CN110601544A - 基于两级变换结构的模块化组合式中压直流变换器及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于两级变换结构的模块化中压直流变换器及其控制方法，包括多个输入串联输出并联模块；每个模块均包括依次连接的输入电路、逆变电路、软开关电路、隔离电路、整流电路和输出稳压电路；所述逆变电路由控制单元给定占空比信号，控制所有开关管，且开关管频率高于串联谐振电路谐振频率。本发明降低了高频变压器容量需求、避免了跨高压反馈问题、实现了软开关、具有高效率、高可靠性、隔离方案简单。

Description

基于两级变换结构的模块化组合式中压直流变换器及控制 方法
技术领域
本发明涉及模块化组合式中压直流变换***，特别是一种基于两级变换结构的模块化中压直流变换器及其控制方法。
背景技术
随着能源危机和环境问题的日益加剧，世界各国都更加关注新能源的发展。为使分布式新能源发电灵活、可靠接入，大多数新能源分布式发电装置、储能装置以及越来越多的负载使用公共直流母线汇集能量。由于不同类型的新能源装置直流电压等级不同，需要直流变换器将高低压直流电网实现互联。中压直流变换***作为中压与低压直流***的接口在高低压直流电网互联、新能源直流汇聚及海岛供电等方面具有广阔的应用前景。
目前，基于模块化组合式的输入串联输出并联型直流变换器因其结构模块化，集成度高等优点，得到了广泛的关注与研究。但在宽范围调压、高变比的应用中，单级变换式功率模块组成的输入串联输出并联型(Input-series output-parallel, ISOP)变换器增大了高频变压器容量需要，难以保证功率模块在宽范围内的性能最优，且存在高压隔离反馈等问题；同时由于采用ISOP结构，各模块输入电压一致性和功率平衡难以保证。因此，构建一种由两级变换式功率模块输入串联输出并联组成的直流变换器，并且解决其功率均分问题，具有极高的工程应用价值及市场价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基于两级变换结构的模块化中压直流变换器及其控制方法，简化反馈电路并保证输出电压稳定；降低主电路开关管的开通和关断损耗。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于两级变换结构的模块化中压直流变换器，其特征在于，包括多个输入侧串联、输出侧并联的模块；每个模块均包括依次连接的输入电路、逆变电路、软开关电路、隔离电路、整流电路和输出稳压电路；所述逆变电路由控制单元给定占空比信号，控制所有开关管，且开关管频率高于串联谐振电路谐振频率。
所述输入电路包括至少两个参数一致且相互串联的电容。
所述逆变电路包含至少两个开关管，所述两个开关管并联在输入电路后级。
所述软开关电路由一个电感和一个电容串联构成，并联在逆变电路后级。
所述隔离电路由单绕组变压器构成，且所述单相绕组变压器变比相同，隔离电路一次侧串联在软开关电路中，二次侧连接整流电路。
所述输入电路的串联输入电压范围为2kV～4kV，并联输出电压范围为 400V～800V。
所述稳压电路控制过程为：将电压外环给定值作为输出电压参考值，输出电流作为内环；以平均输入电压为基准，若某一模块输入电压高于平均电压，则将差值送入PI环节，PI输出作为该模块电流环参考值，增大该模块输出电流，使该模块输入电压下降；反之则减小该模块电流环基准值，使得各模块表现为输入电压增大或减小，则输出电流增大或减小的负载特性曲线，保证各模块输入电压一致、各模块功率均分。
一种基于两级变换结构的模块化中压直流变换器的控制方法，包括：
前级逆变电路由控制单元给定占空比信号，控制所有开关管，其开关管频率高于串联谐振电路谐振频率；
后级稳压电路控制过程为：将电压外环给定值作为输出电压参考值，输出电流作为内环；以平均输入电压为基准，若某一模块输入电压高于平均电压，则将差值送入PI环节，PI输出作为该模块电流环参考值，增大该模块输出电流，使该模块输入电压下降；反之则减小该模块电流环基准值，使得各模块表现为输入电压增大或减小，则输出电流增大或减小的负载特性曲线，保证各模块输入电压一致、各模块功率均分。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：
1、本发明的功率模块由前级和后级组成两级调压结构，实现了高压隔离、高变比直流***性能最优和宽范围调压，且能够保证变换器工作于性能最佳状态，同时简化了反馈电路并保证输出电压稳定；输入串联输出并联子模块采用谐振电路，实现开关管的软开关，可以降低主电路开关管的开通和关断损耗；本发明降低了高频变压器容量需求、避免了跨高压反馈问题、实现了软开关、具有高效率、高可靠性、隔离方案简单等优点；
2、本发明所提供的控制方法保证各模块输入电压一致，使得各模块功率均分，降低器件应力，延长器件使用寿命，提高了***可靠性；
3、一般情况各驱动模块需要完全隔离，在本发明中，驱动模块间只需要副边电源隔离，原边侧不需要做隔离，不必使用传统的光纤隔离，可以节省一半的隔离成本。
附图说明
图1是本发明实施例的两级变换结构的模块化组合式中压直流变换器主电路结构图；
图2是本发明实施例的两级变换结构的模块化组合式中压直流变换器隔离结构图；
图3是本发明实施例的两级变换结构的模块化组合式中压直流变换器控制及驱动电路结构图；
图4是本发明实施例的两级变换结构的模块化组合式中压直流变换器控制策略框图。
具体实施方式
图1所示为基于两级变换结构的模块化中压直流变换器主电路结构图，每个模块包括依次相连的输入电路、逆变电路、辅助软开关电路、隔离电路、整流电路和输出稳压电路。
所述输入电路包括至少两个参数一致且相互串联的电容；
所述逆变电路包含至少两个开关管，并联在输入电路后级；
所述软开关电路由一个电感和一个电容串联构成，并联在逆变电路后级；
所述隔离电路由单绕组变压器构成，且变压器参数基本一致，隔离电路一次侧串联在软开关电路中，二次侧连接整流电路；
所述整流电路由四个二极管组成，输出端并联后连接一个滤波电容；
所述输出稳压电路由一个开关管、二极管、电感和电容组成；输出稳压电路并联于滤波电容后级；
所述驱动隔离电路连接控制电路的PWM输出端口与主电路驱动信号输入端。
所述功率模块采用输入串联输出并联结构实现高压输入低压输出，结合后级稳压电路构成两级调压结构：前级各模块利用串联分压结构特点实现高变比降压；后级为稳压电路输出并联实现降压及稳压功能。
所述串联输入电压范围为2kV-4kV，并联输出电压范围为400V(输入2kV 时)-800V(输入4kV时)。
单相全桥将每个模块的直流输入电压转换为高频交流电，其中，各模块变换器的驱动脉冲来自于隔离驱动模块UCC21520，该驱动隔离模块可以隔离控制与主功率电路高压；高频交流电在串联谐振腔内谐振，实现软开关，谐振腔谐振频率确定方法如公式(1)
其中，fr为谐振频率，ωr为谐振角频率，Llk为变压器漏感，Cac为谐振电容。
高频交流电经过降压变压器之后将电压降低，通过后级稳压电路实现稳压，输入输出电压传输比由公式(2)确定。
其中，电压调节电路的输入电压与输出电压之间的关系可由公式(2)确定：
其中，Vout为输出电压，Vin为输入电压，N为输入串联输出并联模块数，kT为变压器变比，DB为稳压电路变比。
图2是本发明实施例的两级变换结构的模块化组合式中压直流变换器隔离结构图，隔离电路需要隔离各主控制器与输入高压、驱动模块原副边、各模块驱动电路副边。在高压场合一般需要用光纤将控制器与驱动模块原边也完全隔离，但在本发明提出的隔离方案中，驱动模块原副边完全隔离，因而控制器与驱动输入端不必隔离，节省了一半的辅助电源模块和光纤成本，降低***复杂性，使得可靠性得以提高，同时降低了成本。
图3是本发明实施例的两级变换结构的模块化组合式中压直流变换器控制及驱动电路结构图，采用DSP作为运算控制芯片，根据输入输出和控制算法产生PWM波形；驱动芯片提供原副边高压隔离同时增强驱动能力。
图4是本发明实施例的两级变换结构的模块化组合式中压直流变换器控制策略框图，功率模块控制方法包括：
前级逆变电路由控制单元给定占空比信号，控制所有开关管，其开关管频率略高于串联谐振电路谐振频率；
后级稳压电路控制过程为：电压外环给定值作为输出电压参考值，输出电流作为内环。以平均输入电压为基准，若某一模块输入电压高于平均电压，则将差值送入PI环节，PI输出作为该模块电流环参考值，增大该模块输出电流，使该模块输入电压下降；反之则减小该模块电流环基准值，使得各模块表现为输入电压增大(减小)则输出电流增大(减小)的负载特性曲线，以保证各模块输入电压一致、各模块功率均分。

