模块化低压交直流混合电力电子变压器拓扑及其控制方法
专利汇可以提供模块化低压交直流混合电力电子变压器拓扑及其控制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种模 块 化低压交直流混合电 力 电子 变压器 拓扑及其控制方法，包括输入级、隔离级与输出级。输入级采用三相 串联 H桥变换器；隔离级采用双有源全桥变换器；输出级采用三相两电平变换器。每个H桥变换器的直流端口与一个双有源全桥变换器的一次侧直流端口连接；隔离级的双有源全桥变换器分为两组，它们的二次侧直流端口分别并联，其中第一组双有源全桥变换器的二次侧直流端口并联后的正极作为电力电子变压器低压直流端口的正极，第二组双有源全桥变换器的二次侧直流端口并联后的负极作为电力电子变压器低压直流端口的负极，第一组的负极与第二组的正极连接作为电力电子变压器低压直流端口的 中性点 。，下面是模块化低压交直流混合电力电子变压器拓扑及其控制方法专利的具体信息内容。
1.一种模块化低压交直流混合电力电子变压器拓扑，其特征在于，包括依次连接的输入级、隔离级和输出级；
所述输入级为三相串联H桥，每相包括2N个串联的单相H桥变换器，N为正整数；
所述隔离级包括第一组双有源桥变换器和第二组双有源桥变换器；两组双有源桥变换器均包括3N个双有源桥变换器；第一组的3N个双有源桥变换器的直流输入端分别与输入级A相的N个H桥变换器、输入级B相的N个H桥变换器、输入级C相的N个H桥变换器的直流端口连接；第二组的3N个双有源全桥变换器的直流输入端分别与输入级A相另外N个H桥变换器、输入级B相另外N个H桥变换器、输入级C相另外N个H桥变换器连接；第一组双有源桥变换器的直流输出端并联后的正极作为电力电子变压器低压直流端口的正极，第二组双有源全桥变换器的直流输出端并联后的负极作为电力电子变压器低压直流端口的负极，第一组双有源桥变换器的直流输出端并联后的负极与第二组双有源桥变换器的直流输出端并联后的正极连接作为电力电子变压器低压直流端口的中性点；低压直流端口的正极与中性点形成的端口为高侧低压直流端口，低压直流端口的负极与中性点形成的端口为低侧低压直流端口；
所述输出级为三相两电平变换器，三相两电平变换器的直流端口与所述电力电子变压器高侧低压直流端口的正极和低侧低压直流端口的负极连接，三相两电平变换器的交流端口用于接负载。
2.根据权利要求1所述的一种模块化低压交直流混合电力电子变压器拓扑，其特征在于，所述三相两电平变换器的交流端口连接有LC滤波器，所述LC滤波器的中点与电力电子变压器低压直流端口的中性点连接。
3.根据权利要求1所述的一种模块化低压交直流混合电力电子变压器拓扑，其特征在于，所述输入级的每个单相H桥变换器的直流端接有变换器电容C1。
4.根据权利要求1所述的一种模块化低压交直流混合电力电子变压器拓扑，其特征在于，所述双有源全桥变换器包括一次侧单相H桥变换器、高频变压器T和二次侧单相H桥变换器，所述一次侧单相H桥变换器的直流端口为双有源全桥的直流输入端，一次侧单相H桥的交流端口通过电抗器L1连接至高频变压器的一次侧线圈，高频变压器的二次侧线圈通过电抗器L2连接至二次侧单相H桥变换器的交流端口，二次侧单相H桥的直流端口为双有源全桥的直流输出端。
5.根据权利要求1所述的一种模块化低压交直流混合电力电子变压器拓扑，其特征在于，所述电力电子变压器低压直流端口的正极和低压直流端口的中性点之间连接有电容C21，电力电子变压器低压直流端口的负极和中性点之间连接有电容C22。
6.一种权利要求1所述的模块化低压交直流混合电力电子变压器拓扑的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：采样输入级与高侧低压直流端口对应的所有单相H桥变换器的电容C1的电压采样输入级与低侧低压直流端口对应的所有单相H桥变换器的电容C1的电压求取所有 和 的平均值Vdc_MV；其中k代表相，k∈A,B,C，i代表第i
个单相H桥变换器，i∈1,2......N
步骤2：将所有电容C1的电压平均值Vdc_MV与设定的输入级直流电压指令 比较，通过PI调节器输出有功电流指令
步骤3：根据无功需求确定无功电流指令
步骤4：检测输入级的交流侧电流iA、iB、iC，并计算电流iA、iB、iC的有功分量id和无功分量iq；
步骤5：将各相的有功分量id与有功电流指令 比较，将各相的无功分量iq与无功电流指令 进行比较，通过PI调节器输出输入级在dq坐标系下的有功电压指令 与无功电压指令步骤6：将各相有功电压指令 与无功电压指令 分别通过坐标变换后得到输入级在静止坐标系下的总的指令电压
步骤7：将与高侧低压直流端口连接的单相H桥变换器电容电压 去平均值得到高侧平均直流电压Vdc_MV_up，将与低侧低压直流端口连接的单相H桥变换器的电容电压去平均值得到低侧平均直流电压Vdc_MV_down；
