[发明专利]基于无线电能传输的高压电力电子变压器驱动系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于无线电能传输的高压电力电子变压器驱动系统及方法，本发明利用谐振式无线电能传输技术，经电感线圈将谐振频率电能以远距离无线方式发送给接收端驱动装置，经过整流和DC/DC变换后生成生成开通和关断电压，为开关管开通关断所需电压和电能；无线电能传输手段可通过空气间隙实现高耐压的电气隔离，满足开关管驱动高压等级的电位参考点抬升和高电气隔离度的要求。驱动装置可应用不同的谐振频率，避免产生同频的电磁干扰，从物理上实现驱动供电互相分开，减少各开关管之间的电磁耦合和干扰。控制PWM电脉冲信号通过光电转换，以光信号在发送端驱动装置和接收端驱动装置间通过光纤传递，实现光耦隔离。

技术领域

本发明属于配变电领域，尤其涉及一种基于无线电能传输的高压电力电子变压器驱动系统及方法。

背景技术

电力变压器是电力系统不可替代的核心设备，它承载电压变换、电气隔离和能量传输的重要作用，但传统电力变压器其功能过于单一，越来越不能满足电网对新型电力设备的要求。

电力电子变压器是将变压器的电磁感应原理与电力电子技术进行集成优化，是实现新能源接入，建设坚强智能电网的关键设备，能够作为能量路由，实现能量双向流动，具有交直流母线，便于各种新能源接入，同时实现潮流控制无功补偿、谐波治理，提升电能质量。电力电子变压器中大量串联应用了IGBT功率开关器件，其数量和控制难度随着配变电压等级和容量升高而成倍增加。数量剧增功率开关器件不仅在物理上需要彼此绝缘和电气隔离，而且需要进行严格的时序控制防止直通短路。传统的接触式隔离电源一般很难实现如此规模的高隔离、高耐压分时供电及控制功能。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于无线电能传输的高压电力电子变压器驱动系统及方法，本发明通过引入谐振式无线电能传输装置，通过合理布局驱动电能传输装置，结合分时驱动供电控制策略，能够实现高压电力电子变压器的可靠控制，降低安装复杂度，提升安全性能，保证数量巨大的IGBT之间安全可靠的高压绝缘和电气隔离。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于无线电能传输的高压电力电子变压器驱动系统，包括发送端和接收端两部分，发送端由DC/AC模块控制发送电能，接收端由DC/DC模块控制接收电能并调整为开关管所需开通和关断电压，发送端和接收端之间通过空间电磁场传输电能，通过光纤线进行电能和信号的传输，发送端和接收端气隙非常大，自然形成高压电气隔离；

所述DC/DC模块与DC/AC模块之间通过谐振频率优化控制器进行输电谐振频率控制：通过将输电谐振频率进行定向偏移，并在安全距离以外调整发送端与接收端的安装间距，依次对相应的开关管进行通断控制，优化开关管的响应时间和驱动效率。

进一步的，所述发送端与接收端的按照所要驱动的开关管两两成对匹配，配对的发送端与接收端同轴设置。这样的设计能够保证谐振式无线电能驱动装置与高压电力电子变压器的各个MMC模块相对应，且能在保证装置的电气隔离性能前提下，降低安装应用复杂度，提高开关柜利用效率。

进一步的，所述发送端与接收端安装在开关柜的安装支架上，发送端与接收端之间的距离和位置可调整。

优选的，但不小于安全电气隔离要求距离的两倍。这样的设计能够根据使用环境的不同对于谐振式无线电能驱动装置灵活调整，又保证其电气隔离性能。

进一步的，根据发送端与接收端所驱动的电力电子变压器三相上下桥臂不同，将同一桥臂的发送端与接收端驱动装置排布在一起，形成互相隔离的驱动区域。

进一步的，将同一驱动区域接收端装置按照所驱动开关管的对地电位高低顺序，按照之字形排布，其中压差最高的两个接收端和要处于之字形的首尾位置，保证距离最远。

优选的，之字形排布的最小间距由输电线圈尺寸和开关管的承受的电压决定，且需满足大于两倍电气隔离距离的要求。