本發明涉及一種電力電子變壓器，特別涉及一種兩級型高壓交流輸入-直流輸出的電力電子變壓器。

背景技術：

電力電子變壓器作為現代智能電網中的新型電氣設備，一般通過電力電子變流器+高頻隔離變壓器的方式實現電氣隔離、電壓變換、功率傳輸等多種功能。由于采用數百hz到數十khz高頻變壓器實現電氣隔離，因此電力電子變壓器比傳統的工頻變壓器所需的鐵芯材料更少。另外，由于電力電子變壓器和可以提供直流接口，具備光伏等可再生能源直接接入能力，同時可以補償交流電網無功和諧波，隔離原副邊故障等多種功能，在智能電網、能源互聯網、軌道交通機車牽引等領域具有廣泛的應用前景。

但是，對于10kv或更高電壓等級的應用而言，目前的技術方案下，電力電子變壓器從輸入到輸出通常需要多級電力電子變換器對電能進行ac/dc、dc/ac或者ac/ac的變換。多級電能變換器的存在嚴重影響了電力電子變壓器系統效率的提高，也使得系統結構復雜，電力電子器件數量眾多，造價高且可靠性差。例如，對于連接高壓交流電網、低壓直流輸出的電力電子變壓器來說，現有的電路拓撲通常要經過多級的電力電子變換器：發明專利cn02139030、cn200910025824、cn200910238441、cn201310016540、cn201410135384等均是經過了ac(工頻)/dc、dc/ac(高頻)和ac(高頻)/dc三級電能變換器，并采用高頻變壓器實現不同端口之間的電氣隔離；另外，發明專利cn201510078708中電力電子變壓器采用的工頻變壓器，且兩個交流端口之間通過vsc存在電氣連接，不能實現交流端口之間的電氣隔離。

技術實現要素：

本發明的目的旨在克服現有電力電子變壓器電路拓撲從輸入到輸出經過的電能變換級數多、效率低，以及半導體開關器件數量多，可靠性差等缺點，提出一種兩級變換型交流-直流電力電子變壓器及其控制方法。本發明只用兩級電力電子變換器級便可實現交流-直流變換，且可高頻隔離。

本發明兩級變換型交流-直流電力電子變壓器包含三臺濾波電感lga、lgb和lgc，三臺級聯型變流器cca、ccb和ccc，三個低頻阻隔電容器clfb1、clfb2和clfb3，三臺高頻隔離變壓器thf1、thf2和thf3，以及三臺高頻整流器rec1、rec2和rec3。所述的兩級變換型交流-直流電力電子變壓器的交流端口包括a、b、c三個連接端子，直流端口包括p和n兩個連接端子，功率可以在交流端口a、b、c與直流端口p、n之間雙向流動。

三個濾波電感lga、lgb和lgc分別有一個端子連接到所述變壓器交流端口的a、b、c三個連接端子上，三個濾波電感lga、lgb和lgc的另外三個端子分別作為所述變壓器的連接端子t1、t2和t3；三臺級聯型變流器cca、ccb和ccc均由數量相同的子模塊sm在交流側依次串聯連接組成，三臺級聯型變流器cca、ccb和ccc均有一端連接到中性點m上，三臺級聯型變流器cca、ccb和ccc的另外一端分別連接到所述變壓器的三個連接端子t1、t2、t3；三臺高頻隔離變壓器thf1、thf2和thf3的原邊繞組均有一個端子連接到中性點m上，高頻隔離變壓器thfx的原邊繞組未連接到中性點m的另外一個端子與低頻阻隔電容器clfbx串聯后，連接到端子tx，x＝1，2，3；高頻隔離變壓器thfx的副邊繞組連接到高頻整流器recx的交流側，x＝1，2，3；高頻整流器rec1、rec2和rec3的直流側正極均連接到所述變壓器的直流端口連接端子p；高頻整流器rec1、rec2和rec3的直流側負極均連接到所述變壓器的直流端口連接端子n。

所述的兩級變換型交流-直流電力電子變壓器包括低頻交流到高頻交流的直接ac/ac變換器和高頻交流到直流的ac/dc變換器兩級變換，級聯型變流器cca、和ccb和ccc實現電能由低頻交流到高頻交流的直接ac/ac變換，高頻整流器rec1、rec2和rec3實現電能的高頻ac/dc變換。

