自耦電力電子變壓器的制作方法

本實用新型涉及電力技術領域，特別是涉及一種自耦電力電子變壓器。

背景技術：

在輸電系統(tǒng)中，主要起變壓和功率輸送作用的傳統(tǒng)自耦電力變壓器被廣泛應用。傳統(tǒng)自耦電力變壓器具有效率高、成本低、可靠性高、結構簡單等優(yōu)點，但是它也具有明顯的缺點，例如：體積和重量大、空載損耗大、輸送功率不可控、電能質量不可控以及自身消耗無功等。

隨著電力電子技術的發(fā)展，電力電子變壓器(PET，Power electronic transformer)或固態(tài)變壓器(SST，Solid-state transformer)的概念被提出用來改善和解決傳統(tǒng)電力變壓器存在的問題。PET結構上一般可分為輸入級、隔離級和輸出級三級結構，其基本特點是輸入輸出之間經過高頻DC/DC隔離，PET在電壓等級較低、容量較小的配電網已逐步開展示范和應用，但在輸電領域，由于電壓等級高、容量大，目前尚未有適用于輸電系統(tǒng)的PET，特別是能夠替代高效率的傳統(tǒng)自耦電力變壓器的PET。

技術實現要素：

基于此，為解決現有技術中的問題，本實用新型提供一種自耦電力電子變壓器，效率高，有功和無功功率可控性強，且體積小、重量輕，適用于輸電系統(tǒng)。

為實現上述目的，本實用新型實施例采用以下技術方案：

一種自耦電力電子變壓器，包括公用直流電容和若干個相單元電路，所述相單元電路包括第一電感、第二電感、N個H橋模塊以及N個隔離型雙向DC/DC模塊；

各個所述隔離型雙向DC/DC模塊的第一直流端口均與公共直流電容并接，各個所述隔離型雙向DC/DC模塊的第二直流端口均與對應的所述H橋模塊的直流端口連接；

第1至第N個H橋模塊的交流端口依次級聯，第1個H橋模塊的交流端口的第一出線與所述第一電感的一端連接，所述第一電感的另一端與第N個H橋模塊的交流端口的第二出線構成高壓端口；

第k個H橋模塊的交流端口的第一出線與第二電感的一端連接，所述第二電感的另一端與第N個H橋模塊的交流端口的第二出線構成低壓端口，其中2≤k≤N。

本實用新型的自耦電力電子變壓器，高壓端口與低壓端口電氣上不隔離，效率高于傳統(tǒng)的隔離型PET，傳送有功功率的方向、大小完全可控，而且高壓端口和低壓端口輸出無功功率的大小、方向獨立可控。另外，在隔離型雙向DC/DC模塊中可采用高頻或中頻變壓器，可使整個自耦電力電子變壓器具有體積小、重量輕的優(yōu)點。

附圖說明

圖1是本實用新型的自耦電力電子變壓器一種可選的結構示意圖；

圖2為本實用新型實施例中隔離型雙向DC/DC模塊和H橋模塊的電路結構示意圖；

圖3是本實用新型的自耦電力電子變壓器另一種可選的電路結構示意圖；

圖4為本實用新型實施例中自耦電力電子變壓器輸出功率的控制流程示意圖；

圖5為本實用新型實施例中計算H橋模塊交流端口基波電壓向量之和的方法的流程示意圖；

圖6為本實用新型實施例中針對于單相電路設計的一種自耦電力電子變壓器的電路結構示意圖；

圖7為圖6所示的自耦電力電子變壓器工作達到穩(wěn)態(tài)時的向量圖。

具體實施方式

下面將結合較佳實施例及附圖對本實用新型的內容作進一步詳細描述。顯然，下文所描述的實施例僅用于解釋本實用新型，而非對本實用新型的限定?；诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├?，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。應當理解的是，盡管在下文中采用術語“第一”、“第二”等來描述各種信息，但這些信息不應限于這些術語，這些術語僅用來將同一類型的信息彼此區(qū)分開。例如，在不脫離本實用新型范圍的情況下，“第一”信息也可以被稱為“第二”信息，類似的，“第二”信息也可以被稱為“第一”信息。另外還需要說明的是，為了便于描述，附圖中僅示出了與本實用新型相關的部分而非全部內容。

