CN111697836A - 一种单相电力电子变压器及其控制方法 - Google Patents

一种单相电力电子变压器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单相电力电子变压器及其控制方法，控制方法包括整流级H桥电路、中间级带隔离的双向主动桥和逆变级H桥电路的控制方法；整流级H桥电路的控制方法采用电流内环控制和电压外环控制双环控制，中间级带隔离的双向主动桥和逆变级H桥电路采用电压环单环控制。通过PR控制器简化了传统控制算法，降低了整个控制***复杂程度，相比传统控制算法，本发明引入了单相电力电子变压器高压侧和低压侧直流电压的控制从而有效地抑制电力电子变压器高压侧和低压侧的直流电压纹波，提升其功率密度并降低损耗，提高了电力电子变压器运行的稳定性。

Description

一种单相电力电子变压器及其控制方法
技术领域
本发明涉及高压大功率电力电子技术领域，具体涉及一种单相电力电子变压器及其控制方法。
背景技术
随着电力电子技术的发展，以全控型功率器件和高频变压器为核心的电力电子变压器不仅具有传统电力变压器改变电压等级、实现电气隔离和能量转换的优点，而且还具有体积小、能量密度高、安全可靠和高度的可控性和灵活性，因而受到了国内外学者的广泛关注。对于电力电子变压器的控制，通过改变高频变压器的变比和原边H桥的占空比可以达到改变电压等级的目的，整流级H桥的控制目标一般为高压直流电压稳定，中间级带隔离的双向主动桥的副边H桥的控制目标一般为低压直流电压稳定，逆变级H桥的控制目标一般为交流输出电压稳定。根据电力电子变压器拓扑的结构特点，可以将电力电子变压器分为单极式、双极式和三级式三类，三级式电力电子变压器具有功能齐全、各级控制独立且可以实现电压电流解耦等优点，本发明适用于单相三级式电力电子变压器。
由于功率模块的参数差异会导致高压直流电压和低压直流电压波动，这导致了电力电子变压器直流电压的直流分量的波动，由于电网和负载两侧存在二次谐波，在电力电子变压器传输功率的时候，导致电力电子变压器直流电压产生二次谐波电压波动，这些直流电压纹波导致电力电子变压器损耗增大，而且不利于电力电子变压器的稳定运行。传统的控制方法未考虑直流侧电压波动，不利于电能质量控制和装置功率密度的提升。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明提供一种单相电力电子变压器及其控制方法，解决了单相电力电子变压器直流纹波大、控制方法复杂的问题。
为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：一种单相电力电子变压器，包括依次连接的整流级H桥电路、高压侧直流支撑电容、中间级带隔离的双向主动桥、低压侧直流支撑电容、逆变级H桥电路和LC滤波器，中间级带隔离的双向主动桥包括：原边H桥电路、高频变压器和副边H桥电路，原边H桥电路连接在高频变压器的原边，副边H桥电路连接在高频变压器的副边，高压侧直流支撑电容并联在整流级H桥电路和原边H桥电路之间，整流级H桥电路通过滤波电感连接交流电源，逆变级H桥电路连接LC滤波器。
进一步的，所述H桥电路包括4个功率模块，每两个功率模块串联构成H桥电路的一相，功率模块由IGBT和二极管反并联构成。
一种单相电力电子变压器控制方法，包括步骤：
将高压侧直流支撑电容Chv两端的电压vdc与高压侧直流电压参考值vdcref做差，得到第一误差信号，将第一误差信号经过第一PI控制器，得到电流内环幅值参考值Iref，乘以sinωt，得到电流内环参考值isref，ω为交流电源的角频率，t为时间；将交流电源输入电流is与电流内环参考值isref做差，得到第二误差信号，第二误差信号经过第一PR控制器，得到第一调制波电压信号vm，第一调制波电压信号经过第一正弦脉宽调制器产生整流器控制信号，控制整流级H桥电路的导通与关断；
