一種電力電子變壓器及其控制方法與流程

2024-03-07 01:52:15

本發明屬於電力電子技術領域，具體涉及一種電力電子變壓器及其控制方法。

背景技術：

電力電子變壓器又稱為固態變壓器、智能通用變壓器、或柔性變壓器，它是以電力電子變流技術和電磁感應技術為基礎的新型變壓器，徹底改變了傳統變壓器的系統結構，在實現常規電力變壓器電壓等級變換、電氣隔離和能量傳遞等基本功能的基礎上，還可以實現雙向潮流控制、電能質量控制等許多額外功能，是下一代智能電網建設的關鍵裝備。

目前的電力電子變壓器有多種拓撲結構，一般包含高壓級、隔離級和低壓級三個部分，其中高壓級一般採用級聯多電平的結構，隔離級一般採用多個DC/DC模塊並聯的結構。然而，目前這些電力電子變壓器在不同負載下功率模塊均處於工作模式，在實際應用中，配網中的負載波動較大，使得電力電子變壓器輕載時產生的損耗大、效率低，制約電力電子變壓器的實用化。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種電力電子變壓器及其控制方法，用於解決電力電子變壓器輕載時產生的損耗大、效率低的問題。

為解決上述技術問題，本發明提出一種電力電子變壓器，包括五個變壓器方案：

變壓器方案一，所述電力電子變壓器為三級型，包括整流級、隔離級和逆變級，至少其中一級包括兩個以上並聯的子模塊。

變壓器方案二，在變壓器方案一的基礎上，所述整流級包括兩個以上的整流單元，每個整流單元包括並聯的兩個以上AC/DC子模塊；所述隔離級包括輸出端並聯的兩個以上的隔離單元，每個隔離單元包括並聯的兩個以上的DC/DC子模塊；所述逆變級包括一個逆變單元，包括並聯的兩個以上的DC/AC子模塊；整流單元之間的交流側級聯，每個整流單元直流側分別連接對應的隔離單元，每個隔離單元的輸出端並聯後連接所述逆變單元。

變壓器方案三，在變壓器方案二的基礎上，所述AC/DC子模塊採用H橋或MMC電路拓撲。

變壓器方案四，在變壓器方案二的基礎上，所述DC/DC子模塊採用CLLC變換器拓撲、CLLLC變換器拓撲或者移相全橋電路拓撲。

變壓器方案五，在變壓器方案二的基礎上，所述DC/AC子模塊採用兩電平或三電平電路拓撲。

為解決上述技術問題，本發明還提出一種電力電子變壓器控制方法，包括五個方法方案：

方法方案一，所述電力電子變壓器為三級型，包括整流級、隔離級和逆變級，至少其中一級包括兩個以上並聯的子模塊；根據系統輸出功率確定所述子模塊投入或切除的數量。

方法方案二，在方法方案一的基礎上，所述子模塊的投切方式包括逐個投入或切除。

方法方案三，在方法方案二的基礎上，對於所述三級型中的兩級或三級包括至少兩個並聯子模塊的電力電子變壓器，同步控制所述各級投入與切除子模塊的數量。

方法方案四，在方法方案一、方法方案二或方法方案三的基礎上，按照優先級別投入或切除所述子模塊。

方法方案五，在方法方案四的基礎上，所述優先級別按照所述子模塊的累計運行狀態確定，當投入子模塊時，累計運行時間短的子模塊優先投入，當切除子模塊時，累計運行時間長的子模塊優先切除。

本發明的有益效果是：本發明提出了一種三級型電力電子變壓器，通過至少將其中一級設置多個並聯的子模塊，根據系統輸出功率確定子模塊投入或切除的數量，該方法控制原理簡單，在輕載時有效減小損耗，提升系統的工作效率，提高變壓器的使用壽命。

通過設置優先級別，實時統計系統各功率子模塊的累積運行時間，根據輸出功率的需求按照累計運行時間的長短逐個投入或切除子模塊，有效降低各功率模塊平均運行時間，提升系統投入或切除子模塊時的電壓穩定性。

