输入串联输出并联的固态变压器系统及辅助电源获取与输入电压均压的方法技术方案

一种输入串联、输出并联的固态变压器系统及辅助电源获取与输入电压均压的方法，所述的输入串联、输出并联的固态变压器系统包括在MV侧直流母线和LV侧直流母线之间的n个结构相同的子模块，每个子模块包括一个主功率电路和一个辅助电源电路，所述的辅助电源电路用于将中压侧的辅助电源经过变压器传输至低压侧，以获取低压侧辅助电源。该低压侧辅助电源用于给包括驱动器、控制器、传感器等低压、小功率的辅助模块进行供电。所述的主功率电路和辅助电源电路使用同一个互相解耦的四端口中压绝缘变压器，减小了系统的总体积，提高了功率密度。辅助电源电路采用基于低压侧辅助电源电压波动的双闭环控制，既实现了低压侧辅助电源电压稳压，又实现了输入串联、输出并联的固态变压器系统的均压控制，满足固态变压器的起机要求。满足固态变压器的起机要求。满足固态变压器的起机要求。

【技术实现步骤摘要】
输入串联输出并联的固态变压器系统及辅助电源获取与输入电压均压的方法


[0001]本专利技术涉及电力电子变换器，特别是一种输入串联输出并联的固态变压器系统及辅助电源获取与输入电压均压的实现方法。

技术介绍

[0002]固态变压器(Solid State Trasformer,以下简称为SST)能够将高达数十千伏的中压(MV)降低至几百伏的低压(LV)，SST的工作频率高、电能变换的级数少，因此其整机效率和功率密度都比传统变换器更高。近年来，SST已经被应用到充电桩、分布式电站、数据中心等各类领域，因此对于SST的研究不仅具有学术意义，还有极强的社会应用价值。
[0003]实际的中压SST，MV侧的辅助电源和LV侧的辅助电源(以下简称为APS)获取是非常重要的。在中高压的场合下，通常使用多个电容串联的方式，使用ISOP系统对直流母线电压的分压，实现高压大功率的能量传输。目前APS的获取方式主要分为两大类：集中式和分布式。
[0004]集中式APS系统由外部电源提供，用于MV侧和LV侧所有的辅助模块的电源供应。这种方式可靠性强，APS的供应与主功率电路无关，但是集中式APS需要绝缘系统中最高的电压等级，这对系统的隔离电压要求较高。
[0005]分布式APS系统从每个子模块中的直流母线电容上直接取电，每个子模块的每一侧的APS只需要用于给各自的辅助模块提供电源，因此通常只需要隔离子模块中的最高电压，这对绝缘电压要求大大降低。但是这种方式获取的APS依赖于直流母线电容的充电，因此LV侧APS的获取依赖于主功率电路的工作，使系统不能正常起动。同时，由于APS在应用中具有恒功率负载的特性，在主功率未工作时，ISOP拓扑会导致输入电压不均衡甚至失稳。此外，有研究通过变压器或无线电能传输的形式从MV侧APS获取LV侧APS，虽然它能够解决起机策略的问题，但是该辅助电源系统的绝缘等级与主功率变压器同等级，装置的成本和体积大大增加，并且降低了功率密度(参见[1]D.Cottet et al.,"Integration technologies for a medium voltage modular multi
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level converter with hot swap capability,"in 2015IEEE Energy Conversion Congress and Exposition(ECCE),2015,pp.4502
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4509。
[0006][2]N.Yan,Q.Chen,D.Dong,and R.Burgos,"Design of Insulation System in High
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Frequency Auxiliary Power Supply for Medium Voltage Applications,"in 2020IEEE Energy Conversion Congress and Exposition(ECCE),2020,pp.3492
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3499。)。
[0007]现有APS的获取方式，一方面不能满足起机策略的要求，另一方面辅助电源的获取复杂，并且会带来输入电容不均压和不稳定的问题。因此现有的辅助电源获取方法需要进行改进。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的是针对现有技术中的缺陷，提供一种输入串联、输出并联的固态变压器系统(Input
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Series Output
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Parallel,以下简称为ISOP)及辅助电源获取与输入电压均压的方法，该系统通过输入串联、输出并联(ISOP)的连接方式提高系统的功率等级，利用集成的四端口中压绝缘变压器在实现主功率传输的同时，实现将MV侧APS传输至LV侧获取LV侧APS，并通过一种基于LV侧APS波动的双闭环控制策略，实现APS的稳定供应与输入电压的均压。
