CN117411286A - 一种电力变压器二倍频电流抑制电路及抑制方法 - Google Patents

Abstract

一种电力变压器二倍频电流抑制电路及抑制方法，属于电力电子变换器领域。所述电路包括直流电容、半桥单元、钳位谐振单元、谐振电感、变压器和整流单元；当半桥单元外接的控制器发起控制指令后控制半桥单元中的第一开关管、第二开关管互补导通，且整个电路进入一个开关周期后，通过二倍频电流抑制方法完成正半周期和负半周期的控制过程，从而实现二倍频电流抑制。本发明无需调频、调占空比等控制手段，具有实现简单、鲁棒性好的优势；还实现了功率由单相AC/DC向低压直流侧的传递，具备成本低的优势；能够灵活适应不同电压和功率的场景，解决了当前存在的电路结构及控制方式复杂、电路体积和成本高的问题。

Description

一种电力变压器二倍频电流抑制电路及抑制方法

技术领域

本发明属于电力电子变换器领域，尤其涉及一种电力电力变压器二倍频电流抑制电路及抑制方法。

背景技术

级联H桥加隔离DC/DC的电力电子变压器结构能够直接连接中压交流和低压直流线路无需工频变压器，与传统的工频变压器+低压逆变器的方案相比，具备功率密度高、效率高的优势，在数据中心、电动汽车充电、光伏中压直挂等场景得到了应用。这种结构的功率单元包含一级单相AC/DC环节和DC/DC环节，AC/DC环节的输出侧会存在二倍频电流波动，增大后级DC/DC环节中功率器件和变压器的电流应力和有效值，导致导通损耗增大、变换效率降低。

为了解决该问题，论文《Dynamic analysis and state feedbackvoltagecontrol ofsingle-phase active rectifiers with dc-link resonant filters》从并联分流的角度出发，在中间直流母线上专门为二倍频电流提供一条低阻抗支路，直接阻断二倍频电流向DC/DC环节传递的途径。然而，由于LC串联谐振支路的谐振频率仅为二倍电网频率，所需电感和电容的体积较大。公开文件CN 112217381A提出了一种有源功率解耦方法，由额外的解耦电路提供二倍频脉动功率补偿整流环节输出的二次纹波功率，但这种方法导致电路结构及控制方式的复杂性提高，系统的体积和成本增加。公开文件CN 115800702A提出了一种在三相电压中注入三次共模电压分量的方法，三次共模电压与基频电流相互作用产生二倍频功率波动，以抵消原有电路产生的部分二倍频功率。但该方法在降低二倍频电流成分幅值的同时引入了四倍频电流成分。从降低电流幅值的角度考虑，该方法的抑制效果微弱。

综上可知，急需一种电力变压器二倍频电流抑制电路及其抑制方法其抑制方法，满足当前需求。

发明内容

本发明是为了解决当前一种电力变压器二倍频电流抑制电路及抑制方法存在的电路结构及控制方式复杂、电路体积和成本高以及二倍频电流抑制效果微弱的问题，提供了一种电力变压器二倍频电流抑制电路及其抑制方法。

本发明采用的技术方案是：

一种电力变压器二倍频电流抑制电路，该电路的输入电压为U_i，输出电压为U_o，它包括直流电容Ci、半桥单元、钳位谐振单元、谐振电感Lr、变压器和整流单元；

钳位谐振单元包括第一谐振电容C_r1、第二谐振电容C_r2、第一钳位二极管D_r1和第二钳位二极管D_r2；第一钳位二极管D_r1的阳极连接第一谐振电容C_r1的负极；第二钳位二极管D_r2的阳极连接第二谐振电容C_r2的负极；第一谐振电容C_r1负极与第二谐振电容C_r2正极连接，连接处为公共连接处；

半桥单元包括第一开关管S₁、第二开关管S₂和端口1至4，第一开关管S₁的发射极和第二开关管S₂的集电极相连，半桥单元的端口1和端口3同时连接第一开关管S₁的集电极，半桥单元的端口2和端口4同时连接第二开关管S₂的发射极，半桥单元的端口5同时连接第一开关管S₁的发射极与第二开关管S₂的集电极；半桥单元端口3同时与钳位谐振单元的第一谐振电容C_r1正极和第一钳位二极管D_r1阴极相连，半桥单元端口4同时与钳位谐振单元的第二谐振电容C_r2负极和第二钳位二极管D_r2阳极相连；

