CN106160463B - 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，该装置为单相、两相或两相以上结构，每相由基本功能模块组成，基本功能模块包括串联的器件级联结构和子模块级联结构；本发明提供的技术方案通过采用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
本发明涉及一种柔性直流输电领域的电压变换装置，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
柔性直流技术的迅猛发展使直流电网成为可能，直流电网技术无输电距离限制，不需无功补偿设备，有较强的灵活性和可控性，能为大型城市供电、海上风电接入等提供良好的解决手段，有着广阔的应用前景。
实际应用中，直流电网技术面临与交流电网类似的电压等级变换问题，而对于直流电压变换器的研究，世界范围内尚处于初步阶段。根据直流电网的特性，直流电压变换器的主要特点需求如下：
1、可实现宽范围的电压变比。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；
2、双向功率流动能力。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；
3、故障隔离能力。良好的直流变压器应满足在一侧发生直流故障情况下，不影响另一侧的运行，即具备故障隔离能力；
4、较低的投资、损耗和占地水平。良好的直流变压器应投资少，具备低损耗水平，同时相应的组件不宜过多导致占地过大。
针对DC-DC变换器已经有了很多的研究成果，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。
WO2014/056540 A1的“Modular Multilevel DC/DC converter for HVDCapplications”号专利披露了一种新型高压直流输电的DC-DC变压器拓扑结构，其中通过共用“面对面”拓扑中的双端子模块，有效减小了系统投入的子模块数量、损耗和占地，但必须采用变压器隔离电位。
WO2013/026477 A1的“Bidirectional Unisolated DC-DC converter based oncascaded cells”号专利公开了一种基于级联电池的双向隔离DC-DC变压器，其中披露的直接变换至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，需要投入额外的全桥子模块。
综上所述，传统的低压拓扑很难应用到高压领域，另一方面，基于模块化多电平技术的DC-DC变压器，以其良好的扩展性能得到大家的广泛关注，然而，最初提出的“面对面”型基于模块化多电平技术的直流变压器，通过交流变压器将两个AC/DC模块化多电平换流器进行连接进行电压变换，不但占地大，而且造价高、损耗大，难以进行大范围推广。
发明内容
为解决上述现有技术中的不足，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，本发明提供的技术方案通过采用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。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
本发明提供一种直流电压变换装置，所述装置为单相、两相或两相以上结构，每相由基本功能模块组成，其改进之处在于，所述基本功能模块包括串联的器件级联结构和子模块级联结构。
进一步地，所述基本功能模块包括呈星形连接的两组器件级联结构S1和S4以及子模块级联结构；所述子模块级联结构的一端分别与器件级联结构S1的一端和器件级联结构S4的一端连接；所述器件级联结构S1的另一端连接至低压端子，所述器件级联结构S4的另一端连接至接地点；所述子模块级联结构的另一端连接至高压端子。
进一步地，所述基本功能模块包括呈星形连接的两组器件级联结构S1和S4以及子模块级联结构；所述子模块级联结构的一端分别与器件级联结构S1的一端和器件级联结构S4的一端连接；所述器件级联结构S1的另一端连接至高压端子，所述器件级联结构S4的另一端连接至低压端子；所述子模块级联结构的另一端连接至接地点。
进一步地，所述基本功能模块包括四组器件级联结构S1、S4’、S1’和S4以及子模块级联结构；所述器件级联结构S1和S4’连接于高压端子与低压端子之间，另两组器件级联结构S1’和S4连接于低压端子与接地点之间；所述子模块级联结构一端连接至器件级联结构S1与S4’之间的连接点，另外一端连接至器件级联结构S1’与S4之间连接点。
进一步地，所述器件级联结构由多个电力电子器件串联组成，所述电力电子器件包括全控型器件(如IGBT，GTO等)及其反并联二极管、半控型器件(如晶闸管等)或者二极管。
