[发明专利]一种适应不对称负载的自平衡电力电子变压器及控制方法

权利要求书

1.一种适应不对称负载的自平衡电力电子变压器，主要应用于三相中高压配电网，其特征在于：所述变压器拓扑由输入(整流)级、隔离级、输出(逆变)级组成，对外具有高压交流、低压交流和低压直流三种接口；工频交流输入信号从高压直流接口进入，经过所述输入级AC/DC整流器变换为高压直流电压信号，然后经过所述隔离级DC/DC斩波器转换为低压直流信号，最后再通过所述输出级DC/AC逆变器变换为工频低压交流信号，低压直流信号和工频低压交流信号分别从低压直流接口和低压交流接口输出，可同时实现对直流负载和交流负载的供电；

输入级的三相中，每相由3N(N为自然数)个完全相同的H桥功率变换器级联而成；每个输入级功率变换器的两个输出端之间并联有直流储能电容；每相的级联H桥功率变换器的公共交流侧连接电感后再与电网的一相输入连接，相与相之间可采用三角形连接或星形连接；

隔离级的三相完全相同，每相均由双有源桥功率变换器(DualActive Bridge，DAB)和高频变压器组成，且每个高频变压器增加一个副边绕组，经过一个二极管整流电路与DAB的副边输出并联到一起；

输出级的三相中，每相的输出功率变换器与DAB的副边功率变换器一一对应连接，交流输出侧通过滤波电感与交流负载连接。

2.根据权利要求1所述的一种适应不对称负载的自平衡电力电子变压器，其特征在于：隔离级的每个DAB输出端都并联有低压直流储能电容，每相各子模块的低压直流电容的输出端并联到一起，提供分布式电源和直流负载的接口。

3.根据权利要求1所述的一种适应不对称负载的自平衡电力电子变压器，其特征在于：各个单元的的输出级变换器的输出端，都分别交叉地连接到一起。

4.根据权利要求1所述的一种适应不对称负载的自平衡电力电子变压器，其特征在于：所述输入级功率变换器、隔离级DAB原、副边功率变换器和输出级功率变换器均采用全控型单相H桥变换器，变换器中的开关器件均采用大功率的IGBT。

5.根据权利要求1所述的一种适应不对称负载的自平衡电力电子变压器，其特征在于：所述输入级H桥变换器输出端与DAB原边H桥变换器的输入端相连接；DAB原边H桥变换器的输出端接高频变压器的原边，高频变压器的副边接DAB副边H桥变换器的输入端；DAB副边H桥变换器的输出端与输出级H桥变换器的输入端相连接；输出级H桥变换器的输出端通过滤波器连接三相交流负载。

6.根据权利要求1所述的一种适应不对称负载的自平衡电力电子变压器，其特征在于：高压直流母线位于输入级H桥变换器和DAB原边H桥变换器之间，低压直流母线位于DAB副边H桥变换器和输出级H桥变换器之间。

7.根据权利要求1所述的一种适应不对称负载的自平衡电力电子变压器，其特征在于：所述低压直流母线两侧可通过功率变换器连接光伏、风力发电系统、电动汽车充电桩或储能蓄电池；

隔离级DAB变换器副边连接的二极管整流电路，能够通过电路本身的工作特性自动实现级联H桥变换器之间的高压直流电容的电压均衡。

8.一种适应不对称负载的自平衡电力电子变压器控制方法，其特征在于：输入级采用基于级联电压自均衡电路的高压直流母线电压控制维持母线电压均衡；隔离级采用闭环PI控制器实现各个子模块的低压直流母线电压恒定，并利用单移相脉宽调制技术(SinglePhase Shifted-Pulse Width Modulation,SPS-PWM)实现功率在隔离级变换器中的双向流动；输出级采用基于准PR控制器的电压电流双闭环控制方法实现输出电压稳定和并联子模块均流。

9.根据权利要求8所述的适应不对称负载的自平衡电力电子变压器控制方法，其特征在于：输入级的控制方法中，只需要采集第一个子模块的高压直流母线电压信号，然后经过PI控制得到输入电流的有功分量参考值，再和输入电压幅值和相角相加，最后经过dq反变换和CPS-SPWM控制器得到各个子模块H桥变换器所需的移相控制角，通过这些控制角就能对输入级各H桥变换器的开关器件进行控制；

隔离级的控制方法中，各子模块低压直流电压的测量值参考值经过PI控制器后与第一个子模块的初始移相角相加，再经过SPS-PWM调制得到各H桥变换器的移相控制角通过这些移相角控制隔离级原边和副边变换器的开关通断；

输出级的控制方法中，逆变级每相输出电压的测量值首先和参考值作差，再经过准PR控制器后除以3N得到各子模块的输出电流参考信号，并作为电流内环的输入，分别和各个子模块的输出电流测量值作差后，再经过准PR控制器得到各子模块的输出电压信号，最后通过PWM调制得到各子模块输出级H桥变换器的开关函数，通过开关函数实现各子模块的开关控制；输出级的电压电流双闭环控制方法，既实现了输出电压的恒定，又实现了各并联子模块的均流。