[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

说明书

本发明公开了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，变压器是由整流级、隔离级、逆变级组成，对外可分别提供高压交流、低压交流和低压直流三种端口。除了能够实现电力电子变压器的基本功能，本发明还能适应三相不平衡负载接入，保证输入端的三相功率平衡。还能通过自均衡电路实现高压直流母线的电压均衡，避免控制器对每个级联模块各自的母线电压平衡进行控制或者采用非常复杂的拓扑，降低对整个系统控制器运算资源的要求，或者显著减少开关器件和高频变压器的数量。在中高压应用场合，由于所需的模块数较多，采用本发明的结构具有相当显著的优势。

技术领域

本发明属于电力电子变压器技术领域，具体涉及一种可自动平衡不对称负载的电力电子变压器及其控制方法。

背景技术

能源互联网是为解决化石能源危机和实现未来可再生能源大规模有效利用而提出的一项新型电力网络，而作为其中的一项核心技术，电力电子变压器在未来以可再生能源发电为主的电力系统中具有广阔的应用前景。

电力电子变压器(Power Electronic Transformer,PET)是一种在电力电子化的电力系统中替代传统工频变压器的变电装置，除了能实现传统的变压和隔离以外，还兼具无功补偿、谐波抑制、功率双向传输以及多输出供电的功能。

近年来，随着电力电子变压器技术的不断发展，在中高压配电网中的应用越来越受到关注。而在高压应用场合，由于功率开关器件的耐压水平有限，常采用模块化级联结构以提高电力电子变压器能承受的输入电压。但由于各级联单元间的参数不一致和三相负载功率不对称等原因，会导致输入级一相各模块之间的电压不均衡，轻则影响器件的控制性能，重则导致器件损坏，严重影响负载侧的电能质量和系统的稳定运行。

常规的补偿不平衡负载的方法是采用输出交叉相连接的拓扑，再对每个模块的电容电压单独设计控制算法，在级联模块数较多时，控制系统的复杂程度和运算量都会大幅增加，不利于电力电子变压器的实用化推广。

还有一种方法是采用基于多端口高频变压器的电力电子变压器，这种方法能够降低控制算法的复杂程度，而且补偿效果好，不需要额外的电压电流裕量，缺点就在于所采用的开关器件数量较多，拓扑实现复杂，而且所用的多端口高频变压器(High FrequencyTransformer，HFT)制作成本很高，同样不利于电力电子变压器的应用推广。

发明内容

本发明的目的在于改善上述技术的不足之处，提供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，能同时解决变压器在带不对称负载运行时的功率平衡和电压均衡问题，从而促进电力电子变压器在工程实际中的应用。

为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明主要应用于三相中高压配电网，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，可同时供给交直流负载，并能够适应分布式电源和储能系统的接入；

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，N的具体大小与配电网电压等级和所用开关器件的额定参数有关。(例如输入电压为10kV，功率器件选用3300V/800A的IGBT，并设定高压直流母线电压为1.8kV，则每相需要6个级联模块)；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；每相级联的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，通过一个二极管整流电路与DAB的副边输出并联到一起，增加的二极管整流电路是实现自平衡的重要部分；

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。