一种具有真双极性直流输出能力的电力电子变压器及应用控制制造技术

本发明专利技术涉及一种具有真双极性直流输出能力的电力电子变压器，通过控制全桥/三电平组合式变换器（4）开关管，实现正极、负极直流输出电压的均衡，以及单极故障情况下，非故障极直流输出的正常运行；通过控制全桥变换器（2）与全桥/三电平组合式变换器（4），调节隔离变压器（3）的原副边电压，实现输入、输出侧功率的双向传输调节；可实现变换器中开关器件的软开关，提升变换器运行效率；所设计变换器可与级联H桥变换器或模块化多电平变换器组合，构成中高压交流输入、真双极性直流输出的电力电子变压器；也可以通过模块的串并联，构成具有真双极性直流输出能力的直流变压器。

A Power Electronic Transformer with True Bipolar DC Output Capability and Its Application Control

The invention relates to a power electronic transformer with true bipolar DC output capability, which realizes the balancing of positive and negative DC output voltage by controlling the full bridge/three-level combined converter (4) switch, and the normal operation of non-fault DC output under unipolar fault; and by controlling the full bridge converter (2) and the full bridge/three-level combined converter (4). (3) adjusting the primary and secondary side voltage of isolation transformer (3) to realize the bidirectional transmission regulation of input and output power; realizing soft switching of switching devices in converter to improve the operation efficiency of converter; the designed converter can be combined with cascaded H-bridge converter or modular multi-level converter to form a power electronic transformer with medium and high voltage AC input and true bipolar DC output. It can also form a DC transformer with true bipolar DC output capability through series-parallel connection of modules.

【技术实现步骤摘要】
一种具有真双极性直流输出能力的电力电子变压器及应用控制
本专利技术涉及一种具有真双极性直流输出能力的电力电子变压器及应用控制，属于电能变换装置

技术介绍
在低压直流配电系统中，主要有伪双极与真双极性母线两种系统结构。对于伪双极性直流配电系统，正负极母线电压不可独立调节，当发生单极开路时，非故障极不能继续运行，造成整体直流配电系统的瘫痪。而对于真双极性直流配电系统，正负极直流母线电压可独立调节，即使发生了单极直流母线故障，非故障极仍可正常运行。目前，为了形成真双极性直流配电系统，一般使用两套变换器/变流器装置，将变换器的中压直流/中压交流侧端口并联，低压直流端口串联，从而形成真双极性直流输出。该方式需要使用两套变换器/变流器装置，大大增加了实际装置的体积与成本，不利于直流配电技术的推广与发展。因此，采用具有真双极性直流输出的变换器，可以大大减少变换器/变流器装置的体积，降低直流配电系统的初期投入成本。