CN105375757B - 一种直流电压变换装置及其桥臂控制方法 - Google Patents

一种直流电压变换装置及其桥臂控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种直流电压变换装置及其桥臂控制方法,该装置包括基本变换单元,由所述基本变换单元组成单极结构或者双极结构,实现直流电能的变换。基本变换单元由两相或者多相的基本功能模块并联构成;通过桥臂控制方法,实现直流电能的变换。该拓扑通过采用全控器件串联结构和子模块级联结合的方法,在无变压器的情况下实现电压变换,同时还可实现串联器件的软开关,并减小投资和占地。

Description

一种直流电压变换装置及其桥臂控制方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种DC-DC变换装置及其控制方法,具体讲涉及一种直流电压变换装 置及其桥臂控制方法。
背景技术
[0002]针对DC-DC变换器已经有了很多报导,在适用于高压领域并采用扩展性良好的模 块化多电平技术方向上,“面对面”型模块化多电平变压器是最基础的拓扑形式,该拓扑占 地大,而且造价高、损耗大,难以大规模推广应用。
[0003] W02014/056540 A1 号的“Modular Multilevel DC/DC converter for HVDC applications”的专利文件中公开了一种新型的DC-DC变压器拓扑结构,其中披露了通过共 用“面对面”拓扑中的双端子模块,可减小系统所投入子模块数量、损耗和占地,但必须采用 变压器隔离电位。
[0004] W02013/026477 A1 号的 “Bidirectional Unisolated DC-DC converter based on cascaded cel Is”专利文献提出了一种基于从DC直接变换至DC的模块化多电平结构,省 去了变压器,有效减小了投资和占地,但在低压侧输出仍需要较大的电抗器或者共轭电抗 器,同时针对故障隔离,需要额外的全桥子模块投入。
发明内容
[0005]针对现有技术的不足,本发明的目的是提供一种直流电压变换装置及其桥臂控制 方法,该装置的拓扑结构通过采用全控器件串联结构和子模块级联结合的方法,在无变压 器的情况下实现电压变换,同时还可实现串联器件的软开关,并减小投资和占地。
[0006] 本发明的目的是采用下述技术方案实现的:
[0007] 本发明提供一种直流电压变换装置,其改进之处在于,所述装置包括基本变换单 元,由所述基本变换单元组成实现直流电能变换的单极结构或者双极结构。
[0008] 进一步地,所述基本变换单元由两相或者多相的基本功能模块并联构成;通过桥 臂控制方法,实现直流电能的变换。
[0009] 进一步地,所述基本功能模块包括连接成星形结构的两个器件级联结构和一个子 模块级联结构;
[0010] 其中一个器件级联结构的剩余一端连接至高压端正极端子,另一个器件级联结构 的剩余一端连接至接地点;子模块级联结构的剩余一端连接至低压端正极端子。
[0011] 进一步地,所述基本功能模块通过附加子模块级联结构构成具有多种直流电压变 换能力的多直流端子基本功能模块。
[0012] 进一步地,所述器件级联结构由全控型器件及其反并联的二极管、半桥子模块、全 桥子模块结构中的一种单独串联而成,或由其中的几种混合串联而成,或由以上组成的结 构串联电感形成;在没有功率反向需求的情况下,省去由全控型器件及其反并联二极管形 成的基本功能模块中上桥臂或下桥臂的全控型器件,变为二极管级联或者二极管与电感的 串联结构。
[0013]进一步地,所述子模块级联结构由多个全桥子模块或半桥子模块级联组成,或由 多个全桥子模块或半桥子模块级联结构串联电感组成。
[00M]进一步地,所述全桥子模块由H桥并联电容器组组成,H桥的每个桥臂均由全控器 件模块以及与其反并联的二极管组成,所述半桥子模块由单相桥臂并联电容器组组成,所 述单相桥臂包括上下两个桥臂,每个桥臂子模块均由全控器件模块以及与其反并联的二极 管组成;
[0015]所述全控器件模块由单个全控器件,或由全控器件串联或者并联组成,所述电容 器组由单个电容器,或由多个电容串联或者并联组成。
[0016] 本发明还提供一种直流电压变换装置的桥臂控制方法,其改进之处在于,当基本 变换单元为单相基本功能模块时,所述桥臂控制方法包括下述步骤:
[0017] (1)当基本功能模块的上桥臂导通时,其下桥臂关断,高压端正极电流Idl通过上 桥臂进入对应的子模块级联结构,子模块级联结构输出Udl-Ud2,用于补偿高压侧和低压侧 输出端子两端的电压差;
[0018] ⑵当基本功能模块的下桥臂导通时,其上桥臂关断,基本功能模块的低压端和高 压端电流差Id2-Idl通过下桥臂注入子模块级联结构,子模块级联结构输出-Ud2,用于补偿 低压侧输出端子对地电压差;
