CN108777544A - 用于柔性直流输电的dc/dc变换器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

用于柔性直流输电的DC/DC变换器及其控制方法，属于柔性直流输电领域，解决了现有非隔离型高压DC/DC变换器存在器件应力大、***损耗大和体积大的问题。变换器：二极管串D1和二极管串D2串联在直流低压侧正极与直流高压侧正极之间，二极管串D3和二极管串D4串联在直流低压侧正、负极之间。开关S1和开关S2分别与二极管串D2和二极管串D4并联。半桥子模块串与电感L串联在二极管串D1和二极管串D2的公共端与二极管串D3和二极管串D4的公共端之间。控制方法：根据直流低压侧与直流高压侧之间的功率传输方向设置开关S1和开关S2的通断状态；控制半桥子模块串的充、放电状态，进而在发生功率传输时，维持能量平衡。

Description

用于柔性直流输电的DC/DC变换器及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种DC/DC变换器，属于柔性直流输电领域。
背景技术
近年来，随着柔性直流输电技术的发展，直流输电工程正在从多端直流输电***向具有网孔的直流电网转变。正如变压器对于交流电网，DC/DC变换器对于直流电网的发展起着至关重要的作用。目前，中低压应用中存在着大量的DC/DC变换器拓扑，然而，这些拓扑因受到器件应力、损耗、成本、电压变化率和滤波器体积重量等因素的制约而无法扩展到上百千伏、上百兆瓦等级。
针对高电压大容量的DC/DC电能变换，近年来出现了很多报导。其中，以“面对面”型模块化多电平DC/DC变换器为代表的隔离型DC/DC变换器最早出现。这类DC/DC变换器具有中间交流环节，功率传输需要经过直流-交流-直流的两级全功率变流环节，进而导致该类DC/DC变换器的元器件数量过多，体积大，功率损耗高，成本高昂。
为了解决上述问题，研究人员采用模块化多电平直流换流器使模块化多电平换流器直接输出直流电压，形成单级电路结构的非隔离型DC/DC变换器。该类DC/DC变换器能够省去隔离型DC/DC变换器不可避免的交流变压器。然而，为了维持上、下桥臂子模块电容电压的稳定，该类DC/DC变换器需要注入高幅值的交流电压和环流以实现桥臂间的功率交换，这导致器件应力和损耗均明显增大。除此之外，该类DC/DC变换器的输出侧需要安装极为笨重的滤波装置，这导致该类DC/DC变换器的体积过大。
发明内容
本发明为解决现有非隔离型高压DC/DC变换器存在器件应力大、***损耗大和体积大的问题，提出了一种用于柔性直流输电的DC/DC变换器及其控制方法。
本发明所述的用于柔性直流输电的DC/DC变换器包括二极管串D1～二极管串D4、半桥子模块串、电感L、开关S1和开关S2；
二极管串D1～二极管串D4的电路结构均相同，每个二极管串均包括多个正向串联的二极管；
半桥子模块串包括半桥子模块SM1～半桥子模块SMN，半桥子模块SM1～半桥子模块SMN的电路结构均相同，对于半桥子模块SM1～半桥子模块SMN，前者的电流输出端依次与后者的电流输入端相连；
二极管串D1的阳极同时与直流低压侧正极和二极管串D3的阴极相连，二极管串D1的阴极同时与半桥子模块SM1的电流输入端、二极管串D2的阳极和开关S1的第一端相连，二极管串D2的阴极同时与开关S1的第二端和直流高压侧正极相连；
半桥子模块SMN的电流输出端与电感L的第一端相连，电感L的第二端同时与二极管串D3的阳极、二极管串D4的阴极和开关S2的第一端相连，二极管串D4的阳极同时与开关S2的第二端、直流低压侧负极和直流高压侧负极相连；
半桥子模块SM1～半桥子模块SMN用于根据各自对应的半桥子模块驱动信号，实现同步充电或放电，进而在直流低压侧与直流高压侧之间发生功率传输时，维持能量平衡。
本发明所述的用于柔性直流输电的DC/DC变换器的控制方法包括：
步骤一、根据直流低压侧与直流高压侧之间的功率传输方向设置开关S1和开关S2的通断状态；
步骤二、控制半桥子模块SM1～半桥子模块SMN的充、放电状态，进而在直流低压侧与直流高压侧之间发生功率传输时，维持能量平衡。
作为优选的是，步骤一的具体内容为：
当功率自直流低压侧向直流高压侧传输时，将开关S1和开关S2分别设置为断开状态和接通状态；
当功率自直流高压侧向直流低压侧传输时，将开关S1和开关S2分别设置为接通状态和断开状态。
作为优选的是，步骤二包括：
步骤二一、采用功率控制的方式生成直流高压侧电流参考信号；
步骤二二、采用能量平衡控制的方式调节直流低压侧电流参考信号，以使半桥子模块SM1～半桥子模块SMN的电容电压均值等于电容电压参考均值；
步骤二三、将直流高压侧电流参考信号与调节后的直流低压侧电流参考信号进行叠加，并将叠加信号作为半桥子模块串电流参考信号；