进一步地，所述子模块级联结构由多个半桥子模块级联结构与电抗器串联组成、全桥子模块级联结构与电抗器串联组成或全桥子模块级联结构与半桥子模块级联结构混合组成，所述半桥子模块由全控型器件串联后与电容器并联组成；所述全桥子模块由H桥与电容器并联组成；所述H桥的每个桥臂由全控型器件(如IGBT，GTO等)组成；每个全控型器件均反并联二极管。
进一步地，所述装置包括至少两个基本功能模块时，形成两相结构或两相以上结构，即变换单元，所述变换单元的工作频率为基频或高频。
进一步地，在所述器件级联结构开通或关断时，调整子模块级联结构的投入数量，实现器件级联结构的软开关功能。
本发明还提供一种直流电压变换装置的桥臂控制方法，所述直流电压变换装置中的基本功能模块通过桥臂控制实现电压变换；其改进之处在于，所述方法依据基本功能模块的连接方式不同包括下述实现方式：
1)所述基本功能模块包括呈星形连接的两组器件级联结构S1和S4以及子模块级联结构；所述子模块级联结构的一端分别与器件级联结构S1的一端和器件级联结构S4的一端连接；所述器件级联结构S1的另一端连接至低压端子，所述器件级联结构S4的另一端连接至接地点；所述子模块级联结构的另一端连接至高压端子；当所述器件级联结构S1导通时，器件级联结构S4关断，低压端子正极电流通过器件级联结构S1进入子模块级联结构，所述子模块级联结构输出的电压为高压端电压减低压端电压，用于补偿高压端和低压端的电压差；当器件级联结构S4导通时，器件级联结构S1关断，低压端和高压端的电流差通过器件级联结构S4注入子模块级联结构，子模块级联结构输出的电压为高压端电压，用于补偿高压端对地电压差；
2)基本功能模块包括呈星形连接的两组器件级联结构S1和S4以及子模块级联结构；所述子模块级联结构的一端分别与器件级联结构S1的一端和器件级联结构S4的一端连接；所述器件级联结构S1的另一端连接至高压端子，所述器件级联结构S4的另一端连接至低压端子；所述子模块级联结构的另一端连接至接地点；当所述器件级联结构S1导通时，所述器件级联结构S4关断，高压端正极电流通过器件级联结构S1进入子模块级联结构，所述子模块级联结构输出的电压为高压端电压，用于补偿高压端对地电压差；当所述器件级联结构S4导通时，所述器件级联结构S1关断，低压端电流通过器件级联结构S4注入子模块级联结构，所述子模块级联结构输出的电压为低压端电压，用于补偿低压侧对地电压差；
3)所述基本功能模块包括呈星形连接的四组器件级联结构S1、S4’、S1’和S4以及子模块级联结构；所述器件级联结构S1和S4’连接于高压端子与低压端子之间，另两组器件级联结构S1’和S4连接于低压端子与接地点之间；所述子模块级联结构一端连接至器件级联结构S1与S4’之间的连接点，另外一端连接至器件级联结构S1’与S4之间连接点；当所述器件级联结构S1和S1’导通时，所述器件级联结构S4和S4’关断，高压端正极电流通过器件级联结构S1和S1’进入子模块级联结构，所示子模块级联结构输出的电压为高压端电压减低压端电压，用于补偿高压端和低压端的电压差；当所述器件级联结构S4和S4’导通时，所述器件级联结构S1和S1’关断，低压端和高压端的电流差通过所述器件级联结构S4和S4’注入子模块级联结构，所述子模块级联结构输出的电压为低压端电压，用于补偿低压端对地电压差。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有的优异效果是：
1、本发明提供的技术方案可实现宽范围的电压变比。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；
2、具备双向功率流动能力。由于直流电网功率调控的灵活性需求，直流电压变换器需要具备双向功率调节能力；
3、具有好的故障隔离能力。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；
4、低的投资、损耗和占地水平。良好的直流变压器应投资少，具备低损耗水平，同时相应的组件不宜过多导致占地过大。
为了上述以及相关的目的，一个或多个实施例包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明某些示例性方面，并且其指示的仅仅是各个实施例的原则可以利用的各种方式中的一些方式。其它的益处和新颖性特征将随着下面的详细说明结合附图考虑而变得明显，所公开的实施例是要包括所有这些方面以及它们的等同。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明提供的半桥或全桥子模块结构图，其中(a)为半桥子模块结构；(b)为全桥子模块结构；
图2是本发明提供的基本功能模块结构图，其中(a)为基本功能模块结构图一；(b)为基本功能模块结构图二；(c)为基本功能模块结构图三；
图3是本发明提供的三相变换单元结构图，其中(a)为三相变换单元结构图一；(b)为三相变换单元结构图二；(c)为三相变换单元结构图三。
具体实施方式
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。
