模块化级联型电力电子变压器拓扑结构

1.本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种模块化级联型电力电子变压器拓扑结构。


背景技术：

2.随着分布式能源以及新的如电动汽车充电站这样的大型直流负载的不断普及，当下的低压配电网面临着高压击穿和过载等问题。基于电力电子器件的变压器不仅能提供交、直流端口，而且能参与电网电能治理，因此受到国内外学者的广泛关注和研究。
3.然而，由于负载消耗端和分布式发电端产生的异步行为，电力电子变压器会产生功率反向流动的情况，而且反向流动的功率通常比正向流动时小并且每天出现时间也很短，并且许多情况下反向功率流动能力需求小于正向过程，这一特征导致基于“双向对称功率流动”理念设计的电力电子变换器在反向功率流动时处于轻载状态，降低了系统的效率。因此在分布式能源及大型直流负载日益普及的今天，“双向对称功率流动”的设计方法间接提高了反向功率流动时变换器的设计裕量，增加了系统的成本。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种效率较高、成本较低的模块化级联型电力电子变压器拓扑结构。
5.一种模块化级联型电力电子变压器拓扑结构，由多个级联模块级联构成，每个所述级联模块包括双向不对称功率流动的多端口dc-dc变换器与多个前级的h桥整流单元，所述多个h桥整流单元分别连接在所述多端口dc-dc变换器的前端，所述多端口dc-dc变换器的后端连接直流输出母线与h桥逆变单元。
6.进一步的，所述多端口dc-dc变换器包括多个中压侧有源桥、低压侧有源桥、低压侧不控整流桥与具有多个绕组的变压器，所述多个中压侧有源桥的前端端口分别与所述多个h桥整流单元一一对应连接，所述变压器的多个原边分别与所述多个中压侧有源桥的后端端口一一对应连接，所述低压侧有源桥的前端连接所述变压器的副边，所述低压侧有源桥的后端经过所述低压侧不控整流桥连接所述直流输出母线。
7.进一步的，所述中压侧有源桥包括第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管与第一输入电容，所述第一输入电容的正极端和第一功率开关管的漏极相连，负极端与第三功率开关管的源极相连；所述第一功率开关管的漏极和第二功率开关管的漏极相连，第一功率开关管的源极和第三功率开关管的漏极相连；所述第二功率开关管的源极和第四功率开关管的漏极相连；所述第三功率开关管的源极和第四功率开关管的源极相连。
8.进一步的，所述第二功率开关管的源极与所述变压器原边之间串联连接有第一电感。
9.进一步的，各功率开关管均连接有反并联体二极管和漏源极寄生电容。
10.进一步的，所述低压侧有源桥包括第十三功率开关管、第十四功率开关管、第十五功率开关管和第十六功率开关管，所述第十三功率开关管的漏极和第十四功率开关管的漏极相连，第十三功率开关管源极和第十五功率开关管漏极相连；所述第十四功率开关管源极和第十六功率开关管漏极相连；第十五功率开关管源极和第十六功率开关管源极相连。
11.进一步的，所述低压侧不控整流桥包括第一二极管、第二二极管、第三二极管与第四二极管，所述第一二极管的阴极和第二二极管的阴极相连，第一二极管阳极与第三二极管阴极相连；第二二极管阳极与第四二极管阴极相连；第三二极管阳极和第四二极管阳极相连。
12.进一步的，所述变压器副边连接有并联的第四电感与第五电感，所述第一二极管阳极经过所述第四电感连接所述变压器的副边；所述第十三功率开关管源极经过所述第五电感连接所述变压器的副边。
13.进一步的，每个级联模块包括三个前级的h桥整流单元和一个双向不对称功率流动的多端口dc-dc变换器。
14.上述模块化级联型电力电子变压器拓扑结构，可同时具有交流、直流输出端口，相对于传统工频变压器来讲优势更加明显，相对于隔离型双有源桥级联型模块化电力电子变压器来讲，具有更少的电力电子器件，从而减少器件成本，并且基于双向不对称功率流动理念更能提高系统效率。
附图说明
15.图1为一个实施例的模块化级联型电力电子变压器拓扑结构示意图；
16.图2为图1中多端口dc-dc变换器的电性连接图。
具体实施方式
17.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