步骤8：将步骤7中得到的高侧平均直流电压Vdc_MV_up与低侧平均直流电压Vdc_MV_down进行比较，通过PI调节器输出高侧和低侧输入级变换器电压指令的调节系数kMV，令1-kMV＝kMV_up作为高侧输入级变换器的调节系数；1+kMV＝kMV_down作为低侧输入级变换器的调节系数；
步骤9：将步骤8得到的高侧输入级变换器的调节系数kMV_up与步骤6得到的总的指令电压 相乘，作为高侧输入级变换器的指令电压；将步骤8得到的kMV_down与步骤6得到的总的指令电压 相乘，作为低侧输入级变换器的指令电压；
步骤10：采样高侧低压直流端口的电压Vdc_LV_up；
步骤11：将高侧低压直流端口的电压Vdc_LV_up与设定的高侧低压直流指令电压 比较，通过PI调节器输出隔离级高侧各个双有源全桥变换器的平均相移指令步骤12：将步骤1得到的输入级高侧各个单相H桥变流器的电容电压 与步骤7得到的高侧平均直流电压Vdc_MV_up比较，通过PI调节器输出各个单相H桥变流器对应的高侧隔离级双有源全桥变换器的相移调节量指令 实现输入级高侧电容电压平衡；
步骤13：将步骤11得到的隔离级高侧各个双有源全桥变换器的平均相移指令φavr_up与步骤12得到的高侧隔离级双有源全桥变换器的相移调节量指令 叠加作为隔离级高侧双有源全桥变换器的相移指令
步骤14：采样低侧低压直流端口的电压Vdc_LV_down；
步骤15：将低侧低压直流端口的电压Vdc_LV_down与设定的低侧低压直流指令电压比较，通过PI调节器输出隔离级低侧各个双有源全桥变流器的平均相移指令φavr_down；
步骤16：将步骤1得到的输入级低侧各个单相H桥变流器的电容电压 与低侧平均直流电压Vdc_MV_down比较，通过PI调节器输出各个单相H桥变流器对应的隔离级低侧双有源全桥变换器的相移调节量指令 实现输入级低侧电容电压平衡；
步骤17：将步骤15得到的隔离级低侧各个双有源全桥变流器的平均相移指令φavr_down与步骤16得到的隔离级双有源全桥变换器的相移调节量指令 指令叠加，作为隔离级低侧双有源全桥变换器的相移指令
模块化低压交直流混合电力电子变压器拓扑及其控制方法
技术领域
背景技术
质使用存在火灾和环境污染的潜在隐患。另外，它通常只能够实现电气隔离、电压等级变换
和功率双向传递等相对单一的功能，而无网侧电能质量调节、谐波传递隔绝、过载及故障保
护、负载电压调节等等功能。传统变压器的这些弱点使它无法满足一些诸如智能电网等新
应用场合的功能要求。在过去的几十年中，电力电子技术有了长足全面的快速发展，越来越
多的电力电子装置在电力系统中得到应用。在这个大背景下，针对传统变压器的上述弱点，
研究人员和工程师提出了电力电子变压器(Power Electronic Transformer)或者固态变
压器(Solid-State Transformer)加以解决。未来的电力电子变压器可以作为目前广泛应
用的传统配电变压器的替代品。
来的电力电子变压器的低压级需要同时提供双极性直流端口与三相四线制交流端口。能够
实现这一功能的电力电子变压器拓扑结构在目前的文献中未被提及或讨论过。
发明内容
A相的N个H桥变换器、输入级B相的N个H桥变换器、输入级C相的N个H桥变换器的直流端口连
接；第二组的3N个双有源全桥变换器的直流输入端分别与输入级A相另外N个H桥变换器、输
入级B相另外N个H桥变换器、输入级C相另外N个H桥变换器连接；第一组双有源桥变换器的
直流输出端并联后的正极作为电力电子变压器低压直流端口的正极，第二组双有源全桥变
换器的直流输出端并联后的负极作为电力电子变压器低压直流端口的负极，第一组双有源
桥变换器的直流输出端并联后的负极与第二组双有源桥变换器的直流输出端并联后的正
极连接作为电力电子变压器低压直流端口的中性点；低压直流端口的正极与中性点形成的
端口为高侧低压直流端口，低压直流端口的负极与中性点形成的端口为低侧低压直流端
口；
于接负载。
相H桥的交流端口通过电抗器L1连接至高频变压器的一次侧线圈，高频变压器的二次侧线
圈通过电抗器L2连接至二次侧单相H桥变换器的交流端口，二次侧单相H桥的直流端口为双
有源全桥的直流输出端。
求取所有 和 的平均值Vdc_MV；其中k代表相，k∈A,B,C，i代表第i
个单相H桥变换器，i∈1,2......N
去平均值得到低侧平均直流电压Vdc_MV_down；
数；
骤6得到的总的指令电压 相乘，作为低侧输入级变换器的指令电压；
侧隔离级双有源全桥变换器的相移调节量指令 实现输入级高侧电容电压平衡；
离级高侧双有源全桥变换器的相移指令
φavr_down；
双有源全桥变换器的相移调节量指令 实现输入级低侧电容电压平衡；