直流电容C_i的正极同时与半桥单元端口1和输入电压U_i的正极连接，直流电容C_i的负极与半桥单元端口2和输入电压U_i的负极连接；

所述第一谐振电容C_r1与第二谐振电容C_r2的公共连接处经谐振电感L_r与变压器一次侧绕组一端连接，变压器一次侧绕组另一端与半桥单元端口5连接；

变压器二次侧绕组一端与整流单元端口1连接，变压器二次侧绕组另一端与整流单元端口2连接，整流单元端口3和端口4对应为输出侧输出电压为U_o正极和负极。

优选的，所述整流单元为全桥整流结构、二倍压整流结构或多倍压整流结构。

优选的，所述半桥单元为两电平半桥结构、三电平半桥结构或串联半桥结构。

基于所述的一种电力变压器二倍频电流抑制电路的二倍频电流抑制方法，该方法包括下述步骤：

步骤一：一种电力变压器二倍频电流抑制电路，其中第一开关管S₁、第二开关管S₂互补导通且均导通二分之一开关控制周期；设一个开关控制周期为T_s，时间为t₀≤t<t₈，其中t₀≤t<t₄为正半周期，t₄≤t<t₈为负半周期；

步骤二：设定t₀为初始时刻，且为一个控制周期的起点，初始时刻t₀时，第一开关管S₁导通；

步骤三：进入第一开关模态：t₀≤t<t₁时，t₀时刻第一开关管S₁处于导通状态，第二开关管S₂处于关断状态，第一整流二极管D₁和第四整流二极管D₄导通，第二整流二极管D₂和第三整流二极管D₃承受反向电压关断，变压器一次侧绕组电压u_p为nU_o，钳位谐振单元与谐振电感L_r两端电压为U_i-nU_o，谐振电感Lr与钳位谐振单元开始谐振，变压器一次侧电流i_p从零开始按照正弦函数规律增加；

步骤四：进入第二开关模态：t₁≤t<t₄时，t₁时刻第一谐振电容C_r1电压U_Cr1下降至0，第一钳位二极管D_r1导通，第一谐振电容C_r1和与第二谐振电容C_r2的电压保持不变；第一开关管S₁处于导通状态，第二开关管S₂处于关断状态；第一整流二极管D₁和第四整流二极管D₄导通，第二整流二极管D₂和第三整流二极管D₃承受反向电压关断；变压器一次侧绕组电压u_p为nU_o，变压器一次侧电流i_p从I_p(t₁)按线性规律下降；

步骤五：进入第三开关模态：t₄≤t<t₅时，t₄时刻第一开关管S₁处于关断状态，第二开关管S₂处于导通状态，第二整流二极管D₂和第三整流二极管D₃导通，第一整流二极管D₁和第四整流二极管D₄承受反向电压关断，变压器一次侧绕组电压u_p为-nU_o，钳位谐振单元与谐振电感L_r两端电压为-U_i+nU_o，谐振电感Lr与钳位谐振单元开始谐振，变压器一次侧电流i_p从零开始按照正弦函数规律增加；

步骤六：进入第四开关模态：t₅≤t<t₈时，t₅时刻第一谐振电容C_r2电压U_Cr2下降至0，第二钳位二极管D_r2导通，第一谐振电容C_r1和与第二谐振电容C_r2的电压保持不变；第一开关管S₁处于关断状态，第二开关管S₂处于导通状态；第二整流二极管D₂和第三整流二极管D₃导通，第一整流二极管D₁和第四整流二极管D₄承受反向电压关断；变压器一次侧绕组电压u_p为-nU_o，变压器一次侧电流i_p从I_p(t₁)按线性规律下降。

优选的，所述第一谐振电容C_r1、第二谐振电容C_r2的取值范围为：

其中，f_s为开关频率，U_{i_max}为输入电压最大应力，U_o为输出电压，n为变压器变比，P_rate为电网周期内平均功率；ε为二倍频电流抑制程度，ε数值为二倍频电流峰值/直流电流。

