个变压器；当是多个变压器时，高频变压器采用串联方式或并联方式连接。
[0019]本发明中，所述高频整流电路是全桥整流电路、半桥整流电路或倍压整流电路。
[0020]本发明中，所述高频整流电路的输出端接于燃料电池装置、太阳能装置、风能装置，或铅酸电池储能系统、锂电池储能系统(或者连接标准的逆变器系统，此外还可以应用在电解、电解冶金、直流电弧炉、等离子炬等低压大电流的场合)。
[0021]本发明还进一步提供了一种基于前述谐振型电力电子变流器的实现新能源输出和高压交流电网之间高效接口的变流器装置，还包括控制电路和驱动电路，控制电路通过驱动电路为所述模块单元SMuvw和模块单元SMhfu中的有源开关器件提供开关信号；所述控制电路包括输入级的控制电路和隔离剂的驱动电路，其中:输入级的控制电路由三相电压、三相电流、直流母线电压采样电路、驱动信号产生电路、驱动信号分配电路、各模块电压采样电路、错误信号产生电路以及相应的通信电路组成；隔离级的控制电路与输入级的控制电路结构相同，需采样直流母线电压和输出直流电压以构成闭环控制；所述驱动电路由电气隔离电路、高压隔离的电源以及驱动芯片组成，其中电气隔离电路采用光耦隔离或磁隔离。
[0022]基于上述技术方案，本发明中谐振型电力电子变流器的输入级整流(逆变)电路直接与高压交流电网相连，实现AC-DC之间的变换；输出侧为高压直流电压，与后级的DC/DC电路输入侧相连，DC/DC电路的输出侧与直流微电网、新能源直流输出侧、逆变器的直流侧或低压大电流的设备相连。控制电路通过驱动电路为谐振型电力电子变流器中的开关器件提供开关信号，从而控制能量的智能流动，同时控制电路跟其他变流器系统进行通信，实现电网的智能控制。驱动电路将控制电路产生的开关信号放大，高效可靠的驱动有源开关器件。
[0023]本发明作为实现直流微网和高压电网之间高效接口的变流器装置，可以是单输入多输出、单输入单输出、或多输入多输出。
[0024]本发明完全采用模块化的设计理念，每个模块中增加短路结构，当该模块出现问题时，短路该模块，采用冗余模块替代该模块，从而实现不断电维修。变流器由若干结构完全相同的模块组成，调整模块的数量可以实现不同的电压等级。
[0025]在本发明中，后级的DC/DC电路包括桥臂间的耦合电感、谐振电感、谐振电容、高频变压器以及开关模块单元。谐振电感、谐振电容和高频变压器组成谐振腔，改变谐振腔的激励频率或者激励电压可以调整谐振腔输出到副边的能量。同传统的谐振型电路相同，谐振电感可以集成到高频隔离变压器或桥臂间的耦合电感中。
[0026]后级的DC/DC电路可以采用全桥谐振结构，也可以采用对称的半桥谐振结构。其桥臂间的耦合电感可以减小DC/DC电路输入侧的电流纹波，同时保证各桥臂上谐振电感不等时电路的正常工作。
[0027]DC/DC电路各模块之间的均压主要通过有源的控制方法实现，其中包括电压选择机制，或者循环控制等。本发明中的DC/DC电路可以控制开关频率调节输出功率，也可以通过稳定工作频率，移相控制输出功率。
[0028]在本发明中，高压直流母线之间不需要跨接任何电容，省去了高耐压的电容。每个模块中含有平衡瞬时功率的电容，并且电压较低，可执行性强，同时安全可靠。在本发明中，直流母线电压可以为高压直流输电网电压HVDC，隔离级DC/DC可以实现直流电压的直接变换，而输入级AC/DC可以为直流输电网提供直流电压或者从直流电网逆变产生交流电压。
[0029]与现有技术相比，本发明还具有以下有益效果:
[0030]所述变流器装置输入输出侧高频隔离，消去了笨重的低频变压器，同时实现高效率的能量传递和智能控制。模块化的设计使得电压可以做到任意等级，降低了成本，同时冗余设计变得简单可行，系统不需断电即可得到维修；谐振型结构可以降低器件的开关损耗，使得变流器效率较高；能量可以实现双向流动；DC/DC电路中耦合电感的利用大幅减小了电路输入侧的交流纹波；DC/DC电路可以通过调节输出电平数，实现高低压之间的变换；控制简单灵活，高效可靠等。
