[0001] 本发明涉及电力电子变流器技术领域，特别涉及一种可以实现高效率、高频隔离、高压输入、宽范围稳定电压输出，同时实现能量双向流动的电力电子变流器系统。

[0002] 随着生态环境问题的日益严重，以及传统能源的日益枯竭，节能技术以及新能源的高效利用正在得到世界各国的重视和支持。智能电网无疑作为节能技术中一个重要应用方面，目前已成为工业界和学术界的研究热点。分布式发电是新能源利用的重要方式。分布式发电跟智能电网的结合成为未来电网的一个必然趋势。

[0003] 传统的新能源分布式发电系统，通过并网逆变器实现新能源到交流电网的能量传递。在较大功率场合，为了匹配并网逆变器输出与交流配电网电压，需要有工频变压器实现不同电网之间的连接，如光伏发电的220V交流输出与10kV、35kV的交流配电网之间的连接。上述传统的交流直接并网方式虽然简单，但由于分布式发电系统与整个电力系统通过交流电网耦合在一起，大大增加了系统能量调节的复杂性和控制难度。为了克服上述难题，基于低压直流母线的直流型微网系统引起了广泛的关注。通过在微网系统内部引入一个低压直流母线，方便可再生能源的接入，实现了交直流系统的解耦，同时也减少系统的功率变换级数，提高了系统整体效率。直流微网系统通过一个双向电力电子变流器连接到交流电网，实现微网与电网的能量交互。但是受限于目前电力电子器件的发展水平，这一架构同样需要一个工频配电变压器匹配双向电力电子变流器输出以及交流母线电压。

[0004] 虽然工频变压器制作工艺简单，价格低廉，但是工频变压器存在体积大、重量重、对故障不具备隔离能力，工频变压器原副边电网之间谐波会相互耦合，不能做到完全意义上的电气隔离，同时工频变压器无法维持副边电压稳定，并且无法实现能量的自动调节和智能管理，已经越来越不能满足电力系统发展过程中提出的新需求，如智能电网。

[0005] 为了灵活控制电网中的能量流动，有效利用新能源，同时减小变压器体积，目前学者们提出了一些解决方案，诸如欧盟的UNIFLEX-PM工程和北美的固态变压器结构（SST，也称电力电子变压器）等，这些方案可以控制能量的双向流动，同时利用高频变压器实现电气隔离，但是这些方案中电路结构复杂，控制繁琐，损耗大，效率低，同时冗余设计复杂，一旦某一器件出现故障，系统需要停电进行维修，可靠性低等，因此这些方案无法满足电网的要求。

[0006] 国内电力系统中的近距离输电电压通常为10kV和35kV，而目前适用于大功率场合的有源开关器件（IGBT，SiC MOSFET等）耐压在6kV以下，常用的为1700V和3300V耐压的IGBT，因此普通的变流器结构无法满足高压要求。

[0045] 以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

[0046] 首先说明：本发明中所提及的“高频”，是指几千赫兹到几十千赫兹；所提及的“高压”是指几十千伏到上百千伏，甚至更高。而在名称中使用了该限定词的电路或元器件，是指能够实现相应功能或用于相应环境的电路或元器件。这一概念属于本领域的基本概念，对此本领域技术人员已是熟知，故本发明不再赘述。

[0047] 参照图1，整个变流器系统包括输入级、隔离级两级结构，其中前级为三相整流（逆变）电路，后级为高频隔离可实现能量双向流动的谐振型DC/DC电路。

[0048] 输入级整流（逆变）电路包括3个桥臂，分别为A相桥臂，B相桥臂，C相桥臂，每个桥臂由上下两个半桥臂组成，桥臂的中点分别跟三相高压交流电网(A相，B相，C相)相连。每个半桥臂包括n个模块单元SMuvw (u=p,n; v=a,b,c; w=1,2…n)和一个桥臂电感。每个模块可采用图3中所示电路中的任何一种。每个模块包括若干有源开关器件、储能电容及短路开关、两个输出端口，所有模块的端口首尾相连组成图1中所示的桥臂结构。每个模块上的稳态电压为直流母线电压的1/n。桥臂电感，用于高频滤波，防止瞬时桥臂电压跟直流母线电压不等时造成的电流冲击，同时桥臂电感可以减小桥臂间的环流，减小变流器系统的功率损耗。短路开关主要用于模块发生故障时短路该模块，在不断电的情况下完成模块的更换和系统维修。

[0049] 后级的DC/DC电路，包括两个桥臂组成的高频逆变（整流）电路、高频隔离变压器和高频的整流（逆变）电路。每个桥臂由上下两个半桥臂组成，每个半桥臂包括m个模块单元SMhfij（i=1,2,3,4; j=1,2…m）和一个桥臂电感。高频逆变（整流）电路中两个桥臂的中点跟跟隔离变压器的输入端两个端点相连，高频变压器的副边输出跟高频整流（逆变）电路的输入端相连，高频整流（逆变）电路输出稳态直流电压。跟输入级电路相比，模块结构同样可以采用图3所示的几种电路结构，每个半桥臂上级联的模块数可以跟前级半桥臂上级联的模块数量相等或者不等，模块级联数由所选器件的耐压和直流母线电压决定。由于DC/DC部分工作在高频状态，每个模块电容值相比前级结构中的模块电容值大幅度下降。每个模块上的稳态电压为直流母线电压的1/m。不同于输入级的整流（逆变）电路，桥臂电感，除用于高频滤波，防止桥臂瞬时电压跟直流母线电压不等时造成的电流冲击外，同时该桥臂电感主要用做谐振电感，参与DC/DC电路中能量的传递。短路开关主要用于模块发生故障时短路该模块，在不断电的情况下完成模块的更换和系统维修。