优选的，所述直流电容C_i的取值范围为：

其中，ω_g为电网角频率，f_s为开关频率，C_r为第一谐振电容C_r1和第二谐振电容C_r2容值，ε为二倍频电流抑制程度，ε数值为二倍频电流峰值/直流电流。

优选的，所述谐振电感L_r的取值范围为：

其中，f_r为谐振频率，C_r为第一谐振电容C_r1和第二谐振电容C_r2容值。

优选的，所述谐振频率f_r的取值范围为：

其中，f_s为开关频率，U_{c_max}为直流电容C_i电压最大值，U_o为输出电压，n为变压器变比。

有益效果：

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明设计了一种电力电力变压器二倍频电流抑制电路及抑制方法，所述电路包括直流电容C_i、半桥单元、钳位谐振单元、谐振电感L_r、变压器和整流单元；当半桥单元外接的控制器发起控制指令后控制半桥单元中的第一开关管S₁、第二开关管S₂互补导通，且整个电路进入一个开关周期后，通过二倍频电流抑制方法完成正半周期和负半周期的控制过程，从而实现二倍频电流抑制。

2、本发明通过对直流电容、谐振频率、谐振电感、谐振电容的设计能够自动抑制传递到低压直流的二倍频电流波动，无需调频、调占空比、注入三次共模电压等控制手段，具有实现简单、鲁棒性好的优势；

3、相比于无源LC方法和有源功率解耦电路方法，本发明在抑制二倍频电流波动的同时，还实现了功率由单相AC/DC向低压直流侧的传递，本发明实现了功率传递功能和二倍频电流波动抑制功能的兼顾，具备成本低的优势；

4、相比于有源功率解耦方法，本发明能够实现所有开关器件的软开关，具有效率高的优势，尤其适用于数据中心、电动汽车充电、光伏中压直挂等场景。

5、半桥单元采用两电平半桥结构、三电平半桥结构或串联半桥结构，整流单元采用全桥整流结构、二倍压整流结构或多倍压整流结构，能够灵活适应不同电压和功率的场景，本发明所述电路及其抑制方法解决了当前一种电力变压器二倍频电流抑制电路及抑制方法存在的电路结构及控制方式复杂、电路体积和成本高以及二倍频电流抑制效果微弱的问题。

附图说明

图1为本发明所述的一种电力电力变压器二倍频电流抑制电路的结构示意图，U_i为直流输入电压，I_i为直流输入电流，U_o为直流输出电压，I_o为直流输出电流；

图2为本发明所述的一种电力电力变压器二倍频电流抑制电路的典型驱动和电压电流波形示意图；

图3为本发明所述电路的拓扑结构工作在第一开关模态的电流通路示意图；

图4为本发明所述电路的拓扑结构工作在第二开关模态的电流通路示意图；

图5为传统级联H桥加隔离DC/DC的电力电子变压器结构变压器原边电流、DC/DC电路输入电流与电路输入电压的仿真波形示意图；

图6为本发明所述电路的拓扑变压器原边电流、DC/DC电路输入电流与电路输入电压的仿真波形示意图；

图7为实施例2所提拓扑结构的衍生示意图；

图8为实施例3所提拓扑衍生示意图；

图9为实施例4所提拓扑衍生示意图；

图10为实施例5所提拓扑衍生示意图；

图11为实施例6所提拓扑衍生示意图；

图12为实施例7所提拓扑衍生示意图；

图13为实施例8所提拓扑衍生示意图；

图14为实施例9所提拓扑衍生示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、参照图1至14具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种电力变压器二倍频电流抑制电路及抑制方法，该电路的输入电压为U_i，输出电压为U_o，它包括直流电容Ci、半桥单元、钳位谐振单元、谐振电感Lr、变压器和整流单元；

钳位谐振单元包括第一谐振电容C_r1、第二谐振电容C_r2、第一钳位二极管D_r1和第二钳位二极管D_r2；第一钳位二极管D_r1的阳极连接第一谐振电容C_r1的负极；第二钳位二极管D_r2的阳极连接第二谐振电容C_r2的负极；第一谐振电容C_r1负极与第二谐振电容C_r2正极连接，连接处为公共连接处；