[0031]本发明能够阻断不同电网之间的谐波传递及故障的相互影响，同时输出电压范围很宽，可以实现电流、电压的连续调节，而且变流器系统运行信息收集简单方便，多个变流器系统之间可以相互通信，实现智能电网。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步详细说明。
[0033]图1是DC/DC电路采用全桥谐振结构无耦合电感的电力电子变流器电路示意图；
[0034]图2是DC/DC电路采用全桥谐振结构的电力电子变流器电路示意图；
[0035]图3是单元模块电路示意图；
[0036]图4是DC/DC电路采用对称半桥谐振结构无耦合电感的电力电子变流器电路示意图；
[0037]图5是DC/DC电路采用对称半桥谐振结构的电力电子变流器电路示意图；
[0038]图6是DC/DC电路多个高频变压器串联的电路示意图；
[0039]图7是DC/DC电路多个高频变压器并联的电路示意图；
[0040]图8是电力电子变流器系统实例图；
[0041 ]图9是DC /DC电路两桥臂中点间的电压波形；
[0042]图10是输入级整流(逆变)电路的控制电路框图；
[0043]图11是隔离级DC/DC电路的控制电路框图；
[0044]图12是有源开关器件的驱动电路框图。
【具体实施方式】
[0045]以下结合附图和【具体实施方式】进一步说明本发明。
[0046]首先说明:本发明中所提及的“高频”，是指几千赫兹到几十千赫兹；所提及的“高压”是指几十千伏到上百千伏，甚至更高。而在名称中使用了该限定词的电路或元器件，是指能够实现相应功能或用于相应环境的电路或元器件。这一概念属于本领域的基本概念，对此本领域技术人员已是熟知，故本发明不再赘述。
[0047]参照图1，整个变流器系统包括输入级、隔离级两级结构，其中前级为三相整流(逆变)电路，后级为高频隔离可实现能量双向流动的谐振型DC/DC电路。
[0048]输入级整流(逆变)电路包括3个桥臂，分别为A相桥臂，B相桥臂，C相桥臂，每个桥臂由上下两个半桥臂组成，桥臂的中点分别跟三相高压交流电网(A相，B相，C相)相连。每个半桥臂包括η个模块单元SMU? (u=p, η; v=a, b, c; w=l, 2…n)和一个桥臂电感。每个模块可采用图3中所示电路中的任何一种。每个模块包括若干有源开关器件、储能电容及短路开关、两个输出端口，所有模块的端口首尾相连组成图1中所示的桥臂结构。每个模块上的稳态电压为直流母线电压的l/η。桥臂电感，用于高频滤波，防止瞬时桥臂电压跟直流母线电压不等时造成的电流冲击，同时桥臂电感可以减小桥臂间的环流，减小变流器系统的功率损耗。短路开关主要用于模块发生故障时短路该模块，在不断电的情况下完成模块的更换和系统维修。
[0049]后级的DC/DC电路，包括两个桥臂组成的高频逆变(整流)电路、高频隔离变压器和高频的整流(逆变)电路。每个桥臂由上下两个半桥臂组成，每个半桥臂包括m个模块单元SMhfij (i=l,2, 3,4; j=l，2…m)和一个桥臂电感。高频逆变(整流)电路中两个桥臂的中点跟跟隔离变压器的输入端两个端点相连，高频变压器的副边输出跟高频整流(逆变)电路的输入端相连，高频整流(逆变)电路输出稳态直流电压。跟输入级电路相比，模块结构同样可以采用图3所示的几种电路结构，每个半桥臂上级联的模块数可以跟前级半桥臂上级联的模块数量相等或者不等，模块级联数由所选器件的耐压和直流母线电压决定。由于DC/DC部分工作在高频状态，每个模块电容值相比前级结构中的模块电容值大幅度下降。每个模块上的稳态电压为直流母线电压的Ι/m。不同于输入级的整流(逆变)电路，桥臂电感，除用于高频滤波，防止桥臂瞬时电压跟直流母线电压不等时造成的电流冲击外，同时该桥臂电感主要用做谐振电感，参与DC/DC电路中能量的传递。短路开关主要用于模块发生故障时短路该模块，在不断电的情况下完成模块的更换和系统维修。
[0050]由于图1中隔离级DC/DC电路中的桥臂电感，同时用于谐振电感，为了保证电路的正常工作，该电感量通常很小，因此很难抑制桥臂瞬时电压跟直流母线电压不等时造成的电流冲击。为了减小该电流冲击，隔离级DC/DC电路，两上半桥臂(ARM1，ARM3)间增加了一个耦合电感，两下半桥臂(ARM2，ARM4)间也增加了一个耦合电感，如图2所示。这两个耦合电感一方面减小了隔离级对输入级造成的电流纹波，同时在桥臂谐振电感不等时保证电路的正常工作。高频变压器副边整流(逆变)电路采用全桥结构，开关器件均采用全控型的电力电子器件，实现能量的双向流动，同时相比采用二极管整流，有源开关管的导通损耗明显降低，整体变流器的效率增加。
