CN105978342A - 模块化并联组合式全桥直流变换器 - Google Patents

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刘计龙
范学鑫
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Abstract

本发明提供了一种模块化并联组合式全桥直流变换器，其特征在于：它包括多个逆变模块和与逆变模块一一对应的多个整流滤波模块；多个逆变模块的输入端分别电连接于输入母线；多个逆变模块的输出端分别连接于变压器的原边；多个整流滤波模块的输入端分别连接于变压器的副边；多个整流滤波模块的输出端分别连接于输出母线。本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种模块化并联组合式全桥直流变换器，实现直流变换器的模块化设计和容量的灵活扩展，提高了装置的供电可靠性和冗余性。

Description

模块化并联组合式全桥直流变换器
技术领域
本发明属于电力电子电能变换技术，具体涉及一种模块化并联组合式全桥直流变换器。
背景技术
大容量直流变换装置广泛应用于舰船综合电力、高速电气铁路、城市轨道交通和交直流混合微网等领域。受到现有全控型电力电子器件功率等级的限制，大容量直流变换器在系统容量扩展方面面临一定的发展瓶颈。为了突破开关管功率等级对装置容量的限制，一种常用的方法是将多个开关管并联使用，使多个开关管平均分担电流。在确定系统功率等级的情况下，通过运用并联扩容技术，可以降低对电力电子器件功率等级的要求。
可靠性和冗余性对变换器是十分重要的特性，尤其是在军事应用中，可靠性和冗余性直接影响了设备的战斗力和生命力。开关管并联扩容方案中，单个开关管故障后系统不易实现对故障的快速切除与隔离，因为并联的一组开关管在变换器起到不可替代的作用，不可能对并联的一组开关管全部切除。单个开关管故障可能影响整个系统的安全可靠运行。
在开关管并联扩容方案中，随着开关管并联数目增多，控制器需要有许多路驱动信号或者需要为每一组并联的开关管选配多路驱动器。随着驱动线路的增多，装备的故障率会相应提高，装备的维护难度会增加、维护周期会增加。如果要改变装备的容量，系统的控制器和驱动线路就需要重新设计，装备的灵活性和可扩展性受到影响。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种模块化并联组合式全桥直流变换器，实现直流变换器的模块化设计和容量的灵活扩展，提高了装置的供电可靠性和冗余性。
本发明提供了一种模块化并联组合式全桥直流变换器，其特征在于：它包括多个逆变模块和与逆变模块一一对应的多个整流滤波模块；多个逆变模块的输入端分别电连接于输入母线；多个逆变模块的输出端分别连接于变压器的原边；多个整流滤波模块的输入端分别连接于变压器的副边；多个整流滤波模块的输出端分别连接于输出母线。
本发明还包括中央控制器；每个逆变模块与其对应的整流滤波配合配合形成一组变换单元，每个变换单元电连接有一个底层控制器；底层控制器与中央控制器通过通信光纤电连接；中央控制器和多个底层控制器之间通过高速环形通信网络进行信息交互；各个底层控制器采集本组变换单元中逆变模块和整流滤波模块的电压、电流和温度，并将其通过通信光纤上传给中央控制器，中央控制器完成闭环控制算法并将计算结果通过通信光纤分发给各个底层控制器。
所述变压器的原边连接于原边中间交流母线；多个逆变模块的输出端分别连接于原边中间交流母线；变压器的副边连接于副边中间交流母线；多个整流滤波模块的输入端分别连接于副边中间交流母线。