圖1是本實用新型的自耦電力電子變壓器在一個實施例中的結構示意圖，如圖1所示，本實施例中的自耦電力電子變壓器包括公共直流電容C0和若干個相單元電路100，若自耦電力電子變壓器接入的是三相電，則自耦電力電子變壓器中相單元電路100的個數為三。

參照圖1所示，相單元電路100包括第一電感L1、第二電感L2、N個隔離型雙向DC/DC模塊10以及N個H橋模塊20。DC/DC變換是將一種直流電能轉換成另一種形式直流電能的技術，主要對電壓、電流實現變換。它在可再生能源、電力系統(tǒng)、交通、航天航空、計算機和通訊、家用電器、國防軍工、工業(yè)控制等領域得到廣泛的應用。通常DC/DC模塊都是單向工作的，單向DC/DC模塊只能將能量從一個方向傳到另一個方向，本實施例中采用隔離型雙向DC/DC模塊10則可以實現能量的雙向傳輸，功率不僅可以從輸入端流向輸出端，也能從輸出端流向輸入端。它的輸入輸出電壓極性不變，但輸入、輸出電流的方向可以改變。

在本實施例中，各個隔離型雙向DC/DC模塊10的第一直流端口(圖1中隔離型雙向DC/DC模塊10左邊的端口)均與公共直流電容C0并接，各個隔離型雙向DC/DC模塊10的第二直流端口(圖1中隔離型雙向DC/DC模塊10右邊的端口)均與對應的H橋模塊20的直流端口連接。

在本實施例中，第1至第N個H橋模塊20的交流端口依次級聯，即第1個H橋模塊20交流端口的第二出線(即圖2中H橋模塊20交流端口下方的出線)與第2個H橋模塊20交流端口的第一出線(即圖2中H橋模塊20交流端口上方的出線)相連，第2個H橋模塊20交流端口的第二出線與第3個H橋模塊20交流端口的第一出線相連，以此類推，第N-1個H橋模塊的第二出線與第N個H橋模塊的第一出線相連。第1個H橋模塊20的交流端口的第一出線與第一電感L1的一端連接，第一電感L1的另一端與第N個H橋模塊20的交流端口的第二出線構成高壓端口；第k個H橋模塊20的交流端口的第一出線與第二電感L2的一端連接，第二電感L2的另一端與第N個H橋模塊20的交流端口的第二出線構成低壓端口，其中2≤k≤N。

本實施例中的自耦電力電子變壓器，高壓端口與低壓端口電氣上不隔離，效率高于傳統(tǒng)的隔離型PET，元器件更少，成本更低，而且傳送有功功率的方向、大小完全可控。高壓端口和低壓端口輸出無功功率的大小、方向獨立可控。

在一種可選的實施方式中，隔離型雙向DC/DC模塊10為雙向全橋DC/DC模塊，參照圖2所示，隔離型雙向DC/DC模塊10包括全控開關管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8，二極管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8，變壓器T1以及電容C1。其中，全控開關管Q1的源極分別與全控開關管Q3的漏極、二極管D1的陽極以及二極管D3的陰極連接；全控開關管Q2的源極分別與全控開關管Q4的漏極、二極管D2的陽極連接以及二極管D4的陰極連接，全控開關管Q2的漏極分別與全控開關管Q1的漏極、二極管D1的陰極連接；全控開關管Q3的源極分別與二極管D3的陽極、全控開關管Q4的源極以及二極管D4的陽極連接。

變壓器T1初級繞組的一端與全控開關管Q3的漏極連接，另一端與全控開關管Q4的漏極連接。在另一種可選的實施方式中，也可以在變壓器T1的初級繞組串接電感L3，即變壓器T1初級繞組的一端通過電感L3與全控開關管Q3的漏極連接，另一端與全控開關管Q4的漏極連接。

