电力电子变压器系统直流母线电容的均压控制装置和方法

技术领域

本发明涉及电力电子变压器系统技术领域，具体涉及一种电力电子变压器系统预充电过程中直流母线电容的均压控制装置和一种电力电子变压器系统中直流母线电容的均压控制方法。

背景技术

在电力电子变压器系统中，每个功率模块中AC/DC直流母线并联直流母线电容，在电力电子变压器启动时，对直流母线电容预充电时可能会存在各个电容不均压的情况。目前常用的解决方式为在直流母线电容旁并联平衡电阻，达到消除电容不均压的目的，但并联的平衡电阻会消耗功率，降低整个系统的效率。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提供了一种电力电子变压器系统中直流母线电容的均压控制装置和方法，能够避免平衡电阻带来的损耗，并能够提高电力电子变压器系统的效率。

本发明采用的技术方案如下：

一种电力电子变压器系统中直流母线电容的均压控制装置，所述电力电子变压器系统包括多个功率模块、对应每个所述功率模块设置的控制板、对应每个所述功率模块设置的辅助源，所述多个功率模块的交流输入端依次串联，并通过预充电阻接入交流电源，所述多个功率模块的直流输出端相并联，每个所述功率模块包括AC/DC单元和DC//DC谐振单元，所述AC/DC单元的交流侧作为所述功率模块的交流输入端，所述AC/DC单元的直流侧并联有所述直流母线电容，所述DC//DC谐振单元的一侧与所述AC/DC单元的直流侧相连、另一侧作为所述功率模块的直流输出端，每个所述辅助源的输入端并接于对应的所述AC/DC单元的直流侧，每个所述辅助源的输出端连接到对应的所述控制板以为对应的所述控制板供电，所述均压控制装置包括预充开关、主控模块和对应每个所述辅助源设置的控制单元，其中，所述预充开关与所述预充电阻并联；对应每个所述功率模块，所述控制单元分别与所述直流母线电容和所述辅助源相连，所述控制单元用于检测所述直流母线电容的电压，并用于根据升压指令控制所述辅助源提高输出电压和根据降压指令控制所述辅助源降低输出电压；所述主控模块分别与所述预充开关和每个所述控制单元相连，所述主控模块用于在所述电力电子变压器系统启动时控制所述预充开关断开以为每个所述功率模块中的直流母线电容充电，并接收每个所述控制单元检测到的直流母线电容的电压，以及在判定任意一个或多个功率模块中的直流母线电容的电压偏高时，向该一个或多个功率模块对应的控制单元发送所述升压指令，并在判定任意一个或多个功率模块中的直流母线电容的电压偏低时，向该一个或多个功率模块对应的控制单元发送所述降压指令。

所述控制板包括：用电部件，所述用电部件包括控制芯片、运放电路、驱动芯片、通信芯片中的至少一个；至少一个DC/DC电源电路，所述至少一个DC/DC电源电路的输入端与对应的所述辅助源的输出端相连，所述至少一个DC/DC电源电路的输出端与所述用电部件的电源端相连。

所述辅助源包括：变压器，所述变压器的一次侧一端作为所述辅助源的输入端一端，所述变压器的二次侧一端作为所述辅助源的输出端一端；开关管，所述开关管的第一极与所述变压器的一次侧另一端相连，所述开关管的第二极作为所述辅助源的输入端另一端，所述开关管的控制极与所述控制单元相连；整流二极管，所述整流二极管的阳极与所述变压器的二次侧另一端相连，所述整流二极管的阴极作为所述辅助源的输出端另一端；滤波电容，所述滤波电容的一端与所述整流二极管的阴极相连，所述滤波电容的另一端与所述变压器的二次侧一端相连。

所述控制单元包括：电压采样电路，所述电压采样电路用于采集对应的所述直流母线电容的电压；MCU，所述MCU的电压信号输入引脚与所述电压采样电路相连，以输入对应的所述直流母线电容的电压，所述MCU的驱动信号输出引脚与所述开关管的控制极相连，以向所述开关管的控制极输入PWM信号，所述MCU与所述主控模块进行通信连接，以将对应的所述直流母线电容的电压发送至所述主控模块，并接收所述主控模块发送的所述升压指令或所述降压指令，以便根据所述升压指令或所述降压指令调整所述PWM信号，以控制对应的所述辅助源提高输出电压或降低输出电压。