以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。
本发明提供一种直流电压变换装置，所述装置为单相或者多相结构，每相由基本功能模块组成，所述基本功能模块包括串联的器件级联结构和子模块级联结构；主要有三种实现形式：
如图2(a)所示，所述基本功能模块包括呈星形连接的两组器件级联结构S1和S4以及子模块级联结构；所述子模块级联结构的一端分别与器件级联结构S1的一端和器件级联结构S4的一端连接；所述器件级联结构S1的另一端连接至低压端子(VL)，所述器件级联结构S4的另一端连接至接地点；所述子模块级联结构的另一端连接至高压端子(VH)。
如图2(b)所示，所述基本功能模块包括呈星形连接的两组器件级联结构S1和S4以及子模块级联结构；所述子模块级联结构的一端分别与器件级联结构S1的一端和器件级联结构S4的一端连接；所述器件级联结构S1的另一端连接至高压端子(VH)，所述器件级联结构S4的另一端连接至低压端子(VL)；所述子模块级联结构的另一端连接至接地点。
如图2(c)所示，所述基本功能模块包括呈星形连接的四组器件级联结构S1、S4’、S1’和S4以及子模块级联结构；所述器件级联结构S1和S4’连接于高压端子(VH)与低压端子(VL)之间，另两组器件级联结构S1’和S4连接于低压端子(VL)与接地点之间；所述子模块级联结构一端连接至器件级联结构S1与S4’之间的连接点，另外一端连接至器件级联结构S1’与S4之间连接点。
器件级联结构由多个电力电子器件串联组成，所述电力电子器件包括全控型器件(如IGBT，GTO等)及其反并联二极管、半控型器件(如晶闸管等)或者二极管。
子模块级联结构由多个半桥子模块级联结构与电抗器串联组成或全桥子模块级联结构与电抗器串联组成，所述半桥子模块由全控型器件串联支路与电容器并联组成；所述全桥子模块由H桥与电容器并联组成；所述H桥的每个桥臂由全控型器件组成；每个全控型器件(如IGBT，GTO等)均反并联二极管，半桥或全桥子模块结构图如图1(a)和(b)所示。
基本功能模块可以拓展至两相结构，或者增加相数至三相甚至更多相，三相变换单元结构图如图3(a)、(b)和(c)所示，从而形成变换单元，变换单元又可以形成并联或者双极结构。同时，变换单元的工作频率不限于基频，还可以是高频运行。
本发明的直流变换装置拓扑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刻，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。
本发明还提供一种直流电压变换装置的桥臂控制方法，所述直流电压变换装置中的基本功能模块通过桥臂控制实现电压变换；包括：
1、对于图2(a)给出的基本功能模块结构，当所述器件级联结构S1导通时，器件级联结构S4关断，低压端子正极电流通过器件级联结构S1进入子模块级联结构，所述子模块级联结构输出的电压为高压端电压减低压端电压，用于补偿高压端和低压端的电压差；当器件级联结构S4导通时，器件级联结构S1关断，低压端和高压端的电流差通过器件级联结构S4注入子模块级联结构，子模块级联结构输出的电压为负的高压端电压，用于补偿高压端对地电压差。
2、对于图2(b)给出的基本功能模块结构，当所述器件级联结构S1导通时，所述器件级联结构S4关断，高压端正极电流通过器件级联结构S1进入子模块级联结构，所述子模块级联结构输出的电压为高压端电压，用于补偿高压端对地电压差；当所述器件级联结构S4导通时，所述器件级联结构S1关断，低压端电流通过器件级联结构S4注入子模块级联结构，所述子模块级联结构输出的电压为低压端电压，用于补偿低压侧对地电压差。
3、对于图2(c)给出的基本功能模块结构，当所述器件级联结构S1和S1’导通时，所述器件级联结构S4和S4’关断，高压端正极电流通过器件级联结构S1和S1’进入子模块级联结构，所示子模块级联结构输出的电压为高压端电压减低压端电压，用于补偿高压端和低压端的电压差；当所述器件级联结构S4和S4’导通时，所述器件级联结构S1和S1’关断，低压端和高压端的电流差通过所述器件级联结构S4和S4’注入子模块级联结构，所述子模块级联结构输出的电压为低压端电压，用于补偿低压端对地电压差。
本发明提供的直流电压变换装置仅采用器件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；两端直流侧电压电流质量高，不需要其他滤波器；功率双向流动，同时变比范围宽。
在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本发明处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本发明单独的优选实施方案。
本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个系统所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。
