三级结构单相电力电子变压器的实现.pdf

第4 7 卷 第6 期 煤炭工程 C 0AL E NGI NE E RI NG Vo 1 ． 4 7． No ． 6 d o i ： 1 0． 1 l 7 9 9 ／c e 2 01 5 0 6 0 3 4 三级结构单相 电力电子变压器 的实现 巩英才，胡小菊，高巧梅，程 红 ( 中国矿业大学 ( 北京 ) ，北 京1 0 0 0 8 3 ) 摘要：电力电子变压器相 比于传统 变压器具有诸多优点，具有很好的研究前景。文章首先 介绍了三级结构电力电子 变压器各级电路组成及其功能 ，分析 了各级电路的工作原理 ，选择合适 的控制策略 ，运用 D S P完成数 字控制 。设计制作 了主 电路 、检测电路和驱动 电路 ，搭 建 了单相 电力电子变压器实验样机并测量 了实验波形 ，验证 了该设计的可实现性。 关键词 ：电力电子变压器；三级电路 ；数字控制 ；T MS 3 2 0 F 2 8 3 3 5 中图分类号 ：T D 7 5 ；T M 4 0 2 文献标识码 ：A文章编号 ：1 6 7 1— 0 9 5 9( 2 0 1 5 ) 0 6 - 0 1 0 6 - 0 3 I mp l e me n t a t i o n o f Th r e e— — Stag e Ci r c u i t i n S i n g l e— — Ph a s e Po we r El e c t r o n i c Tr a ns f o r me r G O N G Y i n g —c a i ，H U X i a o— j U ，G A O Q i a o —m e i ，C H E N G Ho n g ( C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y( B e ij i n g ) ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：P o w e r e l e c t r o n i c t r a n s f o r me r h a s ma n y a d v a n t a g e s a n d b e t t e r a p p l i c a t i o n p r o s p e c t c o mp a r e d wi t h t h e t r a d i t i o n a 1 ． T he c o n f i g u r a t i o ns an d ma i n f u nc t i o n s o f t h e t hr e e— —s t a g e c i r c u i t i n t h e s i n g l e— - ph a s e p o we r e l e c t r o ni c t r a n s f o rm e r we r e i n t r o d u c e d ． T h e w o r k i n g p ri n c i p l e of t h e r e c t i f i e r s t a g e ， t h e i s o l a t i o n s t a g e a n d t h e i n v e r t e r s t a g e w a s a n a l y z e d ． T h e a p p r o p ria t e c o n t r o l s t r a t e g y wa s s e l e c t e d a n d t h e d i g i t al c o n t r o l s y s t e m w a s d e s i g n e d wi t h D S P ． T h e ma i n c i r c u i t ，d e t e c t i o n c i r c u i t a n d d rivi n g c i r c ui t we r e d e s i gn e d，a n d t he e x pe rime nt a l pl a t f o rm of t he s i ng l e—ph a s e p o we r e l e c t r o n i c t r a n s f o rm e r w a s e s t a b l i s h e d，v ali d i t y o f t h e d e s i g n wa s v e ri fi e d ． Ke y wo r d s ： p o w e r e l e c t r o n i c t r a n s f o rm e r ；t h r e e—s t a g e c i r c u i t ； d i g i t al c o n t r o l ；T MS 3 2 0 F 2 8 3 3 5 相比于传统电力变压器，电力电子变压器 P E T _ l ( 或 固态变压器 S S T ) 体积小、重量轻、空载损耗小 、兼有交 直流环节、可灵活控制输入输出电压，且具有无功补偿、 改善电能质量、故障保护等功能，很好地解决了分布式电 网带来的各种问题_ 4 J 。