[0019] (3)当基本功能模块的上桥臂和下桥臂导通时间相同时,由于子模块级联结构两 次充放电功率相等,维持电容器组能量不变,完成直流电能的变换。
[0020] 进一步地,所述基本功能模块的上桥臂和下桥臂导通时间根据平衡设定方式进行 设计,基本功能模块的上桥臂和下桥臂的开关频率设定范围无限制。
[0021] 进一步地,所述平衡设定方式根据子模块级联结构电压或者能量波动情况,调整 相应的基本功能模块的上桥臂和下桥臂开通时间比例。
[0022] 进一步地,当所述基本功能模块的上桥臂和下桥臂进行开通和关断时,通过调整 子模块级联结构的输出使其软开关。
[0023] 与现有技术比,本发明达到的有益效果是:
[0024] 1、本发明提供的直流电压变换装置仅采用IGBT串联结构和一定数量的子模块串 联实现电压变换,投资少,损耗小,同时,高频运行对损耗的提升少;良好的直流变压器应投 资少,具备低损耗水平;
[0025] 2、本发明提供的直流电压变换装置两端直流侧电压电流质量高,不需要其他滤波 器;
[0026] 3、本发明提供的直流电压变换装置能够有效实现故障隔离;良好的直流变压器应 满足在一侧直流故障情况下,另一侧的运行不受到任何影响,即具备故障隔离能力;
[0027] 4、本发明提供的直流电压变换装置具有变比范围宽,宽范围的可实现电压变比。 直流电压等级的多样性,要求电压变换器能够实现宽范围的电压变比,能够满足不同场合 的要求。
[0028] 5、本发明提供的直流电压变换装置具有功率流动能力,由于直流电网功率调控的 灵活性需求,相应的,直流电压变换器需要具备双向功率调节能力。
附图说明
[0029]图1是本发明提供的半桥子模块结构示意图;
[0030]图2是本发明提供的全桥子模块结构示意图;
[0031]图3是本发明提供的基本功能模块工作机理图(单直流端子);
[0032]图4是本发明提供的基本功能模块工作机理图(多直流端子);
[0033]图5是本发明提供的单相变换单元及工作机理图;
[0034]图6是本发明提供的多相变换单元拓扑结构图;
[0035]图7是本发明提供的直流电压变换装置双极结构图;
[0036]图8是本发明提供的三直流端子三相基本变换单元结构图。
具体实施方式
[0037]下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
[0038]本发明提供一种直流电压变换装置,其结构如下:该装置包括基本变换单元,由所 今基本变换单元组成单极结构或者双极结构,实现直流电能的变换。双极结构图如图7所 /Jn 〇
[0039]基本变换单元由两相或者多相的基本功能模块并联构成;通过桥臂控制方法,实 现直流电能的变换。图3是该装置的基本功能模块,该模块由两个器件级联结构和一个子模 块级联结构组成,三者连接成星形结构。一个器件级联结构的其余一端连接至高压端正极 端子,另一个器件级联结构的其余一端连接至接地点;子模块级联结构其余一端连接至低 压端正极端子。基本功能模块可以通过附加子模块级联结构构成具有多种直流电压变换能 力的多直流端子基本功能模块,如图4所示。
[0040]器件级联结构一般由多个全控型器件(如IGBT,GTO等)以及与其反并联二极管组 成,桥臂上可能串联有电抗,另外一种替代方案是通过多个图1所示半桥或者图二所示的全 桥子模块串联来取代全控器件串联,全控器件与半桥、全桥子模块进行混联也是一种可行 的方案。子模块级联结构为多个图1所示的半桥子模块或者图2所示的全桥子模块的串联结 构,桥臂上可能串联有电抗。
[0041]在没有功率反向需求的情况下,器件级联结构的上桥臂或者下桥臂的全控型器件 可以省去,仅为二极管级联。
[0042]子模块级联结构由多个半桥子模块或者全桥子模块级联而成,可能包含一个串联 电感。子模块如图2所示,全控器件符号仅代表功能,其可以由多个全控器件串联或者并联 组成,电容符号也仅代表功能,其也可以由多个电容串联或者并联组成。
[0043]本发明还提供一种直流电压变换装置的桥臂控制方法,当基本变换单元由单相基 本功能模块组成时,工作机理如下:
[0044] (1)上桥臂Sla导通时,下桥臂关断,高压端正极电流Idl通过上桥臂进入对应的子 模块级联结构,此时子模块级联结构输出Udl-Ud2,用于补偿高压侧和低压侧输出端子两端 的电压差;
[0045] (2)当下桥臂S2a导通时,上桥臂关断,低压端和高压端的电流差Id2-Idl通过下桥 臂注入子模块级联结构,此时子模块级联结构输出-Ud2,用于补偿低压侧输出端子对地电 压差。
[0046] ⑶当Sla和S2a开通时间差不多时,由于子模块级联结构两次充放电功率接近,可 以维持电容能量不变,从而完成电能变换。
[0047] 对于图5所示的单相结构,Sla、S2b和S2a、Slb—般作为互补对进行工作。