18.如图1与图2所示，在一个实施例中，一种模块化级联型电力电子变压器拓扑结构，由多个级联模块级联构成，每个级联模块包括双向不对称功率流动的多端口dc-dc变换器100与多个前级的h桥整流单元200，多个h桥整流单元200分别连接在多端口dc-dc变换器100的前端，多端口dc-dc变换器100的后端连接直流输出母线300与h桥逆变单元400。具体的，每个级联模块包括三个前级的h桥整流单元200和一个双向不对称功率流动的多端口dc-dc变换器100。每个级联模块后连上直流输出母线300和一个h桥逆变单元400，所以这是三级电力电子变压器，即先经过h桥整流单元200的ac-dc环节整流，在经过多端口dc-dc变换器100的dc-dc环节升频和升(降)压，最后再经过h桥逆变单元400的dc-ac环节逆变，从而实现整体的ac-ac变压变频。
19.上述模块化级联型电力电子变压器拓扑结构，可同时具有交流、直流输出端口，相对于传统工频变压器来讲优势更加明显，相对于隔离型双有源桥(dual active bridge，dab)级联型模块化电力电子变压器来讲，具有更少的电力电子器件，从而减少器件成本，并
且基于双向不对称功率流动理念更能提高系统效率。
20.在本实施例中，多端口dc-dc变换器100包括多个中压侧有源桥、低压侧有源桥、低压侧不控整流桥与具有多个绕组的变压器，多个中压侧有源桥的前端端口分别与多个h桥整流单元一一对应连接，变压器的多个原边分别与多个中压侧有源桥的后端端口一一对应连接，低压侧有源桥的前端连接变压器的副边，低压侧有源桥的后端经过低压侧不控整流桥连接直流输出母线。在较佳的实施例中，变压器35原边侧有三个中压侧有源桥，分别是第一中压侧有源桥1、第二中压侧有源桥2、第三中压侧有源桥3，副边是由低压侧有源桥4和低压侧不控整流桥5并联组成的一个副边混合桥。变压器35为多绕组高频变压器。
21.在多端口dc-dc变换器中，第一中压侧有源桥1、第二中压侧有源桥2、第三中压侧有源桥3与副边混合桥分别与变压器35的各绕组连接，形成一个多能量流动方向、相互之间隔离的能量路由器。其控制方式为通过各桥之间的移相角来控制各桥之间的能量传输大小和能量传输方向。变压器35原边的第一中压侧有源桥1、第二中压侧有源桥2、第三中压侧有源桥3超前副边混合桥，移相角为正，则功率正向传输，此时，低压侧有源桥4工作在不控整流模式下，低压侧不控整流桥5工作在不控整流模式下；若移相角为负，即变压器35原边第一中压侧有源桥1、第二中压侧有源桥2、第三中压侧有源桥3相角滞后副边混合桥，则功率反向传输，此时，低压侧有源桥4工作在有源桥模式下，而低压侧不控整流桥5由于二极管电压反偏，不进行功率反向传输。
22.在本实施例中，第一中压侧有源桥1包括第一功率开关管15、第二功率开关管16、第三功率开关管17、第四功率开关管18与第一输入电容6，第一输入电容6的正极端和第一功率开关管15的漏极相连，负极端与第三功率开关管17的源极相连，第一输入电容6起到中压直流侧稳压作用。第一功率开关管15的漏极和第二功率开关管的漏极相连，第一功率开关管15的源极和第三功率开关管17的漏极相连；第二功率开关管16的源极和第四功率开关管18的漏极相连；第三功率开关管17的源极和第四功率开关管18的源极相连。第二功率开关管16的源极与变压器35的第一原边之间串联连接有第一电感10。第一电感10是辅助电感，其与变压器35的第一原边漏感一起，发挥第一中压侧有源桥1与副边混合桥之间能量传输的作用。
23.同理，第二中压侧有源桥2包括第五功率开关管19、第六功率开关管20、第七功率开关管21，第八功率开关管22和第二输入电容7。第二输入电容7正极端和第五功率开关管19的漏极相连，负极端与第七功率开关管21的源极相连，第二输入电容7起到中压直流侧稳压作用。第五功率开关管19的漏极和第六功率开关管20的漏极相连，第五功率开关管19的源极和第七功率开关管21的漏极相连；第六功率开关管20的源极除了连接第二电感11第一端还和第八功率开关管22的漏极相连；第七功率开关管21的源极和第八功率开关管22的源极相连。第二中压侧有源桥2中，第六功率开关管20源极与第二电感11第一端相连，第二电感11的一端与变压器35中的第二原边正极端相连，原边负极端与第七功率开关管21的漏极相连。第二电感11是辅助电感，其与变压器35的第二原边漏感一起，发挥第二中压侧有源桥2与副边混合桥之间能量传输的作用。
24.第三中压侧有源桥3包括第九功率开关管23、第十功率开关管24、第十一功率开关管25，第十二功率开关管26和第三输入电容8。第三输入电容8正极端和第九功率开关管23的漏极相连，负极端与第十一功率开关管25的源极相连。第三输入电容8起到中压直流侧稳