[0009]本专利技术是根据以下技术方案实现的：
[0010]一种输入串联、输出并联连接的固态变压系统，其特点在于，该固态变压系统包括在MV侧直流母线和LV侧直流母线之间的n个结构相同的子模块，
[0011]第一子模块的构成包括一个分压电容，主功率电路与辅助电源电路共用一个中压绝缘变压器，所述的分压电容的两端分别与一个主功率电路的逆变器的两个输入端连接，该主功率电路的逆变器的输出端通过一个LLC谐振电路与所述的中压绝缘变压器的主功率原边线圈相连，所述的中压绝缘变压器的主功率副边线圈的两端与主功率整流桥的两个输入端相连，所述的分压电容的较高压输入端还与一个反激变换器的输入端相连，该反激变换器具有一个较低压输出端，该较低压输出端的输出电压作为MV APS，与第一辅助模块相连，同时该较低压输出端与辅助电源电路的逆变器的输入端相连，该辅助电源电路的逆变器通过一个LCLC谐振电路连接到所述的中压绝缘变压器的辅助电源原边线圈，所述的四端口中压绝缘变压器的辅助电源副边线圈连接一个辅助电源整流桥，所述的主功率线圈和辅助电源线圈共用一个中压绝缘变压器，所述的主功率线圈和辅助电源线圈具有互相垂直的位置关系；
[0012]所述的第1、第2、第3、....、第k、....第n子模块的分压电容分别依次为C1、C2、C3、....、C
k
、.....、C
n
；
[0013]在所述的固态变压系统的输入端，即在所述的MV侧直流母线和地之间所述的第1、第2、第3、....、第k、....、第n子模块的分压电容C1、C2、C3、....、C
k
、....、C
n
依次串联；在所述的固态变压系统的输出端，所有n个辅助电源整流桥的输出端并联，得到的输出电压作为LVAPS，该并联输出与n个第二辅助模块的输入端相连；所有n个主功率整流桥的两个输出端分别并联后，再与低压侧主功率电路的负载相连。
[0014]上述输入串联、输出并联连接的固态变压系统实现辅助电源获取与输入电压均压的方法，该方法在固态变压器系统的主功率电路开始工作之前实施，包括下列步骤：
[0015]1)采用基于LV侧APS电压波动的双闭环控制策略，建立输出电压稳压控制内环和输入电压均压控制外环，内环和外环的控制器均使用PI控制器；
[0016]2)利用输出电压稳压控制内环，采用移相控制，对所述的辅助电源电路的输出电压(LV侧的APS电压)进行采样，输出电压稳压控制内环的PI控制器将辅助电源电路输出电压的采样值与根据第二辅助模块需要给定的输出电压的参考值(典型值为12V)做差(参考值在控制器中给出，取决于第二辅助模块需要的输入电压，典型值为12V)，做差后得到的误差信号经过内环PI控制器，得到辅助电源电路移相控制的移相角占辅助电源电路逆变器开关周期电角度的比例，进而改变所述的辅助电源电路的逆变器的占空比，实现输出的LV侧APS电压稳定在参考值；
[0017]3)利用输入电压均压控制外环，对辅助电源电路高压(MV)侧的电压本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种输入串联、输出并联连接的固态变压系统，其特征在于，该固态变压系统包括在MV侧直流母线和LV侧直流母线之间的n个结构相同的子模块，第1子模块的构成包括第1分压电容(C1)，主功率电路与辅助电源电路共用一个中压绝缘变压器(13)，所述的分压电容(C1)的两端分别与一个主功率电路的逆变器(11)的两个输入端连接，该主功率电路的逆变器(11)的输出端通过一个LLC谐振电路(12)与所述的中压绝缘变压器(13)的主功率原边线圈(131)相连，所述的中压绝缘变压器(13)的主功率副边线圈(132)的两端与主功率整流桥(14)的两个输入端相连，所述的第1分压电容(C1)的较高压输入端还与一个反激变换器(15)的输入端相连，该反激变换器(15)具有一个较低压输出端，该较低压输出端的输出电压为MV APS并与第一辅助模块(16)相连，同时该较低压输出端与辅助电源电路的逆变器(17)的输入端相连，该辅助电源电路的逆变器(17)通过一个LCLC谐振电路(18)连接到所述的中压绝缘变压器(13)的辅助电源原边线圈(133)，所述的四端口中压绝缘变压器(13)的辅助电源副边线圈(134)连接一个辅助电源整流桥(19)，所述的主功率线圈(131、132)和辅助电源线圈(133、134)共用一个中压绝缘变压器(13)，所述的主功率线圈(131、132)和辅助电源线圈(133、134)具有互相垂直的位置关系；所述的第1、第2、第3、....第k、....、第n子模块的分压电容分别依次为C1、C2、C3、....、C
k
、.....、C
n
；在所述的固态变压系统的输入端，即在所述的MV侧直流母线和地之间所述的第1、第2、第3、....、第k、....、第n子模块的分压电容C1、C2、C3、....、C
k
、....、C
n
依次串联；在所述的固态变压系统的输出端，所有n个辅助电源整流桥(19)的输出端并联，得到的输出电压为LVAPS，该并联输出电压LVAPS与n个第二辅助模块(110)的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宇鑫，刘鑫，高飞，刘东，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：