附圖說明

圖1是電力電子變壓器主迴路及控制框架示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步的說明。

本發明的一種電力電子變壓器控制方法的實施例：

本發明的電力電子變壓器為三級型，包括整流級、隔離級和逆變級，整流級作為輸入端，包括兩個以上的整流單元，每個整流單元包括並聯的兩個以上AC/DC子模塊；隔離級包括輸出端並聯的兩個以上的隔離單元，每個隔離單元包括並聯的兩個以上的DC/DC子模塊；逆變級包括一個逆變單元，包括並聯的兩個以上的DC/AC子模塊；整流單元之間的交流側級聯，每個整流單元直流側分別連接對應的隔離單元，每個隔離單元的輸出端並聯後連接逆變單元。

例如，如圖1所示的一種電力電子變壓器控制系統，包括三級型電力電子變壓器和控制器，該電力電子變壓器的三級均並聯有多個子模塊，即每個整流單元由兩個以上AC/DC子模塊並聯而成，隔離單元由兩個以上DC/DC子模塊並聯而成，逆變單元由兩個以上DC/AC子模塊並聯而成。

控制器用於整流單元、隔離單元和逆變單元，該控制器分別實時統計整流器子模塊、隔離變換器子模塊及逆變器子模塊的累積運行時間，根據輸出功率的需求按照所述累計運行時間投入或切除AC/DC子模塊、DC/DC子模塊、DC/AC子模塊；其中，累計運行時間短的AC/DC子模塊、DC/DC子模塊、DC/AC子模塊優先投入，累計運行時間長的AC/DC子模塊、DC/DC子模塊、DC/AC子模塊優先切除。

圖1中，對於整流級，由m個整流單元級聯實現，考慮功率需求，每個整流單元由n個AC/DC子模塊並聯組成，AC/DC子模塊採用H橋或MMC電路拓撲。

對於隔離級，由m個隔離單元實現，每個隔離單元的輸入埠通過並聯一個電容連接相應整流單元的輸出端。考慮功率需求及與整流單元的連接，每個隔離變換單元由p個DC/DC子模塊並聯組成，DC/DC子模塊採用CLLC變換器拓撲、CLLLC變換器拓撲或者移相全橋電路拓撲。

對於輸出級，因電壓等級較低，不需要多個逆變單元進行並聯，考慮功率需求，每個逆變單元由q個DC/AC子模塊並聯組成，其中，DC/AC子模塊採用兩電平或三電平電路拓撲。

上述各功率子模塊均通過採樣及控制接口與系統中的控制器相連，系統通過智能休眠控制技術，控制上述各功率子模塊的投入或切除，實現變壓器輕載時損耗的降低，具體控制方法如下：

1)當系統輸出功率逐漸增加時，投入並聯的各子模塊數目從1個逐漸增加至全部投入，反之，當整體輸出功率減少時，逐步切除各功率子模塊，使投入並聯的各子模塊數目從全部逐漸降低至1個；

2)控制器實時統計各子模塊累積運行的時間，使累計運行時間短的子模塊優先投入，累計運行時間長的子模塊優先切除。

圖1所示的是一種降壓式單相電力電子變壓器控制系統，本發明的電力電子變壓器控制系統既可以是單相，也可以是三相，連接方式為圖1中三個相同結構的單相電力電子變壓器的高壓側和低壓側進行相應的星型或三角形連接。

本實施例中AC/DC子模塊數量、DC/DC子模塊數量及DC/AC子模塊數量可以相同，也可以不同，但考慮控制系統的功率需求，上述子模塊的數量優選相同。

實施例中所述的電力電子變壓器是三級(整流級、隔離級和逆變級)中每一級均由多個子模塊並聯的情況，也可以是其中一級或兩級由多個子模塊並聯構成，控制器根據系統輸出功率的需求及子模塊累計運行時間的長短，逐個投入/切除子模塊。

本發明通過採用子模塊的累計運行情況作為一種優先級別，實時統計系統各功率子模塊的累積運行時間，根據輸出功率的需求按照累計運行時間的長短依次投入或切除AC/DC子模塊、DC/DC子模塊及DC/AC子模塊，能夠有效降低各功率模塊平均運行時間，輕載時減小損耗、提高系統效率及變壓器的使用壽命。