所述的兩級變換型交流-直流電力電子變壓器中的級聯型變流器cca、ccb和ccc的參考電壓均由兩部分組成，分別為：

ucca＝ucca_convention_control+usquare_hf_cm

uccb＝uccb_convention_control+usquare_hf_cm

uccc＝uccc_convention_control+usquare_hf_cm

其中，ucca_convention_control為級聯型變流器cca傳統的電容電壓外環+電流內環的雙閉環控制及子模塊sm的均壓控制后的低頻輸出電壓、uccb_convention_control為級聯型變流器ccb傳統的電容電壓外環+電流內環的雙閉環控制及子模塊sm的均壓控制后的低頻輸出電壓，uccc_convention_control為級聯型變流器ccc傳統的電容電壓外環+電流內環的雙閉環控制及子模塊sm的均壓控制后的低頻輸出電壓，usquare_hf_cm為級聯型變流器cca、ccb和ccc的高頻方波共模電壓，usquare_hf_cm的占空比50％，頻率為fsquare_hf。

由于級聯型變流器cca、ccb和ccc星形連接于m點，且所述兩級變換型交流-直流電力電子變壓器的交流端口為三相三線制，不存在共模回路，而三個變流器中的高頻方波電壓usquare_hf_cm為共模電壓，因此其不會在三相交流側產生高頻電流，只會影響并聯連接到級聯型變流器cca、ccb和ccc的低頻阻隔電容器clfb1、clfb2和clfb3，以及三臺高頻隔離變壓器thf1、thf2和thf3的原邊電路。

所述的兩級變換型交流-直流電力電子變壓器中的低頻阻隔電容器clfb1、clfb2和clfb3阻隔了級聯型變流器cca、和ccb和ccc輸出電壓的低頻成分ucca_convention_control、uccb_convention_control和uccc_convention_control，而高頻方波共模電壓usquare_hf_cm將級聯型變流器cca、和ccb和ccc的電能從高頻隔離變壓器thf1、thf2和thf3的原邊傳遞到副邊，其特征在于：低頻阻隔電容器clfb1、clfb2和clfb3分別與高頻隔離變壓器thf1、thf2和thf3的漏感組成的串聯諧振電路的諧振頻率等于fsquare_hf，高頻整流器rec1、rec2和rec3的交流側電壓均為占空比為50％的方波，且與usquare_hf的頻率及相位均相同，高頻整流器rec1、rec2和rec3均為零電流開關的軟開關方式實現了電能的高頻ac/dc變換。

附圖說明

圖1為本發明兩級變換型交流-直流電力電子變壓器電路原理圖；

圖2為本發明兩級變換型交流-直流電力電子變壓器中級聯型變流器a、b、c內的子模塊sm以及中高頻整流器rec1、rec2、rec3的一種共同的具體實現電路原理圖。

具體實施方式

以下結合附圖和具體實施方式進一步說明本發明。

圖1為本發明兩級變換型交流-直流電力電子變壓器電路原理圖：本發明兩級變換型交流-直流電力電子變壓器包含三臺濾波電感lga、lgb和lgc，三臺級聯型變流器cca、ccb和ccc，三個低頻阻隔電容器clfb1、clfb2和clfb3，三臺高頻隔離變壓器thf1、thf2和thf3，以及三臺高頻整流器rec1、rec2和rec3。所述的兩級變換型交流-直流電力電子變壓器交流端口包括a、b、c三個連接端子，直流端口包括p和n兩個連接端子，功率可以在交流端口a、b、c與直流端口p、n之間雙向流動。三個濾波電感lga、lgb和lgc分別有一個端子連接到所述變壓器交流端口的三個連接端子a、b、c上，三個濾波電感lga、lgb和lgc的另外三個端子分別作為所述變壓器的連接端子t1、t2和t3；三臺級聯型變流器cca、ccb和ccc均由數量相同的子模塊sm在交流側依次串聯連接組成。三臺級聯型變流器cca、ccb和ccc均有一端連接到中性點m上，三臺級聯型變流器cca、ccb和ccc的另外一端分別連接到三個連接端子t1、t2、t3。三臺高頻隔離變壓器thf1、thf2和thf3的原邊繞組均有一個端子連接到中性點m上，高頻隔離變壓器thfx原邊繞組未連接到中性點m的另外一個端子與低頻阻隔電容器clfbx串聯后連接到端子tx，此處x＝1，2，3；高頻隔離變壓器thfx副邊繞組連接到高頻整流器recx的交流側，x＝1，2，3；高頻整流器rec1、rec2、rec3的直流側正極均連接到直流端口的連接端子p；高頻整流器rec1、rec2、rec3的直流側負極均連接到直流端口的連接端子n。