所述开关管为PMOS管，所述第一极为PMOS管漏极，所述第二极为PMOS管源极，所述控制极为PMOS管栅极。

所述主控模块通过光纤与每个所述MCU进行通信连接。

所述主控模块计算所有所述功率模块中的直流母线电容的电压的平均值，并在任意一个或多个功率模块中的直流母线电容的电压大于所述平均值，且与所述平均值的差值大于第一预设阈值时，判定该一个或多个功率模块中的直流母线电容的电压偏高，以及在任意一个或多个功率模块中的直流母线电容的电压小于所述平均值，且与所述平均值的差值的绝对值大于第二预设阈值时，判定该一个或多个功率模块中的直流母线电容的电压偏低。

所述电力电子变压器系统为单相系统或三相系统。

一种基于上述电力电子变压器系统中直流母线电容的均压控制装置的均压控制方法，包括：在所述电力电子变压器系统启动时控制所述预充开关断开以为每个所述功率模块中的直流母线电容充电；每个所述控制单元检测对应的功率模块中直流母线电容的电压；在判定任意一个或多个功率模块中的直流母线电容的电压偏高时，向该一个或多个功率模块对应的控制单元发送升压指令，以控制该一个或多个功率模块对应的辅助源提高输出电压；在判定任意一个或多个功率模块中的直流母线电容的电压偏低时，向该一个或多个功率模块对应的控制单元发送降压指令，以控制该一个或多个功率模块对应的辅助源降低输出电压。

其中，计算所有所述功率模块中的直流母线电容的电压的平均值，并在任意一个或多个功率模块中的直流母线电容的电压大于所述平均值，且与所述平均值的差值大于第一预设阈值时，判定该一个或多个功率模块中的直流母线电容的电压偏高，以及在任意一个或多个功率模块中的直流母线电容的电压小于所述平均值，且与所述平均值的差值的绝对值大于第二预设阈值时，判定该一个或多个功率模块中的直流母线电容的电压偏低。

本发明的有益效果：

本发明通过检测每个功率模块中直流母线电容的电压，在电力电子变压器预充电过程中，若任意一个或多个功率模块中的直流母线电容的电压偏高，则控制该一个或多个功率模块中的辅助源提高输出电压，若任意一个或多个功率模块中的直流母线电容的电压偏低，则控制该一个或多个功率模块中的辅助源降低输出电压，由此，无需在电力电子变压器系统电路中设置平衡电阻，便可在电力电子变压器预充电时实现各直流母线电容的均压，从而能够避免平衡电阻带来的损耗，并能够提高电力电子变压器系统的效率。

附图说明

图1为本发明一个实施例的电力电子变压器系统的电路拓扑图；

图2为本发明实施例的电力电子变压器系统中直流母线电容的均压控制装置的方框示意图；

图3为本发明一个实施例的控制单元和辅助源的电路结构示意图；

图4为本发明实施例的电力电子变压器系统中直流母线电容的均压控制方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例的电力电子变压器系统包括多个功率模块、对应每个功率模块设置的控制板(图1中未示出控制板)、对应每个功率模块设置的辅助源，多个功率模块的交流输入端依次串联，并通过预充电阻Rp和电感L接入交流电源，多个功率模块的直流输出端相并联。在本发明的一个实施例中，电力电子变压器系统可为单相系统或三相系统。图1示出的为单相系统，单相电源的火线和零线端分别连接串联的多个交流输入端的两端。当电力电子变压器系统为三相系统时，三相电源的每个相线连接串联的至少一个交流输入端的一端，该串联的至少一个交流输入端的另一端与零线相连或三相星型或角型连接。