全控開關管Q5的源極分別與全控開關管Q7的漏極、二極管D5的陽極以及二極管D7的陰極連接；全控開關管Q6的源極分別與全控開關管Q8的漏極、二極管D6的陽極以及二極管D8的陰極連接，全控開關管Q6的漏極分別與全控開關管Q5的漏極、二極管D5的陰極連接；全控開關管Q7的源極分別與二極管D7的陽極、全控開關管Q8的源極以及二極管D8的陽極連接；變壓器T1次級繞組的一端與全控開關管Q7的漏極連接，另一端與全控開關管Q8的漏極連接；電容C1的一端與全控開關管Q6的漏極連接，另一端與全控開關管Q8的源極連接。

參照圖3所示，且一并參照圖1、圖2，全控開關管Q1的漏極以及全控開關管Q3的源極構成隔離型雙向DC/DC模塊10的第一直流端口；全控開關管Q6的漏極以及全控開關管Q8的源極構成隔離型雙向DC/DC模塊10的第二直流端口。隔離型雙向DC/DC模塊10的第一直流端口與公共直流電容C0并接，隔離型雙向DC/DC模塊10的第二直流端口與H橋模塊20的直流端口連接。

在隔離型雙向DC/DC模塊中，全控開關管可以是MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金屬-氧化物半導體場效應晶體管)，也可以是IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管)，或者其他的全控開關器件。對于各個相單元電路100中的各個隔離型雙向DC/DC模塊10，其中的全控開關管均可以任意選擇，例如全控開關管Q1選擇使用MOSFET，而全控開關管Q2選擇使用IGBT，本實用新型對此不作限制。

在隔離型雙向DC/DC模塊10中，變壓器T1可采用高頻或中頻變壓器，其體積小、重量輕，從而使得整個自耦電力電子變壓器的體積小、重量輕。

在一種可選的實施方式中，參照圖2所示，H橋模塊20包括全控開關管Q9、Q10、Q11、Q12以及二極管D9、D10、D11、D12。全控開關管Q9的源極分別與全控開關管Q11的漏極、二極管D9的陽極以及二極管D11的陰極連接；全控開關管Q10的源極分別與全控開關管Q12的漏極、二極管D10的陽極連接以及二極管D12的陰極連接，全控開關管Q10的漏極分別與全控開關管Q9的漏極、二極管D9的陰極連接。全控開關管Q11的源極分別與二極管D11的陽極、全控開關管Q12的源極以及二極管D12的陽極連接。

參照圖2所示，全控開關管Q9的漏極和全控開關管Q11的源極構成H橋模塊20的直流端口，全控開關管Q11的漏極和全控開關管Q12的漏極構成H橋模塊20的交流端口。

在H橋模塊20中，全控開關管可以是MOSFET，也可以是IGBT，或者是其他的全控開關器件。對于各個相單元電路100中的各個H橋模塊20，其中的全控開關管均可以任意選擇，例如全控開關管Q9選擇使用MOSFET，而全控開關管Q12選擇使用IGBT，本實用新型對此不作限制

本實用新型中的自耦電力電子變壓器的輸出電壓、功率等均是可控的，下面就對自耦電力電子變壓器的輸出功率的控制原理進行說明。圖4示出了本實用新型中自耦電力電子變壓器輸出功率的一種控制流程示意圖。參照圖4所示，自耦電力電子變壓器輸出功率的一種控制流程包括以下步驟：

步驟S10，根據自耦電力電子變壓器的輸出功率目標值，計算所述自耦電力電子變壓器中第1個H橋模塊至第k-1個H橋模塊交流端口基波電壓向量之和，以及第k個H橋模塊至第N個H橋模塊交流端口基波電壓向量之和；

步驟S20，根據所述1個H橋模塊至第k-1個H橋模塊交流端口基波電壓向量之和對所述自耦電力電子變壓器中第1個H橋模塊至第k-1個H橋模塊進行控制；根據所述第k個H橋模塊至第N個H橋模塊交流端口基波電壓向量之和對所述自耦電力電子變壓器中第k個H橋模塊至第N個H橋模塊進行控制。

