CN100571006C

CN100571006C - 超导储能用双向三电平软开关dc/dc变换器及其控制方法

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Publication number: CN100571006C
Application number: CNB2006100119092A
Authority: CN
Inventors: 郭文勇; 赵彩宏; 欧阳羿; 辛理夫; 李学斌
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2006-05-16
Filing date: 2006-05-16
Publication date: 2009-12-16
Anticipated expiration: 2026-05-16
Also published as: CN1845434A

Abstract

一种超导储能用双向三电平软开关DC/DC，由电压单元、变压器单元和电流单元组成。电压单元为带中点箝位二极管的两个三电平半桥，三电平半桥的每个开关管上都并联电容，或都不并联电容，通过其寄生电容实现软开关。两个三电平半桥的中点和箝位二极管的中点都与两个分压电容器的中点相连。电流单元的结构根据变压器单元而定，若为普通变压器，副边为全桥形式的电流源逆变器，若为带中间抽头的变压器，副边为半桥形式的电流源逆变器。本发明通过控制电流单元的移相角，控制能量的流动方向和大小。同时，通过控制三电平桥臂输出的正负向电压脉宽的相对大小，解决三电平桥臂中点电压不平衡的问题。

Description

超导储能用双向三电平软开关DC/DC变换器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种超导储能用的直流变换器及其控制方法，特别涉及一种超导储能用双向三电平软开关DC/DC变换器及其控制方法。

背景技术

近年来，随着超导材料技术的发展，超导材料在电力领域的运用越来越得到人们的关注与重视，世界各国纷纷开展超导电力技术的研究。其中超导储能技术由于能实现脉冲能量调节、电力系统稳定控制等多方面的功能而倍受人们的关注，成为目前唯一商业化的超导电力技术。超导储能技术一般分为电压源型和电流源型两种类型，其中电压源型和电流源型相比，技术更为成熟，从而成为超导储能系统的主流选择。在电压源型超导储能装置中，需要用DC/DC对超导磁体进行充放电。目前常用的DC/DC技术要么是需要充放电设备各一套，如美国专利US005159261“采用充电和放电DC/DC的超导储能稳定装置”；要么采用一套装置同时实现充放电的功能，如美国专利US005661646“采用不同相角的多重化DC/DC斩波器”和美国专利US004695932“超导储能电路”。这些专利虽然采用的拓扑结构不一样，但是都没有解决两个关键的问题：1、开关管的软开关问题。这些DC/DC都是通过硬开关来实现超导磁体的充放电，开关管开关应力大，损耗大，不仅大大缩短了开关管的寿命，而且降低了系统的工作效率。2、直流电压端电压低，且只有一个直流端电压接口，无法与先进的多电平电压源逆变器相连。图1为美国专利US004695932“超导储能电路”的拓扑结构图，其中10为用于超导磁体充放电的DC/DC斩波器。它通过开关管17a和17b的硬开关来实现对超导磁体的充放电，开关管的应力大，损耗也大；同时，它只有一个直流端电压接口，如图中所示的电容9两端所提供的直流电压接口，为了减小谐波，它只能通过采用多重化的形式的电压源换流器与高压电力系统相连。而多重化的电压源换流器需要使用多个体积庞大，价格昂贵的工频变压器。不仅大大增大了系统的体积，还大大增加了系统的成本。工频变压器的体积和成本都占到整个系统的40％以上。

发明内容

为了克服已有技术的不足，本发明提供了一种可以实现能量双向流动的三电平DC/DC，它能实现电流单元全部开关管的零电流开关，电压单元全部开关管的零电压开关，提高了工作的效率。并且，通过采用变压器降压，使电流单元可以采用电压容量低而电流容量大的开关器件，提高了电流单元的通流能力，从而有效地提高了超导磁体的储能量。由于它的电压侧有两个独立的直流电压端口，所以可以和三电平的逆变器直接相连，而三电平逆变器技术已经非常成熟，能够广泛适应于中高压电力系统，从而避免了使用多个工频变压器与高压电力系统相连，极大地降低了成本和体积。

