单相电流型高频链矩阵式电力电子变压器拓扑及调制方法转让专利
申请号 : CN201910514374.8
文献号 : CN110212781B
文献日 : 2021-01-29
发明人 : 闫朝阳 , 康鸣 , 宋雪微 , 赵丁选 , 张祝新 , 刘爽
申请人 : 燕山大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种单相电流型高频链矩阵式电力电子变压器拓扑,其特征在于,包括依次连接的电源网络、前级矩阵变换器、高频变压器、后级矩阵变换器、输出滤波器和负载,所述前级矩阵变换器采用整体式驱动方式以及单极倍频正弦脉宽调制方式,所述后级矩阵变换器采用分立式驱动方式以及混合脉宽调制方式,所述电源网络的单相工频正弦交流电经所述前级矩阵变换器转化为正负交变的高频交流方波,然后经过所述高频变压器实现输出与输入之间的电气隔离并且耦合到高频变压器的副边,再经过所述后级矩阵变换器转化为工频交流电,最后所述工频交流电经过所述输出滤波器滤波后,给所述负载供电;
所述电源网络包括单相交流电源Us和输入滤波器,所述输入滤波器包括电感L和电容C,所述单相交流电源Us的正极与所述电感L的第一端相连;所述电感L的第二端与所述电容C的第一端连接,所述单相交流电源Us的负极与所述电容C的第二端连接;
所述单相电流型高频链矩阵式电力电子变压器拓扑采用基于变压器前级电路采用电流型整体式单极倍频正弦脉宽调制和后级电路采用电流型分立式混合脉宽调制相结合的解结耦调制策略,前级矩阵变换器采用电流型整体式驱动,即使用同一个驱动信号对双向开关管进行整体驱动;后级矩阵变换器采用电流型分立式驱动,即使用不同的驱动信号对双向开关管分别进行驱动,通过两种调制策略的结合,并且针对双向开关管引入“解结耦”调制思想,能够使矩阵变换器双向开关管更加合理的工作,控制整个电路进行同频同压,变频变压的输出;“解结耦”分为“解耦”和“结耦”两部分,解耦是将双向可控开关电路分解为单向可控开关电路,结耦是通过逻辑组合和变换生成“解耦”电路中各开关管的驱动信号,通过两种调制策略的结合,能使矩阵变换器双向开关管合理的工作,控制整个电路进行同频同压、变频变压的输出;
针对单相电流型高频链矩阵式电力电子变压器的拓扑结构,提出了适用于该拓扑的解结耦单极倍频电流型整体式单极倍频正弦脉宽调制及电流型分立式混合脉宽调制相结合的调制策略,即先根据解耦思想将矩阵式变换器解耦为两个普通的单相电流型高频链矩阵式电力电子变压器电路,再分别依据单极倍频电流型整体式单极倍频正弦脉宽调制及电流型分立式混合脉宽调制相结合的调制策略在正负工频半周期内对可控开关管进行控制,以实现能量的传递,工作过程如下:单相工频正弦交流电经前级矩阵变换器转化为正负交变的高频交流方波,然后经过高频变压器实现输出与输入之间的电气隔离并且耦合到高频变压器的副边,再经过后级矩阵变换器转化为工频交流电,最后输出交流电经过输出滤波器滤波后,给负载供电。
2.根据权利要求1所述的单相电流型高频链矩阵式电力电子变压器拓扑,其特征在于,所述前级矩阵变换器包括可控开关管Spah、可控开关管Snah、可控开关管Spal、可控开关管Snal、可控开关管Spbh、可控开关管Snbh、可控开关管Spbl和可控开关管Snbl,所述电感L的第二端与所述可控开关管Snal的集电极、所述可控开关管Spal的集电极相连;所述单相交流电源Us的负极与所述可控开关管Snbl的集电极、所述可控开关管Spbl的集电极相连;所述可控开关管Spah的集电极分别与所述可控开关管Spbh的集电极和所述高频变压器一次侧的正极相连;所述可控开关管Spah的发射极与所述可控开关管Snal的发射极相连;所述可控开关管Snal的集电极与所述可控开关管Spal的集电极相连;所述可控开关管Spal的发射极与所述可控开关管Snah的发射极相连;所述可控开关管Snah的集电极与所述可控开关管Snbh的集电极相连且与所述高频变压器一次侧的负极相连;所述可控开关管Spbh的发射极与所述可控开关管Snbl的发射极相连;所述可控开关管Snbl的集电极与所述可控开关管Spbl的集电极相连;所述可控开关管Spbl的发射极与所述可控开关管Snbh的发射极相连。
