一种构建双极性直流微网的核心变流器及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种构建双极性直流微网的核心变流器，作为高压交流配网与低压双极性直流微网的接口变流器。包括输入滤波器、整流级与隔离级三部分构成；模块化设计。整流级采用H桥级联结构，模块化的隔离级采用改进的三端口有源全桥结构，输出母线对应相并联，从而实现变流器两侧电网电压、功率的匹配。本发明专利技术还公开了上述变流器的控制方法：整流级采用零序电压注入的矢量控制，隔离级采用电压、电流双闭环的解耦移相控制。本发明专利技术使得能量可在两电网间以及双极性直流微网的两母线间自由交换。实现传统构建双极性直流微网的工频变压器、整流器、电压平衡器的功能整合，从而优化了双极性直流微网的构建方式，提高了构建设备的功率密度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电力电子变流器
，特别是涉及一种构建双极性直流微网的接口变流器。
技术介绍
双极性供电的直流微电网，在光伏、燃料电池等新能源接入效率、数据中心与机房的供电效率、负载与微源接入的灵活性、供电的可靠性、系统接地等诸多方面都表现出先天的优势。但其构建较其他类型直流微网存在特殊性，具体表现为微网中线的构造，以及中线电压的平衡问题。由于双极性直流微网中，负载、微源存在不同的接入方式，会造成双极挂载功率的不均衡，由此导致中线电压不平衡。如一负载挂接在微网正负极母线之间，另一负载挂接在微网正极母线与中线间。传统双极性直流微网的构建，通常采用两电平或三电平整流器形成直流母线；将电容器组串联后再并入直流母线，电容串联的中点处引出中线，最终形成直流母线双极性供电；此种构建方法，通常还需要采用专用的电压均衡器，解决双极挂载的功率不均衡问题；采用工频变压器实现双极性直流微网与交流配网的隔离以及电压、功率的匹配问题。由此可见，当前双极性直流微网的构建方案存在如下不足：(1)两电平或三电平整流器，不具备中线电压的平衡能力，或平衡能力较弱；(2)需要设置独立的中线电压平衡器；(3)工频变压器占地较大、质量笨重、损耗大且噪音大，这已经成为实现高功率密度和高效率功率变换系统的一个主要障碍。
技术实现思路
所要解决的问题：为了克服上述现有构建双极性直流微网的困难与不足，本专利技术提出一种将工频变压器、整流器、电压平衡器整合在一起的新型变流器拓扑与控制方法，作为中压交流配网与低压双极性直流微网的互联接口核心变流器，从而优化双极性直流微网的构建方式，提高设备的功率密度。技术方案：一种构建双极性直流微网的核心变流器，其特征在于：①其拓扑包括输入滤波器、整流级与隔离级三部分结构；②模块化设计；所述输入滤波器采用电感型滤波器。输入滤波器输入端与中压交流配网相连，输出端与整流级交流侧相连；所述整流级交流侧与输入滤波器输出端相连；所述整流级直流侧与隔离级一次侧相连；所述隔离级二次侧与低压双极性直流微网相连；所述整流级包括整流器与输出滤波器，所述整流器每相均采用N个H桥级联结构，N为自然数。所述输出滤波器采用电容型滤波器，并联在每个H桥的直流侧；所述隔离级由3N个相同结构的单元构成，N与整流级H桥个数相同。