本发明的拓扑结构由电压单元、变压器单元和电流单元三部分组成。电压单元为带中点箝位二极管的两个三电平半桥组成，三电平半桥的每个开关管都并联电容，或都不并联电容，通过其寄生电容实现软开关。电容的取值可视软开关的需要而定。两个三电平半桥的中点和箝位二极管的中点都与两个分压电容器的中点相连。电流单元的结构根据变压器单元而定。变压器单元若为副边不带中间抽头的普通变压器，副边为全桥形式的电流源逆变器，若为带中间抽头的变压器，副边为半桥形式的电流源逆变器。为了提高功率密度，变压器可用高频变压器。

本发明的控制方法通过控制电流单元的移相角，控制从电压单元到电流单元能量的流动方向和大小。控制方法简单，充放电转化速度快。同时，通过控制变压器原边三电平桥臂输出的正负向电压脉宽的相对大小，来控制两个分压电容上电压的不平衡，解决三电平桥臂中点电压不平衡的问题。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1为现有技术美国专利US004695932的原理图。

图2为本发明的一个典型的拓扑结构原理图。图中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8为开关管，D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9、D10、D11、D12为二极管，C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8为相应开关管上的并联电容器，Cd1、Cd2为两个分压电容，Llk为变压器的漏感或外接的谐振电感，Tr为副边带中间抽头的变压器，T1、T2为电流只能单相流动的开关或者是双向流动的开关与二极管相串联的组合，L超导磁体。

图3为本发明的实施例1。图中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8为IGBT，D9、D10、D11、D12为二极管，C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8为相应开关管上的并联电容器，Cd1、Cd2为两个分压电容，Llk为变压器的漏感或外接的谐振电感，Tr为副边带中间抽头的变压器，T1、T2为晶闸管，L为超导磁体。

图4为本发明的实施例2。图中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8为IGBT，D9、D10、D11、D12为二极管，C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8为相应开关管上的并联电容器，Cd1、Cd2为两个分压电容，Llk为变压器的漏感或外接的谐振电感，Tr为副边带中间抽头的变压器，T1-T4为晶闸管，L为超导磁体。

图5为本发明的实施例3。图中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8为IGBT，D9、D10、D11、D12为二极管，C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8为相应开关管上的并联电容器，Cd1、Cd2为两个分压电容，Llk为变压器的漏感或外接的谐振电感，Tr为副边带中间抽头的变压器，T1、T2为IGBT，D1、D2为二极管，L为超导磁体。

图6为本发明的实施例4。图中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8为IGBT，D9、D10、D11、D12为二极管，C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8为相应开关管上的并联电容器，Cd1、Cd2为两个分压电容，Llk为变压器的漏感或外接的谐振电感，Tr为副边带中间抽头的变压器，T1-T4为IGBT，D1-D4为二极管，L为超导磁体。

图7为一个开关周期的时序图。

图8为电流单元半控型开关与全控型开关触发脉冲对比图。

图9为分压电容电压不平衡控制原理图。

具体实施方式

图2为本发明的一个典型的拓扑结构原理图。它由电压单元、变压器单元和电流单元三部分组成。其电压单元由两个三电平桥臂组成。开关管Q1-Q4和钳位二极管D9、D10组成其中一个三电平桥臂。开关管Q1-Q4头尾相连，开关管Q1反并联二极管D1，并与电容器C1并联；开关管Q2反并联二极管D2，并与电容器C2并联；开关管Q3反并联二极管D3，并与电容器C3并联；开关管Q4反并联二极管D4，并与电容器C4并联。开关管Q1、Q2的中点与钳位二极管D9的阴极相连，开关管Q3、Q4的中点与钳位二极管D10的阳极相连。D9的阳极与D10的阴极相连，其中点与分压电容Cd1、Cd2的中点相连。开关管Q5-Q8和钳位二极管D11、D12组成其中另一个三电平桥臂。开关管Q5-Q8头尾相连，开关管Q5反并联二极管D5，并与电容器C5并联；开关管Q6反并联二极管D6，并与电容器C6并联；开关管Q7反并联二极管D7，并与电容器C7并联；开关管Q8反并联二极管D8，并与电容器C8并联。开关管Q5、Q6的中点与钳位二极管D11的阴极相连，开关管Q7、Q8的中点与钳位二极管D12的阳极相连。D11的阳极与D12的阴极相连，其中点与分压电容Cd1、Cd2的中点相连。两个三电平桥臂与两个串联分压电容Cd1、Cd2并联。两个三电平桥臂的中点A、B与变压器原边绕组的两端相连。变压器单元为副边带中间抽头的变压器。其电流单元为由开关T1、T2组成的电流源换流器。T1、T2的一端与变压器副边的两端相连，另一端相互连接，并与超导磁体L的一端相连，超导磁体L的另一端与变压器的中间抽头相连。其中C1-C8根据需要也可以取消，通过其寄生电容来实现软开关。

