CN104578803A - 一种高压直流-直流电力电子变压器 - Google Patents

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Abstract

本发明设计的高压直流-直流电力电子变压器(DCSST)的主要基于高频隔离双主动全桥DC/DC变换器(DAB)，DCSST的高压侧采用DAB单元高压端口串联，低压侧采用DAB功率单元低压端口并联。它不仅实现了高低压的电压等级变换和电气隔离，还可以实现电压、电流以及功率的主动控制。

Description

一种高压直流-直流电力电子变压器
技术领域
本发明涉及一种高压直流-直流电力电子变压器。
背景技术
目前，因为我国的能源与用电负荷分布的特殊性，构建大容量、远距离的输电系统成为了必然性。与传统的交流输电相比，直流输电具有损耗小、传输距离远、稳定性好与传输功率容量大等优势，得到了越来越广阔的应用。但是，直流输电只是作为交流输电的一种辅助功能还没有直接用于用电设备，所以在直流输电的逆变侧仍然需要连接工频变压器，增大了整个系统的体积与重量。
而随着电动汽车、分布式发电、储能系统、可再生能源发电等领域的发展，将高压直流输电直接用于用电设备的需求正在不断加大。所以需要和交流隔离变压器功能类似的直流变压装置，将高压直流电转换成隔离的不同等级直流电压来满足各种用电设备。
因此，高压直流-直流电力电子变压器可以直接满足一部分需求直流电的用户，不需要使用工频变压器来转换电能，降低了成本，减小损耗，还可以实现能量的双向流动。随着直流输配电的快速发展，高压直流-直流电力电子变压器在直流配电中具有较大的应用前景。
发明内容
本发明的目的是设计一种高压直流-直流电力电子变压器(DCSST)，该变压器将模块化的双主动全桥(DAB)功率单元按照输入串联输出并联(input-series output-paralleled，ISOP)方式连接，通过控制功率单元上IGBT电子开关器件的导通与关断来实现特定电压的输出。直流变压器的DAB功率单元采用对称的结构，左侧为H全桥逆变结构，右侧为H全桥整流结构，中间通过高频变压器连接起来，实现了电气隔离。它具有双向功率传输、模块化结构、功率密度高和软开关技术容易实现等优点。
为实现上述目的，本发明采取如下技术方案实现：
一种高压直流-直流电力电子变压器，该变压器将模块化的双主动全桥功率单元按照输入串联输出并联方式连接，通过控制功率单元上IGBT电子开关器件的导通与关断来实现特定电压的输出；所述的双主动全桥功率单元由左右对称的H全桥通过高频变压器连接组成，左边为逆变侧，右边为整流侧，所使用的电子开关器件为全控型开关器件IGBT；所述的高压直流-直流电力电子变压器高压侧采用双主动全桥功率单元高压端口串联，低压侧采用双主动全桥功率单元低压端口并联。
所述的高压直流-直流电力电子变压器，不仅实现了高低压的电压等级变换和电气隔离，还可以实现电压、电流以及功率的主动控制；
有三种工作模式，分别为HV电压控制模式、LV电压控制模式和功率控制模式；各双主动全桥功率单元具有完全相同的控制模型，分别由HV电压控制器、HV电流控制器、LV电压控制器、LV电流控制器、平衡控制器组成；
(1)模式1：HV电压控制模式；在HV电压控制模式中，低压直流母线电压固定，高压直流母线电压由直流变压器控制，功率流动大小和方向则由负载决定；此时HV电压和电流控制器被使能，各双主动全桥功率单元控制各自高压端电压，并保证各自电压相等，以均分负载；
(2)模式2：LV电压控制模式；在LV电压控制模式中，高压直流母线电压固定，低压直流母线电压由高压直流-直流电力电子变压器控制；此外，直流变压器还需要控制各双主动全桥功率单元在串联端的电压平衡和并联端的功率平衡，功率流动大小和方向则由负载决定；此时LV电压和电流控制器以及平衡控制器被使能；在LV控制模式中，LV电压控制器将母线电压与参考值之间的误差送入PI调节器，PI调节器的输出作为各双主动全桥功率单元电流内环参考值；
(3)模式3：功率控制模式；在功率控制模式中，高低压母线电压均固定，直流变压器控制功率流动的大小和方向，并且控制各双主动全桥功率单元在串联端的电压平衡和并联端功率平衡；此时高压直流-直流电力电子变压器控制状态与LV电压控制模式基本类似，所不同的是在功率控制模式中，只有LV电流控制器和平衡控制器使能，LV电流控制器的参考值根据传输功率的大小计算得出。
与现有技术相比，由DAB构成的ISOP型DCSST具有以下几个优点：
1)采用功率单元级联方式，可根据用户需求来选择功率单元的级联个数，整体的灵活性较高；
