CN105429472A - 一种星角型整流式大功率直流升压变换器及其控制方法 - Google Patents

一种星角型整流式大功率直流升压变换器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种星角型整流式大功率直流升压变换器及其控制方法，升压变换器包括两个前级π型CLC滤波装置、两个三相逆变桥、两个三相三绕组升压变压器以及两个六相二极管整流桥；π型CLC滤波装置滤除灌入低压直流网络的交流谐波电流；控制两个三相逆变器输出相差为15°角的两组三相对称电压；两组三相对称电压分别接入三相三绕组变压器，变压器采用Y/Y/△接法。变压器输出的两组电压分别送入两组六相二极管整流桥，单个整流桥输出12脉波的直流电压。将两组二极管整流桥串联连接，将中点引出接地。本发明的直流升压装置容量大、效率高、高压输出侧直流纹波低，在直流输电领域有很好的应用前景。

Description

一种星角型整流式大功率直流升压变换器及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种大容量、高效率、低纹波的直流升压装置，可应用带有可再生新能源的直流输电领域，对于大规模光伏电站、风电场输出的直流电压进行升压后汇入高压直流母线用于直流输电。
背景技术
随着电力电子技术的发展以及大量的可再生新能源的并网，直流输电的优势逐渐体现出来。相比于交流输电，直流输电在很多的领域具有技术和经济的优势，如线路成本低、输电损耗小、供电可靠性高等。直流输电只有两条线路，所需的建设费用少，且在输送同样的功率条件下的损耗远远小于交流，同时直流输电不存在频率稳定和无功功率的问题，电磁辐射也小。由于这些优势，近年，高压直流输电在我国已有了很好的发展，已有一大批的高压直流输电项目投入了运行。
传统的直流输电采用交流汇集与直流传输并网的模式，该模式技术成熟且已有了很多应用案例。如2006年建成的容量为3000MW的三峡—上海±500kv直流输电系统、2014年建成的容量为8000MW的哈密南-郑州海±800kv直流输电系统。对于传统的水电厂、火电厂其水轮机或汽轮机输出电能为交流，所以直接采用交流汇入方便高效。但是随着大量的可再生新能源的接入，大规模的光伏电站、风电场输出的电能本身为直流(风机输出的电能一般要经过整流的环节)，这与当前的交流汇入的方式并不太兼容。于是，有相关的学者提出一种直流汇入与直流传输并网的新模式。当前，该模式并无典型的应用案例，且需要大功率直流变压装置技术的突破。
传统的直流变压采用斩波技术，而该技术只适用于低压小功率场合。对于需要进行高压大功率直流变压的直流输电场合，新的直流变压技术与思路需要被提出。大功率直流变压装置需要解决的两大技术难题为低压侧电流容量与高压侧耐压的问题。通常的解决方案为进行串并联连接，并联分流以解决电流容量的问题。串联分压以解决耐压的问题。但是串并联又会引入环流以及需要增加冗余提高可靠性的问题。
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，提供一种星角型整流式大功率直流升压变换器及其控制方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种星角型整流式大功率直流升压变换器，包括上下两个前级π型CLC滤波装置、上下两个三相逆变桥、上下两个三相三绕组升压变压器以及上下两组六相二极管整流桥；所述上下两个三相逆变桥输出相差为15°角的两组三相对称电压；所述上下两个三相逆变桥分别接入上三相三绕组变压器和下三相三绕组升压变压器，两个三相三绕组变压器的第一副边与原边均采用星形接法，第二副边与原边均采用三角形接法；上下两组三相三绕组升压变压器的两组电压分别送入上下两组六相二极管整流桥；两组六相二极管整流桥串联连接，且串联中点引出接地。
本发明还提供了一种上述星角型整流式大功率直流升压变换器的控制方法，包括以下步骤：
1)将给定输出功率P分别除以高压直流侧电压Uo1与Uo2，得到上下两个三相逆变桥输出电流的指令值Iref1和Iref2；
2)采样高压直流侧输出电流Io1与Io2，进行低通滤波，然后将低通滤波后的输出电流对应与输出电流的指令值Iref1、Iref2相减，并将所得的两个误差送入PI控制器；
3)将PI控制器输出值分别除以输入侧电压值Ui1与Ui2，然后进行三相正弦变换，形成上下两个三相逆变桥总共6个桥臂的信号波；其中两组三相正弦变换的参考相位分别为0°和15°，分别对应于上三相逆变桥和下三相逆变桥；
4)将上述信号波与载波比较后形成PWM信号，控制上下两个三相逆变桥开关管的开通和关断，输出期望的交流电压信号，经过六相二极管整流桥整流输出期望的直流电流。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明装置具有输送功率大、效率高、高压侧纹波低的特点，原边能过大电流，副边可耐高电压；逆变器输出三相电压接入三相三绕组变压器，其中三绕组变压器的副边一采用星形接法，副边二与原边采用三角形接法，将电压接入六相二极管整流桥后整流桥后，输出12脉波侧直流电压，纹波含量低；控制两组逆变桥输出相角差为15°角的两组三相对称电压。将后级的两组二极管整流桥串联连接，将中点引出接地，形成双极性的直流拓扑结构，极间便为24脉波的直流电压，前级的逆变亦可输出高频的交流电压，如输出两倍工频甚至更高频率的六相电压，其后级的直流纹波将会进一步的减小；后级的二极管整流桥各桥臂采用多组二极管串联的方式，极大的提高了整流桥高压侧的耐压值；利用中级的变压器进行升压，改变了以往直流斩波升压的思路，将直流升压的操作换到交流中进行，巧妙的解决了大功率直流变压困难的难题；低压直流源输出接π型CLC滤波装置，很好的滤除了灌入低压直流源的谐波电流。
附图说明
图1为光伏阵列直流汇集的连接示意图；
图2为本发明所述的大功率双极性直流升压装置拓扑图；
图3(a)和图3(b)为两组三相相逆变器输出电压矢量图；
图4(a)和图4(b)为两组三相三绕组变压器输出电压矢量图；
图5为电流闭环控制框图。
具体实施方式
图1为本发明在光伏发电并网中的一个具体应用。如图所示，光伏阵列可视为一个低压大电流的直流源，为实现其并网，先要将其电能汇入高压的直流母线。本发明为其电能的汇入提供了接口。
参见图2，本发明的前级逆变桥光伏阵列的直流电压逆变为两对相差为15°的对称三相交流电(如图3所示)。六相交流电频率与电压由逆变桥的控制回路调节。输出电压频率可控制在50Hz～500Hz。两组三相对称电压分别接入两个三相三绕组变压器，由前文分析可知，此时，两个三相三绕组变压器输出两组相差为15°的六相电压(如图4所示)。将这两组电压送入六相二极管整流桥整成12脉波的直流电压。其中二极管整流桥每个桥臂的二极管采用多组串联的方式，以提高耐压值。两个六相整流桥的串行连接，中点接地，形成双极性形式，这样两个整流桥的输出即为24脉波的直流电压，即为本发明的后级输出。输出的电压直接汇入高压的直流母线。高压直流汇集母线可吸收多组的直流升压变压器输出。
如图2所示，先将低压直流侧电压逆变为交流后通过变压器升压，最后整流为高压的直流。其中前级由两个三相逆变桥组成，且由控制器控制输出相差为15°角的两组三相对称电压；中间级为两个三相三绕组电压器，其中三绕组变压器的副边一采用星形接法，副边二与原边采用三角形接法。这时副边一与副边二的输出的电压相角差为30°。后级为六个桥臂的二极管不可控整流装置，变压器输出的两组电压分别送入两组六相二极管整流桥，单个整流桥输出12脉波的直流电压。将两组二极管整流桥串联连接，将中点引出接地，形成双极性的直流拓扑结构。每个整流桥的桥臂采用多个二极管串联，以提高耐压值。
参见图3(a)和图3(b)为两组三相相逆变器输出电压矢量图。其中图3(a)中的UA、UB、UC为上逆变桥输出电压矢量，图3(b)中的UD、UE、UF为下逆变桥输出电压矢量。两组电压矢量的相角互差15°。
参见图4(a)和图4(b)为两组三相三绕组变压器输出电压矢量图。其中图4(a)中的UA1、UB1、UC1为第一组三相三绕组变压器副边一输出的电压矢量，UA2、UB2、UC2为第一组三相三绕组变压器副边二输出的电压矢量；图4(b)中的UD1、UE1、UF1为第二组三相三绕组变压器副边一输出的电压矢量，UD2、UE2、UF2为第二组三相三绕组变压器副边一输出的电压矢量。四组电压矢量输出，通过二极管整流形成24脉波直流输出。
参见图5，为控制逆变桥的输出功率，本发明采样输出侧电流做PI调节，该方法包括以下步骤：
1)将给定功率输出P分别除以高压直流侧电压Uo1与Uo2得到上下两个逆变桥输出电流的指令值Iref1和Iref2；
2)采样高压直流侧输出电流Io1与Io2，进行低通滤波，后与输出电流的指令值Iref1和Iref2分别相减，误差送入PI控制调节；
3)将PI调节输出分别除以输入侧电压值Ui1与Ui2，后进行三相正弦变换，形成上下两个逆变桥总共6个桥臂的信号波；其中两组三相正弦变换的参考相位分别为0°和15°，分别对应于上逆变桥和下逆变桥。
4)信号波与载波比较后形成PWM信号控制IGBT的开关，输出期望的交流电压信号，经过二极管整流输出期望的直流电流。