半桥单元包括第一开关管S₁、第二开关管S₂和端口1至4，第一开关管S₁的发射极和第二开关管S₂的集电极相连，半桥单元的端口1和端口3同时连接第一开关管S₁的集电极，半桥单元的端口2和端口4同时连接第二开关管S₂的发射极，半桥单元的端口5同时连接第一开关管S₁的发射极与第二开关管S₂的集电极；半桥单元端口3同时与钳位谐振单元的第一谐振电容C_r1正极和第一钳位二极管D_r1阴极相连，半桥单元端口4同时与钳位谐振单元的第二谐振电容C_r2负极和第二钳位二极管D_r2阳极相连；

直流电容C_i的正极同时与半桥单元端口1和输入电压U_i的正极连接，直流电容C_i的负极与半桥单元端口2和输入电压U_i的负极连接；

所述第一谐振电容C_r1与第二谐振电容C_r2的公共连接处经谐振电感L_r与变压器一次侧绕组一端连接，变压器一次侧绕组另一端与半桥单元端口5连接；

变压器二次侧绕组一端与整流单元端口1连接，变压器二次侧绕组另一端与整流单元端口2连接，整流单元端口3和端口4对应为输出侧输出电压为U_o正极和负极。

所述整流单元为全桥整流结构、二倍压整流结构或多倍压整流结构。

所述半桥单元为两电平半桥结构、三电平半桥结构或串联半桥结构。

基于所述的一种电力变压器二倍频电流抑制电路的二倍频电流抑制方法，该方法包括下述步骤：

步骤一：一种电力变压器二倍频电流抑制电路，其中第一开关管S₁、第二开关管S₂互补导通且均导通二分之一开关控制周期；设一个开关控制周期为T_s，时间为t₀≤t<t₈，其中t₀≤t<t₄为正半周期，t₄≤t<t₈为负半周期；

步骤二：设定t₀为初始时刻，且为一个控制周期的起点，初始时刻t₀时，第一开关管S₁导通；

步骤三：进入第一开关模态：t₀≤t<t₁时，t₀时刻第一开关管S₁处于导通状态，第二开关管S₂处于关断状态，第一整流二极管D₁和第四整流二极管D₄导通，第二整流二极管D₂和第三整流二极管D₃承受反向电压关断，变压器一次侧绕组电压u_p为nU_o，钳位谐振单元与谐振电感L_r两端电压为U_i-nU_o，谐振电感Lr与钳位谐振单元开始谐振，变压器一次侧电流i_p从零开始按照正弦函数规律增加；

步骤四：进入第二开关模态：t₁≤t<t₄时，t₁时刻第一谐振电容C_r1电压U_Cr1下降至0，第一钳位二极管D_r1导通，第一谐振电容C_r1和与第二谐振电容C_r2的电压保持不变；第一开关管S₁处于导通状态，第二开关管S₂处于关断状态；第一整流二极管D₁和第四整流二极管D₄导通，第二整流二极管D₂和第三整流二极管D₃承受反向电压关断；变压器一次侧绕组电压u_p为nU_o，变压器一次侧电流i_p从I_p(t₁)按线性规律下降；

步骤五：进入第三开关模态：t₄≤t<t₅时，t₄时刻第一开关管S₁处于关断状态，第二开关管S₂处于导通状态，第二整流二极管D₂和第三整流二极管D₃导通，第一整流二极管D₁和第四整流二极管D₄承受反向电压关断，变压器一次侧绕组电压u_p为-nU_o，钳位谐振单元与谐振电感L_r两端电压为-U_i+nU_o，谐振电感Lr与钳位谐振单元开始谐振，变压器一次侧电流i_p从零开始按照正弦函数规律增加；

步骤六：进入第四开关模态：t₅≤t<t₈时，t₅时刻第一谐振电容C_r2电压U_Cr2下降至0，第二钳位二极管D_r2导通，第一谐振电容C_r1和与第二谐振电容C_r2的电压保持不变；第一开关管S₁处于关断状态，第二开关管S₂处于导通状态；第二整流二极管D₂和第三整流二极管D₃导通，第一整流二极管D₁和第四整流二极管D₄承受反向电压关断；变压器一次侧绕组电压u_p为-nU_o，变压器一次侧电流i_p从I_p(t₁)按线性规律下降。

所述第一谐振电容C_r1、第二谐振电容C_r2的取值范围为：

其中，f_s为开关频率，U_{i_max}为输入电压最大应力，U_o为输出电压，n为变压器变比，P_rate为电网周期内平均功率；ε为二倍频电流抑制程度，ε数值为二倍频电流峰值/直流电流。