上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然，为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的，但是本领域普通技术人员应该认识到，各个实施例可以做进一步的组合和排列。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括，”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。此外，使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。
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，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种直流电压变换装置，所述装置为单相、两相或两相以上结构，每相由基本功能模块组成，其特征在于，所述基本功能模块包括串联的电力电子开关器件级联结构和子模块级联结构；
所述基本功能模块包括呈星形连接的两组电力电子开关器件级联结构S1和S4以及子模块级联结构；所述子模块级联结构的一端分别与电力电子开关器件级联结构S1的一端和电力电子开关器件级联结构S4的一端连接；所述电力电子开关器件级联结构S1的另一端连接至高压端子，所述电力电子开关器件级联结构S4的另一端连接至低压端子；所述子模块级联结构的另一端连接至接地点；或者
所述基本功能模块包括四组电力电子开关器件级联结构S1、S4’、S1’和S4以及子模块级联结构；所述电力电子开关器件级联结构S1和S4’连接于直流高压端子与直流低压端子之间，另两组电力电子开关器件级联结构S1’和S4连接于直流低压端子与接地点之间；所述子模块级联结构一端连接至电力电子开关器件级联结构S1与S4’之间的连接点，另外一端连接至电力电子开关器件级联结构S1’与S4之间连接点。
2.如权利要求1所述的直流电压变换装置，其特征在于，所述器件级联结构由电力电子开关器件串联组成，所述电力电子开关器件包括全控型器件及其反并联二极管、半控型器件或者二极管。
3.如权利要求1所述的直流电压变换装置，其特征在于，所述子模块级联结构由半桥子模块级联结构与电抗器串联组成、全桥子模块级联结构与电抗器串联组成或全桥子模块级联结构与半桥子模块级联结构混合组成，所述半桥子模块由全控型器件串联后与电容器并联组成；所述全桥子模块由H桥与电容器并联组成；所述H桥的每个桥臂由全控型器件组成；每个全控型器件均反并联二极管。
4.如权利要求1所述的直流电压变换装置，其特征在于，所述装置包括至少两个基本功能模块时，形成两相结构或两相以上结构，即变换单元，所述变换单元的工作频率为基频或高频。
5.如权利要求1所述的直流电压变换装置，其特征在于，在所述器件级联结构开通或关断时，调整子模块级联结构的投入数量，实现器件级联结构的软开关功能。
6.一种如权利要求1-5中任一项所述的直流电压变换装置的桥臂控制方法，所述直流电压变换装置中的基本功能模块通过桥臂控制实现电压变换；其特征在于，所述方法包括：
当基本功能模块包括呈星形连接的两组器件级联结构S1和S4以及子模块级联结构时；所述子模块级联结构的一端分别与器件级联结构S1的一端和器件级联结构S4的一端连接；所述器件级联结构S1的另一端连接至高压端子，所述器件级联结构S4的另一端连接至低压端子；所述子模块级联结构的另一端连接至接地点；当所述器件级联结构S1导通时，所述器件级联结构S4关断，高压端正极电流通过器件级联结构S1进入子模块级联结构，所述子模块级联结构输出的电压为高压端电压，用于补偿高压端对地电压差；当所述器件级联结构S4导通时，所述器件级联结构S1关断，低压端电流通过器件级联结构S4注入子模块级联结构，所述子模块级联结构输出的电压为低压端电压，用于补偿低压侧对地电压差；或者
当所述基本功能模块包括呈星形连接的四组器件级联结构S1、S4’、S1’和S4以及子模块级联结构时；所述器件级联结构S1和S4’连接于高压端子与低压端子之间，另两组器件级联结构S1’和S4连接于低压端子与接地点之间；所述子模块级联结构一端连接至器件级联结构S1与S4’之间的连接点，另外一端连接至器件级联结构S1’与S4之间连接点；当所述器件级联结构S1和S1’导通时，所述器件级联结构S4和S4’关断，高压端正极电流通过器件级联结构S1和S1’进入子模块级联结构，所示子模块级联结构输出的电压为高压端电压减低压端电压，用于补偿高压端和低压端的电压差；当所述器件级联结构S4和S4’导通时，所述器件级联结构S1和S1’关断，低压端和高压端的电流差通过所述器件级联结构S4和S4’注入子模块级联结构，所述子模块级联结构输出的电压为低压端电压，用于补偿低压端对地电压差。
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