3.根据权利要求2所述的单相电流型高频链矩阵式电力电子变压器拓扑,其特征在于,所述可控开关管Spah和所述可控开关管Snal构成一个双向开关管,所述可控开关管Spbh和所述可控开关管Snbl构成一个双向开关管,所述可控开关管Snah和所述可控开关管Spal构成一个双向开关管,所述可控开关管Snbh和所述可控开关管Spbl构成一个双向开关管。
4.根据权利要求1所述的单相电流型高频链矩阵式电力电子变压器拓扑,其特征在于,所述后级矩阵变换器包括可控开关管Sp1、可控开关管Sp2、可控开关管Sp3、可控开关管Sp4、可控开关管Sn1、可控开关管Sn2、可控开关管Sn3和可控开关管Sn4;所述输出滤波器包括输出滤波电容Cf和输出滤波电感Lf;
所述可控开关管Sp1的集电极、所述可控开关管Sp3的集电极均与所述高频变压器二次侧的正极相连;所述可控开关管Sn1的集电极、所述可控开关管Sn3的集电极均与所述高频变压器二次侧的负极相连;所述可控开关管Sp1的发射极与所述可控开关管Sn2的发射极相连;所述可控开关管Sn2的集电极分别与所述可控开关管Sp2的集电极、所述输出滤波电容Cf的第一端、所述输出滤波电感Lf的第一端相连;所述可控开关管Sp2的发射极与所述可控开关管Sn1的发射极相连,所述可控开关管Sp3的发射极与所述可控开关管Sn4的发射极相连;所述可控开关管Sn4的集电极分别与所述可控开关管Sp4的集电极、所述输出滤波电容Cf的第二端相连,所述输出滤波电感Lf的第二端与所述负载的一端相连;所述输出滤波电容Cf的第二端与所述负载的另一端相连。
5.根据权利要求4所述的单相电流型高频链矩阵式电力电子变压器拓扑,其特征在于,所述可控开关管Sp1和所述可控开关管Sn2构成一个双向开关管,所述可控开关管Sp3和所述可控开关管Sn4构成一个双向开关管,所述可控开关管Sn1和所述可控开关管Sp2,所述可控开关管Sn3和所述可控开关管Sp4构成一个双向开关管。
6.一种基于权利要求1-5任意一项所述的单相电流型高频链矩阵式电力电子变压器拓扑的调制方法,其特征在于,所述调制方法基于变压器前级电路采用电流型整体式单极倍频正弦脉宽调制和后级电路采用电流型分立式混合脉宽调制相结合的解结耦调制策略,前级矩阵变换器采用电流型整体式驱动,即使用同一个驱动信号对双向开关管进行整体驱动;后级矩阵变换器采用电流型分立式驱动,即使用不同的驱动信号对双向开关管分别进行驱动,通过两种调制策略的结合,并且针对双向开关管引入“解结耦”调制思想,能够使矩阵变换器双向开关管更加合理的工作,控制整个电路进行同频同压,变频变压的输出;
针对单相电流型高频链矩阵式电力电子变压器的拓扑结构,提出了适用于该拓扑的解结耦单极倍频电流型整体式单极倍频正弦脉宽调制及电流型分立式混合脉宽调制相结合的调制策略,即先根据解耦思想将矩阵式变换器解耦为两个普通的单相电流型高频链矩阵式电力电子变压器电路,再分别依据单极倍频电流型整体式单极倍频正弦脉宽调制及电流型分立式混合脉宽调制相结合的调制策略在正负工频半周期内对可控开关管进行控制,以实现能量的传递,工作过程如下:单相工频正弦交流电经前级矩阵变换器转化为正负交变的高频交流方波,然后经过高频变压器实现输出与输入之间的电气隔离并且耦合到高频变压器的副边,再经过后级矩阵变换器转化为工频交流电,最后输出交流电经过输出滤波器滤波后,给负载供电。
说明书 :
单相电流型高频链矩阵式电力电子变压器拓扑及调制方法
技术领域
背景技术
换。与此同时,绕组之间还具有电气隔离的作用。由于传统变压器不具备电压、电流可控的能力,原、副边只要有一侧出现任何电能质量问题,都会传递到另一侧,影响另一侧的正常运行;传统变压器需要配置专门的继电保护装置进行保护。电力电子技术利用电力电子器
件对电能实现了变换和控制,它优化了电能使用,对改造传统产业和发展新兴产业创造了
条件。电力电子变压器正是在这一背景下出现的,其解决了传统电力电子变压器功能上的
不足,进一步推进了智能电网的发展。而且由于采用了高频变压器,大大降低了装置的体积和重量。因此,电力电子变压器可以实现各种交流和直流设备的即插即用功能。在电气隔离方面,电力电子变压器依靠全控型电力电子器件能够有效的隔离各个电力网络。当电力系
统中出现电力污染源,如高频谐波时,电力电子变压器能够有效地将其隔绝在某个特定区
域内以减小对电力系统的影响。当电力网络出现横向故障时,电力电子变压器也可以利用
对前后级线路的隔离来有效地减小故障的影响范围。通过对电力电子变压器的控制,可以