然而，目前双极性输出的变换器中往往都是伪双极输出，虽然可在正负极负载不平衡的情况下，平衡正负极直流母线电压，但在单极短路或开路故障情况下，非故障极仍无法运行。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种具有真双极性直流输出能力的电力电子变压器，作为子模块应用于电力电子变压器/直流变压器中，实现真双极性低压直流输出，构成真双极性低压直流配电系统，减少装置体积，降低系统初期成本。本专利技术为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本专利技术设计了一种具有真双极性直流输出能力的电力电子变压器，包括输入侧滤波电路、全桥变换器、隔离变压器、全桥/三电平组合式变换器、输出侧滤波电路；其中，输入侧滤波电路包括直流电容Cin和直流电源Vin，直流电容Cin与直流电源Vin的正负端相并联；输入侧滤波电路的输出端与全桥变换器的输入端相连接；隔离变压器包括传输电感Ls和中高频变压器Tr，传输电感Ls与中高频变压器Tr的原边绕组或副边绕组相串联；全桥变换器的输出端对接隔离变压器中原边绕组的两端；输出侧滤波电路包括第一直流输出滤波电容Co1和第二直流输出滤波电容Co2，第一直流输出滤波电容Co1的正极连接真双极性直流输出的正极，第二直流输出滤波电容Co2的负极连接真双极性直流输出的负极，第一输出滤波电容Co1与第二输出滤波电容Co2串联，第一输出滤波电容Co1与第二输出滤波电容Co2之间串联线路上的任意位置对接真双极性直流输出的接地极；全桥/三电平组合式变换器包括两个桥臂，第一桥臂由第一开关管Q1与第二开关管Q2串联组成，第一开关管Q1与第二开关管Q2之间串联线路上的任意位置对接隔离变压器中副边绕组的其中一端；第二桥臂由第三开关管Q3至第八开关管Q8与中间电容Cdc组成，其中，第五开关管Q5与第六开关管Q6串联后与中间电容Cdc相并联，且第五开关管Q5集电极与中间电容Cdc的正极相对接，以及第六开关管Q6的发射极中间电容Cdc的负极相对接，第五开关管Q5与第六开关管Q6之间串联线路上的任意位置对接隔离变压器中副边绕组的另一端；第七开关管Q7与第八开关管Q8串联后与中间电容Cdc相并联，且第七开关管Q7集电极与中间电容Cdc的正极相对接，以及第八开关管Q8的发射极中间电容Cdc的负极相对接，第七开关管Q7与第八开关管Q8之间串联线路上的任意位置对接第一直流输出滤波电容Co1与第二直流输出滤波电容Co2之间串联线路上的任意位置；第三开关管Q3的发射极连接中间电容Cdc的正极，中间电容Cdc的负极连接第四开关管Q4的集电极；第一开关管Q1的集电极、第三开关管Q3的集电极与第一输出滤波电容Co1的正极相连接，第二开关管Q2的发射极、第四开关管Q4的发射极与第二输出滤波电容Co2的负极相连接。作为本专利技术的一种优选技术方案：所述全桥变换器包括第九开关管Q9至第十二开关管Q12，其中，第九开关管Q9与第十开关管Q10相串联，第十一开关管Q11与第十二开关管Q12相串联，且第九开关管Q9与第十开关管Q10串联整体与第十一开关管Q11与第十二开关管Q12串联整体相并联，输入侧滤波电路中直流电容Cin的两端即为输入侧滤波电路的输出端，第九开关管Q9与第十开关管Q10串联整体的两端即为全桥变换器的输入端，输入侧滤波电路中直流电容Cin的两端分别对接第九开关管Q9与第十开关管Q10串联整体的两端；第九开关管Q9与第十开关管Q10之间串联线路上的任意位置对接隔离变压器中原边绕组的其中一端，第十一开关管Q11与第十二开关管Q12之间串联线路上的任意位置对接隔离变压器中原边绕组的另一端。作为本专利技术的一种优选技术方案：所述全桥/三电平组合式变换器还包括谐振电感，中间电容Cdc与谐振电感相串联。与上述相对应，本专利技术所要解决的技术问题是提供一种针对具有真双极性直流输出能力的电力电子变压器的应用控制，作为子模块应用于电力电子变压器/直流变压器中，实现真双极性低压直流输出，构成真双极性低压直流配电系统，减少装置体积，降低系统初期成本，能够有效应对单极短路或开路故障情况。本专利技术为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本专利技术设计了一种针对具有真双极性直流输出能力的电力电子变压器的应用控制，所述全桥/三电平组合式变换器采用多种控制方式，构成如下六种模态；模态1.