[0051]图4中所示变流器系统，隔离级DC/DC电路为对称半桥谐振型变流器，输入级的整流(逆变)电路跟图1、图2相同。跟图1相比，图4中变流器隔离级DC/DC电路的两个桥臂，一个桥臂由2m个模块单元SMijQ=I, 2; j=l, 2，3…m)和上下两个桥臂电感(Lrl, Lr2)组成，这两个桥臂电感同时为谐振型变流器的谐振电感，另一个桥臂完全由2L个电容Cu(i=3，4;j=l, 2，3…L)串联而 成，这些电容组成谐振变流器的谐振电容。
[0052]图4中所示电路,相比图1中所示电路,谐振电感较小,无法有效抑制隔离级电路对输入级电路造成的电流纹波，因此图5中所示电路在两个上半桥臂之间增加了耦合电感Lcl,两个下半桥臂之间也增加耦合电感Le2。这两个耦合电感对功率输出不产生任何影响，但是由于其电感量较大，可以有效抑制隔离级对输入级的电流纹波。
[0053]图1，图2，图4，图5中所示变流器系统，其隔离级DC/DC电路中采用高频变压器实现电气隔离，而该变压器通常采用铁氧体材料，受限于现有技术，单个变压器的功率等级还很小，不能满足电力系统中功率等级较高的需求。因此在大功率场合需要采用多个变压器串联或并联来提高功率等级，分别如图6和图7所示。
[0054]图8为本发明中所提出的电力电子变流器的一种应用实例。其中输入级为三相整流(逆变)电路，由三个桥臂构成，每个桥臂上包括6个模块单元和2个桥臂电感。模块单元采用半桥结构，包括两个有源开关器件和模块电容。每个模块单元工作在导通或关断状态，模块上管导通时，模块单元处于导通状态，模块嵌入到桥臂中。模块下管导通时，模块单元处于关断状态，模块从桥臂中被旁路。因此控制模块单元的开通关断即可输出不同的电压。桥臂中模块单元数越多，电平数越多，对电网造成的谐波越小。隔离级DC/DC电路采用全桥谐振结构，每个桥臂中包括4个模块单元和两个耦合电感的一个绕组。模块的工作状态也工作在导通或关断状态。控制模块的导通关断即可控制谐振腔的激励电压，从而输出不同的功率。实际控制可以采用多种控制方式达到相同的输出功率，诸如频率控制、占空比控制、移相控制等。图9所示为DC/DC部分每个桥臂包括2m个模块单元时，两个桥臂的中点电压及谐振腔电压波形。图9中显示，激励腔的电压不是完全的方波电压，根据负载变化可调节不同的激励电压波形，输出不同的功率。实际控制中需要加入均压控制，以保证每个模块的稳态电压相同。
[0055]图10为输入级整流(逆变)电路的控制电路框图，控制电路采样三相交流电压、三相交流电流、高压直流母线电压以及各模块的瞬时电压，实现AC-DC控制，同时保证各模块电容稳态电压均衡。图11为隔离级DC-DC电路的控制电路框图，该部分控制电路需采样高压直流母线电压、低压直流输出电压、各模块电压，形成闭环控制，保证输出电压稳定，同时保证各模块稳态电压均衡。图12为有源开关器件的驱动电路框图。控制电路产生的驱动信号通过该部分驱动电路实现器件的高效驱动及高压电气隔离。
[0056]所述的开关器件为全控型电力电子器件，诸如IGBT，IGCT, GT0，以及SIC MOSFEF
坐寸ο
[0057]上述具体实施例只是为了说明本发明的技术构思和应用特点，其目的在于让熟悉此领域的工程设计人员能够了解本发明的内涵实质并加以应用，但并不能因此而限制本发明的保护范围。根据本发明的思路，每个模块单元不仅限于图3中所示的几种电路结构，而且桥臂电感的位置也不仅是图中所示，由于桥臂电感串联在桥臂支路中，因此实际应用时的任何物理位置均在此专利的保护范围之内。无论在上文中出现了如何详细的说明，也可以许多方式实施本发明。上述电路结构及其控制方式的细节在其执行细节中可以进行相当多的变化，然而其仍然包含在这里所公开的本发明中。