目前，国际上对电力电子变压器的 研究仍处于初级阶段 J 。本文设计了单模块电力电子变压 器( 如图 1 所示) ，其输入级为 A C— D C电路，实现网侧单 位功率因数运行、抑制谐波，同时维持直流侧 电压稳定； 隔离级采用隔离双向 D C—D C变换电路 ，减少电网波动对 输出的影响，防止输出故障影响电网稳定 ；输 出级并网， 实现 D C— A C变换，维持直流母线电压稳定，交流侧单位 功率 因数运行 。 1 三级结构电力电子变压器工作原理 为实现能量在两个电网间双 向传输，P E T的输入级和 图 1 三级结构单相电力电子变压器 输 出级必须兼 有整 流和逆 变功 能 ：正 向功率传 输时 ，输 入 级工作在整流状态、输出级工作在逆变状态；反向功率传 输时，其工作状态互换。为此本文选用既可工作在整流状 态、又可工作在逆变状态的 H桥电路作为输入、输出级； 隔离双向 D C— D C变换电路拓扑种类繁多 ，本文隔离级 采用常用于大功率场合的双向全桥 D C— D C变换电路。 1 ． 1 整 流／ 逆 变级 电~ 4： r - 作原 理 整流／ 逆变级采用如图2所示电路拓扑 ，其中，电感为 交流侧附加的电抗器 ，起平衡电压、支撑无功功率和储存 能量的作用，电容为直流侧滤波及储能电容，用于降低直 收稿 日期 ：2 0 1 5一 O 1 一 o 6 基金项 目：国家 自然科学基金项 目 “ 无工频变压器级联式多电平变换器关键技术研究”( 5 1 0 7 7 1 2 5 ) 作者简介：巩英才( 1 9 9 1一) ，男，山东莱芜人，硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动，E—m a i l ：g o n g y i n g c a i — c u mt b @ 1 6 3 ． e o mo 引用格式：巩英才，胡小菊，高巧梅，等．三级结构单相电力电子变压器的实现 [ J ] ．煤炭工程，2 0 1 5 ，4 7 ( 6 ) ：1 0 6 —1 0 8 ． 1 0 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5 年第6期 煤炭工程 流侧电压纹波，稳定直流侧输出电压。 图 2 H桥 电路拓扑 H桥 电路采 用双 极性调 制 J ，由于 同一桥 的上 下两桥 臂不能同时导通，因此仅有两种导通模式——1 、4桥臂导 通或2 、3桥臂导通。本节以整流为例进行分析，考虑该级 电路为单位功率 因数运行，即输入电压和电感电流同相位 ( 逆变时相位相差 1 8 0 。 ) ，因此每种导通模式又具有两种工 作状态，如图 3所示。 之 镯 镯 模式1 模式2 模式3 模式4 图 3 H桥 电路 P WM 整 流工作模 式 电压 ／／ , 、电流 i 处 于正半周 时 ，电路 工作 在模式 1和 模式 3两种状态。模式 1状态下，二极管 D 、D 导通，u = ，电源 u 和电感同时向直流侧供电，电容储能；模式 3状态下，开关管 S 和 S ， 导通 ，“ =一U d ，电源给电感充 电 ，电容放 电以维持 负载 电压稳 定 。同理 电压 “ 、电流 i 处于负半周时，电路工作在模式 2和模式 4两种状态 ，开 关管导通状 态于图 3示 出。 为实现 P WM整流的单位功率因数运行并稳定直流侧电 压 ，本文采用双闭环控制 ：电压外环采集直流电压，实现 对输出电压的控制；电流内环控制输入端电感电流，使其 波形呈正 弦且跟 随输 入 电压的相 位。双 闭环控 制系统 结构 如 图 4所示 。 图 4 双 闭环控 制系统 结构 图 1 ． 2 双向全桥 D C—D C变换电路工作原理 双向全桥 D C—D C变换电路如图 5所示，取变压器变 比为 n ： 1 ，串联电感及变压器漏感为 ￡ ，电容 C 两端电压 为 U 。 ，电容 C ： 两端 的电压 为 。 