实现对分布式电源和各种用电负载的智能管理。并且,通过电力电子变压器来控制电网中
常见的电气参量,还可以改变功率因数且能够对电压波动进行调整。因此,必须对电力电子变压器进行深入的研究以弥补传统配电网变压器的不足。
发明内容
尖峰,实现了安全换流。后级采用电流型分立式混合脉宽调制(HPWM)调制方法,可减少开关动作的次数,降低装置的开关损耗,提高系统的效率。
流型分立式驱动方式以及混合脉宽调制方式,所述电源网络的单相工频正弦交流电经所述
前级矩阵变换器转化为正负交变的高频交流方波,然后经过所述高频变压器实现输出与输
入之间的电气隔离并且耦合到高频变压器的副边,再经过所述后级矩阵变换器转化为工频
交流电,最后所述工频交流电经过所述输出滤波器滤波后,给所述负载供电。
端与所述电容C的第一端连接,所述单相交流电压Us的负极与所述电容C的第二端连接。
Snbh的集电极相连且与所述高频变压器一次侧的负极相连;所述可控开关管Spbh的发射极与所述可控开关管Snbl的发射极相连;所述可控开关管Snbl的集电极与所述可控开关管Spbl的集电极相连;所述可控开关管Spbl的发射极与所述可控开关管Snbh的发射极相连。
相连;所述可控开关管Sn2的集电极分别与所述可控开关管Sp2的集电极、所述输出滤波电容Cf的第一端、所述输出滤波电感Lf的第一端相连;所述可控开关管Sp2的发射极与所述可控开关管Sn1的发射极相连,所述可控开关管Sp3的发射极与所述可控开关管Sn4的发射极相连;
所述可控开关管Sn4的集电极分别与所述可控开关管Sp4的集电极、所述输出滤波电容Cf的第二端相连,所述输出滤波电感Lf的第二端与所述负载的一端相连;所述输出滤波电容Cf的第二端与所述负载的另一端相连。
用电流型分立式混合脉宽调制相结合的解结耦调制策略,前级矩阵变换器采用电流型整体
式驱动,即使用同一个驱动信号对双向开关管进行整体驱动;后级矩阵变换器采用电流型
分立式驱动,即使用不同的驱动信号对双向开关管分别进行驱动。通过两种调制策略的结
合,并且针对双向开关管引入“解结耦”调制思想,能够使矩阵变换器双向开关管更加合理的工作,控制整个电路进行同频同压,变频变压的输出。
法简单,用整体式控制方式实现了矩阵变换器的安全换流,有效抑制了因变压器存在漏感
而产生的电压尖峰;后级矩阵变换器采用HPWM调制策略,采用分立式的控制方式减少了开
关动作的次数,降低了装置的开关损耗,提高了系统的效率。通过两种调制策略的结合,并且针对双向开关管引入“解结耦”调制思想,能够使矩阵变换器双向开关管更加合理的工
作,控制整个电路进行同频同压,变频变压的输出。
附图说明
例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
具体实施方式
实施例,都属于本发明保护的范围。
流型分立式驱动方式以及混合脉宽调制方式,所述电源网络的单相工频正弦交流电经所述
前级矩阵变换器转化为正负交变的高频交流方波,然后经过所述高频变压器实现输出与输
入之间的电气隔离并且耦合到高频变压器的副边,再经过所述后级矩阵变换器转化为工频
交流电,最后所述工频交流电经过所述输出滤波器滤波后,给所述负载供电。
控开关管Snbl的发射极相连;所述可控开关管Snbl的集电极与所述可控开关管Spbl的集电极相连;所述可控开关管Spbl的发射极与所述可控开关管Snbh的发射极相连。
相连;所述可控开关管Sn2的集电极分别与所述可控开关管Sp2的集电极、所述输出滤波电容Cf的第一端、所述输出滤波电感Lf的第一端相连;所述可控开关管Sp2的发射极与所述可控开关管Sn1的发射极相连,所述可控开关管Sp3的发射极与所述可控开关管Sn4的发射极相连;
所述可控开关管Sn4的集电极分别与所述可控开关管Sp4的集电极、所述输出滤波电容Cf的第二端相连,所述输出滤波电感Lf的第二端与所述负载的一端相连;所述输出滤波电容Cf的第二端与所述负载的另一端相连。
式混合脉宽调制相结合的解结耦调制策略,前级矩阵变换器采用电流型整体式驱动,即使
用同一个驱动信号对双向开关管进行整体驱动;后级矩阵变换器采用电流型分立式驱动,