每个单元包括一次结构、高频隔离变压器、二次结构三部分组成，所述隔离级单元一次与二次结构为三个H桥拓扑形成的三端口结构；所述隔离级一次侧指的是所有隔离级单元的一次结构；所述隔离级的二次侧指的是所有隔离级单元的二次结构；所述隔离级单元一次结构的H桥直流侧与整流级H桥的直流侧并联，交流侧与高频隔离变压器原边相连；所述隔离级单元二次结构的H桥1交流侧与高频隔离变压器副边绕组1相连，H桥1直流侧正极为双极性直流母线的正极，负极为双极性直流母线的中线；所述隔离级单元二次结构的H桥2交流侧与高频隔离变压器副边绕组2相连，H桥2直流侧正极为双极性直流母线的中线，负极为双极性直流母线的负极。隔离级单元二次结构的H桥1和H桥2直流侧均并联直流稳压电容，从而形成双极性直流母线结构；所述高频隔离变压器为单原边绕组、双副边绕组结构；所述模块化设计，是指由整流级的一个H桥与隔离级的一个单元构成一个模块。模块的交流侧为整流级H桥的交流侧，模块的直流侧为隔离级单元二次结构形成的双极性直流母线的正极、中线和负极；N个模块交流侧串联，N为自然数，构成交流侧单相结构，三个单相结构接成星形，从而构成三相结构，形成变流器的交流侧；所有模块的直流侧按照正极、中线、负极对应极性并联在一起，形成变流器双极母线结构的直流侧。从而最终形成本专利技术提出的核心变流器结构；所述核心变流器的交流侧与中压交流配网相连，所述核心变流器的直流侧与低压双极性直流微网相连；所述整流级与隔离级电路中的半导体开关均采用IGBT或MOSFET等全控型器件。与现有技术相比，本专利技术提供的一种构建双极性直流微网的核心变流器具有以下有益的技术效果：(1)新拓扑实现了工频变压器、两电平或三电平全桥拓扑的整流器以及电压平衡器的功能整合，使得构建双极性直流微网的设备数量减少，系统构建得以简化；(2)采用高频变压器替代工频变压器，实现交流配网与双极性直流微网的隔离，同时变压器高频化减小了构建双极性直流微网的设备体积；(3)新拓扑的隔离级模块采用三端口结构，在为变流器两侧电网提供能量交换通路的同时，也为直流微网中两极母线间提供了能量交换的通路；(4)模块化设计便于系统维护与扩展。附图说明图1是本专利技术提出的变流器三相拓扑图。图2是本专利技术提出的变流器模块拓扑图。图3是模块隔离级拓扑图。图4是H桥拓扑图。图5是模块隔离级高频变压器原副边电压波形图。图6是本专利技术变流器整流级控制框图。图7是模块隔离级控制框图。具体实施方式本法明提供的一种变流器，用于构建双极性直流微网，作为高压交流配网与低压双极性直流微网的接口变流器。采用级联H桥的整流级结构，匹配交流配网的高压；采用3N个三端口结构的高频隔离级实现变流器两侧电网的隔离；将隔离级的3N个三端口二次结构对应输出相并联，实现双极性直流微网的构建，以及双极性直流微网的电压、功率匹配。下面结合附图和具体方式对本专利技术作进一步详细地说明。图1所示为本法明提出的变流器三相拓扑，包括：输入滤波器2和变流器3。输入滤波器2的输入侧连接到中压交流配网1，输入滤波器2的输出侧连接到变流器3的输入端口。变流器3的输出端构成双极性直流微网，与双极性直流微网7相连。输入滤波器2采用电感型滤波器，可采用三个单相电感或采用一个三相电感，因此输入滤波器2具有三个输入端口与三个输出端口。变流器3包括三个完全相同的单相结构：A相结构4、B相结构5、C相结构6。每相输入端口包括两根输入线，输出端口包括三根输出线。A相结构4的输入线8与输入滤波器2的输出侧对应端口相连，B相结构5的输入线9与输入滤波器2的输出侧对应端口相连，C相结构6的输入线10与输入滤波器2的输出侧对应端口相连。