所述变压器包括多相且与多个逆变模块和整流滤波模块一一对应；每个逆变模块的输入端分别连接于其对应的变压器原边；每个整流滤波模块的输出端分别连接于其对应的变压器副边。
所述中央控制器包括一个电压外环控制器和一个电流内环控制器；电压外环控制器的反馈量是所有整流滤波模块输出电压的平均值，电流内环控制器的反馈量是所有整流滤波模块电感电流之和。
所述中央控制器包括一个电压外环控制器和多个分别与变换单元一一对应的电流内环控制器；电压外环控制器的反馈量是所有整流滤波模块输出电压的平均值，电压外环控制器的输出值作为内环电流给定值平均分配到每个电流内环控制器上；每个电流内环控制器的反馈量是其对应的整流滤波模块电感电流。
所述逆变模块采用两电平H桥逆变模块或三电平H桥逆变模块。
本发明采用模块化并联组合方式灵活扩展装置的容量，提高大容量直流变换器的模块化程度与标准化水平，缩短装置的设计周期，降低装置的设计成本。降低装置的维护难度，提高装置的可靠性。逆变模块和整流滤波模块都是集成的变换模块，多种传感器集成在模块内部，模块的集成化程度和可靠性高，各个模块具有统一的机械接口与电气接口，机械上可以实现快速组装，电气上可以实现快速连接。本发明的变压器既可以采用单相高频隔离变压器，也可以采用N相高频隔离变压器，从总体上降低装置的体积，提高装置功率密度，提高隔离变压器设计的灵活性。本发明采用分布式控制技术，相较于传统的集中式控制技术，提高了系统的灵活性，可以快速构建不同功率等级的装置，每次系统扩容时不需要重新设计控制器，只需要增加并联节点的个数即可，通过组装标准模块可以快速提高系统功率等级。本发明采用共同移相角控制策略，可以将多个子模块作为一个整体来控制，提高装置的整体动态性能，简化了控制策略。同时单个电压外环、多个电流内环的分立移相角控制技术既可以提高装置的整体动态性能，还可以独立控制每个子模块承担的电流，实现装置内部的负载电流均衡分布。
附图说明
图1基于高速环网通信的分布式控制器结构图
图2是采用单相隔离变压器的模块化并联组合式全桥直流变换器
图3是采用N相隔离变压器的模块化并联组合式全桥直流变换器
图4是两电平H桥基本逆变模块主电路结构
图5是三电平H桥基本逆变模块主电路结构
图6基本整流滤波模块模块主电路结构
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
本发明提供了一种模块化并联组合式全桥直流变换器，其特征在于：它包括多个逆变模块和与逆变模块一一对应的多个整流滤波模块。逆变模块主电路包括：防反二极管、输入滤波电容、两电平或三电平电平H桥、输出限流电感等。整流滤波模块主电路包括：二极管整流桥、输出滤波电感、输出滤波电容等。多个逆变模块的输入端分别电连接于输入母线；多个逆变模块的输出端分别连接于变压器的原边；多个整流滤波模块的输入端分别连接于变压器的副边；多个整流滤波模块的输出端分别连接于输出母线。本发明中的组合式全桥直流变换器不通过开关管并联来扩展系统容量，而是通过扩展并联的逆变模块数量和并联的整流模块数量来扩展系统容量。
本发明还包括中央控制器；本发明的控制系统采用分布式控制结构，如图1所示。每个逆变模块与其对应的整流滤波配合配合形成一组变换单元，各个变换单元具有统一的机械接口与电气接口，机械上可以实现快速组装，电气上可以实现快速连接。通过这种技术解决了并联组网系统扩容繁琐的问题，在系统需要扩充功率等级时只需增加并联变换单元的个数即可实现，智能构建不同功率等级，不同复杂程度的低成本、高性能、高可靠性的电能变换装置。每个逆变模块中集成了电压、电流、温度传感器和开关管驱动电路，每个整流滤波模块中集成了电压、电流、温度传感器。