Claims (8)

1.一种基于两级变换结构的模块化中压直流变换器，其特征在于，包括多个输入侧串联、输出侧并联的模块；每个模块均包括依次连接的输入电路、逆变电路、软开关电路、隔离电路、整流电路和输出稳压电路；所述逆变电路由控制单元给定占空比信号，控制所有开关管，且开关管频率高于串联谐振电路谐振频率。
2.根据权利要求1所述的基于两级变换结构的模块化中压直流变换器，其特征在于，所述输入电路包括至少两个参数一致且相互串联的电容。
3.根据权利要求1所述的基于两级变换结构的模块化中压直流变换器，其特征在于，所述逆变电路包含至少两个开关管，所述两个开关管并联在输入电路后级。
4.根据权利要求1所述的基于两级变换结构的模块化中压直流变换器，其特征在于，所述软开关电路由一个电感和一个电容串联构成，并联在逆变电路后级。
5.根据权利要求1所述的基于两级变换结构的模块化中压直流变换器，其特征在于，每个所述模块包含一个单绕组变压器，该单绕组变压器一次侧串联在软开关电路中，二次侧连接整流电路。
6.根据权利要求1所述的基于两级变换结构的模块化中压直流变换器，其特征在于，所述输入电路的串联输入电压范围为2kV～4kV，并联输出电压范围为400V～800V。
7.根据权利要求1所述的基于两级变换结构的模块化中压直流变换器，其特征在于，所述稳压电路控制过程为：将电压外环给定值作为输出电压参考值，输出电流作为内环；以平均输入电压为基准，若某一模块输入电压高于平均电压，则将差值送入PI环节，PI输出作为该模块电流环参考值，增大该模块输出电流，使该模块输入电压下降；反之则减小该模块电流环基准值，使得各模块表现为输入电压增大或减小，则输出电流增大或减小的负载特性曲线，保证各模块输入电压一致、各模块功率均分。
8.一种基于两级变换结构的模块化中压直流变换器的控制方法，其特征在于，包括：
前级逆变电路由控制单元给定占空比信号，控制所有开关管，其开关管频率高于串联谐振电路谐振频率；
后级稳压电路控制过程为：将电压外环给定值作为输出电压参考值，输出电流作为内环；以平均输入电压为基准，若某一模块输入电压高于平均电压，则将差值送入PI环节，PI输出作为该模块电流环参考值，增大该模块输出电流，使该模块输入电压下降；
反之则减小该模块电流环基准值，使得各模块表现为输入电压增大或减小，则输出电流增大或减小的负载特性曲线，保证各模块输入电压一致、各模块功率均分。
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