将低压侧直流支撑电容Clv两端的电压vo经过低通滤波器LPF滤除高频谐波分量后与低压侧直流电压参考值vref做差，得到第三误差信号，第三误差信号分别经过第二PI控制器和第二PR控制器后求和得到第二调制波电压信号vn，第二调制波电压信号经过第二正弦脉宽调制器产生副边H桥电路控制信号，控制副边H桥的导通与关断；
原边H桥电路采用设定的固定占空比的导通与关断控制；
将逆变级H桥电路输出的交流低电压uo与交流低电压参考值uo *做差，得到第四误差信号，第四误差信号经过第三PR控制器得到第三调制波电压信号vl，第三调制波电压信号经过第三正弦脉宽调制器产生逆变级H桥电路的控制信号，控制逆变级H桥电路的导通与关断。
进一步的，控制H桥的导通与关断为控制H桥的IGBT功率器件的导通与关断。
进一步的，所述高压侧直流支撑电容两端的电压vdc和低压侧直流支撑电容两端的电压vo分别通过电压互感器获得。
进一步的，所述交流输入电流is通过电流互感器获得。
进一步的，所述设定的固定占空比为50％。
本发明所达到的有益效果：本发明通过PR控制器简化了传统控制算法，降低了整个控制***复杂程度，相比传统控制算法，本发明引入了单相电力电子变压器高压侧和低压侧直流电压的控制从而有效地抑制电力电子变压器高压侧和低压侧的直流电压纹波，提升其功率密度并降低损耗，提高了电力电子变压器运行的稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例中的一种单相电力电子变压器电路图；
图2为本发明实施例中的整流级H桥电路的控制方法示意图；
图3为本发明实施例中的中间级带隔离的双向主动桥的控制方法示意图；
图4为本发明实施例中的逆变级H桥电路的控制方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1：
如图1所示，一种单相电力电子变压器，包括依次连接的整流级H桥电路、高压侧直流支撑电容Chv、中间级带隔离的双向主动桥、低压侧直流支撑电容Clv、逆变级H桥电路和LC滤波器，中间级带隔离的双向主动桥包括：原边H桥电路、高频变压器和副边H桥电路，原边H桥电路连接在高频变压器的原边，副边H桥电路连接在高频变压器的副边，高压侧直流支撑电容并联在整流级H桥电路和原边H桥电路之间，低压侧直流支撑电容并联在逆变级H桥电路和副边H桥电路之间，整流级H桥电路通过滤波电感连接交流电源，逆变级H桥电路连接LC低通滤波器，H桥电路由4个功率模块组成，每2个功率模块串联构成H桥电路的一相，功率模块由IGBT和二极管反并联构成。
工作原理：整流级H桥电路根据IGBT功率器件驱动信号，将交流电源输入的单相交流电压转换为直流电压，由于高压侧直流支撑电容Chv的存在，在一定程度上稳定了高压侧的直流电压，直流电压经过中间级带隔离的双向主动桥转变为低电压等级的直流电压，最后经过逆变H桥电路将直流电压转变为交流电压供负载使用。
实施例2：
一种可抑制直流电压纹波的单相电力电子变压器控制方法，具体步骤包括：
步骤1：将高压侧直流支撑电容Chv两端的电压vdc(即高压侧直流电压)与高压侧直流电压参考值vdcref做差，得到第一误差信号，将第一误差信号经过第一PI(比例积分)控制器，得到电流内环幅值参考值Iref，电流内环幅值参考值乘以sinωt，得到电流内环参考值isref，其中，ω为交流电源的角频率，t为时间，高压侧直流电压vdc通过电压互感器获得；
将交流输入电流is与电流内环参考值isref做差，得到第二误差信号，第二误差信号经过第一PR(比例谐振)控制器，得到第一调制波电压信号vm，第一调制波电压信号经过第一正弦脉宽调制器产生整流器控制信号，控制整流级H桥电路的IGBT功率器件的导通与关断。
其中，通过电流互感器获得交流输入电流is；
步骤2：将低压侧直流支撑电容Clv两端的电压vo(即低压侧直流电压)经过低通滤波器LPF滤除高频谐波分量，将其与低压侧直流电压参考值vref做差，得到第三误差信号，第三误差信号分别经过第二PI控制器和第二PR控制器后求和得到第二调制波电压信号vn，第二调制波电压信号经过第二正弦脉宽调制器产生带隔离的双向主动桥的副边H桥电路控制信号，控制副边H桥电路IGBT功率器件的导通与关断。
