[发明专利]一种混合级联结构的多端口电力电子变压器及其控制方法

说明书

背景技术

近年来，随着大功率电力电子器件技术与现代控制理论的发展，一种通过电力电子技术实现电能变换的设备——电力电子变压器(Power Electronic Transformer，PET)正越来越受到国内外学者的重视。目前已有用于配电网的电力电子变压器设备投入运行。PET由于其高可控性、高供电质量以及谐波少的优良特性有着广阔的应用前景。但现有结构的电力电子变压器也存在一些缺点，特别是多电源场合下的应用。

传统的多电平拓扑结构，随着电平数和直流端口的增加，所需的电力电子器件以及拓扑的复杂程度都将大大增加。而本发明中，设计了基于混合级联结构的多端口电力电子变压器，级联H桥与多个直流输出子模块连接，特别适合于高电压变换到较低直流电压或直流侧电流数需求较多的应用场合，如分布式储能系统、电动汽车充电等。前级整流器桥臂电压变化率(dv/dt)和电流变化率(di/dt)都较低，开关器件承受的电压应力小，且直流侧电容的耐压值、容量和体积大大减小。交流侧电平数比传统电力电子变压器多，各次谐波含有率和总谐波畸变率也大大降低，从而可以减小甚至省去大容量的交流滤波器。全模块化的结构也使得容量拓展和冗余设计更为容易。

现有的技术方案一：包括模块化多电平整流器、隔离级和逆变器，模块化多电平整流器包括多个子模块，逆变器包括多个相互并联连接的功率变换模块。现有技术一的缺点：(1)高压侧电平数少，谐波含量较高。(2)逆变器电路包括多个功率变换模块，器件冗余，成本高。

现有的技术方案一：包括模块化多电平整流器、隔离级和逆变器，模块化多电平整流器包括多个子模块，逆变器包括多个相互并联连接的功率变换模块。现有技术一的缺点：(1)高压侧电平数少，谐波含量较高。(2)逆变器电路包括多个功率变换模块，器件冗余，成本高。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明提供一种基于混合级联结构的多端口电力电子变压器及其控制方法。

本发明的技术方案如下：

一种混合级联结构的多端口电力电子变压器，其特征在于：所述电力电子变压器拓扑结构包括整流级和中间隔离级，整流级包括M个混合级联模块，所述混合级联模块包括一个H桥整流模块和与之连接的n个子模块串联而成的模块，中间隔离级包括M*n个隔离模块；H桥整流模块的输入端作为混合级联模块的输入端，所述H桥整流模块的输入端通过级联后接入电网，所述H桥整流模块的输出端与所述n个子模块串联而成的模块的两个输入端连接，每个子模块的输出端作为混合级联模块的输出端，每个子模块具有两个输出端，M*n个整流子模块的输出端分别和与之相应的隔离模块的输入端连接；所述M*n个隔离模块的输出端均作为电力电子变压器的直流输出端，直流输出端根据所需电压等级和输出容量串并联；

所述子模块包括半桥电路和电容，所述半桥电路与所述电容并联。

所述的一种混合级联结构的多端口电力电子变压器，其特征在于：还包括DC-AC逆变器，所述的直流输出端口并联形成直流母线，所述直流母线接入所述DC-AC逆变器直流侧，所述的DC-AC逆变器交流侧连接低压交流电网。

所述的一种混合级联结构的多端口电力电子变压器，其特征在于：所述的DC-AC逆变器包括全桥逆变电路和LC滤波电路，所述的逆变电路由储能电容和六个带反并联二极管的IGBT构成，所述的储能电容包括上级电容和下级电容，上级电容和下级电容为串联关系。

所述的隔离模块包括由逆变电路、中频变压器、整流电路，所述的逆变电路输入端分别与所述的整流级的子模块输出端连接；所述的中频变压器高压侧分别与逆变电路输出端连接；所述的整流电路分别与中频变压器低压侧连接。

所述的逆变电路为单相全桥逆变电路，所述的逆变电路由四个带反并联二极管的IGBT构成；所述的整流电路为全桥整流电路，所述的整流电路由四个带反并联二极管的IGBT构成。

所述整流级的控制方法包括如下步骤：

步骤S1，获取高压交流电网侧电流Is；

步骤S2，获取整流级各子模块直流输出电压Udc1、Udc2…Udcn；

步骤S3，计算高压交流电网侧电流参考值Is^*；

步骤S4，根据电网侧电流参考值Is^*以及高压交流电网侧电流采样值Is对整流级H桥整流模块进行闭环控制；

步骤S5，计算整流级各子模块直流输出电压平均值V_ref；

步骤S6，根据各子模块直流输出平均电压V_ref与各子模块输出电压Udc1、Udc2…Udcn分别对整流子模块进行闭环控制。