所述直流电容C_i的取值范围为：

其中，ω_g为电网角频率，f_s为开关频率，C_r为第一谐振电容C_r1和第二谐振电容C_r2容值，ε为二倍频电流抑制程度，ε数值为二倍频电流峰值/直流电流。

所述谐振电感L_r的取值范围为：

其中，f_r为谐振频率，C_r为第一谐振电容C_r1和第二谐振电容C_r2容值。

所述谐振频率f_r的取值范围为：

其中，f_s为开关频率，U_{c_max}为直流电容C_i电压最大值，U_o为输出电压，n为变压器变比。

通过二倍频电流抑制方法，二倍频电流抑制电路的输入阻抗R_V为：

通过二倍频电流抑制方法，在二倍频的频率下，通过参数设置，二倍频电流抑制电路的输入阻抗达直流母线电容阻抗的几十倍，且基于阻抗分流原理，二倍频电流抑制电路分到的二倍频电流限制到总二倍频电流的10％以内。

实施例1：

本实施例提供了一种电力电力变压器二倍频电流抑制电路，如图1所示，所述结构由直流电容C_i、半桥单元、钳位谐振单元、谐振电感L_r、变压器和整流单元组成；具体结构如下：

钳位谐振单元包括第一谐振电容C_r1、第二谐振电容C_r2、第一钳位二极管D_r1和第二钳位二极管D_r2；

半桥单元包括第一开关管S₁与第二开关管S₂，第一开关管S₁的发射极和第二开关管S₂的集电极相连，半桥单元的端口1和端口3连接第一开关管S₁的集电极，半桥单元的端口2和端口4连接第二开关管S₂的发射极，半桥单元的端口5连接第一开关管S₁的发射极与第二开关管S₂的集电极；

整流单元包括第一整流二极管D₁、第二整流二极管D₂、第三整流二极管D₃、第四整流二极管D₄和支撑电容C_d；第一整流二极管D₁的阳极和第三整流二极管D₃的阴极连接，第二整流二极管D₂的阳极和第四整流二极管D₄的阴极连接，第一整流二极管D₁的阴极和第二整流二极管D₂的阴极以及支撑电容C_d的一端连接，第三整流二极管D₃的阳极和第四整流二极管D₄的阳极以及支撑电容C_d的另一端连接；整流单元的端口1连接第一整流二极管D₁的阳极，整流单元的端口2连接第二整流二极管D₂的阳极，整流单元的端口3同时连接第一整流二极管D₁的阴极与第二整流二极管D₂的阴极，整流单元的端口4同时连接第三整流二极管D₃的阳极与第四整流二极管D₄的阳极；

直流电容C_i正极与半桥单元端口1和输入电压正极连接，直流电容C_i负极与半桥单元端口2和输入电压负极连接；

半桥单元端口3与第一谐振电容C_r1正极和第一钳位二极管D_r1阳极相连，半桥单元端口4与第二谐振电容C_r2负极和第二钳位二极管D_r2阴极相连；

第一钳位二极管D_r1的阳极和阴极分别与第一谐振电容C_r1的正极和负极连接，第二钳位二极管D_r2的阳极和阴极分别与第二谐振电容C_r2的正极和负极连接，第一谐振电容C_r1负极与第二谐振电容C_r2正极串联连接；

第一谐振电容C_r1与第二谐振电容C_r2的公共连接处经谐振电感L_r与变压器一次侧绕组一端连接，变压器一次侧绕组另一端与半桥单元端口5连接；

变压器二次侧绕组一端与整流单元端口1连接，变压器二次侧绕组另一端与整流单元端口2连接，整流单元端口3和端口4分别与输出侧正极和负极连接。

基于本实施例提出的一种电力电力变压器二倍频电流抑制电路的典型驱动及电压电流波形如图2所示，一种电力电力变压器二倍频电流抑制电路的二倍频电流抑制方法如下：

一种电力电力变压器二倍频电流抑制电路中，第一开关管S₁、第二开关管S₂互补导通且均导通二分之一开关周期。设一个控制周期为T_s，时间为t₀≤t<t₈，其中t₀≤t<t₄为正半周期，t₄≤t<t₈为负半周期，正半周期的具体控制方式分为如下两个开关模态：