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种谐振型电力电子变流器，包括输入级整流电路和后级的DC/DC电路，其特征在于: 所述输入级整流电路包括3个桥臂，每个桥臂由上下两个半桥臂组成，各桥臂的中点分别与高压交流电网的三相连接；每个半桥臂均包括η个模块单元SMuvw和一个桥臂电感；每个模块单元SMuvw均包括有源开关器件、储能电容和短路开关，并具有两个输出端口，各模块单元SMuvw的端口首尾相连组成桥臂结构；所述模块单元SMU?中，u=p, n ；v=a, b, c ；w=l, 2...η ； 所述后级的DC/DC电路，包括高频逆变电路、高频隔离变压器和高频整流电路；高频逆变电路包括两个桥臂，两个桥臂的中点均接于高频隔离变压器的原边，高频整流电路则接于闻频隔尚变压器的副边；闻频逆变电路的桥臂具有以下电路结构中的任意一种: (1)每个桥臂均由上下两个半桥臂组成，每个半桥臂包括m个模块单元SMhfu和一个桥臂电感；每个模块单元SMhfu均包括有源开关器件、储能电容和短路开关，并具有两个输出端口，各模块单元SMhfij的端口首尾相连组成桥臂结构；所述模块单元SMhfij中，i=l, 2, 3, 4 ；j=l, 2…m ;或 (2)其中一个桥 臂由上下两个半桥臂组成，每个半桥臂包括m个模块单元SMhfu和一个桥臂电感；每个模块单元SMhfu均包括有源开关器件、储能电容和短路开关，并具有两个输出端口，各模块单元端口首尾相连组成桥臂结构；所述模块单元SMhfu中，i=l, 2，3，4 ；j=l, 2…m ;另一个桥臂由上下两个半桥臂组成，每个半桥臂则由L个电容Cij和一个桥臂电感串联而成，所述电容Cij中，i=3, 4 ； j=l, 2，3…L。
2.根据权利要求1所述的谐振型电力电子变流器，其特征在于，所述高频逆变电路中还包括两个耦合电感，分别位于两个上桥臂的桥臂电感之间和两个下桥臂的桥臂电感之间。
3.根据权利要求1所述的谐振型电力电子变流器，其特征在于，所述模块单元SM-和模块单元SMhfu中，有源开关器件、储能电容和短路开关所组成的电路是下述结构中的任意一种:半桥结构、全桥结构、半桥改进结构、飞跨电容箝位三电平结构，或二极管箝位三电平结构。
4.根据权利要求1所述的谐振型电力电子变流器，其特征在于，所述模块单元SMuvw和模块单元SMhfu中的有源开关器件为全控型电力电子器件，是下述产品中的任意一种:IGBT、IGCT, GTO,或 SIC MOSFEF。
5.根据权利要求1所述的谐振型电力电子变流器，其特征在于，所述高频隔离变压器的副边是单个绕组输出或多个绕组输出。
6.根据权利要求1所述的谐振型电力电子变流器，其特征在于，所述高频隔离变压器是一个变压器或多个变压器；当是多个变压器时，采用串联方式或并联方式连接。
7.根据权利要求1所述的谐振型电力电子变流器，其特征在于，所述高频整流电路是全桥整流电路、半桥整流电路或倍压整流电路。
8.根据权利要求1所述的谐振型电力电子变流器，其特征在于，所述高频整流电路的输出端接于燃料电池装置、太阳能装置、风能装置，或铅酸电池储能系统、锂电池储能系统。
9.一种基于权利要求1所述谐振型电力电子变流器的实现新能源输出和高压交流电网之间高效接口的变流器装置，其特征在于，还包括控制电路和驱动电路，控制电路通过驱动电路为所述模块单元SMuvw和模块单元SMhfu中的有源开关器件提供开关信号； 所述控制电路包括输入级的控制电路和隔离剂的驱动电路，其中:输入级的控制电路由三相电压、三相电流、直流母线电压采样电路、驱动信号产生电路、驱动信号分配电路、各模块电压采样电路、错误信号产生电路以及相应的通信电路组成；隔离级的控制电路与输入级的控制电路结构相同，需采样直流母线电压和输出直流电压以构成闭环控制；所述驱动电路由电气隔离电路、高压隔离的电源以及驱动芯片组成，其中电气隔离电路采用光耦隔离或磁隔离。.
【文档编号】H02M3/335GK103441691SQ201310309952
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年7月19日 优先权日:2013年7月19日
【发明者】王朝辉, 张军明 申请人:浙江大学