仅开通第一开关管Q1、第四开关管Q4、第六开关管Q6、第七开关管Q7，则隔离变压器中副边绕组端口产生Vo1+Vo2的电压，此时，中间电容Cdc与第二输出滤波电容Co2并联；模态2.仅开通第一开关管Q1、第三开关管Q3、第六开关管Q6、第八开关管Q8，则隔离变压器中副边绕组端口产生Vo1的电压，此时，中间电容Cdc与第一输出滤波电容Co1并联；模态3.仅开通第一开关管Q1、第三开关管Q3、第五开关管Q5、第八开关管Q8，则隔离变压器中副边绕组端口产生零电压，此时，中间电容Cdc与第一输出滤波电容Co1并联；模态4.仅开通第二开关管Q2、第四开关管Q4、第六开关管Q6、第七开关管Q7，则隔离变压器中副边绕组端口产生零电压，此时，中间电容Cdc与第二输出滤波电容Co2并联；模态5.仅开通第二开关管Q2、第四开关管Q4、第五开关管Q5、第七开关管Q7，则隔离变压器中副边绕组端口产生-Vo2电压，此时，中间电容Cdc与第二输出滤波电容Co2并联；模态6.仅开通第二开关管Q2、第三开关管Q3、第五开关管Q5、第八开关管Q8，则隔离变压器中副边绕组端口产生-Vo1-Vo2电压，此时，中间电容Cdc与第一输出滤波电容Co1并联；通过上述六种模态的组合，实现隔离变压器中副边绕组端口产生不同的电压波形，同时使直流输出电压Vo1与Vo2均衡。作为本专利技术的一种优选技术方案：通过控制全桥变换器与全桥/三电平组合式变换器在隔离变压器原、副边绕组端口产生的电压波形，调节所述电力电子变压器的功率流向与大小，控制直流输出电压Vo1与Vo2。作为本专利技术的一种优选技术方案：当正极直流输出发生短路故障时，保持第四开关管Q4与第七开关管Q7一直开通，使中间电容Cdc与第二输出滤波电容Co2并联，短路故障的正极可被切除，所述电力电子变压器工作在所述模态1、模态4、模态5；当负极直流输出发生短路故障时，保持第三开关管Q3与第八开关管Q8一直开通，使中间电容C本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有真双极性直流输出能力的电力电子变压器，其特征在于：包括输入侧滤波电路(1)、全桥变换器(2)、隔离变压器(3)、全桥/三电平组合式变换器(4)、输出侧滤波电路(5)；其中，输入侧滤波电路(1)包括直流电容Cin和直流电源Vin，直流电容Cin与直流电源Vin的正负端相并联；输入侧滤波电路(1)的输出端与全桥变换器(2)的输入端相连接；隔离变压器(3)包括传输电感Ls和中高频变压器Tr，传输电感Ls与中高频变压器Tr的原边绕组或副边绕组相串联；全桥变换器(2)的输出端对接隔离变压器(3)中原边绕组的两端；输出侧滤波电路(5)包括第一直流输出滤波电容Co1和第二直流输出滤波电容Co2，第一直流输出滤波电容Co1的正极连接真双极性直流输出的正极，第二直流输出滤波电容Co2的负极连接真双极性直流输出的负极，第一输出滤波电容Co1与第二输出滤波电容Co2串联，第一输出滤波电容Co1与第二输出滤波电容Co2之间串联线路上的任意位置对接真双极性直流输出的接地极；全桥/三电平组合式变换器(4)包括两个桥臂，第一桥臂由第一开关管Q1与第二开关管Q2串联组成，第一开关管Q1与第二开关管Q2之间串联线路上的任意位置对接隔离变压器(3)中副边绕组的其中一端；第二桥臂由第三开关管Q3至第八开关管Q8与中间电容Cdc组成，其中，第五开关管Q5与第六开关管Q6串联后与中间电容Cdc相并联，且第五开关管Q5集电极与中间电容Cdc的正极相对接，以及第六开关管Q6的发射极中间电容Cdc的负极相对接，第五开关管Q5与第六开关管Q6之间串联线路上的任意位置对接隔离变压器(3)中副边绕组的另一端；第七开关管Q7与第八开关管Q8串联后与中间电容Cdc相并联，且第七开关管Q7集电极与中间电容Cdc的正极相对接，以及第八开关管Q8的发射极中间电容Cdc的负极相对接，第七开关管Q7与第八开关管Q8之间串联线路上的任意位置对接第一直流输出滤波电容Co1与第二直流输出滤波电容Co2之间串联线路上的任意位置；第三开关管Q3的发射极连接中间电容Cdc的正极，中间电容Cdc的负极连接第四开关管Q4的集电极；第一开关管Q1的集电极、第三开关管Q3的集电极与第一输出滤波电容Co1的正极相连接，第二开关管Q2的发射极、第四开关管Q4的发射极与第二输出滤波电容Co2的负极相连接。...

