一种适用于中高压场合的多电平变换器拓扑及控制方法技术

本发明专利技术公开的是一种适用于中高压场合的多电平变换器拓扑及控制方法，多电平变换器拓扑由第一隔直电容、第一移相电感、第一隔离变压器、原边多电平变换单元和副边变换单元构成；原边多电平变换单元由第一变换单元和第二变换单元串联构成。第一变换单元交流输出端和第二变换单元交流输出端与第一隔直电容、第一移相电感以及第一隔离变压器原边串联连接构成多电平变换器原边。两个变换单元串联的结构在相同功率器件的前提下，大大提升了单个模块的工作电压等级，降低了系统体积和造价；采用本发明专利技术提出的控制方法，减小输入输出电压不匹配情况下变压器电流，降低变换器损耗，同时保持第一变换单元和第二变换单元直流电压均衡。持第一变换单元和第二变换单元直流电压均衡。持第一变换单元和第二变换单元直流电压均衡。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于中高压场合的多电平变换器拓扑及控制方法


[0001]本专利技术涉及电力系统中高压电能变换领域，尤其涉及电力电子变压器应用。

技术介绍

[0002]以智能配电网应用中的电力电子变压器为例，相比传统工频变压器，因其具有双向潮流可控、电能质量治理、故障隔离、新能源直流直接接入等优势，且不需要油冷，有逐步取代工频变压器在电力系统中应用的趋势。
[0003]但是为满足高电压接入要求，高压端均为模块串联的拓扑，目前电力电子变压器的模块串联级数多、设备体积庞大，限制了电力电子变压器的应用推广。如何减少电力电子变压器的占地尺寸是目前的研究热点。
[0004]国内外有相关研究高压半导体功率器件来提高单功率模块工作电压等级，但是受制于半导体功率器件的发展进程，高压器件的工作特性和电压仍然不是很理想，且价格昂贵，中低压半导体功率器件仍然是应用主流。有研究单位提出通过多电平拓扑来提高单模块的工作电压等级，如CN110768534A，提出了三电平的电路结构，相同耐压器件条件下，工作电压提升了一倍，但是对单模块来说电压提升不多；或者更有提出一种五电平逆变电路拓扑(CN201520371204.6)，但是并没有提升单模块的工作电压等级。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是：克服电力电子现有技术中存在的模块级联数量多、设备体积庞大问题，提供一种适用于中高压场合的多电平变换器拓扑及控制方法。
[0006]为了达成上述目的，本申请采用的技术方案是：
[0007]一方面，本申请提供了一种适用于中高压场合的多电平变换器拓扑，所述多电平变换器拓扑包括第一隔直电容、第一移相电感、第一隔离变压器、原边多电平变换单元和副边变换单元；
[0008]所述副边变换单元用于将交流电变换为直流电；
[0009]所述原边多电平变换单元由第一变换单元和第二变换单元串联构成；所述第一变换单元和第二变换单元用于将直流电变换为交流电；所述第一变换单元和第二变换单元均是箝位型半桥三电平变换电路；
[0010]第一变换单元输入正端连接至直流电源输入正端，第一变换单元输入负端连接至第二变换单元输入正端，第二变换单元输入负端连接至直流电源输入负端；
[0011]所述第一变换单元交流输出端和第二变换单元交流输出端分别与所述第一隔直电容、第一移相电感以及第一隔离变压器原边组成的串联支路的两端连接，构成多电平变换器原边；
[0012]所述第一隔离变压器副边与副边变换单元的交流输入端连接构成多电平变换器副边。
[0013]进一步地，箝位型半桥三电平变换电路由第一均压电容、第二均压电容、第一功率
半导体开关、第二功率半导体开关、第三功率半导体开关、第四功率半导体开关以及第一箝位半导体开关器件、第二箝位半导体开关器件构成；
[0014]所述第一均压电容与第二均压电容串联连接，两端分别连接变换单元直流输入的正负端口；
[0015]所述第一功率半导体开关、第二功率半导体开关、第三功率半导体开关、第四功率半导体开关依次正向串联，两端分别连接变换单元直流输入的正负端口；
[0016]第一箝位半导体开关器件的阳极连接至第一均压电容与第二均压电容的串联连接点，第一箝位半导体开关器件的阴极连接至第一功率半导体开关与第二功率半导体开关的串联连接点；
[0017]第二箝位半导体开关器件的阴极连接至第一均压电容与第二均压电容的串联连接点，第二箝位半导体开关器件的阳极连接至第三功率半导体开关与第四功率半导体开关的串联连接点；