压作用。第九功率开关管23的漏极和第十功率开关管24的漏极相连，第九功率开关管23的源极和第十一功率开关管25的漏极相连；第十功率开关管24的源极除了连接第三电感12第一端还和第十二功率开关管26的漏极相连；第十一功率开关管25的源极和第十二功率开关管26的源极相连。第三中压侧有源桥3中的第十功率开关管24源极与第三电感12第一端相连，第三电感12第二端与变压器35中的第三原边正极端相连，原边负极端与第十一功率开关管25的漏极相连。第三电感12是辅助电感，其与变压器35的第三原边漏感一起，发挥第三中压侧有源桥3与副边混合桥之间能量传输的作用。
25.在本实施例中，低压侧有源桥4包括第十三功率开关管27、第十四功率开关管28、第十五功率开关管29和第十六功率开关管30，第十三功率开关管27的漏极和第十四功率开关管28的漏极相连，第十三功率开关管27源极和第十五功率开关管29漏极相连；第十四功率开关管28源极和第十六功率开关管30漏极相连；第十五功率开关管29源极和第十六功率开关管30源极相连。低压侧不控整流桥5包括第一二极管31、第二二极管32、第三二极管33与第四二极管34，第一二极管31的阴极和第二二极管32的阴极相连，第一二极管31阳极与第三二极管33阴极相连；第二二极管32阳极与第四二极管34阴极相连；第三二极管33阳极和第四二极管34阳极相连。变压器35副边连接有并联的第四电感13与第五电感14，第一二极管31阳极经过第四电感13连接变压器35的副边；第十三功率开关管27源极经过第五电感14连接变压器35的副边。
26.在单移相控制策略控制下的功率平衡传输时，可以理解为三个独立的dab传输能量，与传统的三个dab不同的是，在本发明的多端口dc-dc变换器100的变压器副边由一个副边混合桥代替了传统三个dab中的h桥，从而实现双向不对称功率流动理念，并且副边混合桥内是低压侧有源桥4与低压侧不控整流桥5两者并联。可以通过控制第四电感13和第五电感14的比值来分配流经低压侧有源桥4和低压侧不控整流桥5的功率。通过上述的控制方法，在正向功率流动时我们可以使更多的功率流经低压侧不控整流桥5，相对较少功率流经低压侧有源桥4。从经济角度来看，较小的功率流经低压侧有源桥4意味着功率开关管的选型裕量相对较小，则成本降低；并且相比于全部应用功率开关管的传统dab变换器而言，更多的功率流经二极管也可降低成本。从可靠性角度来看，负载功率流经副边混合桥中并联的低压侧有源桥4和低压侧不控整流桥，变换器功率路径多，容错能力强，可靠性高。
27.上述模块化级联型电力电子变压器拓扑结构，各功率开关管存在反并联体二极管和漏源极寄生电容。第一中压侧有源桥1中第一功率开关管15、第四功率开关管18和第二中压侧有源桥2中第五功率开关管19、第八功率开关管22和第三中压侧有源桥3中第九功率开关管23、第十二功率开关管26同时开通，并且经过时间dt(即原边三个中压侧有源桥开通相角超前副边的副边混合桥开通相角φ，d为移相比，值为φ/2π，t为周期)副边混合桥中低压侧有源桥4的第十三功率开关管27和第十六功率开关管30开通；而在第一功率开关管15等开通后半个周期后同时关闭，接着第一中压侧有源桥1中第二功率开关管16、第三功率开关管17和第二中压侧有源桥2中第六功率开关管20、第七功率开关管21和第三中压侧有源桥3中第十功率开关管24、第十一功率开关管25同时开通并且在第十三功率开关管27等开通半周期后同时关闭接着第十四功率开关管28和第十五功率开关管29同时开通，由于原边三个中压侧有源桥开通相角超前副边的混合桥开通相角φ，所以功率正向流动。我们只需要控制原边三个h桥开通时间滞后副边混合桥开通时间就可使功率反向流动，而功率开关管开
通关断过程与正向流动类似。至于低压侧不控整流桥5中的二极管，只要电压正向偏置就会自动开通，无需控制。相比较于传统的dc-dc变换器，双向不对称功率流动多端口dc-dc变换器具有多种优势：其一，低压侧单元的开关器件电流应力较小，器件选取和组合形式灵活多样，可提升变压器容量上限，降低变压器成本；其二，在功率反向流动工况下低压侧单元可工作在非轻载状态，能够提高系统效率；其三，负载功率流经混合桥中并联的有源桥和不控整流桥，变换器功率路径多，容错能力强，可靠性高。
28.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。