初始时刻t₀：t₀为一个控制周期的起点，第一开关管S₁导通。

第一开关模态：t₀≤t<t₁，如图4所示，t₀时刻第一开关管S₁处于导通状态，第二开关管S₂处于关断状态。第一整流二极管D₁和第四整流二极管D₄导通，第二整流二极管D₂和第三整流二极管D₃承受反向电压关断。变压器一次侧绕组电压u_p为nU_o，钳位谐振单元与谐振电感L_r两端电压为U_i-nU_o，变换器开始谐振，变压器一次侧电流i_p从零开始按照正弦函数规律增加。

第二开关模态：t₁≤t<t₄，如图4所示，t₁时刻第一谐振电容C_r1电压U_Cr1下降至0，第一钳位二极管D_r1导通，第一谐振电容C_r1和与第二谐振电容C_r2的电压保持不变。第一开关管S₁处于导通状态，第二开关管S₂处于关断状态。第一整流二极管D₁和第四整流二极管D₄导通，第二整流二极管D₂和第三整流二极管D₃承受反向电压关断。变压器一次侧绕组电压u_p为nU_o，变压器一次侧电流i_p从I_p(t₁)按线性规律下降。

负半周期的工作模态与前述两个开关模态类似：

第三开关模态：t₄≤t<t₅时，t₄时刻第一开关管S₁处于关断状态，第二开关管S₂处于导通状态，第二整流二极管D₂和第三整流二极管D₃导通，第一整流二极管D₁和第四整流二极管D₄承受反向电压关断，变压器一次侧绕组电压u_p为-nU_o，钳位谐振单元与谐振电感L_r两端电压为-U_i+nU_o，谐振电感Lr与钳位谐振单元开始谐振，变压器一次侧电流i_p从零开始按照正弦函数规律增加；

第四开关模态：t₅≤t<t₈时，t₅时刻第一谐振电容C_r2电压U_Cr2下降至0，第二钳位二极管D_r2导通，第一谐振电容C_r1和与第二谐振电容C_r2的电压保持不变；第一开关管S₁处于关断状态，第二开关管S₂处于导通状态；第二整流二极管D₂和第三整流二极管D₃导通，第一整流二极管D₁和第四整流二极管D₄承受反向电压关断；变压器一次侧绕组电压u_p为-nU_o，变压器一次侧电流i_p从I_p(t₁)按线性规律下降。

通过以上运行方式(二倍频电流抑制方法)，二倍频电流抑制电路的输入阻抗R_V为：

通过二倍频电流抑制方法，在二倍频的频率下，通过合理的参数设计(设置取值范围的参数)，二倍频电流抑制电路的输入阻抗可达直流母线电容阻抗的几十倍。基于阻抗分流原理，可将二倍频电流抑制电路分到的二倍频电流限制到总二倍频电流的10％以内。

一种电力电力变压器二倍频电流抑制电路二倍频电流抑制方法中，第一谐振电容C_r1和与第二谐振电容C_r2的参数设计区间为：

其中，f_s为开关频率，U_{i_max}为输入电压最大应力，U_o为输出电压，n为变压器变比，P_rate为电网周期内平均功率；ε为二倍频电流抑制程度，数值为二倍频电流峰值/直流电流。

一种电力电力变压器二倍频电流抑制电路二倍频电流抑制方法中，直流母线电容C_i的参数设计区间为：

其中，ω_g为电网角频率，f_s为开关频率，C_r为第一谐振电容C_r1和第二谐振电容C_r2容值，ε为二倍频电流抑制程度，数值为二倍频电流峰值/直流电流。

一种电力电力变压器二倍频电流抑制电路二倍频电流抑制方法中，谐振电感参数设计方法为：

其中，f_r为谐振频率，C_r为第一谐振电容C_r1和第二谐振电容C_r2容值。

一种电力电力变压器二倍频电流抑制电路二倍频电流抑制方法中，谐振频率f_s设计区间为：

其中，f_s为开关频率，U_{c_max}为直流电容C_i电压最大值，U_o为输出电压，n为变压器变比。

传统级联H桥加隔离DC/DC电路的电力电子变压器结构的仿真波形图如图5所示，隔离DC/DC电路的二倍频电流成分高达102％；本发明实施例提供的电力电力变压器二倍频电流抑制电路的仿真波形图如图6所示，二倍频电流抑制单元的输入电流中的二倍频电流成分仅为5％，二倍频电流的抑制效果达到了95％以上。

