自耦电力电子变压器及其输出功率的控制方法和系统技术方案

本发明专利技术涉及一种自耦电力电子变压器及其输出功率的控制方法和系统，自耦电力电子变压器包括公共直流电容和若干个相单元电路，相单元电路包括第一电感、第二电感、N个H桥模块和N个隔离型双向DC/DC模块；各隔离型双向DC/DC模块一端并接公共直流电容，另一端与对应的H桥模块直流端口连接；各H桥模块交流端口依次级联，第一电感一端与第1个H桥模块交流端口第一出线连接，另一端与第N个H桥模块交流端口第二出线构成高压端口；第二电感一端与第k个H桥模块交流端口第一出线连接，另一端与第N个H桥模块交流端口第二出线构成低压端口，且2≤k≤N。本发明专利技术的自耦电力电子变压器具有效率高、功率可控性强、体积小等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电力
，特别是涉及一种自耦电力电子变压器及其输出功率的控制方法和系统。
技术介绍
在输电系统中，主要起变压和功率输送作用的传统自耦电力变压器被广泛应用。传统自耦电力变压器具有效率高、成本低、可靠性高、结构简单等优点，但是它也具有明显的缺点，例如：体积和重量大、空载损耗大、输送功率不可控、电能质量不可控以及自身消耗无功等。随着电力电子技术的发展，电力电子变压器(PET，Power electronic transformer)或固态变压器(SST，Solid-state transformer)的概念被提出用来改善和解决传统电力变压器存在的问题。PET结构上一般可分为输入级、隔离级和输出级三级结构，其基本特点是输入输出之间经过高频DC/DC隔离，PET在电压等级较低、容量较小的配电网已逐步开展示范和应用，但在输电领域，由于电压等级高、容量大，目前尚未有适用于输电系统的PET，特别是能够替代高效率的传统自耦电力变压器的PET。
技术实现思路
基于此，为解决现有技术中的问题，本专利技术提供一种自耦电力电子变压器，效率高，有功和无功功率可控性强，且体积小、重量轻，适用于输电系统。为实现上述目的，本专利技术实施例采用以下技术方案：一种自耦电力电子变压器，包括公共直流电容和若干个相单元电路，所述相单元电路包括第一电感、第二电感、N个H桥模块以及N个隔离型双向DC/DC模块；各个所述隔离型双向DC/DC模块的第一直流端口均与公共直流电容并接，各个所述隔离型双向DC/DC模块的第二直流端口均与对应的所述H桥模块的直流端口连接；第1至第N个H桥模块的交流端口依次级联，第1个H桥模块的交流端口的第一出线与所述第一电感的一端连接，所述第一电感的另一端与第N个H桥模块的交流端口的第二出线构成高压端口；第k个H桥模块的交流端口的第一出线与第二电感的一端连接，所述第二电感的另一端与第N个H桥模块的交流端口的第二出线构成低压端口，其中2≤k≤N。本专利技术还提供一种上述自耦电力电子变压器的输出功率的控制方法，包括如下步骤：根据自耦电力电子变压器的输出功率目标值，计算所述自耦电力电子变压器中第1个H桥模块至第k-1个H桥模块交流端口基波电压向量之和，以及第k个H桥模块至第N个H桥模块交流端口基波电压向量之和；根据所述1个H桥模块至第k-1个H桥模块交流端口基波电压向量之和对所述自耦电力电子变压器中第1个H桥模块至第k-1个H桥模块进行控制；根据所述第k个H桥模块至第N个H桥模块交流端口基波电压向量之和对所述自耦电力电子变压器中第k个H桥模块至第N个H桥模块进行控制。相应的，本专利技术还提供一种上述的自耦电力电子变压器的输出功率的控制系统，包括：计算模块，用于根据自耦电力电子变压器的输出功率目标值，计算所述自耦电力电子变压器中第1个H桥模块至第k-1个H桥模块交流端口基波电压向量之和，以及第k个H桥模块至第N个H桥模块交流端口基波电压向量之和；控制模块，用于根据所述1个H桥模块至第k-1个H桥模块交流端口基波电压向量之和对所述自耦电力电子变压器中第1个H桥模块至第k-1个H桥模块进行控制；以及根据所述第k个H桥模块至第N个H桥模块交流端口基波电压向量之和对所述自耦电力电子变压器中第k个H桥模块至第N个H桥模块进行控制。本专利技术的自耦电力电子变压器，高压端口与低压端口电气上不隔离，效率高于传统的隔离型PET。