【技术特征摘要】
1.一种具有真双极性直流输出能力的电力电子变压器，其特征在于：包括输入侧滤波电路(1)、全桥变换器(2)、隔离变压器(3)、全桥/三电平组合式变换器(4)、输出侧滤波电路(5)；其中，输入侧滤波电路(1)包括直流电容Cin和直流电源Vin，直流电容Cin与直流电源Vin的正负端相并联；输入侧滤波电路(1)的输出端与全桥变换器(2)的输入端相连接；隔离变压器(3)包括传输电感Ls和中高频变压器Tr，传输电感Ls与中高频变压器Tr的原边绕组或副边绕组相串联；全桥变换器(2)的输出端对接隔离变压器(3)中原边绕组的两端；输出侧滤波电路(5)包括第一直流输出滤波电容Co1和第二直流输出滤波电容Co2，第一直流输出滤波电容Co1的正极连接真双极性直流输出的正极，第二直流输出滤波电容Co2的负极连接真双极性直流输出的负极，第一输出滤波电容Co1与第二输出滤波电容Co2串联，第一输出滤波电容Co1与第二输出滤波电容Co2之间串联线路上的任意位置对接真双极性直流输出的接地极；全桥/三电平组合式变换器(4)包括两个桥臂，第一桥臂由第一开关管Q1与第二开关管Q2串联组成，第一开关管Q1与第二开关管Q2之间串联线路上的任意位置对接隔离变压器(3)中副边绕组的其中一端；第二桥臂由第三开关管Q3至第八开关管Q8与中间电容Cdc组成，其中，第五开关管Q5与第六开关管Q6串联后与中间电容Cdc相并联，且第五开关管Q5集电极与中间电容Cdc的正极相对接，以及第六开关管Q6的发射极中间电容Cdc的负极相对接，第五开关管Q5与第六开关管Q6之间串联线路上的任意位置对接隔离变压器(3)中副边绕组的另一端；第七开关管Q7与第八开关管Q8串联后与中间电容Cdc相并联，且第七开关管Q7集电极与中间电容Cdc的正极相对接，以及第八开关管Q8的发射极中间电容Cdc的负极相对接，第七开关管Q7与第八开关管Q8之间串联线路上的任意位置对接第一直流输出滤波电容Co1与第二直流输出滤波电容Co2之间串联线路上的任意位置；第三开关管Q3的发射极连接中间电容Cdc的正极，中间电容Cdc的负极连接第四开关管Q4的集电极；第一开关管Q1的集电极、第三开关管Q3的集电极与第一输出滤波电容Co1的正极相连接，第二开关管Q2的发射极、第四开关管Q4的发射极与第二输出滤波电容Co2的负极相连接。2.根据权利要求1所述一种具有真双极性直流输出能力的电力电子变压器，其特征在于：所述全桥变换器(2)包括第九开关管Q9至第十二开关管Q12，其中，第九开关管Q9与第十开关管Q10相串联，第十一开关管Q11与第十二开关管Q12相串联，且第九开关管Q9与第十开关管Q10串联整体与第十一开关管Q11与第十二开关管Q12串联整体相并联，输入侧滤波电路(1)中直流电容Cin的两端即为输入侧滤波电路(1)的输出端，第九开关管Q9与第十开关管Q10串联整体的两端即为全桥变换器(2)的输入端，输入侧滤波电路(1)中直流电容Cin的两端分别对接第九开关管Q9...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈武，舒良才，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32