CN113556031A - 一种电力电子变压器及其启动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电力电子变压器及其启动控制方法，电力电子变压器包括电网侧变换器和隔离型直流变换器，电网侧变换器的交流输入端连接交流侧启动电路，直流输出端连接隔离型直流变换器的直流输入端；隔离型直流变换器的直流输出端连接直流侧启动电路；交流侧启动电路包括输入端和输出端，输入端连接交流电网，输出端连接电力电子变压器的交流输入端；直流侧启动电路包括输入端和输出端，输入端连接电力电子变压器的直流输出端，输出端连接直流电网或负载。本发明通过对电力电子变压器的启动电路和自身设备进行顺序控制，降低了成套设备的成本和占地，解决了电力电子变压器灵活启动控制问题，具有工程实用价值。

Description

一种电力电子变压器及其启动控制方法

技术领域

本发明属于电力电子控制技术领域，尤其涉及一种电力电子变压器及其启动控制方法。

背景技术

电力电子变压器已应用于新能源发电、储能、机车牵引等领域，由于采用了高频化的电力电子技术，设备的重量和体积都大大减小，同时可以实现更灵活的电压变换和能量双向传输功能。随着交直流混合配电网的快速发展，电力电子变压器具有越来越广泛的应用前景。

由于应用场景中交流电网和直流电网都存在电源，因此电力电子变压器必须具备灵活的双向启动功能。此外由于电力电子变压器内变换器的直流侧没有有功电源，直流电容的初始电压为0，启动时相当于短路，会对电网造成较大的冲击，通常采用他励或自励两种充电方式来减小启动时的冲击电流。他励启动是通过配置附加辅助电路，在启动前对各直流电容进行充电，但是考虑到绝缘耐压之后的设计难度高且经济性较差，增加了设备的成本和体积。自励启动是在交流侧或直流侧加设限流装置，限制启动瞬间的充电冲击电流，待直流电压上升到设定值后再解锁正常运行的方式，但是需要考虑充电过程和正常运行过程的无缝衔接，因此设计一种双向自励启动方式是十分有必要的。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术中存在成本高、体积大、设计难度高等问题，本发明提供了一种电力电子变压器及其启动控制方法。

技术方案：本发明提供一种电力电子变压器，该变压器包括电网侧变换器、隔离型直流变换器、直流侧启动电路和交流侧启动电路；所述交流侧启动电路的输入端连接交流电网或者交流负载，输出端连接电网侧变换器的交流输入端；电网侧变换器的直流输出端连接隔离型直流变换器的直流输入端；隔离型直流变换器的直流输出端连接直流侧启动电路的输入端；直流侧启动电路的输出端连接直流电网或者直流负载；

直流侧启动电路的输入端和输出端之间通过开关和限流电阻串并联组成的电路连接，且限流电阻不能串联在直流侧启动电路的主回路中；

交流侧启动电路的输入端和输出端之间通过开关和限流电阻串并联组成的电路连接，且限流电阻不能串联在交流侧启动电路的主回路中。

进一步的，所述交流侧启动电路为单相交流侧启动电路或三相交流侧启动电路。

一种电力电子变压器的启动控制方法，该方法具体包括如下步骤：

步骤1：设定电力电子变压器的启动方向；

步骤2：根据设定的启动方向启动对应的启动电路；

步骤3：若设定的启动方向为交流侧启动，判断电网侧变换器的直流输出侧电压是否达到交流侧启动电压设定值Udc1set，若已达到，则判断充电结束并转步骤4；若未达到，则判断充电时间是否达到预设的最大充电时间T1max，若是则认定充电失败，并停止开启；否则，循环执行步骤3；若设定的启动方向为直流侧启动，判断隔离型直流变换器的直流输入侧电压是否达到直流侧启动电压设定值Udc2set，若已达到，则判断充电结束并转步骤4；若未达到，则判断充电时间是否达到预设的最大充电时间T2max，若是则认定充电失败，并停止开启；否则，循环执行步骤3；

步骤4：解锁电力电子变压器，并分别对电网侧变换器和隔离型直流变换器设定控制目标。

进一步的，所述步骤4中，若设定的启动方向为交流侧启动，则先解锁电网侧变换器，并设定该变换器的控制目标为电网侧变换器的直流输出侧电压；当电网侧变换器的直流输出侧电压达到Udc1set后，再解锁隔离型直流变换器，并设定该变换器的控制目标为隔离型直流变换器的直流输出侧电压或功率。

进一步的，所述步骤4中，若设定的启动方向为直流侧启动，则先解锁隔离型直流变换器，并设定该变换器的控制目标为隔离型直流变换器的直流输入侧电压；当隔离型直流变换器的直流输入侧电压达到Udc2set后，再解锁电网侧变换器，并设定该变换器的控制目标为电网侧变换器的交流输入侧电压或功率。

进一步的，所述步骤3中，若设定的启动方式为交流侧启动，则通过电网侧变换器内部功率器件的体二极管对其直流输出侧进行被动充电；或者通过控制电网侧变换器内部功率器件的占空比对其直流输出侧进行主动充电。