通过本专利技术提供的输出功率的控制方法和系统，自耦电力电子变压器传送有功功率的方向、大小完全可控，而且高压端口和低压端口输出无功功率的大小、方向独立可控。另外，在隔离型双向DC/DC模块中可采用高频或中频变压器，可使整个自耦电力电子变压器具有体积小、重量轻的优点。附图说明图1是本专利技术的自耦电力电子变压器一种可选的结构示意图；图2为本专利技术实施例中隔离型双向DC/DC模块和H桥模块的电路结构示意图；图3是本专利技术的自耦电力电子变压器另一种可选的电路结构示意图；图4为本专利技术实施例中自耦电力电子变压器的输出功率的控制方法的流程示意图；图5为本专利技术实施例中一种计算H桥模块交流端口基波电压向量之和的方法的流程示意图；图6为本专利技术实施例中针对于单相电路设计的一种自耦电力电子变压器的电路结构示意图；图7为图6所示的自耦电力电子变压器工作达到稳态时的向量图；图8为本专利技术的自耦电力电子变压器的输出功率的控制系统在一个实施例中的结构示意图。具体实施方式下面将结合较佳实施例及附图对本专利技术的内容作进一步详细描述。显然，下文所描述的实施例仅用于解释本专利技术，而非对本专利技术的限定。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。应当理解的是，尽管在下文中采用术语“第一”、“第二”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语，这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本专利技术范围的情况下，“第一”信息也可以被称为“第二”信息，类似的，“第二”信息也可以被称为“第一”信息。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本专利技术相关的部分而非全部内容。图1是本专利技术的自耦电力电子变压器在一个实施例中的结构示意图，如图1所示，本实施例中的自耦电力电子变压器包括公共直流电容C0和若干个相单元电路100，若自耦电力电子变压器接入的是三相电，则自耦电力电子变压器中相单元电路100的个数为三。参照图1所示，相单元电路100包括第一电感L1、第二电感L2、N个隔离型双向DC/DC模块10以及N个H桥模块20。DC/DC变换是将一种直流电能转换成另一种形式直流电能的技术，主要对电压、电流实现变换。它在可再生能源、电力系统、交通、航天航空、计算机和通讯、家用电器、国防军工、工业控制等领域得到广泛的应用。通常DC/DC模块都是单向工作的，单向DC/DC模块只能将能量从一个方向传到另一个方向，本实施例中采用隔离型双向DC/DC模块10则可以实现能量的双向传输，功率不仅可以从输入端流向输出端，也能从输出端流向输入端。它的输入输出电压极性不变，但输入、输出电流的方向可以改变。在本实施例中，各个隔离型双向DC/DC模块10的第一直流端口(图1中隔离型双向DC/DC模块10左边的端口)均与公共直流电容C0并接，各个隔离型双向DC/DC模块10的第二直流端口(图1中隔离型双向DC/DC模块10右边的端口)均与对应的H桥模块20的直流端口连接。在本实施例中，第1至第N个H桥模块20的交流端口依次级联，即第1个H桥模块20交流端口的第二出线(即图2中H桥模块20交流端口下方的出线)与第2个H桥模块20交流端口的第一出线(即图2中H桥模块20交流端口上方的出线)相连，第2个H桥模块20交流端口的第二出线与第3个H桥模块20交流端口的第一出线相连，以此类推，第N-1个H桥模块的第二出线与第N个H桥模块的第一出线相连。第1个H桥模块20的交流端口的第一出线与第一电感L1的一端连接，第一电感L1的另一端与第N个H桥模块20的交流端口的第二出线构成高压端口；第k个H桥模块20的交流端口的第一出线与第二电感L2的一端连接，第二电感L2的另一端与第N个H桥模块20的交流端口的第二出线构成低压端口，其中2≤k≤本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自耦电力电子变压器，其特征在于，包括公共直流电容和若干个相单元电路，所述相单元电路包括第一电感、第二电感、N个H桥模块以及N个隔离型双向DC/DC模块；各个所述隔离型双向DC/DC模块的第一直流端口均与公共直流电容并接，各个所述隔离型双向DC/DC模块的第二直流端口均与对应的所述H桥模块的直流端口连接；第1至第N个H桥模块的交流端口依次级联，第1个H桥模块的交流端口的第一出线与所述第一电感的一端连接，所述第一电感的另一端与第N个H桥模块的交流端口的第二出线构成高压端口；第k个H桥模块的交流端口的第一出线与第二电感的一端连接，所述第二电感的另一端与第N个H桥模块的交流端口的第二出线构成低压端口，其中2≤k≤N。

