一种多电平直流母线自平衡的电力电子变压器拓扑结构的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种多电平直流母线自平衡的电力电子变压器拓扑结构，其特征在于：它包括高压整流电路、DC/DC变换电路和低压DC/AC逆变电路；所述高压整流电路的输入端与高压三相交流电网连接，所述高压整流电路的输出端经高压直流母线与所述DC/DC变换电路一端连接，所述DC/DC变换电路另一端与所述低压DC/AC逆变电路输入端连接，所述低压DC/AC逆变电路输出端与低压三相交流电网连接。本发明的拓扑结构不需要直流母线电容的电压反馈进行电容电压均衡，整流侧的控制算法大大简化。
【专利说明】
一种多电平直流母线自平衡的电力电子变压器拓扑结构
技术领域
[000? ]本发明涉及一种电力电子变压器拓扑结构，特别是关于一种电力电子技术领域中的多电平直流母线自平衡的电力电子变压器拓扑结构。
【背景技术】
[0002]电力电子变压器(Power Electronic Transformer，PET)作为一种新型电能传输设备，相对于传统电力变压器具有以下优点:1、体积与重量大大减小。2、可以实现任意幅值与频率的交直流变换，一、二次侧电压电流波形可控，功率因数可调。3、自带无功补偿与保护功能，无需额外配套装置。
[0003]现用于PET的全控器件多采用Si基绝缘栅双极型晶体管(Insulated GateBipolar Transistor，IGBT)，但由于Si基IGBT电压与功率等级的限制，难以满足配电网中压侧电压等级的要求。在目前提出的三相配电网PET拓扑中，多采用多电平变换器的形式，由此降低单个器件承受的电压应力，易于实现高压大容量，同时在相同开关频率下输出的电压电流波形更接近正弦，谐波含量低。
[0004]二极管箝位式的拓扑作为最经常使用的多电平拓扑，但直流侧电容电压不平衡是其控制上的主要问题。在传递有功的情况下，电路需要进行电容平衡控制，这使得电路的控制算法随着电平数的增加变得较为复杂。目前针对二极管箝位拓扑直流侧电容平衡的算法研究较多，但多数只能对三电平拓扑实现电容均压控制，对于五电平拓扑仅在特定的条件下实现，当电平数进一步增加，直流侧电容电压平衡的控制将难以实现。
【发明内容】
[0005]针对上述问题，本发明的目的是提供一种多电平直流母线自平衡的电力电子变压器拓扑结构，该拓扑结构不需要直流母线电容的电压反馈进行电容电压均衡，整流侧的控制算法大大简化。
[0006]为实现上述目的，本发明采取以下技术方案:一种多电平直流母线自平衡的电力电子变压器拓扑结构，其特征在于:它包括高压整流电路、DC/DC变换电路和低压DC/AC逆变电路;所述高压整流电路的输入端与高压三相交流电网连接，所述高压整流电路的输出端经高压直流母线与所述DC/DC变换电路一端连接，所述DC/DC变换电路另一端与所述低压DC/AC逆变电路输入端连接，所述低压DC/AC逆变电路输出端与低压三相交流电网连接。
[0007]优选地，所述高压整流电路包括A、B、C三相并联的二极管箝位式多电平整流电路，每相所述二极管箝位式多电平整流电路输入端均与高压三相交流电网连接，每相所述二极管箝位式多电平整流电路输出端连接至所述高压直流母线;所述高压直流母线由2n-2个直流母线电容Cl、C2、…、C2n-2级联而成。
[0008]优选地，每相所述二极管箝位式多电平整流电路的电平数目根据高压侧的电压等级以及使用的IGBT器件耐压等级进行调整。
[0009]优选地，所述DC/DC变换电路包括2n-2个高频逆变H桥子模块HBh、中高频变压器和2n-2个高频整流H桥子模块HBi，η为自然数;所述2η_2个高频逆变H桥子模块HBh输入端连接所述高压直流母线，输出端分别连接所述中高频变压器的2η-2个输入端口，所述中高频变压器2η-2个输出端口分别连接所述2η-2个高频整流H桥子模块HBi输入端;所述2η_2个高频整流H桥子模块耶^俞出端并联后连接至所述低压DC/AC逆变电路。
[0010]优选地，所述高频逆变H桥子模块HBh的数量与所述高压直流母线中直流母线电容数量一致，且每个所述高频逆变H桥子模块HBh均与一直流母线电容对应连接。
[0011]优选地，所述中高频变压器采用k输入m输出结构，k = 2n-2;所述中高频变压器m个输出端口分别连接m个所述高频整流H桥子模块HBi，所述m个高频整流H桥子模块HBi输出端并联形成单个低压直流母线。
[0012]优选地，所述中高频变压器采用k输入m输出结构，k = 2n-2;所述中高频变压器m个输出端口分别连接m个所述高频整流H桥子模块HBi，所述m个高频整流H桥子模块HBi输出端并联形成三个分立的低压直流母线。