Claims (2)

1.一种星角型整流式大功率直流升压变换器，其特征在于，包括上下两个前级π型CLC滤波装置、上下两个三相逆变桥、上下两个三相三绕组升压变压器以及上下两组六相二极管整流桥；所述上下两个三相逆变桥输出相差为15°角的两组三相对称电压；所述上下两个三相逆变桥分别接入上三相三绕组变压器和下三相三绕组升压变压器，两个三相三绕组变压器的第一副边与原边均采用星形接法，第二副边与原边均采用三角形接法；上下两组三相三绕组升压变压器的两组电压分别送入上下两组六相二极管整流桥；两组六相二极管整流桥串联连接，且串联中点引出接地。
2.一种权利要求1所述星角型整流式大功率直流升压变换器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将给定输出功率P分别除以高压直流侧电压Uo1与Uo2，得到上下两个三相逆变桥输出电流的指令值Iref1和Iref2；
2)采样高压直流侧输出电流Io1与Io2，进行低通滤波，然后将低通滤波后的输出电流对应与输出电流的指令值Iref1、Iref2相减，并将所得的两个误差送入PI控制器；
3)将PI控制器输出值分别除以输入侧电压值Ui1与Ui2，然后进行三相正弦变换，形成上下两个三相逆变桥总共6个桥臂的信号波；其中两组三相正弦变换的参考相位分别为0°和15°，分别对应于上三相逆变桥和下三相逆变桥；
4)将上述信号波与载波比较后形成PWM信号，控制上下两个三相逆变桥开关管的开通和关断，输出期望的交流电压信号，经过六相二极管整流桥整流输出期望的直流电流。
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