基于本實用新型實施例中的自耦電力電子變壓器，控制各個隔離型雙向DC/DC模塊10，使各個隔離型雙向DC/DC模塊10的第二直流端口的電壓穩(wěn)定在相應的設定值，以利于后續(xù)輸出功率控制的有效性和穩(wěn)定性。對于輸出功率的控制過程，在確定控制目標后，依據輸出功率目標值以及自耦電力電子變壓器中電感功率傳輸特性可以計算出自耦電力電子變壓器中第1個H橋模塊20至第k-1個H橋模塊20交流端口基波電壓向量之和以及第k個H橋模塊至第N個H橋模塊交流端口基波電壓向量之和然后對自耦電力電子變壓器中第1個H橋模塊20至第k-1個H橋模塊20、第k個H橋模塊20至第N個H橋模塊20進行控制，即根據給出第1個H橋模塊20至第k-1個H橋模塊20的驅動信號，使得第1個H橋模塊20至第N個H橋模塊20交流端口基波電壓向量之和為根據給出第k個H橋模塊20至第N個H橋模塊20的驅動信號，使得第k個H橋模塊20至第N個H橋模塊20交流端口基波電壓向量之和為

根據本實用新型實施例中的自耦電力電子變壓器，可以分別實現對自耦電力電子變壓器的低壓端口的輸出無功功率和輸出有功功率、高壓端口的輸出無功功率和輸出有功功率的控制。在一種可選的實施方式中，假設控制目標為自耦電力電子變壓器的低壓端口的輸出無功功率和輸出有功功率，以及高壓端口的輸出無功功率，則輸出功率目標值包括自耦電力電子變壓器的低壓端口的輸出無功功率目標值和輸出有功功率目標值以及高壓端口的輸出無功功率目標值。參照圖5所示，此時計算自耦電力電子變壓器中第1個H橋模塊至第k-1個H橋模塊交流端口基波電壓向量之和，以及第k個H橋模塊至第N個H橋模塊交流端口基波電壓向量之和的過程包括：

步驟S101，獲取公用直流電容兩端的電壓實測值，根據公用直流電容兩端的電壓實測值與電壓標準值的偏差，獲得所述自耦電力電子變壓器的高壓端口的輸出有功功率指令值；

步驟S102，根據所述自耦電力電子變壓器的低壓端口的輸出無功功率目標值和輸出有功功率目標值，獲得所述自耦電力電子變壓器中第k個H橋模塊至第N個H橋模塊交流端口基波電壓向量之和；

步驟S103，根據自耦電力電子變壓器的高壓端口的輸出無功功率目標值和所述輸出有功功率指令值，獲得自耦電力電子變壓器中第1個H橋模塊至第N個H橋模塊交流端口基波電壓向量之和；

步驟S104，根據所述自耦電力電子變壓器中第k個H橋模塊至第N個H橋模塊交流端口基波電壓向量之和，以及第1個H橋模塊至第N個H橋模塊交流端口基波電壓向量之和，獲得第1個H橋模塊至第k-1個H橋模塊交流端口基波電壓向量之和。

為了便于說明，下面以N＝3，k＝3為例，分析自耦電力電子變壓器的輸出功率的控制方法。

圖6為針對于單相電路設計的自耦電力電子變壓器，即相單元電路100僅有一個。參照圖6所示，U_CDC為公共直流電容兩端的電壓，U_H1DC、U_H2DC、U_H3DC分別為第1個H橋模塊20、第2個H橋模塊20、第3個H橋模塊的直流端口電壓；分別為高壓端口和低壓端口電壓向量，分別為第1個H橋模塊20至第3個H橋模塊交流端口基波電壓向量之和、第3個H橋模塊20交流端口基波電壓、第1個H橋模塊20和第2個H橋模塊20交流端口基波電壓之和；X_H、X_L分別為第一電感L1和第二電感L2在工頻情況下的電抗；為流過第一電感L1的電流，同時也是流過第1個H橋模塊20、第2個H橋模塊20的電流；為流過第二電感L2的電流；為流過第3個H橋模塊20的電流。圖7為自耦電力電子變壓器工作達到穩(wěn)態(tài)時的向量圖，在圖7中，U_cHd、U_cHq分別表示在方向及其垂直方向上的分量；U_cLd、U_cLq分別表示在方向及其垂直方向上的分量；δ_H、δ_L分別表示與的相角差和與的相角差；所有向量的角頻率為ω，旋轉方向如圖7所示。