[0013]优选地，所述中高频变压器采用单入单出结构，所述中高频变压器输出端口连接所述2n-2个高频整流H桥子模块HBi，所述2n_2个高频整流H桥子模块HBi输出端最终并联形成单个低压直流母线。
[0014]优选地，所述低压DC/AC逆变电路采用三相的逆变电路，所述DC/DC变换电路输出端并联形成单个低压直流母线，所述逆变电路为三相逆变拓扑，所述三相逆变拓扑采用二极管箝位三电平三相逆变电路或采用单纯的三相H桥逆变拓扑。
[0015]优选地，所述低压DC/AC逆变电路采用三个星型连接的单相逆变电路，所述DC/DC变换电路输出端并联形成三个分立的低压直流母线，所述单相逆变电路采用三个单相的H桥拓扑或单相多电平逆变电路。
[0016]本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点:本发明的电力电子变压器拓扑在高压侧采用二极管箝位式多电平结构，针对整流侧级联的高压直流母线电容的均压问题，采用后级硬件箝位的方式，通过控制连接于每个直流母线电容的H桥，使得整流级的二极管箝位式多电平电路不需要直流母线电容的电压反馈进行电容电压均衡，整流侧的控制算法大大简化。
【附图说明】
[0017]图1是本发明的整体结构示意图；
[0018]图2是本发明的尚压侧整流电路不意图；
[0019]图3是本发明的第一种DC/DC变换电路内部结构示意图；
[0020]图4是本发明的第二种DC/DC变换电路内部结构示意图；
[0021]图5是本发明的第三种DC/DC变换电路内部结构示意图；
[0022]图6是本发明的第一种DC/AC变换电路结构示意图；
[0023]图7是本发明的第二种DC/AC变换电路结构示意图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
[0025]如图1所示，本发明提供一种多电平直流母线自平衡的电力电子变压器拓扑结构，其包括高压整流电路、DC/DC变换电路和低压DC/AC逆变电路。高压整流电路的输入端与高压三相交流电网连接，高压整流电路的输出端经高压直流母线与DC/DC变换电路一端连接，DC/DC变换电路另一端与低压DC/AC逆变电路输入端连接，低压DC/AC逆变电路输出端与低压三相交流电网连接。
[0026]上述实施例中，如图2所示，高压整流电路包括A、B、C三相并联的二极管箝位式多电平整流电路，每相二极管箝位式多电平整流电路结构相同，仅以其中A相级联H桥拓扑为例对高压整流电路进行详细介绍。A相二极管箝位式多电平整流电路输入端与高压三相交流电网A相整流输入端连接，A相二极管箝位式多电平整流电路输出端连接至高压直流母线。高压直流母线由2n-2个直流母线电容C1、C2、…、C2n-2级联而成。其中，每相二极管箝位式多电平整流电路的电平数目根据高压侧的电压等级以及使用的IGBT器件耐压等级进行调整。
[0027]上述各实施例中，如图3所示，DC/DC变换电路包括2n-2个高频逆变H桥子模块HBh、中高频变压器和2n-2个高频整流H桥子模块HBi，η为自然数。2η_2个高频逆变H桥子模块HBh输入端连接高压直流母线，输出端分别连接中高频变压器的2η-2个输入端口，中高频变压器2η-2个输出端口分别连接2η-2个高频整流H桥子模块HBi输入端。2η-2个高频整流H桥子模块HBi输出端并联后连接至低压DC/AC逆变电路。其中，高频逆变H桥子模块HBh的数量与高压直流母线中直流母线电容数量一致，且每个高频逆变H桥子模块HBh均与一直流母线电容对应连接。
[0028]中高频变压器可以采用多种结构，在本实施例中，如图3所示，中高频变压器还可以采用k输入m输出结构，此时，k = 2n-2;中高频变压器各输入端口分别连接各高频逆变H桥子模块HBh，中高频变压器m个输出端口分别连接m个高频整流H桥子模块HBi，m个高频整流H桥子模块HBi输出端最终并联形成单个低压直流母线;或中高频变压器m个输出端口分别连接m个高频整流H桥子模块HBi，m个高频整流H桥子模块HBi输出端最终并联形成三个分立的低压直流母线(如图4所示)。如图5所示，中高频变压器可以采用单入单出结构，此时，中高频变压器输出端口连接2n-2个高频整流H桥子模块HBi，2n_2个高频整流H桥子模块HBi输出端最终并联形成单个低压直流母线。
[0029]上述各实施例中，低压DC/AC逆变电路可以采用三相的逆变电路，也可以采用三个星型连接的单相逆变电路。当DC/DC变换电路输出端并联形成单个低压直流母线时，低压DC/AC逆变电路采用三相的逆变电路，此时，逆变电路为三相逆变拓扑(如图6所示)，三相逆变拓扑可以采用二极管箝位三电平三相逆变电路或采用其他的三相多电平逆变拓扑或单纯的三相H桥逆变拓扑。当DC/DC变换电路输出端并联形成三个分立的低压直流母线时，低压DC/AC逆变电路采用三个星型连接的单相逆变电路，单相逆变电路采用三个单相的H桥拓扑(如图7所示)，或单相多电平逆变电路如二极管箝位逆变电路。
