本发明涉及隔离型模块化级联功率变换技术，具体涉及一种基于高频链技术的隔离型模块化级联变换器。
背景技术：
电力电子变压器在新能源并网中的应用越来越广泛。为了提高高压侧电压等级，目前的电力电子变压器广泛采用模块化级联结构，比如级联H桥型，根据功率变换的级数，大部分的模块化级联结构均采用两级式的功率变换系统如图1所示，而两级式功率变换存在的问题是各模块高压侧需要大量稳压电容来缓冲单相系统二次功率波动，使得装置体积大、功率密度低、成本高昂；同时各模块间存在电压不均衡，需要复杂电压平衡控制，降低了系统可靠性。
技术实现要素：
为解决上述问题，本发明提供了一种基于高频链技术的隔离型模块化级联变换器，该变换器属于单级式功率变换，因此各模块高压侧不再需要电容支撑及均压控制，同时也解决了传统单级式变换器二次侧换流、电压尖峰等问题，能实现低压直流、高压交流之间的功率变换。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
基于高频链技术的隔离型模块化级联变换器，所述变换器的单相结构包括一滤波电感Lf，一低压直流侧电容CdcL和n个单级式高频隔离型模块，n个单级式高频隔离型模块间以输入并联输出串联(IPOS)的结构形式连接，各单级式高频隔离型模块的低压直流端口(A、B)并联构成单相变换器的低压直流端口(PL、NL)，各单级式高频隔离型模块的高压交流端口(C、D)串联，第一个单级式高频隔离型模块的C端口串联一个滤波电感Lf后作为高压交流正极端口PH，模块n的D端口引出线作为高压交流负极端口NH；
所述变换器的三相结构包括三个单相结构和一个并联在低压直流母线的低压直流侧电容CdcL，三个单相结构的低压直流端口分别并联在低压直流母线上，根据各相结构高压交流端口之间连接方式的不同可分为星形连接和角形连接。
优选地，采用星形连接时，三个单相结构的高压交流负极端口(NH(a)、NH（b)、NH(c))作星形连接；采用角形连接(101)时，A相结构的高压交流负极端口(NH(a))连接B相单元的高压交流正极端口(PH(b))，B相结构的高压交流负极端口(NH(b))连接C相结构的高压交流正极端口(PH(c))，C相结构的高压交流负极端口(NH(c))连接A相结构的高压交流正极端口(PH(a))。
优选地，所述单级式高频隔离型模块由上子模块、下子模块和低压直流侧电容CdcL构成，上子模块、下子模块均由前级主动H桥、高频变压器、后级主动H桥以及电压钳位电路组成，前级主动H桥连接高频变压器的原边，后级主动H桥以及钳位电路连接高频变压器的副边，上子模块的前级主动H桥的正、负极端口(P1、N1)和下子模块的前级主动H桥的正、负极端口(P2、N2)分别并联作为低压直流端口(A、B），后级主动H桥端口串联构成高压交流端口(C、D)，低压直流侧电容CdcL并联在低压直流端口；前级主动H桥和后级主动H桥均由带有4个反并联二极管的主动开关管组成，各主动开关管的集电极分别与各自的续流二极管的阴极相连接，发射极分别与各自的续流二极管的阳极相连接。
优选地，所述上子模块的调制比为交直流混合调制比du＝D+d，下子模块的调制比为交直流混合调制比dl＝D-d，其中，D为直流公共调制比，d为交流调制比，且不同相间的交流调制比相差120°；
所述上子模块端口(C、O)的输出电压为带有交、直流分量的正极性高频电压方波，下子模块端口(O、D)的输出电压为带有交、直流分量的负极性高频电压方波，单级式高频隔离型模块(1)的端口(C、D)输出电压为仅有交流分量的具有正负极性的高频电压方波。
优选地，所述上子模块的前级主动H桥包括一个第一主动开关管Q1、一个第二主动开关管Q2、一个第三主动开关管Q3和一个第四主动开关管Q4；第一主动开关管Q1与第三主动开关管Q3串联，第二主动开关管Q2与第四主动开关管Q4串联，两个串联桥臂并联，即第一主动开关管Q1的集电极和第二主动开关管Q2的集电极的相连作为该主动H桥的正极端口P1，第三主动开关管Q3的发射极和第四主动开关管Q4的发射极相连作为该主动H桥的负极端口N1；第一主动开关管Q1的发射极和第三主动开关管Q3的集电极相连后与第一高频变压器T1原边端E连接，第二主动开关管Q2的发射极和第四主动开关管Q4的集电极相连后与第一高频变压器T1原边的另一端子F连接；