A相结构4的输入线11与B相结构5的输入线12，以及C相结构6的输入线13连接在一起。从而构成变流器3交流侧的星形接线。A相结构4、B相结构5、C相结构6的三个输出线对应相并联在一起，形成双极性直流微网正极母线14、双极性直流微网中线15、双极性直流微网负极母线16。变流器3的单相结构由N个结构相同的模块构成，如图2所示。模块由模块整流级17和模块隔离级18组成。模块整流级17采用单相H桥结构，直流侧并联滤波电容24。模块整流级17交流侧与其他模块构成级联H桥结构，作为变流器3的整流级。以A相结构4中的某一模块为例，若该模块为A相结构4中的第一个模块，则模块交流侧输入线19即为A相结构4的输入线8，该模块交流侧输入线20与A相结构4中第二个模块交流侧输入线19相连；若该模块为A相结构4中的第N个模块，则该模块交流侧输入线19与A相结构4中的第N-1个模块的交流侧输入线20相连，A相结构4中第N个模块的交流侧输入线20即为A相结构4的输入线11；若该模块为A相结构4中的第k个模块，k为整数，取值范围[2，N-1]，则第k模块的交流侧输入线19与A相结构4中第k-1模块的交流侧输入线20相连，第k模块的交流侧输入线20与A相结构4中第k+1模块的交流本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种构建双极性直流微网的核心变流器，用于中压交流配网与低压双极性直流微网的能量双向互联，其特征在于：该变流器包括输入滤波器、整流级和隔离级三部分；采用模块化结构设计；所述输入滤波器输入端与中压交流配网相连，输出端与整流级的交流侧相连；整流级直流侧与隔离级一次侧相连；所述整流级直流侧与隔离级一次侧相连；所述隔离级二次侧与低压双极性直流微网相连；所述输入滤波器采用电感型滤波器；所述电感型滤波器可采用三个单相电感，也可采用一个三相电感；所述整流级为三相结构，包括整流器与输出滤波器；所述整流器的交流侧即为所述整流级的交流侧，采用星形连接，每相均采用N个H桥的级联结构，N为自然数；所述输出滤波器采用电容型滤波器，并联在整流器每个H桥的直流侧；所述隔离级由3N个相同结构的单元构成，N与整流级的H桥个数相同；每个单元包括一次结构、高频隔离变压器、二次结构三部分组成，所述隔离级单元一次与二次结构为三个H桥拓扑形成的三端口结构；所述隔离级一次侧指的是所有隔离级单元的一次结构；所述隔离级的二次侧指的是所有隔离级单元的二次结构；所述隔离级单元一次结构的H桥直流侧与整流级H桥的直流侧并联，交流侧与高频隔离变压器原边相连；所述隔离级单元二次结构的H桥1交流侧与高频隔离变压器副边绕组1相连，所述隔离级单元二次结构的H桥1直流侧正极为双极性直流母线的正极，负极为双极性直流母线的中线；所述隔离级单元二次结构的H桥2交流侧与高频隔离变压器副边绕组2相连，所述隔离级单元二次结构的H桥2直流侧正极为双极性直流母线的中线，负极为双极性直流母线的负极；隔离级单元二次结构的H桥1和H桥2直流侧均并联直流稳压电容，从而形成双极性直流母线结构；所述高频隔离变压器为单原边绕组、双副边绕组结构；所述模块化设计，是指由整流级的一个H桥与隔离级的一个单元构成一个模块；模块的交流侧为整流级H桥的交流侧，模块的直流侧为隔离级单元二次结构形成的双极性直流母线的正极、中线和负极；所有模块的直流侧按照正极、中线、负极对应并联在一起，形成核心变流器双极母线结构的直流侧；从而最终形成本专利技术提出的核心变流器结构。...