【技术特征摘要】
1.一种自耦电力电子变压器，其特征在于，包括公共直流电容和若干个相单元电路，所述相单元电路包括第一电感、第二电感、N个H桥模块以及N个隔离型双向DC/DC模块；各个所述隔离型双向DC/DC模块的第一直流端口均与公共直流电容并接，各个所述隔离型双向DC/DC模块的第二直流端口均与对应的所述H桥模块的直流端口连接；第1至第N个H桥模块的交流端口依次级联，第1个H桥模块的交流端口的第一出线与所述第一电感的一端连接，所述第一电感的另一端与第N个H桥模块的交流端口的第二出线构成高压端口；第k个H桥模块的交流端口的第一出线与第二电感的一端连接，所述第二电感的另一端与第N个H桥模块的交流端口的第二出线构成低压端口，其中2≤k≤N。2.根据权利要求1所述的自耦电力电子变压器，其特征在于，所述隔离型双向DC/DC模块包括全控开关管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8，二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8，变压器T1以及电容C1；全控开关管Q1的源极分别与全控开关管Q3的漏极、二极管D1的阳极以及二极管D3的阴极连接；全控开关管Q2的源极分别与全控开关管Q4的漏极、二极管D2的阳极连接以及二极管D4的阴极连接，全控开关管Q2的漏极分别与全控开关管Q1的漏极、二极管D1的阴极连接；全控开关管Q3的源极分别与二极管D3的阳极、全控开关管Q4的源极以及二极管D4的阳极连接；变压器T1初级绕组的一端与全控开关管Q3的漏极连接，另一端与全控开关管Q4的漏极连接；全控开关管Q5的源极分别与全控开关管Q7的漏极、二极管D5的阳极以及二极管D7的阴极连接；全控开关管Q6的源极分别与全控开关管Q8的漏极、二极管D6的阳极以及二极管D8的阴极连接，全控开关管Q6的漏极分别与全控开关管Q5的漏极、二极管D5的阴极连接；全控开关管Q7的源极分别与二极管D7的阳极、全控开关管Q8的源极以及二极管D8的阳极连接；变压器T1次级绕组的一端与全控开关管Q7的漏极连接，另一端与全控开关管Q8的漏极连接；电容C1的一端与全控开关管Q6的漏极连接，另一端与全控开关管Q8的源极连接；全控开关管Q1的漏极以及全控开关管Q3的源极构成所述隔离型双向DC/DC模块的第一直流端口；全控开关管Q6的漏极以及全控开关管Q8的源极构成所述隔离型双向DC/DC模块的第二直流端口。3.根据权利要求2所述的自耦电力电子变压器，其特征在于，所述全控开关管为MOSFET或IGBT。4.根据权利要求1至3中任一项所述的自耦电力电子变压器，其特征在于，所述H桥模块包括全控开关管Q9、Q10、Q11、Q12以及二极管D9、D10、D11、D12；全控开关管Q9的源极分别与全控开关管Q11的漏极、二极管D9的阳极以及二极管D11的阴极连接；全控开关管Q10的源极分别与全控开关管Q12的漏极、二极管D10的阳极连接以及二极管D12的阴极连接，全控开关管Q10的漏极分别与全控开关管Q9的漏极、二极管D9的阴极连接；全控开关管Q11的源极分别与二极管D11的阳极、全控开关管Q12的源极以及二极管D12的阳极连接；全控开关管Q9的漏极和全控开关管Q11的源极构成所述H桥模块的直流端口，全控开关管Q11的漏极和全控开关管Q12的漏极构成所述H桥模块的交流端口。5.根据权利要求4所述的自耦...

【专利技术属性】
技术研发人员：田兵，雷金勇，郭晓斌，李鹏，喻磊，
申请(专利权)人：南方电网科学研究院有限责任公司，
类型：发明
国别省市：广东;44