实施例2：

如图7所示，以二倍压整流结构作为整流单元，依旧可以实现对二倍频电流的抑制。

实施例3：

如图8所示，以多倍压整流结构作为整流单元，依旧可以实现对二倍频电流的抑制。

实施例4：

如图9所示，以串联半桥结构结构作为半桥单元，依旧可以实现对二倍频电流的抑制。

实施例5：

如图10所示，以串联半桥结构结构作为半桥单元，以二倍压整流结构作为整流单元，依旧可以实现对二倍频电流的抑制。

实施例6：

如图11所示，以串联半桥结构作为半桥单元，以多倍压整流结构作为整流单元，依旧可以实现对二倍频电流的抑制。

实施例7：

如图12所示，以三电平半桥结构作为半桥单元，依旧可以实现对二倍频电流的抑制。

实施例8：

如图13所示，以三电平半桥结构作为半桥单元，以二倍压整流结构作为整流单元，依旧可以实现对二倍频电流的抑制。

实施例9：

如图14所示，以三电平半桥结构作为半桥单元，以多倍压整流结构作为整流单元，依旧可以实现对二倍频电流的抑制。

Claims (10)

1.一种电力变压器二倍频电流抑制电路，该电路的输入电压为U_i，输出电压为U_o，其特征在于，它包括直流电容Ci、半桥单元、钳位谐振单元、谐振电感Lr、变压器和整流单元；

钳位谐振单元包括第一谐振电容C_r1、第二谐振电容C_r2、第一钳位二极管D_r1和第二钳位二极管D_r2；第一钳位二极管D_r1的阳极连接第一谐振电容C_r1的负极；第二钳位二极管D_r2的阳极连接第二谐振电容C_r2的负极；第一谐振电容C_r1负极与第二谐振电容C_r2正极连接，连接处为公共连接处；

半桥单元包括第一开关管S₁、第二开关管S₂和端口1至4，第一开关管S₁的发射极和第二开关管S₂的集电极相连，半桥单元的端口1和端口3同时连接第一开关管S₁的集电极，半桥单元的端口2和端口4同时连接第二开关管S₂的发射极，半桥单元的端口5同时连接第一开关管S₁的发射极与第二开关管S₂的集电极；半桥单元端口3同时与钳位谐振单元的第一谐振电容C_r1正极和第一钳位二极管D_r1阴极相连，半桥单元端口4同时与钳位谐振单元的第二谐振电容C_r2负极和第二钳位二极管D_r2阳极相连；

直流电容C_i的正极同时与半桥单元端口1和输入电压U_i的正极连接，直流电容C_i的负极与半桥单元端口2和输入电压U_i的负极连接；

所述第一谐振电容C_r1与第二谐振电容C_r2的公共连接处经谐振电感L_r与变压器一次侧绕组一端连接，变压器一次侧绕组另一端与半桥单元端口5连接；

变压器二次侧绕组一端与整流单元端口1连接，变压器二次侧绕组另一端与整流单元端口2连接，整流单元端口3和端口4对应为输出侧输出电压为U_o正极和负极。

2.根据权利要求1所述的一种电力变压器二倍频电流抑制电路，其特征在于，所述整流单元为全桥整流结构、二倍压整流结构或多倍压整流结构。

3.根据权利要求2所述的一种电力变压器二倍频电流抑制电路，其特征在于，所述半桥单元为两电平半桥结构、三电平半桥结构或串联半桥结构。

4.基于权利要求2或3所述的一种电力变压器二倍频电流抑制电路的二倍频电流抑制方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

步骤一：一种电力变压器二倍频电流抑制电路，其中第一开关管S₁、第二开关管S₂互补导通且均导通二分之一开关控制周期；设一个开关控制周期为T_s，时间为t₀≤t<t₈，其中t₀≤t<t₄为正半周期，t₄≤t<t₈为负半周期；