如图1所示，每个功率模块包括AC/DC单元和DC//DC谐振单元，AC/DC单元的交流侧作为功率模块的交流输入端，AC/DC单元的直流侧并联有直流母线电容C，DC//DC谐振单元的一侧与AC/DC单元的直流侧相连、另一侧作为功率模块的直流输出端。DC//DC谐振单元由DC/AC子单元、变压器子单元和AC/DC子单元构成。如图1所示，每个辅助源的输入端并接于对应的AC/DC单元的直流侧。另外，每个辅助源的输出端连接到对应的控制板以为对应的控制板供电。

如图1和图2所示，本发明实施例的均压控制装置包括预充开关10、主控模块20和对应每个辅助源设置的控制单元30。其中，预充开关10与预充电阻Rp并联；对应每个功率模块，控制单元30分别与直流母线电容C和辅助源相连，控制单元30用于检测直流母线电容C的电压，并用于根据升压指令控制辅助源提高输出电压和根据降压指令控制辅助源降低输出电压；主控模块20分别与预充开关10和每个控制单元30相连，主控模块20用于在电力电子变压器系统启动时控制预充开关10断开以为每个功率模块中的直流母线电容C充电，并接收每个控制单元30检测到的直流母线电容C的电压，以及在判定任意一个或多个功率模块中的直流母线电容C的电压偏高时，向该一个或多个功率模块对应的控制单元30发送升压指令，并在判定任意一个或多个功率模块中的直流母线电容C的电压偏低时，向该一个或多个功率模块对应的控制单元30发送降压指令。

在本发明的一个实施例中，控制板可包括用电部件和至少一个DC/DC电源电路，用电部件包括控制芯片、运放电路、驱动芯片、通信芯片中的至少一个，至少一个DC/DC电源电路的输入端与对应的辅助源的输出端相连，至少一个DC/DC电源电路的输出端与用电部件的电源端相连。控制板可实现的功能包括但不限于：对相应功率模块的控制、驱动，以及与其他功率模块的控制板等的通信。辅助源可从AC/DC单元的直流侧取电，以实现对控制板的供电。

在本发明的一个实施例中，如图3所示，辅助源可包括变压器T、开关管Q1、整流二极管D和滤波电容Cf。其中，变压器T的一次侧一端作为辅助源的输入端一端，变压器T的二次侧一端作为辅助源的输出端一端；开关管Q1的第一极与变压器T的一次侧另一端相连，开关管Q1的第二极作为辅助源的输入端另一端，开关管Q1的控制极与控制单元30相连；整流二极管D的阳极与变压器T的二次侧另一端相连，整流二极管D的阴极作为辅助源的输出端另一端；滤波电容Cf的一端与整流二极管D的阴极相连，滤波电容Cf的另一端与变压器T的二次侧一端相连。

在本发明的一个实施例中，如图3所示，控制单元30可包括电压采样电路31和MCU32。其中，电压采样电路31由多个采样电阻构成，电压采样电路31用于采集对应的直流母线电容C的电压；MCU32的电压信号输入引脚与电压采样电路31相连，以输入对应的直流母线电容C的电压，MCU32的驱动信号输出引脚与开关管Q1的控制极相连，以向开关管Q1的控制极输入PWM信号，MCU32与主控模块20进行通信连接，以将对应的直流母线电容C的电压发送至主控模块20，并接收主控模块20发送的升压指令或降压指令，以便根据升压指令或降压指令调整PWM信号，以控制对应的辅助源提高输出电压或降低输出电压。

在本发明的一个具体实施例中，开关管可为PMOS管，第一极为PMOS管漏极，第二极为PMOS管源极，控制极为PMOS管栅极。主控模块20可通过光纤与每个MCU32进行通信连接。

在本发明的一个实施例中，主控模块20可计算所有功率模块中的直流母线电容C的电压的平均值，并在任意一个或多个功率模块中的直流母线电容C的电压大于平均值，且与平均值的差值大于第一预设阈值时，判定该一个或多个功率模块中的直流母线电容C的电压偏高，以及在任意一个或多个功率模块中的直流母线电容C的电压小于平均值，且与平均值的差值的绝对值大于第二预设阈值时，判定该一个或多个功率模块中的直流母线电容C的电压偏低。