由于N＝k＝3，故第k個H橋模塊至第N個H橋模塊交流端口基波電壓向量之和即為第3個H橋模塊20交流端口基波電壓第1個H橋模塊至第k-1個H橋模塊交流端口基波電壓向量之和即為第1個H橋模塊20和第2個H橋模塊20交流端口基波電壓向量之和第1個H橋模塊至第N個H橋模塊交流端口基波電壓向量之和即為第1個H橋模塊20至第3個H橋模塊交流端口基波電壓向量之和

假定低壓端口的輸出有功功率目標值為P_L，低壓端口的輸出無功功率目標值為Q_L，高壓端口的輸出無功功率目標值為Q_H。設高壓端口的輸出有功功率指令值為P_H，根據電感功率傳輸特性可知：

根據U_cLd、U_cLq、U_cHd、U_cHq的定義可知：

其中，U_cL為的模，U_cH為的模。

由圖7所示向量關系可知：

在計算自耦電力電子變壓器中第1個H橋模塊至第k-1個H橋模塊交流端口基波電壓向量之和，以及第k個H橋模塊至第N個H橋模塊交流端口基波電壓向量之和時，獲取公用直流電容C0兩端的電壓實測值，再根據公用直流電容C0兩端的電壓實測值與電壓標準值的偏差，獲得自耦電力電子變壓器的高壓端口的輸出有功功率指令值P_H，例如，對公用直流電容C0兩端的電壓實測值與電壓標準值的偏差進行PI控制，根據PI控制結果即可獲得自耦電力電子變壓器的高壓端口的輸出有功功率指令值P_H。

根據自耦電力電子變壓器的低壓端口的輸出無功功率目標值Q_L和輸出有功功率目標值P_L，按照式(1)和式(2)即獲得U_cLd和U_cLq，然后根據式(5)和式(6)計算出根據高壓端口的輸出無功功率目標值Q_H以及計算出的高壓端口的輸出有功功率指令值P_H，結合式(3)、式(4)可計算出U_cHd和U_cHq。根據式(7)和式(8)計算出再根據式(10)計算出此后，根據給出第1個H橋模塊20、第2個H橋模塊20的驅動信號，使得第1個H橋模塊20與第2個H橋模塊20交流端口基波電壓向量之和為同理，根據給出第3個H橋模塊20的驅動信號，使得第3個H橋模塊20交流端口基波電壓向量為至此實現低壓端口的輸出有功功率和輸出無功功率，以及高壓端口的輸出無功功率的控制。

上述控制方法僅為針對于本發(fā)明的自耦電力電子變壓器的輸出功率所采用的其中一種控制方法，還可以通過其他控制方法來實現輸出功率的控制，此處不再一一舉例說明。

綜上所述，本實用新型提供的自耦電力電子變壓器可實現傳輸功率可控、高/低壓端口無功功率獨立可控的控制目的，而且本實用新型自耦電力電子變壓器還具有效率高、體積小、重量輕等優(yōu)點，本實用新型的自耦電力電子變壓器能在輸電系統(tǒng)中得到廣泛地應用。

以上所述實施例的各技術特征可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術特征所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術特征的組合不存在矛盾，都應當認為是本說明書記載的范圍。

以上所述實施例僅表達了本實用新型的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對實用新型專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本實用新型的保護范圍。因此，本實用新型專利的保護范圍應以所附權利要求為準。