[0018]第二功率半导体开关和第三功率半导体开关的串联连接点是变换单元的交流输出端。
[0019]进一步地，所述第一箝位半导体开关器件和第二箝位半导体开关器件为：二极管或者可控的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或者绝缘栅双极型晶体管IGBT。
[0020]进一步地，所述副边变换单元为：四个功率半导体开关构成的全桥电路、箝位型半桥三电平变换电路或者T型半桥三电平变换电路。
[0021]进一步地，当副边变换单元是采用四个功率半导体开关构成的全桥电路，所述副边变换单元包括：第三十一、第三十二、第三十三、第三十四功率半导体开关和输出电容；
[0022]第三十一功率半导体开关和第三十二功率半导体开关正向串联连接，第三十三功率半导体开关和第三十四功率半导体开关正向串联连接，两个串联支路均与输出电容并联连接；第三十一功率半导体开关和第三十二功率半导体开关的串联连接点，以及第三十三功率半导体开关和第三十四功率半导体开关的串联连接点，作为副边变换单元的交流输入端。
[0023]进一步地，当副边变换单元是T型半桥三电平变换电路，所述副边变换单元包括：第三十一、第三十二、第三十三、第三十四功率半导体开关、第一输出电容和第二输出电容；
[0024]所述第三十一功率半导体开关和第三十二功率半导体开关正向串联后，与第一输出电容和第二输出电容组成的串联支路并联连接；
[0025]第三十三功率半导体开关的集电极连接至第三十一功率半导体开关和第三十二功率半导体开关的串联连接点，第三十三功率半导体开关的发射极连接第三十四功率半导体开关的发射极，第三十四功率半导体开关的集电极连接至第一输出电容与第二输出电容的串联连接点；
[0026]第三十一功率半导体开关和第三十二功率半导体开关的串联连接点，以及第一输出电容和第二输出电容的串联连接点，作为副边变换单元的交流输入端。
[0027]进一步地，当副边变换单元是箝位型半桥三电平变换电路，所述副边变换单元包括：第三十一、第三十二、第三十三、第三十四功率半导体开关、第一输出电容、第二输出电容、第三十一箝位半导体开关器件、第三十二箝位半导体开关器件构成；
[0028]所述第三十一功率半导体开关、第三十二功率半导体开关、第三十三功率半导体
开关、第三十四功率半导体开关依次正向串联组成功率串联支路；
[0029]所述第一输出电容与第二输出电容串联连接后与所述功率串联支路并联连接；
[0030]第三十一箝位半导体开关器件的阳极连接至第一输出电容与第二输出电容的串联连接点，第三十一箝位半导体开关器件的阴极连接至第三十一功率半导体开关与第三十二功率半导体开关的串联连接点；
[0031]第三十二箝位半导体开关器件的阴极连接至第一输出电容与第二输出电容的串联连接点，第三十二箝位半导体开关器件的阳极连接至第三十三功率半导体开关与第三十四功率半导体开关的串联连接点；
[0032]第三十二功率半导体开关和第三十三功率半导体开关的串联连接点，以及第一输出电容和第二输出电容的串联连接点，作为副边变换单元的交流输入端。
[0033]另一方面，本申请提供了上述适用于中高压场合的多电平变换器拓扑的控制方法，包括：输出电压控制器、最小电流控制器、均压控制器和脉冲调制器。
[0034]进一步地，所述输出电压控制器根据副边变换单元的直流侧电压参考值和副边变换本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于中高压场合的多电平变换器拓扑，其特征在于：所述多电平变换器拓扑包括第一隔直电容、第一移相电感、第一隔离变压器、原边多电平变换单元和副边变换单元；所述副边变换单元用于将交流电变换为直流电；所述原边多电平变换单元由第一变换单元和第二变换单元串联构成；所述第一变换单元和第二变换单元用于将直流电变换为交流电；所述第一变换单元和第二变换单元均是箝位型半桥三电平变换电路；第一变换单元输入正端连接至直流电源输入正端，第一变换单元输入负端连接至第二变换单元输入正端，第二变换单元输入负端连接至直流电源输入负端；所述第一变换单元交流输出端和第二变换单元交流输出端分别与所述第一隔直电容、第一移相电感以及第一隔离变压器原边组成的串联支路的两端连接，构成多电平变换器原边；所述第一隔离变压器副边与副边变换单元的交流输入端连接构成多电平变换器副边。2.