[发明专利]一种实现大功率电力电子变压器自然均压的参数设计方法

说明书

本发明公开了一种实现大功率电力电子变压器自然均压的参数设计方法，具体步骤如下：建立其等效电路模型、确定功率正向传输时的增益表达式；根据增益需求表达式，确定满足增益条件下的k值和g值的集合；定义目标函数，通过遍历的算法求取使目标函数最优的k₁值和g₁值；求解出对应的谐振回路参数。本发明的一种实现大功率电力电子变压器自然均压的参数设计方法能够利用直流变压器的自平衡原理，实现级联H桥模块电容电压的自然平衡；所设计的谐振型直流变压器能够确保即便在开环控制下，能量双向流动时直流电压均在期望范围内波动；极大简化了系统的控制，保证不同功率下的直流增益，易于实现。

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种实现大功率电力电子变压器自然均压的参数设计方法。

背景技术

电力电子变压器(PET)通过引入电力电子变换技术对其一次侧和二次侧的电压幅值和相位进行实时控制，达到对电力系统电压、电流及功率灵活调节的目的。由于其具有体积小、重量轻、功能多等优点，近年来得到国内外学者的广泛研究。级联型PET的提出有效解决了传统PET不适合高压大功率场合的问题，其高压级采用级联H桥结构以适用于高压大功率场合、隔离级采用双向高频谐振型直流变换器用以实现电压等级调整以及高频控制、低压级采用三相逆变器拓扑结构以适用于不同种类的负载。

由于级联型PET高压侧串联的各模块间器件参数的差异，开关模式的不同，控制策略的局限性以及负载的变化等，会导致其存在直流侧电压不平衡的问题，对装置的输出性能和可靠性造成严重的影响，甚至会导致整个系统崩溃。因此研究直流侧电压平衡方法对于级联型PET来说具有重要意义。通过查阅国内外文献，近年来均压方法主要包括：硬件均压法、底层调制法以及上层均压法。

硬件均压法主要通过调节并联电容的有功损耗，实现各个逆变器单元之间的能量传递，进而实现各模块间的均压，该方法需要额外添加均压电路，增加了系统的成本与复杂性；

底层调制法通过利用直流侧电压反馈调节各H桥模块的调制占空比以实现电压平衡，该方法需要进行大量运算，不仅提高了系统控制的复杂性，而且增加了微处理的计算负担；

上层均压控制主要通过H桥输出电压波形的移相，改变电流与电压相位关系，从而调整各H桥吸收的有功功率，实现各H桥的电压调节功能，但该方法移相角的可调范围较小，导致调节速度缓慢，因此这种方法并不适用于大容量系统。

级联型PET隔离级的主要功能是实现电压调节、高频控制以及能量双向流动。为了减小开关损耗，提高传输效率，高频谐振变换器近年来得到了广泛研究。但是在系统运行的过程中，当开关频率与谐振频率存在偏差时，传统的参数设计方法对直流增益影响较大，因此为了提高变换器效率，多数会采用闭环控制的方式。但这种方式需要增加判别功率流动方向的装置，提高了采样难度，增加了系统成本，除此之外，由于开关频率较高，再进行复杂的控制算法会增大控制器的运算负担，甚至造成控制器的溢出，输出错误控制信号，严重影响系统的稳定性和可靠性，且控制参数的设计较为复杂。

通过以上分析，级联型PET存在的高压级直流侧电压不平衡问题给系统造成了较大的影响，其传统的解决方法复杂，成本较高；隔离级高频变换器闭环控制下控制器设计较为困难，对采样要求较高，对微处理器造成了较大负担。因此本专利提出通过隔离级谐振变换器输出电压一致的电路特性及合理的参数设计将高压级输出电压钳位到期望值，解决高压级级联模块电压不平衡的问题，实现自然均压；同时谐振变换器使用开环控制，不需要传感器等器件，有效降低了系统成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实现大功率电力电子变压器自然均压的参数设计方法，利用DC/DC谐振变换器的电路特性，使其在开环状态下实现高压级H桥级联模块的自然均压功能，降低控制算法复杂度和系统成本，同时避免闭环控制时延带来的稳定性问题。

本发明所采用的技术方案是，一种实现大功率电力电子变压器自然均压的参数设计方法，具体操作步骤如下：