图3为本发明的实施例1。图中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8为IGBT，D9、D10、D11、D12为二极管C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8为相应开关管上的并联电容器，Cd1、Cd2为两个分压电容，Llk为变压器的漏感或外接的谐振电感，Tr为副边带中间抽头的变压器，T1、T2为晶闸管，L为超导磁体。其连接方式与图2完全相同，只是用相应的实际开关代替理想开关。其中IGBT可为1MBI600PX-120，晶闸管可以为KA1200。

图4为本发明的实施例2。图中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8为IGBT，D9、D10、D11、D12为二极管，C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8为相应开关管上的并联电容器，Cd1、Cd2为两个分压电容，Llk为变压器的漏感或外接的谐振电感，Tr为副边带中间抽头的变压器，T1-T4为晶闸管，L为超导磁体。其电压单元的连接方式与图2完全相同。其变压器单元为普通变压器，变压器的原边与三电平桥臂的两个中点相连，变压器的副边与电流单元的交流电流端相连。其电流单元为由晶闸管T1-T4组成的电流源换流器。T1的阳极与T3的阴极相连，构成其中一个桥臂，T2的阳极与T4的阴极相连，构成其中另一个桥臂，两个桥臂相互并联，并与超导磁体L并联。两个桥臂的中点与变压器副边的两端相连。其中IGBT可为1MBI600PX-120，晶闸管可以为KA1200。

图5为本发明的实施例3。图中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8为IGBT，D9、D10、D11、D12为二极管，C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8为相应开关管上的并联电容器，Cd1、Cd2为两个分压电容，Llk为变压器的漏感或外接的谐振电感，Tr为副边带中间抽头的变压器，T1、T2为IGBT，D1、D2为二极管，L为超导磁体。其连接方式与图3完全相同。它用IGBT与二极管相互连接作为一个整体，来代替图3中的一个晶闸管。其中IGBT可为1MBI600PX-120，二极管可为MDN 600C20。

图6为本发明的实施例4。图中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8为IGBT，D9、D10、D11、D12为二极管，C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8为相应开关管上的并联电容器，Cd1、Cd2为两个分压电容，Llk为变压器的漏感或外接的谐振电感，Tr为副边带中间抽头的变压器，T1-T4为IGBT，D1-D4为二极管，L为超导磁体。其连接方式与图4完全相同。它用IGBT与二极管相互连接作为一个整体，来代替图4中的一个晶闸管。其中IGBT可为1MBI600PX-120，二极管可为MDN 600C20。

本发明的具体工作原理和过程如下：

本发明变换器在一个开关周期共有10种开关模态，分别对应于[t₀，t₁]、[t₁，t₂]、[t₂，t₃]、[t₃，t₄]、[t₄，t₅]、[t₅，t₆]、[t₆，t₇]、[t₇，t₈]、[t₈，t₉]、[t₉，t₁₀]，如图7所示。其中[t₀，t₅]为前半周期，[t₅，t₁₀]为后半周期。下面结合图2(设其中电流单元的开关器件为晶闸管等半控型开关)，详细描述其工作过程，其中U_A0为第一个三电平桥臂的输出端A对两个分压电容器中点0的电压，U_B0为第二个三电平桥臂的输出端B对两个分压电容器中点0的电压。U_AB为两个桥臂输出端的电压。I_P为流过变压器原边的电流。另设变压器的变比为n(Np/Ns)，U_o为副边可控整流电路的输出电压。

开关模态1(对应于[t₀，t₁])。t₀时刻之前，U_AB为正，I_P为负，T1关断，T2导通，加载副边滤波电感两端的电压与电流的方向相反，电流的绝对值呈下降的趋势，此时原边电流的流向为：D8-D7-B-A-D2-D1。t₀时刻，给T1施加触发脉冲，由于T1两端承受正电压，在触发脉冲的作用下，T1开通，由于变压器存在漏感，流过T1的电流逐渐增加，T1实现了零电流开通。而此时，T2承受反向电压，在反向电压的作用下，流过T2的电流逐渐减少到零，T2过零关断，从而实现了零电流关断。T2关断后，可控整流电路的输出电压U_o正向加在超导磁体上。超导磁体上的电流增加。此时原边电流的流向为Q1-Q2-A-B-Q7-Q8。

