[发明专利]一种高频隔离电路、其控制方法以及固态变压器

说明书

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，涉及一种高频隔离电路、其控制方法以及固态变压器。

背景技术

变压器是电网中量大面广的设备，尽管近年来在电压等级、容量、效率和可靠性等方面不断提高，但是其基本结构和工作原理长期以来没有发生根本性的改变。传统变压器体积庞大，功能单一，需要安装复杂的继电保护设备，在一侧发生电压幅值波动、电流波形畸变等电能质量问题时会影响另一侧，且输出电压受负载扰动而不能保持恒定，越来越不适应未来电网“更加可靠、对环境更加友好、更加有效、更加灵活和更加经济”的发展趋势。

新材料、新技术、新器件的出现，为研发面向未来的新一代电网设备创造了条件。固态变压器(Solid State Transformer，SST)，又称电力电子变压器(Power Electronic Transformer，PET)或电子电力变压器(Electronic Power Transformer，EPT)，是一种集变压、调压、变频、动态无功补偿等功能于一体的“多用途变换器”，具有传输功率密度大、功能完善、控制先进等特点，是未来电网的核心设备，并且也是可再生能源发电设备直接接入电网的理想接口。

国内外的研究者们从不同的角度提出了多种固态变压器拓扑电路的实现方案，从在电力电子变换过程中是否存在中间直流环节来看，电路拓扑可以划分为两大类。一种拓扑是在变换过程中不存在直流环节，即AC-AC直接变换型，其基本工作原理为：输入的工频交流信号在一次侧直接被调制成高频交流信号，经高频变压器耦合到二次侧后，被解调还原为工频交流信号。在这一过程中，一次侧的调制和二次侧的解调保持同步。该拓扑所使用的电力电子功率器件数量相对较少，结构简单，可以较大幅度地减小系统的体积和重量，但是可控性较差，变压器二次侧波形基本是对一次侧波形的还原，并不具备对一次侧、二次侧电压和电流的调节能力，难以对电能质量的改善做出贡献。

另一种拓扑是在变换过程中存在直流环节，称为AC-DC-AC变换型，不仅可以完成AC-AC结构的功能，还可以对交流侧功率因数、电流波形进行调节与控制，其工作过程为：工频交流电压输入整流器后，变换为直流电，再通过逆变电路，被调制成高频方波电压后加载至高频变压器；在高频变压器的二次侧，高频方波电压被还原为直流电压后再逆变为所需的交流电压输出。在这种结构的固态变压器中，变换环节和器件数量增多，但具有良好的控制特性，通过PWM调制方法和适当的控制策略，能够实现变压器一、二次侧的电压、电流和功率的灵活控制。

为了设计适用于输配电网电压等级的固态变压器工程化样机，研究人员提出将二极管箝位型多电平变换技术、飞跨电容型多电平变换技术和模块级联型变换技术应用于输入级AC-DC变换器与高频变压器高压侧的升频变换器，提高器件的耐压能力，同时通过移相调制控制策略可以提高交流侧电压波形的正弦度，减轻EMI干扰，减小滤波器体积。但是多电平技术需要使用大量的二极管、电容，不仅会增加成本同时还会降低电路的可靠性，因此应用于电力系统的固态变压器样机一般采用模块级联型结构，目前在其拓扑结构设计、建模分析、运行特性以及在电力系统中的应用已经取得了一定的研究成果。

但是，国内外研究者所提出的固态变压器方案距离实际应用都还有差距，一个重要原因是通过升高工作频率来减小变压器体积的同时带来铁芯损耗与电力电子功率器件损耗的大幅增长，因此与传统电力变压器相比，固态变压器效率较低。为了降低电力电子功率器件的开关损耗，采用谐振软开关的方式，使器件工作在零电压开关(ZVS)状态。软开关技术的应用可以降低变换器的开关损耗，提高变换器的工作效率，为变换器的高频化提供可能性，提高功率密度和动态性能。

电力电子功率器件的ZVS工作状态是通过换流电感和谐振电容中的循环能量为器件输出电容放电实现的。因此，为了维持ZVS工作状态，循环能量应大于电力电子功率器件输出电容的总能量。而循环能量与换流电感的大小成正比，并与负载电流的平方成正比。现有技术中均采用固定的变压器绕组漏感或外接电感作为换流电感，在轻负载时，负载电流小，换流电感不够大，循环能量不足会导致电力电子功率器件退出ZVS工作状态；在重负载时，负载电流大，而换流电感保持不变，循环能量过大引起较大的附加通态损耗。同时，轻负载时系统损耗的主要部分是高频变压器的铁芯损耗，而现有技术均没有对此进行优化。综上所述，现有技术只能在很窄的负载范围内获得高效率。

发明内容