步骤二：设定t₀为初始时刻，且为一个控制周期的起点，初始时刻t₀时，第一开关管S₁导通；

步骤三：进入第一开关模态：t₀≤t<t₁时，t₀时刻第一开关管S₁处于导通状态，第二开关管S₂处于关断状态，第一整流二极管D₁和第四整流二极管D₄导通，第二整流二极管D₂和第三整流二极管D₃承受反向电压关断，变压器一次侧绕组电压u_p为nU_o，钳位谐振单元与谐振电感L_r两端电压为U_i-nU_o，谐振电感Lr与钳位谐振单元开始谐振，变压器一次侧电流i_p从零开始按照正弦函数规律增加；

步骤四：进入第二开关模态：t₁≤t<t₄时，t₁时刻第一谐振电容C_r1电压U_Cr1下降至0，第一钳位二极管D_r1导通，第一谐振电容C_r1和与第二谐振电容C_r2的电压保持不变；第一开关管S₁处于导通状态，第二开关管S₂处于关断状态；第一整流二极管D₁和第四整流二极管D₄导通，第二整流二极管D₂和第三整流二极管D₃承受反向电压关断；变压器一次侧绕组电压u_p为nU_o，变压器一次侧电流i_p从I_p(t₁)按线性规律下降；

步骤五：进入第三开关模态：t₄≤t<t₅时，t₄时刻第一开关管S₁处于关断状态，第二开关管S₂处于导通状态，第二整流二极管D₂和第三整流二极管D₃导通，第一整流二极管D₁和第四整流二极管D₄承受反向电压关断，变压器一次侧绕组电压u_p为-nU_o，钳位谐振单元与谐振电感L_r两端电压为-U_i+nU_o，谐振电感Lr与钳位谐振单元开始谐振，变压器一次侧电流i_p从零开始按照正弦函数规律增加；

步骤六：进入第四开关模态：t₅≤t<t₈时，t₅时刻第一谐振电容C_r2电压U_Cr2下降至0，第二钳位二极管D_r2导通，第一谐振电容C_r1和与第二谐振电容C_r2的电压保持不变；第一开关管S₁处于关断状态，第二开关管S₂处于导通状态；第二整流二极管D₂和第三整流二极管D₃导通，第一整流二极管D₁和第四整流二极管D₄承受反向电压关断；变压器一次侧绕组电压u_p为-nU_o，变压器一次侧电流i_p从I_p(t₁)按线性规律下降。

5.根据权利要求4所述的一种电力变压器二倍频电流抑制电路的二倍频电流抑制方法，其特征在于，

所述第一谐振电容C_r1、第二谐振电容C_r2的取值范围为：

其中，f_s为开关频率，U_{i_max}为输入电压最大应力，U_o为输出电压，n为变压器变比，P_rate为电网周期内平均功率；ε为二倍频电流抑制程度，ε数值为二倍频电流峰值/直流电流。

6.根据权利要求4所述的一种电力变压器二倍频电流抑制电路的二倍频电流抑制方法，其特征在于，

所述直流电容C_i的取值范围为：

其中，ω_g为电网角频率，f_s为开关频率，C_r为第一谐振电容C_r1和第二谐振电容C_r2容值，ε为二倍频电流抑制程度，ε数值为二倍频电流峰值/直流电流。

7.根据权利要求4所述的一种电力变压器二倍频电流抑制电路的二倍频电流抑制方法，其特征在于，

所述谐振电感L_r的取值范围为：

其中，f_r为谐振频率，C_r为第一谐振电容C_r1和第二谐振电容C_r2容值。

8.根据权利要求7所述的一种电力变压器二倍频电流抑制电路的二倍频电流抑制方法，其特征在于，

所述谐振频率f_r的取值范围为：

其中，f_s为开关频率，U_{c_max}为直流电容C_i电压最大值，U_o为输出电压，n为变压器变比。

9.根据权利要求4所述的一种电力变压器二倍频电流抑制电路的二倍频电流抑制方法，其特征在于，

通过二倍频电流抑制方法，二倍频电流抑制电路的输入阻抗R_V为：

10.根据权利要求4所述的一种电力变压器二倍频电流抑制电路的二倍频电流抑制方法，其特征在于，

通过二倍频电流抑制方法，在二倍频的频率下，通过参数设置，二倍频电流抑制电路的输入阻抗达直流母线电容阻抗的几十倍，且基于阻抗分流原理，二倍频电流抑制电路分到的二倍频电流限制到总二倍频电流的10％以内。