上子模块的后级主动H桥包括一个第五主动开关管Q5、一个第六主动开关管Q6、一个第七主动开关管Q7和一个第八主动开关管Q8；第五主动开关管Q5与第七主动开关管Q7串联，第六主动开关管Q6与第八主动开关管Q8串联，两个串联桥臂并联，即第五主动开关管Q5的集电极和第六主动开关管Q6的集电极相连作为该主动H桥的正极端口C，第七主动开关管Q7的发射极和第八主动开关管Q8的发射极相连作为该主动H桥的负极端口Q；第五主动开关管Q5的发射极和第七主动开关管Q7的集电极相连后与第一高频变压器T1副边端G连接，第六主动开关管Q6的发射极和第八主动开关管Q8的集电极相连后与第一高频变压器T1副边的另一端子H连接。
优选地，所述上子模块的高频变压器部分包括一个第一高频变压器T1，端子(E、F)为第一高频变压器T1原边的两个端子，端子(G、H)为第一高频变压器T1副边的两个端子，端子(E、G)为同名端；所述下子模块的高频变压器部分包括一个第二高频变压器T2，端子(I、J)为第二高频变压器T2原边的两个端子，端子(K、L)为第二高频变压器T2副边的两个端子，端子(I、K)为同名端；
优选地，所述上子模块的电压钳位电路包括一个第一二极管D1、一个第二二极管D2、一个第三二极管D3、一个第四二极管D4、一个第一电容C1和一个第一电阻R1，第一二极管D1与第三二极管D3串联后分别与第一电容C1、第一电阻R1并联，第二二极管D2与第四二极管D4串联后分别与第一电容C1、第一电阻R1并联，第一二极管D1、第二二极管D2的阴极与第一电容C1、第一电阻R1的正极相连，第三二极管D3、第四二极管D4的阳极与第一电容C1、第一电阻R1的负极相连，第一二极管D1的阳极与第三二极管D3的阴极、第一高频变压器T1副边端G相连接，第二二极管D2的阳极与第四二极管D4的阴极、第一高频变压器T1副边另一端H相连接。
优选地，所述下子模块的前级主动H桥包括一个第九主动开关管Q9、一个第十主动开关管Q10、一个第十一主动开关管Q11和一个第十二主动开关管Q12；第九主动开关管Q9与第十一主动开关管Q11串联，第十主动开关管Q10与第十二主动开关管Q12串联，两个串联桥臂并联，即第九主动开关管Q9的集电极和第十主动开关管Q10的集电极相连作为该主动H桥的正极端口P2，第十一主动开关管Q11的发射极和第十二主动开关管Q12的发射极相连作为该主动H桥的负极端口N2；第九主动开关管Q9的发射极和第十一主动开关管Q11的集电极相连后与第二高频变压器T2原边端I连接，第十主动开关管Q10的发射极和第十二主动开关管Q12的集电极相连后与第二高频变压器T2原边的另一端子J连接。
所述下子模块的后级主动H桥包括一个第十三主动开关管Q13、一个第十四主动开关管Q14、一个第十五主动开关管Q15和一个第十六主动开关管Q16：第十三主动开关管Q13与第十五主动开关管Q15串联，第十四主动开关管Q14与第十六主动开关管Q16串联，两个串联桥臂并联，即第十三主动开关管Q13的发射极和第十四主动开关管Q14的发射极相连作为该主动H桥的正极端口Q，第十五主动开关管Q15的集电极和第十六主动开关管Q16的集电极相连作为该主动H桥的负极端口D；第十三主动开关管Q13的集电极和第十五主动开关管Q15的发射极相连后与第二高频变压器T2副边端K连接，第十四主动开关管Q14的集电极和第十六主动开关管Q16的发射极相连后与第二高频变压器T2副边的另一端子L连接。
优选地，所述下子模块的电压钳位电路包括一个第五二极管D5、一个第六二极管D6、一个第七二极管D7、一个第八二极管D8、一个第二电容C3和一个第二电阻R2，第五二极管D5与第七二极管D7串联后分别与第二电容C2、第二电阻R2并联，第六二极管D6与第八二极管D8串联后分别与第二电容C2、第二电阻R2并联，第五二极管D5、第六二极管D6的阴极与第二电容C2、第二电阻R2的正极相连，第七二极管D7、第八二极管D8的阳极与第二电容C2、第二电阻R2的负极相连，第五二极管D5的阳极与第七二极管D7的阴极、第二高频变压器T2副边端K相连接，第六二极管D6的阳极与第八二极管D8的阴极、第二高频变压器T2副边另一端L相连接。
本发明具有以下有益效果：