2)每个模块的输入电压为Udc/n，其中Udc为总的输入电压，n为功率单元级数，可以大幅度降低开关器件的应力，减少成本；
3)每个模块输出功率为P/n，其中P为总的输出功率，使得单个功率模块设计与系统热设计更简单；
4)如果采用交错控制技术，可以很大程度上减少电流输出纹波；
5)由于舍弃了传统的工频变压器，直接采用了高频变压器，实现电气隔离，进一步提高了系统的模块化程度和功率密度，减小噪音，降低了成本。
6)该拓扑可以实现能量的双向流动，可以满足将直流微电网接入配网以及实现各种不同电压等级直流配电网的连接。
附图说明
图1是直流-直流电力电子变压器(DCSST)拓扑图。
图2是高频隔离双主动全桥功率单元(DAB)结构图。
图3-1是传统的交流电力系统的基本工作原理图。
图3-2是采用DAB单元交流电力系统的基本工作原理图。
图4是功率单元(DAB)双重移相(DPS)控制原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体技术方案进行详细叙述。
本发明设计的高压直流-直流电力电子变压器(DCSST)的拓扑(图1)主要基于高频隔离双主动全桥DC/DC变换器(DAB)，DCSST的高压侧采用DAB单元(图2为DAB单元具体的结构图)高压端口串联，低压侧采用DAB功率单元低压端口并联。
DAB单元由左右对称的H全桥通过高频变压器连接组成。左边为逆变侧，右边为整流侧，它们所使用的电子开关器件都是全控型开关器件IGBT。该结构的DAB单元与传统的交流电力系统的基本工作原理(图3-1、图3-2)事实上都可以等效成连接在电感两端的两个交流源，通过调节两者之间的相移来改变功率流动的方向与大小。不同的地方在于传统交流电力系统中交流源为工频正弦波，而DAB中为高频方波。图中L为辅助电感和变压器漏感之和，V1和V2分别为全桥H1和H2的直流端电压，Vh1为全桥H1的交流输出电压，Vh2为全桥H2的交流输出折合到V2侧后的电压，iL为电感电流。
本次设计中DCSST的DAB单元基本控制方法采用了双重移相(dual-phase-shift，DPS)控制(图4)，图中Q1-Q4为全桥H1开关器件，S1-S4为全桥H2开关器件。与传统的单移相(single-phase-shift)控制相比较，除了在同一个H桥内桥臂之间存在内移相比D1，还在DAB单元的左右两侧H桥之间存在外移相比D2。对于DPS控制，在效率特性、电流应力、软开关范围等方面都有一定的优势，并且在功率方向改变时IGBT状态无需改变，只需要对移相角进行调节。从各方面来说，DPS控制是一种值得在DAB控制上推广的方法。
在DCSST的整体控制策略上采用了分布式控制与管理，使各子单元具有完全相同的控制模型，使用软开关技术，提高了系统的稳定性与动态性能；在硬件设计上，采用了模块化的设计思路，有利于设备的安装维护与系统扩容，可以根据客户的需求任意修改功率单元级数满足设计。
在本发明所设计的DCSST中，有三种工作模式，分别为HV电压控制模式、LV电压控制模式和功率控制模式。而各子单元具有完全相同的控制模型，分别由HV电压控制器、HV电流控制器、LV电压控制器、LV电流控制器、平衡控制器组成。
(1)模式1：HV电压控制模式。在HV电压控制模式中，低压直流(LVDC)母线电压固定，高压直流(HVDC)母线电压由直流变压器控制，功率流动大小和方向则由负载决定。此时HV电压和电流控制器被使能，各DAB控制各自高压端电压，并保证各自电压相等，以均分负载。
(2)模式2：LV电压控制模式。在LV电压控制模式中，HVDC母线电压固定，LVDC母线电压由DCSST控制。此外，直流变压器还需要控制各DAB单元在串联端的电压平衡和并联端的功率平衡，功率流动大小和方向则由负载决定。此时LV电压和电流控制器以及平衡控制器被使能。在LV控制模式中，LV电压控制器将母线电压与参考值之间的误差送入PI调节器，PI调节器的输出作为各DAB单元电流内环参考值。
(3)模式3：功率控制模式。在功率控制模式中，高低压母线电压均固定，直流变压器控制功率流动的大小和方向，并且控制各DAB单元在串联端的电压平衡和并联端功率平衡。此时DCSST控制状态与LV电压控制模式基本类似，所不同的是在功率控制模式中，只有LV电流控制器和平衡控制器使能，LV电流控制器的参考值根据传输功率的大小计算得出。
本发明所设计的DCSST不仅实现了高低压的电压等级变换和电气隔离，还可以实现电压、电流以及功率的主动控制，相比交流变压器，DCSST的变换步骤更少，因此具有更高的变换效率，在直流配电中具有较大的应用前景。