[0050] 由于图1中隔离级DC/DC电路中的桥臂电感，同时用于谐振电感，为了保证电路的正常工作，该电感量通常很小，因此很难抑制桥臂瞬时电压跟直流母线电压不等时造成的电流冲击。为了减小该电流冲击，隔离级DC/DC电路，两上半桥臂（ARM1,ARM3）间增加了一个耦合电感，两下半桥臂（ARM2, ARM4）间也增加了一个耦合电感，如图2所示。这两个耦合电感一方面减小了隔离级对输入级造成的电流纹波，同时在桥臂谐振电感不等时保证电路的正常工作。高频变压器副边整流（逆变）电路采用全桥结构，开关器件均采用全控型的电力电子器件，实现能量的双向流动，同时相比采用二极管整流，有源开关管的导通损耗明显降低，整体变流器的效率增加。

[0051] 图4中所示变流器系统，隔离级DC/DC电路为对称半桥谐振型变流器，输入级的整流（逆变）电路跟图1、图2相同。跟图1相比，图4中变流器隔离级DC/DC电路的两个桥臂，一个桥臂由2m个模块单元SMij(i=1,2; j=1,2,3…m)和上下两个桥臂电感(Lr1, Lr2)组成，这两个桥臂电感同时为谐振型变流器的谐振电感，另一个桥臂完全由2L个电容Cij(i=3,4; j=1,2,3…L)串联而成，这些电容组成谐振变流器的谐振电容。

[0052] 图4中所示电路，相比图1中所示电路，谐振电感较小，无法有效抑制隔离级电路对输入级电路造成的电流纹波，因此图5中所示电路在两个上半桥臂之间增加了耦合电感Lc1，两个下半桥臂之间也增加耦合电感Lc2。这两个耦合电感对功率输出不产生任何影响，但是由于其电感量较大，可以有效抑制隔离级对输入级的电流纹波。

[0053] 图1，图2，图4，图5中所示变流器系统，其隔离级DC/DC电路中采用高频变压器实现电气隔离，而该变压器通常采用铁氧体材料，受限于现有技术，单个变压器的功率等级还很小，不能满足电力系统中功率等级较高的需求。因此在大功率场合需要采用多个变压器串联或并联来提高功率等级，分别如图6和图7所示。

[0054] 图8为本发明中所提出的电力电子变流器的一种应用实例。其中输入级为三相整流（逆变）电路，由三个桥臂构成，每个桥臂上包括6个模块单元和2个桥臂电感。模块单元采用半桥结构，包括两个有源开关器件和模块电容。每个模块单元工作在导通或关断状态，模块上管导通时，模块单元处于导通状态，模块嵌入到桥臂中。模块下管导通时，模块单元处于关断状态，模块从桥臂中被旁路。因此控制模块单元的开通关断即可输出不同的电压。桥臂中模块单元数越多，电平数越多，对电网造成的谐波越小。隔离级DC/DC电路采用全桥谐振结构，每个桥臂中包括4个模块单元和两个耦合电感的一个绕组。模块的工作状态也工作在导通或关断状态。控制模块的导通关断即可控制谐振腔的激励电压，从而输出不同的功率。实际控制可以采用多种控制方式达到相同的输出功率，诸如频率控制、占空比控制、移相控制等。图9所示为DC/DC部分每个桥臂包括2m个模块单元时，两个桥臂的中点电压及谐振腔电压波形。图9中显示，激励腔的电压不是完全的方波电压，根据负载变化可调节不同的激励电压波形，输出不同的功率。实际控制中需要加入均压控制，以保证每个模块的稳态电压相同。

[0055] 图10为输入级整流（逆变）电路的控制电路框图，控制电路采样三相交流电压、三相交流电流、高压直流母线电压以及各模块的瞬时电压，实现AC-DC控制，同时保证各模块电容稳态电压均衡。图11为隔离级DC-DC电路的控制电路框图，该部分控制电路需采样高压直流母线电压、低压直流输出电压、各模块电压，形成闭环控制，保证输出电压稳定，同时保证各模块稳态电压均衡。图12为有源开关器件的驱动电路框图。控制电路产生的驱动信号通过该部分驱动电路实现器件的高效驱动及高压电气隔离。

[0056] 所述的开关器件为全控型电力电子器件，诸如IGBT, IGCT, GTO，以及SIC MOSFEF等。

[0057] 上述具体实施例只是为了说明本发明的技术构思和应用特点，其目的在于让熟悉此领域的工程设计人员能够了解本发明的内涵实质并加以应用，但并不能因此而限制本发明的保护范围。根据本发明的思路，每个模块单元不仅限于图3中所示的几种电路结构，而且桥臂电感的位置也不仅是图中所示，由于桥臂电感串联在桥臂支路中，因此实际应用时的任何物理位置均在此专利的保护范围之内。无论在上文中出现了如何详细的说明，也可以许多方式实施本发明。上述电路结构及其控制方式的细节在其执行细节中可以进行相当多的变化，然而其仍然包含在这里所公开的本发明中。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。