步骤二四、将半桥子模块串电流参考信号与半桥子模块串实际电流信号的差值输入比例积分调节器；
步骤二五、基于比例积分调节器输出的半桥子模块串电压控制信号，并采用半桥子模块电容电压平衡控制及调制的方式，得到半桥子模块SM1～半桥子模块SMN的驱动信号。
本发明的半桥子模块串的充、放电电流路径由直流低压侧与直流高压侧之间的功率传输方向和半桥子模块串两端的实时电压共同决定：
当功率自直流低压侧向直流高压侧传输、半桥子模块串两端电压为低压侧电压时，电流流经二极管串D1为半桥子模块串充电；
当功率自直流低压侧向直流高压侧传输、半桥子模块串两端电压为高压侧电压时，电流流经二极管串D2为半桥子模块串放电；
当功率自直流高压侧向直流低压侧传输、半桥子模块串两端电压为高、低压侧电压之差时，电流流经二极管串D3为半桥子模块串充电；
当功率自直流高压侧向直流低压侧传输、半桥子模块串两端电压为高压侧电压时，电流流经二极管串D4为半桥子模块串放电。
本发明所述的用于柔性直流输电的DC/DC变换器在所述控制方法的控制下，使半桥子模块串在直流低压侧与直流高压侧之间发生功率传输的过程中相应地进行充电或放电，进而实现柔性直流输电DC/DC变换。与现有的非隔离型高压DC/DC变换器相比，本发明所述的用于柔性直流输电的DC/DC变换器无需注入高幅值的交流电压和环流以实现桥臂间的功率交换，也无需配备滤波装置。因此，本发明所述的用于柔性直流输电的DC/DC变换器能够有效地解决现有非隔离型高压DC/DC变换器的器件应力大、***损耗大和体积大的问题。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明所述的用于柔性直流输电的DC/DC变换器及其控制方法进行更详细的描述，其中：
图1为实施例所述的用于柔性直流输电的DC/DC变换器的电路原理图，其中，iL为直流低压侧实际电流信号，ip为半桥子模块串实际电流信号，iH为直流高压侧实际电流信号，uP为半桥子模块串两端的实际电压，UL为直流低压侧电压，UH为直流高压侧电压；
图2为实施例提及的二极管串的电路原理图；
图3为实施例提及的半桥子模块的电路原理图；
图4为实施例所述的用于柔性直流输电的DC/DC变换器的控制原理框图，其中，Pref为功率参考信号，UC_ref为半桥子模块电容电压均值参考信号，UC_avg为半桥子模块电容电压均值，PI为比例积分调节器，iH_ref为直流高压侧电流参考信号，iL_ref表示直流低压侧电流参考信号，iP_ref为半桥子模块串电流参考信号，uP_ref为半桥子模块串电压控制信号；
图5为实施例提及的三相DC/DC变换器并联的衍生拓扑结构的电路原理图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明所述的用于柔性直流输电的DC/DC变换器及其控制方法作进一步说明。
实施例：下面结合图1至图5详细地说明本实施例。
参照图1和图2，本实施例所述的用于柔性直流输电的DC/DC变换器包括二极管串D1～二极管串D4、半桥子模块串、电感L、开关S1和开关S2；
二极管串D1～二极管串D4的电路结构均相同，每个二极管串均包括多个正向串联的二极管；
半桥子模块串包括半桥子模块SM1～半桥子模块SMN，半桥子模块SM1～半桥子模块SMN的电路结构均相同，对于半桥子模块SM1～半桥子模块SMN，前者的电流输出端依次与后者的电流输入端相连；
二极管串D1的阳极同时与直流低压侧正极和二极管串D3的阴极相连，二极管串D1的阴极同时与半桥子模块SM1的电流输入端、二极管串D2的阳极和开关S1的第一端相连，二极管串D2的阴极同时与开关S1的第二端和直流高压侧正极相连；
半桥子模块SMN的电流输出端与电感L的第一端相连，电感L的第二端同时与二极管串D3的阳极、二极管串D4的阴极和开关S2的第一端相连，二极管串D4的阳极同时与开关S2的第二端、直流低压侧负极和直流高压侧负极相连；
半桥子模块SM1～半桥子模块SMN用于根据各自对应的半桥子模块驱动信号，实现同步充电或放电，进而在直流低压侧与直流高压侧之间发生功率传输时，维持能量平衡。
在本实施例中，二极管串D1～二极管串D4分别为升压充电二极管串、升压放电二极管串、降压充电二极管串和降压放电二极管串，开关S1为二极管串D2的旁路开关，开关S2为二极管串D4的旁路开关。
图3为半桥子模块的电路原理图。如图3所示，半桥子模块包括第一全控型器件IGBT1、第二全控型器件IGBT2和电容C，第一全控型器件IGBT1与第二全控型器件IGBT2串联，电容C与串联的第一全控型器件IGBT1和第二全控型器件IGBT2并联。
图4为所述用于柔性直流输电的DC/DC变换器的控制原理框图。下面结合图4详细地说明本实施例所述的用于柔性直流输电的DC/DC变换器的控制方法。
所述控制方法包括：