为隔离级低侧双有源全桥变换器的相移指令
侧低压输出端口，实现双极性直流输出，符合最新的直流配电网标准结构；
量，同时省去了对电压平衡器的控制，控制上更为简化。
容平均电压的平衡；通过高侧隔离级变换器实现输入级高侧各电容电压的平衡，通过低侧
隔离级变换器实现输入级低侧各电容平均电压的平衡。
附图说明
具体实施方式
本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含
义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术
语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间
接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解
上述术语在本发明中的具体含义。
电平变换器。输入级每个H桥变换器的直流端口与一个双有源全桥变换器的一次侧直流端
口连接；隔离级的双有源全桥变换器分为两组，两组双有源全桥变换器的二次侧直流端口
分别并联，其中第一组双有源全桥变换器的二次侧直流端口并联后的正极作为电力电子变
压器低压直流端口的正极，第二组双有源全桥变换器的二次侧直流端口并联后的负极作为
电力电子变压器低压直流端口的负极，第一组的负极与第二组的正极连接作为电力电子变
压器低压直流端口的中性点。输出级变换器的直流端口与电力电子变压器低压直流端口的
正、负极连接，交流端口与LC滤波器连接并供给三相负载；LC滤波器的中点与电力电子变压
器低压直流端口的中性点连接。该拓扑结构可以使电力电子变压器实现双极性低压直流输
出与三相四线制低压交流输出。
和所选用的电力电子器件水平决定。在本实施例中，输入电压为10kV(线电压)，输入级星形
连接，选用耐压3.3kV的IGBT并设定直流电压为2500V时，每相包括4个单相H桥变换器串联，
即2N＝4。输入级一共有12个单相H桥变换器。
换器电容C1；每相2N个单相H桥变换器的交流端口串联，并与一个电抗器G串联后与中压级
电网的一相连接，相与相之间的单相H桥变换器星型连接或三角形连接。
口高频变压器、两个电抗器L1以及电抗器L2组成。一次侧单相H桥变换器的直流端口为双有
源全桥的直流输入端，一次侧单相H桥的交流端口通过电抗器L1连接到高频变压器的一次
侧线圈，高频变压器的二次侧线圈通过电抗器L2连接到二次侧单相H桥变换器的交流端口，
二次侧单相H桥的直流端口为双有源全桥的直流输出端。
源全桥变换器的一次侧IGBT也采用3.3kV的IGBT，二次侧IGBT采用耐压等级650V的IGBT，高
频变压器的匝比为20:3。
相的2个H桥变换器连接；第二组的6个双有源全桥变换器与输入级A相余下的2个H桥变换
器、输入级B相余下的2个H桥变换器、输入级C相余下的2个H桥变换器连接。
侧低压直流母线电压为375V(即正极电压为+375V)，低侧低压直流母线电压也为375V(即负
极电压为-375V)，低压直流端口正负极之间的总电压为750V。高侧低压直流母线和中性点
之间连接有电容C21，低侧低压直流母线和中性点之间连接有电容C22。高侧低压直流母线
与中性点形成的端口为高侧低压直流端口，低侧低压直流母线与中性点形成的端口为低侧
低压直流端口。
的正、负极连接，三相两电平逆变器的交流端口经LC滤波器向负载供电，LC滤波器包括滤波
电感L3和滤波电容C3。从总的低压直流母线的中性点引出中性线，与LC滤波器及负载的中
点连接，构成三相四线制输出。
图6为低压直流端口的电压波形，可见正极为+375V，负极为-375V；图7为输出级的交流电压
波形，每相的输出电压为220V(即线电压0.38kV)；图8为输出级的交流电流波形，交流端口
的负载为三相不平衡的；图9为输出级的中线电流波形。结合图7、8、9，可见输出级能够在不
平衡负载下能输出标准的0.38kV三相交流电压。
压直流端口对应的所有单相H桥变换器的电容C1的电压 其中k代表相(k∈A,B,
C)，i代表第i个(i∈1,2......N)，求取所有 和 的平均值Vdc_MV；
相H桥变换器(简称低侧输入级变换器)的电容电压 去平均值得到低侧平均直流电
压Vdc_MV_down。
相乘，作为低侧输入级变换器的指令电压；
各个双有源全桥变换器的平均相移指令φavr_up；
侧隔离级双有源全桥变换器的相移调节量指令 实现输入级高侧电容电压平衡；
离级高侧双有源全桥变换器的相移指令
侧各个双有源全桥变流器的平均相移指令φavr_down；
双有源全桥变换器的相移调节量指令 实现输入级低侧电容电压平衡；
为隔离级低侧双有源全桥变换器的相移指令
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