[0030]综上所述，对于级联的高压直流母线电容，可以通过其后级的高频逆变H桥子模块HBh对其电压进行均衡控制。通过控制高频逆变H桥子模块HBh之间的相位差可以控φ?」Η桥之间的功率流动，从而达到级联高压直流母线电容电压均衡的目的。由此，级联的高压直流母线电容电压均衡通过控制后级连接中高频变压器的高频逆变H桥子模块HBh实现，而对于整流侧的二极管箝位多电平整流电路，则不需要在整流侧的控制算法中进行级联电容平衡控制，一般的电压、电流双闭环SPffM或SVPffM算法即可对高压侧级联直流母线电容电压以及输入的电流相位进行控制，大大简化了前端整流级控制算法的复杂度，有利于多电平电路电平数的提升，使得七电平以上的二极管箝位多电平电路得以进行实际应用。
[0031]上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。
【主权项】
1.一种多电平直流母线自平衡的电力电子变压器拓扑结构，其特征在于:它包括高压整流电路、DC/DC变换电路和低压DC/AC逆变电路;所述高压整流电路的输入端与高压三相交流电网连接，所述高压整流电路的输出端经高压直流母线与所述DC/DC变换电路一端连接，所述DC/DC变换电路另一端与所述低压DC/AC逆变电路输入端连接，所述低压DC/AC逆变电路输出端与低压三相交流电网连接。2.如权利要求1所述的一种多电平直流母线自平衡的电力电子变压器拓扑结构，其特征在于:所述高压整流电路包括A、B、C三相并联的二极管箝位式多电平整流电路，每相所述二极管箝位式多电平整流电路输入端均与高压三相交流电网连接，每相所述二极管箝位式多电平整流电路输出端连接至所述高压直流母线;所述高压直流母线由2n-2个直流母线电容&Χ2、...Χ2η—2级联而成。3.如权利要求2所述的一种多电平直流母线自平衡的电力电子变压器拓扑结构，其特征在于:每相所述二极管箝位式多电平整流电路的电平数目根据高压侧的电压等级以及使用的IGBT器件耐压等级进行调整。4.如权利要求1所述的一种多电平直流母线自平衡的电力电子变压器拓扑结构，其特征在于:所述DC/DC变换电路包括2η-2个高频逆变H桥子模块HBh、中高频变压器和2η-2个高频整流H桥子模块HBi，η为自然数;所述2η-2个高频逆变H桥子模块HBh输入端连接所述高压直流母线，输出端分别连接所述中高频变压器的2η-2个输入端口，所述中高频变压器2η-2个输出端口分别连接所述2η-2个高频整流H桥子模块HBi输入端;所述2η_2个高频整流H桥子模块耶^俞出端并联后连接至所述低压DC/AC逆变电路。5.如权利要求4所述的一种多电平直流母线自平衡的电力电子变压器拓扑结构，其特征在于:所述高频逆变H桥子模块HBh的数量与所述高压直流母线中直流母线电容数量一致，且每个所述高频逆变H桥子模块HBh均与一直流母线电容对应连接。6.如权利要求4所述的一种多电平直流母线自平衡的电力电子变压器拓扑结构，其特征在于:所述中高频变压器采用k输入m输出结构，k = 2n-2;所述中高频变压器m个输出端口分别连接m个所述高频整流H桥子模块ΗΒι，所述m个高频整流H桥子模块HBi输出端并联形成单个低压直流母线。7.如权利要求4所述的一种多电平直流母线自平衡的电力电子变压器拓扑结构，其特征在于:所述中高频变压器采用k输入m输出结构，k = 2n-2;所述中高频变压器m个输出端口分别连接m个所述高频整流H桥子模块ΗΒι，所述m个高频整流H桥子模块HBi输出端并联形成三个分立的低压直流母线。8.如权利要求4所述的一种多电平直流母线自平衡的电力电子变压器拓扑结构，其特征在于:所述中高频变压器采用单入单出结构，所述中高频变压器输出端口连接所述2n-2个高频整流H桥子模块HBi，所述2n-2个高频整流H桥子模块HBi输出端最终并联形成单个低压直流母线。9.如权利要求1所述的一种多电平直流母线自平衡的电力电子变压器拓扑结构，其特征在于:所述低压DC/AC逆变电路采用三相的逆变电路，所述DC/DC变换电路输出端并联形成单个低压直流母线，所述逆变电路为三相逆变拓扑，所述三相逆变拓扑采用二极管箝位三电平三相逆变电路或采用单纯的三相H桥逆变拓扑。10.如权利要求1所述的一种多电平直流母线自平衡的电力电子变压器拓扑结构，其特征在于:所述低压DC/AC逆变电路采用三个星型连接的单相逆变电路，所述DC/DC变换电路输出端并联形成三个分立的低压直流母线，所述单相逆变电路采用三个单相的H桥拓扑或单相多电平逆变电路。
【文档编号】H02M7/487GK105897004SQ201610343961
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年5月23日
【发明人】郑泽东, 李永东, 王优
【申请人】清华大学