即使用不同的驱动信号对双向开关管分别进行驱动。针对双向开关管,需引入“解结耦”调制思想,“解结耦”分为“解耦”和“结耦”两部分,解耦是将双向可控开关电路分解为单向可控开关电路,结耦即通过逻辑组合和变换生成“解耦”电路中各开关管的驱动信号,通过两种调制策略的结合,能使矩阵变换器双向开关管更加合理的工作,控制整个电路进行同频
同压,变频变压的输出。
一端与输入滤波器的电容C的一端、可控开关管Snal的集电极、可控开关管Spal的集电极相连;单相交流电压Us的负极与输入滤波器的电容C的另一端、可控开关管Snbl的集电极、可控开关管Spbl的集电极相连;可控开关管Spah的集电极分别与可控开关管Spbh的集电极和高频变压器T一次侧的正极相连;可控开关管Spah的发射极与可控开关管Snal的发射极相连;可控开关管Snal的集电极与可控开关管Spal的集电极相连;可控开关管Spal的发射极与可控开关管Snah的发射极相连;可控开关管Snah的集电极与可控开关管Snbh的集电极相连且与高频变压器T一次侧的负极相连;可控开关管Spbh的发射极与可控开关管Snbl的发射极相连;可控开关管Snbl的集电极与可控开关管Spbl的集电极相连;可控开关管Spbl的发射极与可控开关管Snbh的发射极相连;可控开关管Sp1的发射极,可控开关管Sp3的发射极均与高频变压器T二次侧的正极相连;可控开关管Sn1的发射极,可控开关管Sn3的发射极均与高频变压器T二次侧的负极相连;可控开关管Sp1的发射极与可控开关管Sn2的发射极相连;可控开关管Sn2的集电极分别与可控开关管Sp2的集电极、输出滤波电容Cf的一端、输出滤波电感Lf的一端相连;可控开关管Sp2的发射极与可控开关管Sn1的发射极相连,可控开关管Sp3的发射极与可控开关管Sn4的发射极相连;可控开关管Sn4的集电极分别与可控开关管Sp4的集电极、输出滤波电容Cf的另一端相连;输出滤波电感Lf的另一端与负载的一端相连;输出滤波电容Cf的另一端与负载的另一端相连。
针对双向开关管,需引入“解结耦”调制思想。“解结耦”分为“解耦”和“结耦”两部分,解耦是将双向可控开关电路分解为单向可控开关电路,结耦即通过逻辑组合和变换生成“解耦”电路中各开关管的驱动信号。基于解耦思想,将单相电流型AC-AC高频链矩阵式电力电子变压器拓扑解耦成正、负两组普通单相电流型AC-AC变换器,电流型矩阵式变换器的解耦思想有两个主要的特征:(1)正、负组中任意一组处于高频调制状态,另一组则必须处于全部关闭的状态。(2)正、负组的选择必须与高频变压器的输入电流或者是输出电压极性保持一致。
变换器解耦为两个普通的单相电流型AC-AC高频链矩阵式电力电子变压器电路,再分别依
据单极倍频SPWM调制及HPWM调制相结合的调制策略在正负工频半周期内对可控开关管进
行控制,以实现能量的传递。工作过程如下:
矩阵变换器转化为工频交流电,最后输出交流电经过输出滤波器滤波后,给负载供电。
Snal、Snbh、Snbl),高频变压器,后级单向可控开关组(Sn1、Sn2、Sn3、Sn4),输出滤波器及负载构成。根据解耦思想,正组单相电流型AC-AC电力电子变压器工作时,负组电力电子变压器可控开关管处于全部关闭的状态,同理,负组单相电流型AC-AC电力电子变压器工作时,正组单相电流型AC-AC电力电子变压器可控开关管处于全部关闭状态。正负两组单相电流型AC-
AC电力电子变压器交替进行工作,从而在高频变压器原边形成了正负交替的高频信号再耦
合到副边,最后输出交流电经过输出滤波器滤波后,给负载供电。
阵变换器采用电流型分立式驱动,即使用不同的驱动信号对双向开关管分别进行驱动,如
图5(b)所示。
50%且频率与变压器前级矩阵变换器同频的互补高频方波,矩阵变换器通过解耦后,在同
一桥臂的任意时刻有且仅有一个全控开关开通,整体驱动脉冲高低频相间。
AC-AC高频链矩阵式电力电子变压器在一个高频周期内的6种工作状态。其中VSpah、VSnal、VSpal、VSnah、VSpbh、VSnbl、VSpbl、VSnbh代表矩阵变换器前级开关管的驱动信号,VSp1、VSp4、VSn2、VSn3、VSp2、VSp3、VSn1、VSn4代表矩阵变换器后级开关管的驱动信号,up代表变压器原边电压波形,us代表变压器副边电流波形,ip代表变压器原边电流波形。
策略,对前后级矩阵变换器双向开关管进行控制,使得工作模态对称分布,同时,所提出的解结耦调制策略既可以实现电力电子变压器同压同频输出,也可以实现变压变频输出。