开关模态2(对应于[t₁，t₂])。t₁时刻，Q1、Q8关断，由于C1、C8上的电压为零，所以是零电压关断。I_P给C1、C8充电，C3、C4、C5、C6放电，当A点电位低于0点时，二极管D9导通，此时C1两端的电压等于Cd1两端的电压。同理B点的电位高于0点时，二极管D12导通，此时C8两端的电压等于分压电容Cd2两端的电压，而C5两端的电压等于分压电容Cd1两端的电压。充放电过程结束后，忽略开关管和线路压降，U_AB和U_o均为零。此时原边电流的流向为：0-D9-Q2-A-B-Q7-D12-0。

开关模态3(对应于[t₂，t₃])。t₂时刻，Q2、Q7关断，由于C2、C7上的电压为零，所以是零电压关断。I_P给C2、C7充电，C3、C4、C5、C6放电。充放电过程结束后，D3、D4、D5、D6导通，C3、C4、C5、C6上的电压为零，此时原边电流的流向为：D4-D3-A-B-D6-D5。

开关模态4(对应于[t₃，t₄])。t₃时刻，Q3、Q6导通，由于其反并联二级管已导通，C3、C6上的电压为零，所以是零电压开通。

开关模态5(对应于[t₄，t₅])。t₄时刻，Q4、Q5导通，由于其反并联二级管已导通，C4、C5上的电压为零，所以是零电压开通。

由于下半周期的工作原理与上半周期完全相同，这里不在赘述。

以上为电流单元采用半控型器件如晶闸管的工作原理。对于电流单元采用全控型开关与二极管串联的形式，其控制方法几乎完全相同，唯一不同的是电流单元的触发脉冲，两者脉冲对比如图8所示。其中T1、T2为半控型开关的触发脉冲，S1、S2为全控型开关的触发脉冲。对于半控型开关，t₀时刻，给T1触发脉冲，此时加在T1上的电压大于零，由于变压器有漏感，流过T1的电流逐渐增加，T1零电流开通，而加在T2上的电压小于零，流过T2的电流逐渐减小，T2过零关断，实现零电流关断。对于全控型开关，t₀时刻，给S1触发脉冲，此时加在S1上的电压大于零，由于变压器有漏感，流过S1的电流逐渐增加，S1零电流开通，而加在S2上的电压小于零，流过S2的电流逐渐减小到零，当S2减小到零后，t₁时刻，关断S2，从而实现零电流关断。

需要另外说明的是，开关模态4和开关模态5可以合并。其原因如下：

若省略开关模态5，t₄、t₅时刻合并，Q3、Q4、Q5、Q6同时开通，由于此时它们的反并联二级管都已导通，所以它们开通的先后并不影响其零电压开通，因此这两个开关模态可以合并。

以上分析是在分压电容Cd1、Cd2上电压平衡的情况下做出的，若Cd1和Cd2上电压不平衡，本发明提供了一种方法来控制其中点电压的平衡。设电容Cd1上的电压大于Cd2上的电压。如图9所示，缩小U_A0和U_B0负向电压的脉宽，则变压器原边两个三电平桥臂上半部分的工作时间大于下半部分，流出两个分压电容Cd1、Cd2中点的电流I_o不为零，流进Cd1的电流I_cd1小于零，流进Cd2的电流I_cd2大于零，Cd1上的电压U_cd1下降，U_cd2上的电压上升。同理，缩小U_A0和U_B0正向电压的脉宽，则可以使Cd1上的电压U_cd1上升，U_cd2上的电压下降。需要特别说明的是，中点不平衡的控制并不局限于缩短正向或负向脉宽，也可以通过增加脉宽的方式，总而言之，就是通过控制正负向电压脉宽的相对大小来控制中点电压的不平衡。通过这种方式，中点不平衡的问题即得以解决。