(1)该变换器可减少电容的数量。一方面由于该结构为单级式功率变换，高压侧脉宽调制是通过子模块前后级主动H桥开关管的动作组合来完成的，而该脉宽调制电压波经过高频变压器的耦合，可直接由低压直流侧的电容来支撑，因此在高压侧不再需要电容支撑；另一方面，该变换器的三相结构的全部二倍频功率波动被转移至公共低压直流母线且相互抵消，因此公共低压直流母线也不需要大量的电容来支撑，对比传统两级式隔离型模块化级联变换器，可减少大量稳压电容，具有效率高、体积小、成本低、功率密度大等特点。
(2)该变换器不需要双向开关管。由于上、下子模块的高压侧端口电压的极性始终不变，因此不需要双向开关管，避免了传统单级式变换器二次侧换流问题及电压尖峰问题。
(3)该变换器不需要均压控制。由于每个模块的高压侧电压都通过高频变压器直接由公共低压直流母线电压钳住，因此各模块输出电压的稳态和动态特性一致，不需要额外增加均压控制，降低了控制的复杂性。
附图说明
图1为传统的两级式隔离型模块化级联变换器结构示意图；
图2为本发明的单相及三相基于高频链的隔离型模块化级联变换器结构示意图
图3为本发明的单级式高频隔离型模块拓扑结构图；
图4为本发明的单级式高频隔离型模块的输出波形图；
图5为本发明的单相基于高频链的隔离型模块化级联变换器拓扑结构图；
图6为本发明的星形连接的三相基于高频链的隔离型模块化级联变换器拓扑结构图；
图7为本发明的角形连接的三相基于高频链的隔离型模块化级联变换器拓扑结构图；
图中：1：单级式高频隔离型模块；
2：单级式高频隔离型模块上子模块；
21：上子模块前级主动H桥；
22：上子模块后级主动H桥；
23：上子模块电压钳位电路；
3：单级式高频隔离型模块下子模块；
31：下子模块前级主动H桥；
32：下子模块后级主动H桥；
33：下子模块电压钳位电路；
10：单相基于高频链的隔离型模块化级联变换器；
100：星形连接的三相基于高频链的隔离型模块化级联变换器；
101：角形接接的三相基于高频链的隔离型模块化级联变换器；
PL：低压直流正极端口；
NL：低压直流负极端口；
PH：高压交流正极端口；
NH：高压交流负极端口；
Lf：交流侧滤波电感；
CdcL：低压直流电容；
T1、T2：高频变压器；
A、B：单级式高频隔离型模块低压侧正、负极端口；
P1、N1：上子模块前级主动H桥正、负极端口；
P2、N2：下子模块前级主动H桥正、负极端口；
C、O：上子模块后级主动H桥正、负极端口；
O、D：下子模块后级主动H桥正、负极端口；
E、F：高频变压器T1原边侧端口；
G、H：高频变压器T1副边侧端口；
I、J：高频变压器T2原边侧端口；
K、L：高频变压器T2副边侧端口；
Q1～Q4：上子模块前级主动H桥开关管，如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)；Q5～Q8：上子模块后级主动H桥开关管，如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)；
Q9～Q12：下子模块前级主动H桥开关管，如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)；Q13～Q16：下子模块后级主动H桥开关管，如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)；
D1～D4：上子模块电压钳位电路二极管；
D6～D8：下子模块电压钳位电路二极管；
C1、C2：电压钳位电路电容；
R1、R2：电压钳位电路电阻。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图2为本发明一实施例的单级式高频隔离型模块1的拓扑结构图，包括上子模块2、下子模块3以及一个低压侧直流电容CdcL。所述上子模块2包括前级主动H桥21、第一高频变压器T1、后级主动H桥22、电压钳位电路23；所述下子模块3包括前级主动H桥31、第二高频变压器T2、后级主动H桥32、电压钳位电路33。上子模块2的前级主动H桥正、负极端口P1、N1分别与下子模块3的前级主动H桥正、负极端口P2、N2并联构成该模块的低压直流正、负极端口A、B。在上子模块2中，第一高频变压器T1的原边端E、F连接前级主动H桥21，副边端G、H连接后级主动H桥22以及电压钳位电路23。在下子模块3中，第二高频变压器T2的原边端I、J连接前级主动H桥31，副边端K、L连接后级主动H桥32以及电压钳位电路33。上子模块2的后级主动H桥正、负极端口C、O与下子模块3的后级主动H桥正、负极端口O、D串联构成该模块的高压交流正、负极端口C、D。低压侧直流电容CdcL与低压直流端口A、B并联。