每个变换单元电连接有一个底层控制器；底层控制器可以发出驱动脉冲驱动逆变模块中的开关管，同时可以采样逆变模块和整流滤波模块的电压、电流和温度信号。底层控制器集成有高速环网通信接口并通过其与中央控制器实现通信光纤电连接。中央控制器和多个底层控制器之间通过高速环形通信网络进行信息交互。中央控制器具有高速环网通信接口。中央控制器定时从底层控制器中收集变换器的状态信息，并按照预先设定的控制规律计算变换器的控制输入量。每一组逆变模块和整流滤波模块配备的底层控制器具有高速环网通信接口，中央控制器和底层控制器通信接口依次连接构成一个环形通信网络。中央控制器作为环形网络中的主节点，完成对整个网络的调度与控制；底层控制器是环形网络中的子节点，服从主节点的调度与控制。中央控制器通过环形网络收集底层控制器的信息，并通过环形网络将控制量和控制指令发送给底层控制器。在每个开关周期，各个底层控制器采集本组变换单元中逆变模块和整流滤波模块的电压、电流和温度等数据，并将其通过光纤环网上传给中央控制器，中央控制器完成闭环控制算法并将计算结果通过光纤环网通分发给各个底层控制器。不论是采用共同移相角控制策略，还是采用单电压外环、多电流内环的分立移相角控制策略，这种分布式控制结构都能适用。
如图2所示，所述变压器的原边连接于原边中间交流母线；多个逆变模块的输出端分别连接于原边中间交流母线；变压器的副边连接于副边中间交流母线；多个整流滤波模块的输入端分别连接于副边中间交流母线。N个逆变模块并联后与单相隔离变压器连接，N个逆变模块共用一台高频隔离变压器。N个整流滤波模块并联后与隔离变压器的副边连接。逆变模块和整流滤波模块都设计成标准模块，逆变模块内部集成了电压、电流和温度传感器，集成了开关管的驱动与保护电路。整流滤波模块内部集成了电压、电流和温度传感器.一个逆变模块和一个整流滤波模块组成一个变换单元，每一个变换单元配置一个底层控制器，底层控制器完成对应的变换单元的采样、驱动与保护功能。在系统需要扩充容量时，只需要成对地增加逆变模块和整流滤波模块的数量即可，缩短了设计周期、降低了设计成本。
采用N相隔离变压器的模块化并联组合式全桥直流变换器如图3所示，所述变压器包括多相且与多个逆变模块和整流滤波模块一一对应；每个逆变模块的输入端分别连接于其对应的变压器原边；每个整流滤波模块的输出端分别连接于其对应的变压器副边。采用N相隔离变压器可以取消中间公共交流母线，N个逆变模块分别连接到隔离变压器的原边每一相，N个整流滤波模块分别连接到隔离变压器的副边每一相。采用N相隔离变压器使逆变模块的输出端不用连接在一起，各个逆变模块可以采用独立的移相角控制。
无论变换器采用单相隔离变压器或者采用N相隔离变压器，装置都可以采用共同移相角控制技术。所述中央控制器包括一个电压外环控制器和一个电流内环控制器；电压外环控制器的反馈量是所有整流滤波模块输出电压的平均值，电流内环控制器的反馈量是所有整流滤波模块电感电流之和。中央控制器将模块化并联的子模块作为一个系统整体来看待，中央控制器将采集的所有整流滤波模块输出电流值相加作为总的输出电流反馈，将采集的输出电压信号平均值作为总的输出电压反馈。电压外环控制器和电流内环控制器根据总电流反馈和总电压反馈计算控制输入量。电流内环控制器的输出作为整个装置所有逆变模块的共同移相角。
对于变换器采用N相隔离变压器时，装置可以采用单个电压外环、多个电流内环的分立移相角控制技术。所述中央控制器包括一个电压外环控制器和多个分别与变换单元一一对应的电流内环控制器；电压外环控制器的反馈量是所有整流滤波模块输出电压的平均值，电压外环控制器的输出值作为内环电流给定值平均分配到每个电流内环控制器上；每个电流内环控制器的反馈量是其对应的整流滤波模块电感电流。在中央控制器中为每一组逆变模块和整流滤波模块配置一个电流内环控制器，装置整体使用一个电压外环控制器。电压外环控制器的输出作为电流内环的给定，将电流给定平均分配到每一个电流内环控制器上，每一个整流滤波模块的输出电流作为本模块所对应的电流内环控制器的电流反馈。单个电压外环、多个电流内环的分立移相角控制技术可以实现子模块均分负载电流。