【技术特征摘要】
1.一种构建双极性直流微网的核心变流器，用于中压交流配网与低压双极性直流微网的能量双向互联，其特征在于：该变流器包括输入滤波器、整流级和隔离级三部分；采用模块化结构设计；所述输入滤波器输入端与中压交流配网相连，输出端与整流级的交流侧相连；整流级直流侧与隔离级一次侧相连；所述整流级直流侧与隔离级一次侧相连；所述隔离级二次侧与低压双极性直流微网相连；所述输入滤波器采用电感型滤波器；所述电感型滤波器可采用三个单相电感，也可采用一个三相电感；所述整流级为三相结构，包括整流器与输出滤波器；所述整流器的交流侧即为所述整流级的交流侧，采用星形连接，每相均采用N个H桥的级联结构，N为自然数；所述输出滤波器采用电容型滤波器，并联在整流器每个H桥的直流侧；所述隔离级由3N个相同结构的单元构成，N与整流级的H桥个数相同；每个单元包括一次结构、高频隔离变压器、二次结构三部分组成，所述隔离级单元一次与二次结构为三个H桥拓扑形成的三端口结构；所述隔离级一次侧指的是所有隔离级单元的一次结构；所述隔离级的二次侧指的是所有隔离级单元的二次结构；所述隔离级单元一次结构的H桥直流侧与整流级H桥的直流侧并联，交流侧与高频隔离变压器原边相连；所述隔离级单元二次结构的H桥1交流侧与高频隔离变压器副边绕组1相连，所述隔离级单元二次结构的H桥1直流侧正极为双极性直流母线的正极，负极为双极性直流母线的中线；所述隔离级单元二次结构的H桥2交流侧与高频隔离变压器副边绕组2相连，所述隔离级单元二次结构的H桥2直流侧正极为双极性直流母线的中线，负极为双极性直流母线的负极；隔离级单元二次结构的H桥1和H桥2直流侧均并联直流稳压电容，从而形成双极性直流母线结构；所述高频隔离变压器为单原边绕组、双副边绕组结构；所述模块化设计，是指由整流级的一个H桥与隔离级的一个单元构成一个模块；模块的交流侧为整流级H桥的交流侧，模块的直流侧为隔离级单元二次结构形成的双极性直流母线的正极、中线和负极；所有模块的直流侧按照正极、中线、负极对应并联在一起，形成核心变流器双极母线结构的直流侧；从而最终形成本发明提出的核心变流器结构。2.根据权利要求1所述变流器的控制方法，其特征在于：所述变流器整流级的控制目标：实现交流侧单位功率因数整流；整流级各H桥直流侧的电容电压均等于设定值Udc_ref；所述变流器的隔离级控制目标：实现能量在模块隔离级一次结构与模块隔离级二次结构的隔离传递；实现能量在模块隔离级二次结构的两H桥之间传递；双极性直流微网正极母线与双极性直流微网中线之间的电压Upo，双极性直流微网中线与双极性直流微网负极母线之间的电压Uon相等，且等于设定值，即Upo=Uon=Uline_ref；其中Uline_ref为双极性直流微网母线电压的设定值。3.根据权利要求2所述变流器的控制方法，其特征在于：所述整流级的控制采用如下五个步骤：（1）获取中压交流配网中A相电压的角度采样交流中压交流配网中三相电压ua、ub、uc，通过三相静止到两相旋转的坐标变换，得出两相旋转坐标系下的电压无功分量uq，变换公式如(1-3)所示：(1-3)计算出的uq经过PI控制器，得到角速度修正量Δω，将该修正量与100π相加，得到当前角速度ωs，ωs积分后与2π取模值(当该角度大于2π时，让其为0，从而保证获取的角度信息均在0~2π的范围内)，再将该角度θ反馈回公式(1-3)的坐标变换计算所用的角度中，形成控制闭环；该角度θ即为当前中压交流配网1中A相电压的角度；（2）解耦变流器交流侧输入电流采样所述变流器输入线的电流ias、ibs、ics；通过变换公式(1-4)，将三相电流变为旋转坐标系下的有功电流id和无功电流iq；公式中的角度采用步骤（1）中获得的θ值；(1-4)（3）控制变流器交流侧输入的电流分别计算变流器A、B、C各相第1模块至第N模块中各模块整流级H桥直流侧的并联滤波电容的电压之和Udc_a_sum、Udc_b_sum、Udc_c_sum，之后求取三者平均值得Udc_ave_sum，N*Udc_ref减去Udc_ave_sum经过PI控制器后，得到变流器整流级输入电流有功分量的给定值id_ref；将id_ref减去由步骤（2）获得的变流器输入有功电流id，经PI控制器后得到变流器交流输出电压的有功分量vd；“0”减去由步骤（2）获得的变流器输入无功电流iq，经PI控制器后得到变流器交流输出电压的无功分量vq；通过变换公式(1-5)，得到变流器交流侧所需合成的三相电压调制波uas、ubs、ucs；(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：张国澎，胡治国，杨明，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：河南;41