所述的兩級變換型交流-直流電力電子變壓器包括低頻交流到高頻交流的直接ac/ac變換器和高頻交流到直流的ac/dc變換器兩級變換，級聯型變流器cca、和ccb和ccc的實現電能由低頻交流到高頻交流的直接ac/ac變換，而高頻整流器rec1、rec2和rec3實現電能的高頻ac/dc變換。

所述的兩級變換型交流-直流電力電子變壓器中的級聯型變流器cca、和ccb和ccc的參考電壓均由兩部分組成，分別為：

ucca＝ucca_convention_control+usquare_hf_cm

uccb＝uccb_convention_control+usquare_hf_cm

uccc＝uccc_convention_control+usquare_hf_cm

其中，ucca_convention_control為級聯型變流器cca傳統的電容電壓外環+電流內環的雙閉環控制以及子模塊sm的均壓控制后的低頻輸出電壓、uccb_convention_control為級聯型變流器ccb傳統的電容電壓外環+電流內環的雙閉環控制以及子模塊sm的均壓控制后的低頻輸出電壓，uccc_convention_control為級聯型變流器ccc傳統的電容電壓外環+電流內環的雙閉環控制以及子模塊sm的均壓控制后的低頻輸出電壓，usquare_hf_cm為級聯型變流器cca、和ccb和ccc的高頻方波共模電壓，usquare_hf_cm的占空比50％，頻率為fsquare_hf。由于級聯型變流器cca、和ccb和ccc星形連接于m點，且所述兩級變換型交流-直流電力電子變壓器的交流端口為三相三線制，不存在共模回路，而三個變流器中的高頻方波電壓usquare_hf_cm為共模電壓，因此其不會在三相交流側產生高頻電流，只會影響并聯連接到級聯型變流器cca、和ccb和ccc的低頻阻隔電容器clfb1、clfb2和clfb3以及三臺高頻隔離變壓器thf1、thf2和thf3的原邊電路。

所述的兩級變換型交流-直流電力電子變壓器中的低頻阻隔電容器clfb1、clfb2和clfb3阻隔了級聯型變流器cca、和ccb和ccc輸出電壓的低頻成分ucca_convention_control、uccb_convention_control和uccc_convention_control，而高頻方波共模電壓usquare_hf_cm將級聯型變流器cca、和ccb和ccc的電能從高頻隔離變壓器thf1、thf2和thf3的原邊傳遞到副邊，其特征在于：低頻阻隔電容器clfb1、clfb2和clfb3分別與高頻隔離變壓器thf1、thf2和thf3的漏感組成的串聯諧振電路的諧振頻率等于fsquare_hf，高頻整流器rec1、rec2和rec3的交流側電壓均為占空比為50％的方波，且與usquare_hf的頻率及相位均相同，高頻整流器rec1、rec2和rec3均為零電流開關的軟開關方式實現了電能的高頻ac/dc變換。

圖2為本發明兩級變換型交流-直流電力電子變壓器中級聯型變流器a、b、c內的子模塊sm以及中高頻整流器1、2、3的一種共同的具體實現電路原理圖：直流電容cdc、開關t1-t4、二極管d1-d4、開關t1與t2的公共連接點為x，開關t3與t4的公共連接點為y，開關t1和t3的集電極均連接到直流電容cdc的正極，開關t2和t4的發射極連接到直流電容cdc的負極；開關tx的集電極與二極管dx陰極連接在一起，開關tx的發射極與二極管dx陽極連接在一起，此處的x＝1，2，3，4。當該電路作為級聯型變流器a、b、c內的子模塊sm時，端子x和y作為sm的交流端口連接端子，相鄰的子模塊sm中上一個子模塊sm的端子x與下一個子模塊sm的端子y連接在一起，多個子模塊sm如此串聯連接在一起構成級聯型變流器a、b和c。當該電路作為中高頻整流器1、2、3時，端子x和y作為中高頻整流器1、2、3的交流側連接端子，直流電容cdc的正負極作為中高頻整流器1、2、3的直流側連接端子。