所述逆变模块采用两电平H桥逆变模块或三电平H桥逆变模块。两电平H桥基本逆变模块主电路结构如图4所示，两电平H桥逆变模块开关管数目较少，电路结构简单。两电平H桥逆变模块可以作为一种逆变模块参与模块化并联组合，可以采用移相控制策略控制逆变模块输出电压。H桥逆变模块内部还集成有电压、电流和温度传感器。
三电平H桥基本逆变模块主电路结构如图5所示，三电平H桥逆变模块采用二极管箝位型结构，可以应用在电压较高的条件下。三电平H桥逆变模块可以作为一种逆变模块参与模块化并联组合，可以采用移相控制策略控制逆变模块输出电压。H桥逆变模块内部还集成有电压、电流和温度传感器。
基本整流滤波模块模块主电路结构如图6所示。整流滤波模块采用二极管不控整流，采用LC滤波电路。整流滤波模块内部集成有电压、电流和温度传感器，底层控制器可以直接采集其所对应的整流滤波模块内部的状态信息。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种模块化并联组合式全桥直流变换器，其特征在于：它包括多个逆变模块和与逆变模块一一对应的多个整流滤波模块；多个逆变模块的输入端分别电连接于输入母线；多个逆变模块的输出端分别连接于变压器的原边；多个整流滤波模块的输入端分别连接于变压器的副边；多个整流滤波模块的输出端分别连接于输出母线。
2.根据权利要求1所述的模块化并联组合式全桥直流变换器，其特征在于还包括中央控制器；每个逆变模块与其对应的整流滤波配合配合形成一组变换单元，每个变换单元电连接有一个底层控制器；底层控制器与中央控制器通过通信光纤电连接；中央控制器和多个底层控制器之间通过高速环形通信网络进行信息交互；各个底层控制器采集本组变换单元中逆变模块和整流滤波模块的电压、电流和温度，并将其通过通信光纤上传给中央控制器，中央控制器完成闭环控制算法并将计算结果通过通信光纤分发给各个底层控制器。
3.根据权利要求2所述的模块化并联组合式全桥直流变换器，其特征在于变压器的原边连接于原边中间交流母线；多个逆变模块的输出端分别连接于原边中间交流母线；变压器的副边连接于副边中间交流母线；多个整流滤波模块的输入端分别连接于副边中间交流母线。
4.根据权利要求2所述的模块化并联组合式全桥直流变换器，其特征在于所述变压器包括多相且与多个逆变模块和整流滤波模块一一对应；每个逆变模块的输入端分别连接于其对应的变压器原边；每个整流滤波模块的输出端分别连接于其对应的变压器副边。
5.根据权利要求2所述的模块化并联组合式全桥直流变换器，其特征在于中央控制器包括一个电压外环控制器和一个电流内环控制器；电压外环控制器的反馈量是所有整流滤波模块输出电压的平均值，电流内环控制器的反馈量是所有整流滤波模块电感电流之和。
6.根据权利要求4所述的模块化并联组合式全桥直流变换器，其特征在于中央控制器包括一个电压外环控制器和多个分别与变换单元一一对应的电流内环控制器；电压外环控制器的反馈量是所有整流滤波模块输出电压的平均值，电压外环控制器的输出值作为内环电流给定值平均分配到每个电流内环控制器上；每个电流内环控制器的反馈量是其对应的整流滤波模块电感电流。
7.根据权利要求1所述的模块化并联组合式全桥直流变换器，其特征在于逆变模块采用两电平H桥逆变模块或三电平H桥逆变模块。
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