r } I ： 警 s 图 5 双 向全桥 DC— DC变换电路 由于前级的整流 电路通 过双 闭环控 制稳定 了直 流 电压 U ，后级 的逆变 电路通 过双 闭环控 制稳 定 了直 流 电压 ， 为简化控制，中间级不额外增加稳压控制环节，本文采用 开环单移相控制。当控制前桥的驱动信号超前于后桥的驱 动信号时，可实现正向能量传输，输入级工作在整流状态 ， 输出级工作在逆变状态；当控制前桥的驱动信号滞后于后 桥的驱动信号时，能量反向输送。 2三级结构电力电子变压器的实现 本文设计的三级结构 电力电子变压器可分为主电路、 检测电路 、控制 电路和驱 动 电路 四部 分 ，各硬 件 电路之 间 的关系如图 6所示。 图 6 三级结构 电力电子变压器控 制连接框 图 本设计中整流电路和逆变电路采用闭环控制，需采集 输出电压 、电感电流 i 和输入电压 作为被控对象，本 文应 用霍 尔 电压 传感 器 V S M0 2 5 A 和霍 尔 电流 传感 器 C S M0 0 5 A设计制作了检测电路。霍尔电压／ 电流传感器基于 霍尔效应 ，通过 “ 电一磁一电” 的隔离转换，将主电路与 控制器相互隔离，避免强电进入弱电系统造成控制系统损 坏，防止控制信号受到电磁干扰。 本文采用数字控制器( D S P ) ——T M s 3 2 0 8 3 3 5完成电 力电子变压器的数字控制。通过软件编程 ，配置 D S P的 G P I O口、外设 中断模块 、e P WM模块 和 A D模块 ：设 置 D S P的多路复用 I ／ 0口工作在 P WM输 出状态；利用 P WM 下溢中断保证控制的实时性 ；对 D S P的 e P WM模块进行初 始化 ，设置 P WM波的周期值 、死区时间、互补输出模式 及 中断触发方式 。 对于 整流／ 逆变 电路 ，被 控 电压 、电流 信 号 经 检测 电 路，采集到整流／ 逆变级的 D S P中，完成 A D转换 ，通过数 字 P I D程序，按 图 4控制图实现双闭环控制。对于双 向 D C—D C变 换 电路 ，采 用 开环 移相 控 制 ：运用 隔离 级 D S P 】 O7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 5年第6期 的移相寄存器写入预定的移相值，通过移相控制寄存器控 制移相方向。整流／ 逆变电路和双向 D C—D C电路程序流程 如图 7所示 。 I D s P 系 统初始化 l ● l中 断系 统初始化 l ● I e P W M if lt~ l I A D 模块初始化 I I 启动A D 转 换， 进入 A D 中 断l ● I转存A D 采样值并预处理 l ● I 电 压l I 运算 I f 电 流环P I 运算I l 改 变e P wM比 较值 l 图 7 DS P程序流程 图 本文选用 D A 9 6 2 D 4驱动模块搭建驱动电路，驱动电路 起升压 、驱动 和隔离 的作 用 ：将 D S P输 出的 3 ． 3 V P WM 波 的幅值抬升到 1 5 V，保 证 了驱动 开关管 所需 的电压 ；由于 MO S F E T的 G D、G S问存 在 寄生 电容 ，驱动 电路 必须 输 出 足够大的驱动电流，用以快速的驱动 MO S F E T导通；将主 电路和控制电路 隔离开来 ，防止主电路 中的大 电流损坏 D S P板。 3实验验证 本文应用 T MS 3 2 0 F 2 8 3 3 5搭建了一套原理性实验平台， 实验输入交流电压 1 0 V，选取整流／ 逆变级平波电感 5 m H， 直流侧滤波电容 2 2 0 0 u F 。整流级输入交流电压、电感电流 以及直 流 电压 波形如 图 8所示 ，双 向全 桥 D C—D C变换器 前后桥电压与电感电流波形如图9所示。 ‘ 0 ． 。 。l^ ～ ^ ． 一 j 流 电 哦 i^ - 。 ’_ ．二 - r ／ 1II I _ 一Il 图 8 整流电路实验波形图 由图8可知，整流 电路能够实现输入电压和电感电流 同相位，即输入级单位功率因数运行，直流电压很好地稳 定在2 4 V附近；逆变级与整流级波形相似，单位功率因数 运行下电感电流和电网电压相位相差 1 8 0 。 。单相整流电路 运行在单位功率因数下传输功率中会叠加 2次谐波，经测 量该 设计 输出纹波 2 0 0 m V。由图 9可 以看 出前 桥超前后桥 ， 】 08 图 9 双 向全桥 D C—D C变换器实验波形 移相比D=0 ． 4，此时，功率正向传输 ，若要实现功率反向 传输，只需使前桥滞后后桥即可。 