所述单级式高频隔离型模块工作时，上、下子模块的调制比为交直流混合调制比du与d1(du为上子模块调制比，d1为下子模块调制比)，同时du与d1由直流调制比D和交流调制比d组成，且不同相间的交流调制比相差120°。当直流调制比为0.5时，dm需大于等于零且小于等于0.5以满足式(1)。
所述单级式高频隔离型模块工作时，假设低压直流侧输入电压为VdcL，高频变压器绕组变比为k∶1，则该模块的端口电压满足式(2)。
图3为图2所示实施例的单级式高频隔离型模块交流侧端口输出电压波形图，该模块工作时，低压直流电从低压直流端口A、B输入，通过前级主动H桥的开关组合，将低压直流电转换为高频电压方波，通过高频变压器耦合到后级主动H桥，经过后级主动H桥的开关变换之后，上子模块的后级主动H桥端口C、O输出带有直流与交流分量的正极性高频电压方波，下子模块的后级主动H桥端口O、D输出带有直流与交流分量的负极性高频电压方波，由于端口的串联关系，模块的高压交流端口C、D输出仅有交流分量的具有正负极性的高频电压方波，经过滤波之后就能输出完美的正弦波。假设单个模块的低压直流端口A、B输入电压为VdcL，交流调制比为d，高频变压器绕组变比为k∶1时，高压交流端口C、D输出电压为
图4为本发明的单相基于高频链的隔离型模块化级联变换器一实施例的拓扑结构图。所述单相变换器由n个单级式高频隔离型模块1、一个输出滤波电感Lf及并联在低压直流母线的低压直流侧电容CdcL构成，各模块间的低压直流端口A、B并联在公共低压直流母线上，PL、NL为公共低压直流母线的正、负极端口，各模块间的交流侧端口C、D串联，模块1的C端口串联一个滤波电感Lf后作为高压交流正极端口PH，模块n的D端口引出线作为高压交流负极端口NH。当低压直流端口A、B输入电压为VdcL，交流调制比为d，高频变压器绕组变比为k∶1时，该单相变换器的高压交流端口C、D输出电压为
图5为本发明的三相基于高频链的隔离型模块化级联变换器采用星形连接的一实施例的拓扑结构图。所述三相变换器100包括三个完全相同的单相结构10和一并联在低压直流母线的低压直流电容CdcL，每个单相结构10均由n个单级式高频隔离型模块1及一个输出滤波电感Lf构成，每个模块的低压直流端口A、B均并联在公共低压直流母线，PL、NL为公共低压直流母线的正、负极端口，每个单相结构10的各模块间的交流端口C、D串联，各单相结构10的模块1的C端口分别串联一个滤波电感Lf后作为该相的高压交流正极端口PH(a)/PH(b))/PH(c)，各单相结构10的模块n的D端口引出线作为该相的高压交流负极端口NH(a)/NH(b))/NH(c)，各相的高压交流负极端口NH(a)/NH(b))/NH(c)作星形连接。
图6为本发明的三相基于高频链的隔离型模块化级联变换器采用角形连接的一实施例的拓扑结构图。所述三相变换器101包括三个完全相同的单相结构10和一并联在低压直流母线的低压直流电容CdcL，每个单相结构10均由n个单级式高频隔离型模块1及一个输出滤波电感Lf构成，每个模块的低压直流侧端口A、B均并联在公共低压直流母线，PL、NL为公共低压直流母线的正、负极端口，每个单相结构10的各模块间的交流端口C、D串联，各单相结构10的模块1的C端口分别串联一个滤波电感Lf后作为该相的高压交流正极端口PH(a)/PH(b))/PH(c)，各单相结构10的模块n的D端口引出线作为该相的高压交流负极端口NH(a)/NH(b))/NH(c)，A相结构的高压交流负极端口NH(a)连接B相结构的高压交流正极端口PH(b)，B相结构的高压交流负极端口NH(b)连接C相单元的高压交流正极端口PH(c)，C相结构的高压交流负极端口NH(c)连接A相结构的高压交流正极端口PH(a)。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。