需要说明的是，上述的第一预设阈值和第二预设阈值可根据电力电子变压器系统的元件规格参数等条件来设定，并且要以能够满足电力电子变压器系统预充电过程中对于各直流母线电容电压平衡程度的要求为设定标准，在此不便限定为某一具体数值。

通过上述均压控制装置，当某功率模块中的直流母线电容的电压偏高时，该功率模块对应的控制单元30中的MCU32增大输出的PWM信号的占空比，以使该功率模块中的辅助源提高输出电压，由此，控制板中的DC/DC电源电路的损耗增大，从而使得该功率模块的直流母线电压损耗增大，直流母线电压下降；反之，当某功率模块中的直流母线电容的电压偏低时，该功率模块对应的控制单元30中的MCU32减小输出的PWM信号的占空比，以使该功率模块中的辅助源降低输出电压，由此，控制板中的DC/DC电源电路的损耗减小，从而使得该功率模块的直流母线电压损耗减小，直流母线电压回升。由此，通过对各功率模块内部辅助源的控制，可以实现各直流母线电容的均压。

根据本发明实施例的电力电子变压器系统中直流母线电容的均压控制装置，通过检测每个功率模块中直流母线电容的电压，在电力电子变压器预充电过程中，若任意一个或多个功率模块中的直流母线电容的电压偏高，则控制该一个或多个功率模块中的辅助源提高输出电压，若任意一个或多个功率模块中的直流母线电容的电压偏低，则控制该一个或多个功率模块中的辅助源降低输出电压，由此，无需在电力电子变压器系统电路中设置平衡电阻，便可在电力电子变压器预充电时实现各直流母线电容的均压，从而能够避免平衡电阻带来的损耗，并能够提高电力电子变压器系统的效率。

基于上述实施例的电力电子变压器系统中直流母线电容的均压控制装置，本发明还提出一种电力电子变压器系统中直流母线电容的均压控制方法。

如图4所示，本发明实施例的电力电子变压器系统中直流母线电容的均压控制方法，包括以下步骤：

S1，在电力电子变压器系统启动时控制预充开关断开以为每个功率模块中的直流母线电容充电。

S2，每个控制单元检测对应的功率模块中直流母线电容的电压。

S3，在判定任意一个或多个功率模块中的直流母线电容的电压偏高时，向该一个或多个功率模块对应的控制单元发送升压指令，以控制该一个或多个功率模块对应的辅助源提高输出电压。

S4，在判定任意一个或多个功率模块中的直流母线电容的电压偏低时，向该一个或多个功率模块对应的控制单元发送降压指令，以控制该一个或多个功率模块对应的辅助源降低输出电压。

在本发明的一个实施例中，可计算所有功率模块中的直流母线电容的电压的平均值，并在任意一个或多个功率模块中的直流母线电容的电压大于平均值，且与平均值的差值大于第一预设阈值时，判定该一个或多个功率模块中的直流母线电容的电压偏高，以及在任意一个或多个功率模块中的直流母线电容的电压小于平均值，且与平均值的差值的绝对值大于第二预设阈值时，判定该一个或多个功率模块中的直流母线电容的电压偏低。

更具体的实施方式可参照上述均压控制装置的实施例，在此不再赘述。

根据本发明实施例的电力电子变压器系统中直流母线电容的均压控制方法，通过检测每个功率模块中直流母线电容的电压，在电力电子变压器预充电过程中，若任意一个或多个功率模块中的直流母线电容的电压偏高，则控制该一个或多个功率模块中的辅助源提高输出电压，若任意一个或多个功率模块中的直流母线电容的电压偏低，则控制该一个或多个功率模块中的辅助源降低输出电压，由此，无需在电力电子变压器系统电路中设置平衡电阻，便可在电力电子变压器预充电时实现各直流母线电容的均压，从而能够避免平衡电阻带来的损耗，并能够提高电力电子变压器系统的效率。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。