进一步的，所述步骤3中，若设定的启动方式为直流侧启动，则通过控制隔离型直流变换器内部功率器件的占空比对隔离型直流变换器的直流输入侧进行主动充电。

有益效果：

(1)本发明解决了电力电子变压器的双向启动控制问题，无需增加额外的高压隔离供电设备，降低了成本和占地，具有工程实用价值；

(2)本发明可抑制电力电子变压器启动时的充电冲击电流，有效削弱对电网的不利影响；

(3)本发明可实现电力电子变压器的启动和正常运行的无缝切换，有效保证了设备运行的安全稳定。

附图说明

图1是交流侧启动电路为单相交流侧启动电路时，电力电子变压器的结构示意图；

图2是单相交流侧启动电路示意图，(a)为以开关KM1为主回路的单相交流侧启动电路图；(b)为以开关KM1、KM2构成的串联电路为主回路的单相交流侧启动电路图；

图3是直流侧启动电路示意图，(a)为以开关KM1为主回路的直流侧启动电路图；(b)为以开关KM1、KM2构成的串联电路为主回路的直流侧启动电路图；

图4是交流侧启动电路为三相交流侧启动电路时，电力电子变压器的结构示意图；

图5是三相交流侧启动电路示意图，(a)为以开关KM1为主回路的直流侧启动电路图；(b)为以开关KM1、KM2构成的串联电路为主回路的直流侧启动电路图；

图6是本发明的流程图。

具体实施方式

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

本实施例提供一种电力电子变压器的启动控制方法，通过控制电力电子变压器及其交流侧启动电路或直流侧启动电路实现双向启动，其中电力电子变压器包括电网侧变换器和隔离型直流变换器，电网侧变换器的交流侧连接交流侧启动电路，电网侧变换器的直流侧连接隔离型直流变换器的直流输入侧，隔离型直流变换器的直流输出侧连接直流侧启动电路。

交流侧启动电路包括第一输入端口ACP1和第一输出端口ACP2，第一输入端口ACP1连接交流电网，第一输出端口ACP2连接电力电子变压器的交流侧。

直流侧启动电路包括第二输入端口DCP1和第二输出端口DCP2，第二输入端口DCP1连接电力电子变压器的直流侧，第二输出端口DCP2连接直流电网。

交流侧启动电路为单相或三相，当采用单相交流侧启动电路时，电力电子变压器的结构示意图如图1所示，单相交流侧启动电路的接口形式如图2所示，第一输入端口ACP1和第一输出端口ACP2之间通过开关KM1、开关KM2和限流电阻R的串并联组合进行连接。但需要注意的是限流电阻不能串联在单相交流侧启动电路的主回路中；图2中的(a)为限流电阻和开关KM2串联后构成一个串联支路，串联支路再与开关KM1并联，图2中的(a)以开关KM1为主回路；图2中的(b)为开关KM2和限流电阻并联后再与开关KM1串联，图2中的(b)以开关KM1、KM2构成的串联电路为主回路。

直流侧启动电路的接口形式如图3所示，第二输入端口DCP1和第二输出端口DCP2之间通过开关KM1、开关KM2和电阻R的串并联组合进行连接；但需要注意的是限流电阻不能串联在单相交流侧启动电路的主回路中；图3中的(a)为限流电阻和开关KM2串联后构成一个串联支路，串联支路再与开关KM1并联，图3中的(a)以开关KM1为主回路；图3中的(b)为开关KM2和限流电阻并联后再与开关KM1串联，图3中的(b)以开关KM1、KM2构成的串联电路为主回路。

当采用三相交流侧启动电路时，电力电子变压器的结构示意图如图4所示，三相交流侧启动电路的接口形式如图5所示，第一输入端口ACP1和第一输出端口ACP2之间通过第一开关KM1、第二开关KM2和电阻R的串并联组合进行连接。但需要注意的是限流电阻不能串联在单相交流侧启动电路的主回路中；图5中的(a)为限流电阻和开关KM2串联后构成一个串联支路，串联支路再与开关KM1并联，图5中的(a)以开关KM1为主回路；图5中的(b)为开关KM2和限流电阻并联后再与开关KM1串联，图5中的(b)以开关KM1、KM2构成的串联电路为主回路。

如图6所示，电力电子变压器的启动控制方法，启动方向为交流侧启动时包括如下步骤：

(1)设定电力电子变压器的启动方向为交流侧启动，启动交流侧充电电路，

(2)对电力电子变压器的电网侧变换器，通过内部功率器件的体二极管对其直流侧进行被动充电；或者通过控制电网侧变换器内功率器件的占空比对其直流侧进行主动充电。

(3)在充电时间设定值T1之后，判断电网侧变换器的直流输出侧电压Udc1是否达到电压设定值Udc1set，若已达到电压设定值Udc1set则判断充电结束进入步骤(4)，若未达到电压设定值Udc1set，进而判断充电时间是否达到最大充电时间设定值T1max，未达到最大充电时间设定值T1max则重复步骤(2)，已达到最大充电时间设定值T1max则充电失败并退出启动；