[0048] 1、Sla和S2b导通时,高压端正极电流Idl通过Sla进入对应的子模块级联结构,该 子模块级联结构输出Udl-Ud2,用于补偿高压侧和低压侧输出端子两端的电压差;低压端和 高压端的电流差Id2-Idl通过S2b注入子模块级联结构,此时子模块级联结构输出-Ud2,用 于补偿低压侧输出端子对地电压差。
[0049] 2、S2a和Sib导通时,高压端正极电流Idl通过S2a进入对应的子模块级联结构,该 子模块级联结构输出Udl-Ud2,用于补偿高压侧和低压侧输出端子两端的电压差;低压端和 高压端的电流差Id2-Idl通过Sib注入子模块级联结构,此时子模块级联结构输出-Ud2,用 于补偿低压侧输出端子对地电压差。
[0050] 由于两个子模块级联结构对应的充电和放电功率基本相同,因此可以保持能量不 变,如果两个子模块级联结构能量由于误差等影响有偏差时,可以通过调节两个互补对的 投入时间比例来进行调节。
[0051] 基本功能模块可以拓展至图5的单相结构,或者增加相数至三相甚至更多相(附图 6),从而形成基本变换单元,三直流端子三相基本变换单元结构图如图8所示,基本变换单 元又可以通过附图7的形式组成双极结构。同时,变换单元的工作频率不限于基频,还可以 是低频和高频运行。
[0052]本发明拓扑结果的另外一种有利特点是,通过在器件级联结构开通或者关断时 亥IJ,调整子模块级联结构投入的数量,可以有效实现器件级联结构的软开关。
[0053]最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制,尽 管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:依然 可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换,而未脱离本发明精神和范围的任何 修改或者等同替换,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种直流电压变换装置的桥臂控制方法,其特征在于, 所述直流电压变换装置包括基本变换单元,由所述基本变换单元组成实现直流电能变 换的单极结构或者双极结构; 所述基本变换单元由两相或者多相基本功能模块并联构成;通过桥臂控制方法,实现 直流电能的变换; 所述基本功能模块包括连接成星形结构的两个器件级联结构和一个子模块级联结构; 其中一个器件级联结构的剩余一端连接至高压端正极端子,另一个器件级联结构的剩 余一端连接至接地点;子模块级联结构的剩余一端连接至低压端正极端子; 所述基本功能模块通过附加子模块级联结构构成具有多种直流电压变换能力的多直 流端子基本功能模块; 所述器件级联结构由全控型器件及其反并联的二极管、半桥子模块、全桥子模块结构 中的一种单独串联而成,或由其中的几种混合串联而成,或由以上组成的结构串联电感形 成;在没有功率反向需求的情况下,省去由全控型器件及其反并联二极管形成的基本功能 模块中上桥臂或下桥臂的全控型器件,变为二极管级联或者二极管与电感的串联结构; 所述子模块级联结构由多个全桥子模块或半桥子模块级联组成,或由多个全桥子模块 或半桥子模块级联结构串联电感组成; 所述全桥子模块由H桥并联电容器组组成,H桥的每个桥臂均由全控器件模块以及与其 反并联的二极管组成,所述半桥子模块由单相桥臂并联电容器组组成,所述单相桥臂包括 上下两个桥臂,每个桥臂子模块均由全控器件模块以及与其反并联的二极管组成; 所述全控器件模块由单个全控器件,或由全控器件串联或者并联组成,所述电容器组 由单个电容器,或由多个电容串联或者并联组成; 当基本变换单元为单相基本功能模块时,所述桥臂控制方法包括下述步骤: (1) 当基本功能模块的上桥臂导通时,其下桥臂关断,高压端正极电流Idl通过上桥臂 进入对应的子模块级联结构,子模块级联结构输出Udl-Ud2,用于补偿高压侧和低压侧输出 端子两端的电压差;Udl、Ud2分别表示子模块级联结构输入电压和输出电压; (2) 当基本功能模块的下桥臂导通时,其上桥臂关断,基本功能模块的低压端和高压端 电流差Id2-Idl通过下桥臂注入子模块级联结构,子模块级联结构输出-Ud2,用于补偿低压 侧输出端子对地电压差; (3) 当基本功能模块的上桥臂和下桥臂导通时间相同时,由于子模块级联结构两次充 放电功率相等,维持电容器组能量不变,完成直流电能的变换。
2.如权利要求1所述的桥臂控制方法,其特征在于,所述基本功能模块的上桥臂和下桥 臂导通时间根据平衡设定方式进行设计,基本功能模块的上桥臂和下桥臂的开关频率设定 范围无限制。
3.如权利要求2所述的桥臂控制方法,其特征在于,所述平衡设定方式根据子模块级联 结构电压或者能量波动情况,调整相应的基本功能模块的上桥臂和下桥臂开通时间比例。
4.如权利要求1所述的桥臂控制方法,其特征在于,当所述基本功能模块的上桥臂和下 桥臂进行开通和关断时,通过调整子模块级联结构的输出使其软开关。
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