一种电力电子变压器及其控制方法与流程

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种电力电子变压器及其控制方法。

背景技术：

电力电子变压器又称为固态变压器、智能通用变压器、或柔性变压器，它是以电力电子变流技术和电磁感应技术为基础的新型变压器，彻底改变了传统变压器的系统结构，在实现常规电力变压器电压等级变换、电气隔离和能量传递等基本功能的基础上，还可以实现双向潮流控制、电能质量控制等许多额外功能，是下一代智能电网建设的关键装备。

目前的电力电子变压器有多种拓扑结构，一般包含高压级、隔离级和低压级三个部分，其中高压级一般采用级联多电平的结构，隔离级一般采用多个DC/DC模块并联的结构。然而，目前这些电力电子变压器在不同负载下功率模块均处于工作模式，在实际应用中，配网中的负载波动较大，使得电力电子变压器轻载时产生的损耗大、效率低，制约电力电子变压器的实用化。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种电力电子变压器及其控制方法，用于解决电力电子变压器轻载时产生的损耗大、效率低的问题。

为解决上述技术问题，本发明提出一种电力电子变压器，包括五个变压器方案：

变压器方案一，所述电力电子变压器为三级型，包括整流级、隔离级和逆变级，至少其中一级包括两个以上并联的子模块。

变压器方案二，在变压器方案一的基础上，所述整流级包括两个以上的整流单元，每个整流单元包括并联的两个以上AC/DC子模块；所述隔离级包括输出端并联的两个以上的隔离单元，每个隔离单元包括并联的两个以上的DC/DC子模块；所述逆变级包括一个逆变单元，包括并联的两个以上的DC/AC子模块；整流单元之间的交流侧级联，每个整流单元直流侧分别连接对应的隔离单元，每个隔离单元的输出端并联后连接所述逆变单元。

变压器方案三，在变压器方案二的基础上，所述AC/DC子模块采用H桥或MMC电路拓扑。

变压器方案四，在变压器方案二的基础上，所述DC/DC子模块采用CLLC变换器拓扑、CLLLC变换器拓扑或者移相全桥电路拓扑。

变压器方案五，在变压器方案二的基础上，所述DC/AC子模块采用两电平或三电平电路拓扑。

为解决上述技术问题，本发明还提出一种电力电子变压器控制方法，包括五个方法方案：

方法方案一，所述电力电子变压器为三级型，包括整流级、隔离级和逆变级，至少其中一级包括两个以上并联的子模块；根据系统输出功率确定所述子模块投入或切除的数量。

方法方案二，在方法方案一的基础上，所述子模块的投切方式包括逐个投入或切除。

方法方案三，在方法方案二的基础上，对于所述三级型中的两级或三级包括至少两个并联子模块的电力电子变压器，同步控制所述各级投入与切除子模块的数量。

方法方案四，在方法方案一、方法方案二或方法方案三的基础上，按照优先级别投入或切除所述子模块。

方法方案五，在方法方案四的基础上，所述优先级别按照所述子模块的累计运行状态确定，当投入子模块时，累计运行时间短的子模块优先投入，当切除子模块时，累计运行时间长的子模块优先切除。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种三级型电力电子变压器，通过至少将其中一级设置多个并联的子模块，根据系统输出功率确定子模块投入或切除的数量，该方法控制原理简单，在轻载时有效减小损耗，提升系统的工作效率，提高变压器的使用寿命。

通过设置优先级别，实时统计系统各功率子模块的累积运行时间，根据输出功率的需求按照累计运行时间的长短逐个投入或切除子模块，有效降低各功率模块平均运行时间，提升系统投入或切除子模块时的电压稳定性。

附图说明

图1是电力电子变压器主回路及控制框架示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

本发明的一种电力电子变压器控制方法的实施例：

本发明的电力电子变压器为三级型，包括整流级、隔离级和逆变级，整流级作为输入端，包括两个以上的整流单元，每个整流单元包括并联的两个以上AC/DC子模块；隔离级包括输出端并联的两个以上的隔离单元，每个隔离单元包括并联的两个以上的DC/DC子模块；逆变级包括一个逆变单元，包括并联的两个以上的DC/AC子模块；整流单元之间的交流侧级联，每个整流单元直流侧分别连接对应的隔离单元，每个隔离单元的输出端并联后连接逆变单元。

例如，如图1所示的一种电力电子变压器控制系统，包括三级型电力电子变压器和控制器，该电力电子变压器的三级均并联有多个子模块，即每个整流单元由两个以上AC/DC子模块并联而成，隔离单元由两个以上DC/DC子模块并联而成，逆变单元由两个以上DC/AC子模块并联而成。

控制器用于整流单元、隔离单元和逆变单元，该控制器分别实时统计整流器子模块、隔离变换器子模块及逆变器子模块的累积运行时间，根据输出功率的需求按照所述累计运行时间投入或切除AC/DC子模块、DC/DC子模块、DC/AC子模块；其中，累计运行时间短的AC/DC子模块、DC/DC子模块、DC/AC子模块优先投入，累计运行时间长的AC/DC子模块、DC/DC子模块、DC/AC子模块优先切除。

图1中，对于整流级，由m个整流单元级联实现，考虑功率需求，每个整流单元由n个AC/DC子模块并联组成，AC/DC子模块采用H桥或MMC电路拓扑。

对于隔离级，由m个隔离单元实现，每个隔离单元的输入端口通过并联一个电容连接相应整流单元的输出端。考虑功率需求及与整流单元的连接，每个隔离变换单元由p个DC/DC子模块并联组成，DC/DC子模块采用CLLC变换器拓扑、CLLLC变换器拓扑或者移相全桥电路拓扑。

对于输出级，因电压等级较低，不需要多个逆变单元进行并联，考虑功率需求，每个逆变单元由q个DC/AC子模块并联组成，其中，DC/AC子模块采用两电平或三电平电路拓扑。

上述各功率子模块均通过采样及控制接口与系统中的控制器相连，系统通过智能休眠控制技术，控制上述各功率子模块的投入或切除，实现变压器轻载时损耗的降低，具体控制方法如下：

1)当系统输出功率逐渐增加时，投入并联的各子模块数目从1个逐渐增加至全部投入，反之，当整体输出功率减少时，逐步切除各功率子模块，使投入并联的各子模块数目从全部逐渐降低至1个；

2)控制器实时统计各子模块累积运行的时间，使累计运行时间短的子模块优先投入，累计运行时间长的子模块优先切除。

图1所示的是一种降压式单相电力电子变压器控制系统，本发明的电力电子变压器控制系统既可以是单相，也可以是三相，连接方式为图1中三个相同结构的单相电力电子变压器的高压侧和低压侧进行相应的星型或三角形连接。

本实施例中AC/DC子模块数量、DC/DC子模块数量及DC/AC子模块数量可以相同，也可以不同，但考虑控制系统的功率需求，上述子模块的数量优选相同。

实施例中所述的电力电子变压器是三级(整流级、隔离级和逆变级)中每一级均由多个子模块并联的情况，也可以是其中一级或两级由多个子模块并联构成，控制器根据系统输出功率的需求及子模块累计运行时间的长短，逐个投入/切除子模块。

本发明通过采用子模块的累计运行情况作为一种优先级别，实时统计系统各功率子模块的累积运行时间，根据输出功率的需求按照累计运行时间的长短依次投入或切除AC/DC子模块、DC/DC子模块及DC/AC子模块，能够有效降低各功率模块平均运行时间，轻载时减小损耗、提高系统效率及变压器的使用寿命。