Claims (2)

1.一种高压直流-直流电力电子变压器，其特征在于，该变压器将模块化的双主动全桥功率单元按照输入串联输出并联方式连接，通过控制功率单元上IGBT电子开关器件的导通与关断来实现特定电压的输出；所述的双主动全桥功率单元由左右对称的H全桥通过高频变压器连接组成，左边为逆变侧，右边为整流侧，所使用的电子开关器件为全控型开关器件IGBT；所述的高压直流-直流电力电子变压器高压侧采用双主动全桥功率单元高压端口串联，低压侧采用双主动全桥功率单元低压端口并联。
2.根据权利要求1所述的一种高压直流-直流电力电子变压器，其特征在于，所述的高压直流-直流电力电子变压器，不仅实现了高低压的电压等级变换和电气隔离，还可以实现电压、电流以及功率的主动控制；
有三种工作模式，分别为HV电压控制模式、LV电压控制模式和功率控制模式；各双主动全桥功率单元具有完全相同的控制模型，分别由HV电压控制器、HV电流控制器、LV电压控制器、LV电流控制器、平衡控制器组成；
(1)模式1：HV电压控制模式；在HV电压控制模式中，低压直流母线电压固定，高压直流母线电压由直流变压器控制，功率流动大小和方向则由负载决定；此时HV电压和电流控制器被使能，各双主动全桥功率单元控制各自高压端电压，并保证各自电压相等，以均分负载；
(2)模式2：LV电压控制模式；在LV电压控制模式中，高压直流母线电压固定，低压直流母线电压由高压直流-直流电力电子变压器控制；此外，直流变压器还需要控制各双主动全桥功率单元在串联端的电压平衡和并联端的功率平衡，功率流动大小和方向则由负载决定；此时LV电压和电流控制器以及平衡控制器被使能；在LV控制模式中，LV电压控制器将母线电压与参考值之间的误差送入PI调节器，PI调节器的输出作为各双主动全桥功率单元电流内环参考值；
(3)模式3：功率控制模式；在功率控制模式中，高低压母线电压均固定，直流变压器控制功率流动的大小和方向，并且控制各双主动全桥功率单元在串联端的电压平衡和并联端功率平衡；此时高压直流-直流电力电子变压器控制状态与LV电压控制模式基本类似，所不同的是在功率控制模式中，只有LV电流控制器和平衡控制器使能，LV电流控制器的参考值根据传输功率的大小计算得出。
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