4 结语 本 文分析 了单相 电力 电子 变压器 的三级 电路 的工作 原 理 ，介绍了各级电路的分工及其实现的功能，给出了各级 电路 的控制 策略 ，并通过数字控制器 T MS 3 2 0 F 2 8 3 3 5实现数 字控制。本文设计制作 了主电路 、检测 电路和驱动 电路 ， 对 D S P进行软件编程 ，建立起了原理实验平台，测得实验 波形验证 了设计 的可 行性 。本 文设计 采用 了便 于加入 级联 技术的三级结构 ，可通过多模块级联设计，提高该电力电 子变压器的耐压，从而满足高电压等级的工况使用。 参考文献 ： [ 1 ] 邓卫华 ，张波，胡宗波． 电力电子变 压器 电路拓 扑与控 制策略研究 [ J ] ．电力 系统 自动化 ，2 0 0 3 ，2 7 ( 2 0 ) ：4 0— 4 4． [ 2 ] F a n S，M a o C X，C h e n L ．O p t i ma l c o o r d i n a t e d P E T a n d g e n — e r a t o r e x c i t a t i o n c o n t r o l f o r p o w e r s y s t e ms[ J ] ．I n t ．J ．E l e c — t r ．P o w e r E n e r g y S y s t ． ，2 0 0 6 ，2 8 ( 3 ) ：1 5 8—1 6 5 ． [ 3 ] B r o o k s J L ．S o l i d s t a t e t r a n s f o r m e r c o n c e p t d e v e l o p m e n t[ R] ． Na v a l Ma t e r i al Co mma n d，C i v i l En g i n e e rin g L a bo r a t o r y，Na v al Co n s t r u c t i o n Ba t t ali o n Ct r ．， P o r t Hu e n e me， CA， 1 9 8 0． [ 4 ] 毛承雄，范澍，王丹，等．电力电子变压器的理论及 其应用 (I) [ J ] ．高压电技术 ，2 9 ( 1 0 )：4—6 ． [ 5] A ． Q ． H u ang ，M． L ． C row，G．T ．He y d t ，e t a 1 ． T h e F u t u r e Re n e wa b l e E l e c t ric En e r g y De l i v e r y an d Ma n a g e me n t ( F R E E D M)S y s t e m：T h e E n e r g y I n t e me t[ J ] ．P roc e e d i n g s o f t h e I E E E，2 0 1 1 ，9 9 ( 1 ) ：1 3 3—1 4 8 ． [ 6 ] M a s o u d A l m a le k i ， P ．W h e e l e r ， J ．C l a r e ．S l i d i n g M o d e O b s e r v e r D e s i g nf o r U n i v e r s a l F l e x i b l e P o w e r M a n a g e m e n t( U nifl ~ 一P M) S t r u c t u r e[ J ] ．I E C O N 2 0 O 8 ．3 4 t h A n n u al C 0 r If r e n c e o f I E E E I n - d u ~ri al El e c t r o n i c s ，2 0 0 8，3 3 2 1—3 3 2 6 ． [ 7 ] 童亦斌 ，吴峰 ，金新 民，等．双向 D C ／ D C变换器 的拓扑 研究 [ J ] ． 中国电机工程学报 ，2 0 0 7，2 7 ( 1 3 ) ：8 1— 8 6 ． [ 8 ] 唐丽丽 ，郑琼 林．单相 P WM整 流器 主电路参 数选择探 讨 [ J ] ．北方交通大学学报 ，2 0 0 0，2 4 ( 4 ) ：9 8—1 0 2 ． [ 9 ] 刘 陵顺 ，高艳 丽，张树 团 ，等．T MS 3 2 0 F 2 8 3 3 5 D S P原 理 及 开发 编 程 [ M] ． 北 京 ：北 京 航 空 航 天 大 学 出 版 社 ， 2 0 1 1 ． ( 责任编辑赵巧 芝) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m