步骤一、根据直流低压侧与直流高压侧之间的功率传输方向设置开关S1和开关S2的通断状态；
步骤二、控制半桥子模块SM1～半桥子模块SMN的充、放电状态，进而在直流低压侧与直流高压侧之间发生功率传输时，维持能量平衡。
其中，步骤一的具体内容为：
当功率自直流低压侧向直流高压侧传输时，将开关S1和开关S2分别设置为断开状态和接通状态；
当功率自直流高压侧向直流低压侧传输时，将开关S1和开关S2分别设置为接通状态和断开状态。
其中，步骤二包括：
步骤二一、采用功率控制的方式生成直流高压侧电流参考信号；
步骤二二、采用能量平衡控制的方式调节直流低压侧电流参考信号，以使半桥子模块SM1～半桥子模块SMN的电容电压均值等于电容电压参考均值；
步骤二三、将直流高压侧电流参考信号与调节后的直流低压侧电流参考信号进行叠加，并将叠加信号作为半桥子模块串电流参考信号；
步骤二四、将半桥子模块串电流参考信号与半桥子模块串实际电流信号的差值输入比例积分调节器；
步骤二五、基于比例积分调节器输出的半桥子模块串电压控制信号，并采用半桥子模块电容电压平衡控制及调制的方式，得到半桥子模块SM1～半桥子模块SMN的驱动信号。
在实际应用中，可以通过将多相本实施例所述的DC/DC变换器并联的方式来获得更好的电流波形质量。图5为三相DC/DC变换器并联的衍生拓扑结构的电路原理图。
本实施例所述的用于柔性直流输电的DC/DC变换器，无需配置交流变压器，具有效率高、体积小和成本低的优点。本实施例半桥子模块串的充、放电通过充、放电二极管串即可实现，因此，本实施例所述的用于柔性直流输电的DC/DC变换器的元器件数量少，功率损耗低，发热量小，适用于实现不同电压等级直流***间的大功率传输。
虽然在本文中参照了特定的实施方法来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方法来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (4)

1.用于柔性直流输电的DC/DC变换器，其特征在于，所述DC/DC变换器包括二极管串D1～二极管串D4、半桥子模块串、电感L、开关S1和开关S2；
二极管串D1～二极管串D4的电路结构均相同，每个二极管串均包括多个正向串联的二极管；
半桥子模块串包括半桥子模块SM1～半桥子模块SMN，半桥子模块SM1～半桥子模块SMN的电路结构均相同，对于半桥子模块SM1～半桥子模块SMN，前者的电流输出端依次与后者的电流输入端相连；
二极管串D1的阳极同时与直流低压侧正极和二极管串D3的阴极相连，二极管串D1的阴极同时与半桥子模块SM1的电流输入端、二极管串D2的阳极和开关S1的第一端相连，二极管串D2的阴极同时与开关S1的第二端和直流高压侧正极相连；
半桥子模块SMN的电流输出端与电感L的第一端相连，电感L的第二端同时与二极管串D3的阳极、二极管串D4的阴极和开关S2的第一端相连，二极管串D4的阳极同时与开关S2的第二端、直流低压侧负极和直流高压侧负极相连；
半桥子模块SM1～半桥子模块SMN用于根据各自对应的半桥子模块驱动信号，实现同步充电或放电，进而在直流低压侧与直流高压侧之间发生功率传输时，维持能量平衡。
2.权利要求1所述的用于柔性直流输电的DC/DC变换器的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
步骤一、根据直流低压侧与直流高压侧之间的功率传输方向设置开关S1和开关S2的通断状态；
步骤二、控制半桥子模块SM1～半桥子模块SMN的充、放电状态，进而在直流低压侧与直流高压侧之间发生功率传输时，维持能量平衡。
3.如权利要求2所述的用于柔性直流输电的DC/DC变换器的控制方法，其特征在于，
步骤一的具体内容为：
当功率自直流低压侧向直流高压侧传输时，将开关S1和开关S2分别设置为断开状态和接通状态；
当功率自直流高压侧向直流低压侧传输时，将开关S1和开关S2分别设置为接通状态和断开状态。
4.如权利要求3所述的用于柔性直流输电的DC/DC变换器的控制方法，其特征在于，
步骤二包括：
步骤二一、采用功率控制的方式生成直流高压侧电流参考信号；
步骤二二、采用能量平衡控制的方式调节直流低压侧电流参考信号，以使半桥子模块SM1～半桥子模块SMN的电容电压均值等于电容电压参考均值；
步骤二三、将直流高压侧电流参考信号与调节后的直流低压侧电流参考信号进行叠加，并将叠加信号作为半桥子模块串电流参考信号；
步骤二四、将半桥子模块串电流参考信号与半桥子模块串实际电流信号的差值输入比例积分调节器；
步骤二五、基于比例积分调节器输出的半桥子模块串电压控制信号，并采用半桥子模块电容电压平衡控制及调制的方式，得到半桥子模块SM1～半桥子模块SMN的驱动信号。
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