原边H桥电路采用设定的固定占空比的导通与关断控制。
其中，通过电压互感器获得低压侧直流电压vo；
步骤3：将逆变级H桥电路输出的交流低电压uo与交流低电压参考值uo *做差，得到第四误差信号，第四误差信号经过第三PR控制器得到第三调制波电压信号vl，第三调制波电压信号经过第三正弦脉宽调制器产生逆变级H桥电路的控制信号，控制逆变级H桥电路的导通与关断。
其中，通过电压互感器获得逆变级H桥电路输出的交流低电压uo。
综上所述，控制方法包括整流H桥电路的控制方法、中间级带隔离的双向主动桥的控制方法和逆变级H桥电路的控制方法。整流级H桥电路的控制方法采用电流内环控制和电压外环控制双环控制，中间级带隔离的双向主动桥和逆变级H桥电路采用电压环单环控制。(产生电压误差信号的就是电压环，产生电流误差信号的就是电流环)
本发明通过PR控制器简化了传统控制算法，降低了整个控制***复杂程度，相比传统控制算法，本发明引入了单相电力电子变压器高压侧和低压侧直流电压的控制从而有效地抑制电力电子变压器高压侧和低压侧的直流电压纹波，提升其功率密度并降低损耗，提高了电力电子变压器运行的稳定性。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种单相电力电子变压器，其特征在于：包括依次连接的整流级H桥电路、高压侧直流支撑电容、中间级带隔离的双向主动桥、低压侧直流支撑电容、逆变级H桥电路和LC滤波器，中间级带隔离的双向主动桥包括：原边H桥电路、高频变压器和副边H桥电路，原边H桥电路连接在高频变压器的原边，副边H桥电路连接在高频变压器的副边，高压侧直流支撑电容并联在整流级H桥电路和原边H桥电路之间，整流级H桥电路通过滤波电感连接交流电源，逆变级H桥电路连接LC滤波器。
2.根据权利要求1所述的一种单相电力电子变压器控制方法，其特征是：所述H桥电路包括4个功率模块，每两个功率模块串联构成H桥电路的一相，功率模块由IGBT和二极管反并联构成。
3.一种单相电力电子变压器控制方法，其特征是：
将高压侧直流支撑电容两端的电压vdc与高压侧直流电压参考值vdcref做差，得到第一误差信号，将第一误差信号经过第一PI控制器，得到电流内环幅值参考值Iref，乘以sinωt，得到电流内环参考值isref，ω为交流电源的角频率，t为时间；将交流电源输入电流is与电流内环参考值isref做差，得到第二误差信号，第二误差信号经过第一PR控制器，得到第一调制波电压信号vm，第一调制波电压信号经过第一正弦脉宽调制器产生整流器控制信号，控制整流级H桥电路的导通与关断；
将低压侧直流支撑电容Clv两端的电压vo经过低通滤波器LPF滤除高频谐波分量后与低压侧直流电压参考值vref做差，得到第三误差信号，第三误差信号分别经过第二PI控制器和第二PR控制器后求和得到第二调制波电压信号vn，第二调制波电压信号经过第二正弦脉宽调制器产生副边H桥电路控制信号，控制副边H桥电路的导通与关断；
原边H桥电路采用设定的固定占空比的导通与关断控制；
将逆变级H桥电路输出的交流低电压uo与交流低电压参考值uo *做差，得到第四误差信号，第四误差信号经过第三PR控制器得到第三调制波电压信号vl，第三调制波电压信号经过第三正弦脉宽调制器产生逆变级H桥电路的控制信号，控制逆变级H桥电路的导通与关断。
4.根据权利要求3所述的一种单相电力电子变压器控制方法，其特征是：控制H桥电路的导通与关断为控制H桥电路的IGBT功率器件的导通与关断。
5.根据权利要求3所述的一种单相电力电子变压器控制方法，其特征是：所述高压侧直流支撑电容两端的电压vdc和低压侧直流支撑电容两端的电压vo分别通过电压互感器获得。
6.根据权利要求3所述的一种单相电力电子变压器控制方法，其特征是：所述交流输入电流is通过电流互感器获得。
7.根据权利要求3所述的一种单相电力电子变压器控制方法，其特征是：所述设定的固定占空比为50％。
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