(4)先解锁电力电子变压器的电网侧变换器并设定控制目标为电网侧变换器的直流输出侧电压，再解锁电力电子变压器S1的隔离型直流变换器，控制目标为隔离型直流变换器的直流输出侧电压或功率。

启动方向为直流侧启动时包括如下步骤：

(1)设定电力电子变压器的启动方向为直流侧启动，启动直流侧充电电路，

(2)对电力电子变压器的隔离型直流变换器进行充电；通过控制隔离型直流变换器内功率器件的占空比对其直流输入侧进行充电。

(3)在充电时间设定值T2之后，判断隔离型直流变换器的直流输入电压Udc2是否达到电压设定值Udc2set，若已达到电压设定值Udc2set则判断充电结束进入步骤(4)，若未达到电压设定值Udc2set，进而判断充电时间是否达到最大充电时间设定值T2max，未达到最大充电时间设定值T2max则重复步骤(2)，已达到最大充电时间设定值T2max则充电失败并退出启动；

(4)先解锁电力电子变压器的隔离型直流变换器并设定控制目标为电网侧变换器的直流输入侧，再解锁电力电子变压器的电网侧变换器，控制目标为电网侧变换器的交流侧功率。

本发明中的启动方向以及控制目标均可在电力电子变压器启动前进行修改，并可通过上位机以通讯的方式发送电力电子变压器的控制单元。在进行运行试验时，上位机可与电力电子变压器连接并进行通讯。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (7)

1.一种电力电子变压器，其特征在于，包括电网侧变换器、隔离型直流变换器、直流侧启动电路和交流侧启动电路；所述交流侧启动电路的输入端连接交流电网或者交流负载，输出端连接电网侧变换器的交流输入端；电网侧变换器的直流输出端连接隔离型直流变换器的直流输入端；隔离型直流变换器的直流输出端连接直流侧启动电路的输入端；直流侧启动电路的输出端连接直流电网或者直流负载；

直流侧启动电路的输入端和输出端之间通过开关和限流电阻串并联组成的电路连接，且限流电阻不能串联在直流侧启动电路的主回路中；

交流侧启动电路的输入端和输出端之间通过开关和限流电阻串并联组成的电路连接，且限流电阻不能串联在交流侧启动电路的主回路中。

2.根据权利要求1所述的一种电力电子变压器，其特征在于，所述交流侧启动电路为单相交流侧启动电路或三相交流侧启动电路。

3.基于权利要求1所述的一种电力电子变压器的启动控制方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤1：设定电力电子变压器的启动方向；

步骤2：根据设定的启动方向启动对应的启动电路；

步骤3：若设定的启动方向为交流侧启动，判断电网侧变换器的直流输出端电压是否达到交流侧启动电压设定值Udc1set，若已达到，则判断充电结束并转步骤4；若未达到，则判断充电时间是否达到预设的最大充电时间T1max，若是则认定充电失败，并停止开启；否则，循环执行步骤3；若设定的启动方向为直流侧启动，判断隔离型直流变换器的直流输入端电压是否达到直流侧启动电压设定值Udc2set，若已达到，则判断充电结束并转步骤4；若未达到，则判断充电时间是否达到预设的最大充电时间T2max，若是则认定充电失败，并停止开启；否则，循环执行步骤3；

步骤4：解锁电力电子变压器，并分别对电网侧变换器和隔离型直流变换器设定控制目标。

4.根据权利要求3所述的一种电力电子变压器的启动控制方法，其特征在于，所述步骤4中，若设定的启动方向为交流侧启动，则先解锁电网侧变换器，并设定该变换器的控制目标为电网侧变换器的直流输出端电压；当电网侧变换器的直流输出端电压达到Udc1set后，再解锁隔离型直流变换器，并设定该变换器的控制目标为隔离型直流变换器的直流输出端电压或功率。

5.根据权利要求3所述的一种电力电子变压器的启动控制方法，其特征在于，所述步骤4中，若设定的启动方向为直流侧启动，则先解锁隔离型直流变换器，并设定该变换器的控制目标为隔离型直流变换器的直流输入端电压；当隔离型直流变换器的直流输入端电压达到Udc2set后，再解锁电网侧变换器，并设定该变换器的控制目标为电网侧变换器的交流输入端电压或功率。

6.根据权利要求3所述的一种电力电子变压器的启动控制方法，其特征在于，所述步骤3中，若设定的启动方式为交流侧启动，则通过电网侧变换器内部功率器件的体二极管对电网侧变换器直流输出端进行被动充电；或者通过控制电网侧变换器内部功率器件的占空比对电网侧变换器直流输出端进行主动充电。

7.根据权利要求3所述的一种电力电子变压器的启动控制方法，其特征在于，所述步骤3中，若设定的启动方式为直流侧启动，则通过控制隔离型直流变换器内部功率器件的占空比对隔离型直流变换器的直流输入端进行主动充电。

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