如权利要求1所述的适用于中高压场合的多电平变换器拓扑，其特征在于：所述箝位型半桥三电平变换电路由第一均压电容、第二均压电容、第一功率半导体开关、第二功率半导体开关、第三功率半导体开关、第四功率半导体开关以及第一箝位半导体开关器件、第二箝位半导体开关器件构成；所述第一均压电容与第二均压电容串联连接，两端分别连接变换单元直流输入的正负端口；所述第一功率半导体开关、第二功率半导体开关、第三功率半导体开关、第四功率半导体开关依次正向串联，两端分别连接变换单元直流输入的正负端口；第一箝位半导体开关器件的阳极连接至第一均压电容与第二均压电容的串联连接点，第一箝位半导体开关器件的阴极连接至第一功率半导体开关与第二功率半导体开关的串联连接点；第二箝位半导体开关器件的阴极连接至第一均压电容与第二均压电容的串联连接点，第二箝位半导体开关器件的阳极连接至第三功率半导体开关与第四功率半导体开关的串联连接点；第二功率半导体开关和第三功率半导体开关的串联连接点是变换单元的交流输出端。3.如权利要求2所述的适用于中高压场合的多电平变换器拓扑，其特征在于：所述第一箝位半导体开关器件和第二箝位半导体开关器件为：二极管或者可控的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或者绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。4.如权利要求1所述适用于中高压场合的多电平变换器拓扑，其特征在于：所述副边变换单元为：四个功率半导体开关构成的全桥电路、箝位型半桥三电平变换电路或者T型半桥三电平变换电路。5.如权利要求4所述适用于中高压场合的多电平变换器拓扑，其特征在于：当副边变换单元是采用四个功率半导体开关构成的全桥电路，所述副边变换单元包括：第三十一、第三十二、第三十三、第三十四功率半导体开关和输出电容；第三十一功率半导体开关和第三十二功率半导体开关正向串联连接，第三十三功率半导体开关和第三十四功率半导体开关正向串联连接，两个串联支路均与输出电容并联连
接；第三十一功率半导体开关和第三十二功率半导体开关的串联连接点，以及第三十三功率半导体开关和第三十四功率半导体开关的串联连接点，作为副边变换单元的交流输入端。6.如权利要求4所述适用于中高压场合的多电平变换器拓扑，其特征在于：当副边变换单元是T型半桥三电平变换电路，所述副边变换单元包括：第三十一、第三十二、第三十三、第三十四功率半导体开关、第一输出电容和第二输出电容；所述第三十一功率半导体开关和第三十二功率半导体开关正向串联后，与第一输出电容和第二输出电容组成的串联支路并联连接；第三十三功率半导体开关的集电极连接至第三十一功率半导体开关和第三十二功率半导体开关的串联连接点，第三十三功率半导体开关的发射极连接第三十四功率半导体开关的发射极，第三十四功率半导体开关的集电极连接至第一输出电容与第二输出电容的串联连接点；第三十一功率半导体开关和第三十二功率半导体开关的串联连接点，以及第一输出电容和第二输出电容的串联连接点，作为副边变换单元的交流输入端。7.如权利要求4所述适用于中高压场合的多电平变换器拓扑，其特征在于：当副边变换单元是箝位型半桥三电平变换电路，所述副边变换单元包括：第三十一、第三十二、第三十三、第三十四功率半导体开关、第一输出电容、第二输出电容、第三十一箝位半导体开关器件、第三十二箝位半导体开关器件构成；所述第三十一功率半导体开关、第三十二功率半导体开关、第三十三功率半导体开关、第三十四功率半导体开关依次正向串联组成功率串联支路；所述第一输出电容与第二输出电容串联连接后与所述功率串联支路并联连接；第三十一箝位半导体开关器件的阳极连接至第一输出电容与第二输出电容的串联连接点，第三十一箝位半导体开关器件的阴极连接至第三十一功率半导体开关与第三十二功率半导体开关的串联连接点；第三十二箝位半导体开关器件的阴极连接至第一输出电容与第二输出电容的串联连接点，第三十二箝位半导体开关器件的阳极连接至第三十三功率半导体开关与第三十四功率半导体开关的串联连接点；第三十二功率半导体开关和第三十三功率半导体开关的串联连接点，以及第一输出...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪涛，文继锋，骆仁松，虞晓阳，张茂强，李响，
申请(专利权)人：国网江苏省电力有限公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：