Claims

1、一种超导储能用双向三电平软开关DC/DC变换器，其特征在于它由电压单元、变压器单元和电流单元三部分组成；电压单元由两个三电平桥臂和第一分压电容[Cd1]、第二分压电容[Cd2]并联组成；第一开关管[Q1]、第一二极管[D1]、第一电容器[C1]、第二开关管[Q2]、第二二极管[D2]、第二电容器[C2]、第三开关管[Q3]、第三二极管[D3]、第三电容器[C3]、第四开关管[Q4]、第四二极管[D4]、第四电容器[C4]和第九钳位二极管[D9]、第十钳位二极管[D10]组成电压单元的一个三电平桥臂；第一开关管[Q1]至第四开关管[Q4]头尾相连；第一开关管[Q1]反并联第一二极管[D1]，并与第一电容器[C1]并联；第二开关管[Q2]反并联第二二极管[D2]，并与第二电容器[C2]并联；第三开关管[Q3]反并联第三二极管[D3]，并与第三电容器[C3]并联；第四开关管[Q4]反并联第四二极管[D4]，并与第四电容器[C4]并联；第一开关管[Q1]、第二开关管[Q2]、第三开关管[Q3]、第四开关管[Q4]或不并联第一电容[C1]、第二电容[C2]、第三电容[C3]、第四电容[C4]，通过第一开关管[Q1]、第二开关管[Q2]、第三开关管[Q3]、第四开关管[Q4]的寄生电容实现软开关；第一开关管[Q1]、第二开关管[Q2]的中点与第九钳位二极管[D9]的阴极相连，第三开关管[Q3]、第四开关管[Q4]的中点与第十钳位二极管[D10]的阳极相连；第九钳位二极管[D9]的阳极与第十钳位二极管[D10]的阴极相连，其中点与第一分压电容[Cd1]、第二分压电容[Cd2]的中点相连；第五开关管[Q5]、第五二极管[D5]、第五电容器[C5]、第六开关管[Q6]、第六二极管[D6]、第六电容器[C6]、第七开关管[Q7]、第七二极管[D7]、第七电容器[C7]、第八开关管[Q8]、第八二极管[D8]、第八电容器[C8]和第十一钳位二极管[D11]、第十二钳位二极管[D12]组成电压单元的另一个三电平桥臂；第五开关管[Q5]至第八开关管[Q8]头尾相连，第五开关管[Q5]反并联第五二极管[D5]，并与第五电容器[C5]并联；第六开关管[Q6]反并联第六二极管[D6]，并与第六电容器[C6]并联；第七开关管[Q7]反并联第七二极管[D7]，并与第七电容器[C7]并联；第八开关管[Q8]反并联第八二极管[D8]，并与第八电容器[C8]并联；第五开关管[Q5]、第六开关管[Q6]、第七开关管[Q7]、第八开关管[Q8]或不并联第五电容[C5]、第六电容[C6]、第七电容[C7]、第八电容[C8]，通过第五开关管[Q5]、第六开关管[Q6]、第七开关管[Q7]、第八开关管[Q8]的寄生电容实现软开关；第五开关管[Q5]、第六开关管[Q6]的中点与第十一钳位二极管[D11]的阴极相连，第七开关管[Q7]、第八开关管[Q8]的中点与第十二钳位二极管[D12]的阳极相连；第十一钳位二极管[D11]的阳极与第十二钳位二极管[D12]的阴极相连，其中点与第一分压电容[Cd1]、第二分压电容[Cd2]的中点相连；两个三电平桥臂与两个串联的第一分压电容[Cd1]、第二分压电容[Cd2]并联；两个三电平桥臂的中点：第一中点[A]、第二中点[B]与变压器单元的变压器原边绕组的两端相连；变压器单元为副边带中间抽头的变压器，所述DC/DC变换器的电流单元为由第九开关[T1]、第十开关[T2]组成的电流源换流器；第九开关[T1]、第十开关[T2]的一端分别与变压器副边的两端相连，第九开关[T1]、第十开关[T2]的另一端相互连接，并与超导磁体[L]的一端相连，超导磁体[L]的另一端与变压器副边的中间抽头相连。

2、应用于权利要求1所述的超导储能用双向三电平软开关DC/DC变换器的控制方法，其特征在于通过控制电流单元的移相角，控制所述DC/DC变换器从电压单元到电流单元能量的流动方向和大小；通过控制三电平桥臂输出正负向电压脉宽的相对大小来控制第一分压电容[Cd1]和第二分压电容[Cd2]上电压的不平衡。