CN106998152B - 无需均压控制的电气隔离单向dc-dc变换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供无需均压控制的电气隔离单向DC‑DC变换器。该单向DC­‑DC变换器，由基于模块化多电平换流器（MMC）的DC‑AC变换器、二极管整流桥和交流变压器联合构建。模块化多电平换流器，能够箝位直流侧故障，也能利用其模块化的特性方便地实现该单向DC­‑DC变换器在高压大功率场合的应用；不可控整流桥用以完成AC‑DC的转换；变压器能保证变换器两侧间的电气隔离。无需均压控制的电气隔离单向DC‑DC变换器依靠内部配置的辅助电容、辅助IGBT模块、钳位二极管能够在单向DC­‑DC变换器实现直流电压转换的基础上，自发地均衡DC‑AC变换器中子模块的电容电压，而无需专门的均压控制。

Description

无需均压控制的电气隔离单向DC-DC变换器

技术领域

本发明涉及输配电技术领域，具体涉及一种无需均压控制的电气隔离单向DC-DC变换器。

技术背景

DC-DC变换器是直流电网的重要组成部分，基于模块化多电平换流器MMC的DC-DC变换器，由于MMC采用子模块级联的方式构造DC-AC变换器，适用于高压大功率场合，具有很高的应用前景。

MMC的直流侧电压并非由一个大电容支撑，而是由一系列相互独立的悬浮子模块电容串联支撑。也为了提高DC-DC变换器的转换效率，必须保证子模块电容电压在桥臂功率的周期性流动中处于动态稳定的状态。

基于电容电压排序的排序均压算法是目前解决MMC中子模块电容电压均衡问题的主流思路。首先，排序功能的实现必须依赖电容电压的毫秒级采样，需要大量的传感器以及光纤通道加以配合；其次，当子模块数目增加时，电容电压排序的运算量迅速增大，为控制器的硬件设计带来巨大挑战；此外，排序均压算法的实现对子模块的开断频率有很高的要求，开断频率与均压效果紧密相关，在实践过程中，可能因为均压效果的限制，不得不提高子模块的触发频率，进而带来换流器损耗的增加。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提出一种不依赖均压算法的单向DC-DC变换器。

本发明具体的构成方式如下。

无需均压控制的电气隔离单向DC-DC变换器，包括由模块化多电平换流器构成的DC-AC变换器；包括二极管整流桥；包括连接DC-AC变换器交流侧输出与二极管整流桥交流侧中点的交流变压器。

上述无需均压控制的电气隔离单向DC-DC变换器，DC-AC变换器中，第一个辅助电容正极连接辅助IGBT模块，负极连接箝位二极管并入直流母线正极；第二个辅助电容负极连接辅助IGBT模块，正极连接箝位二极管并入直流母线负极。除此之外DC-AC变换器中A相、B相由改造后的半桥子模块、单箝位子模块、全桥子模块与钳位二极管组合而成。

上述无需均压控制的电气隔离单向DC-DC变换器，其交流变压器连接DC-AC变换器与二极管整流桥的交流侧中点。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是A相中改造后的子模块结构示意图；

图2是B相中改造后的子模块结构示意图；

图3是无需均压控制的电气隔离单向DC-DC变换器。

具体实施方式

为进一步阐述本发明的性能与工作原理，一下结合附图对本发明的构成方式与工作原理进行具体说明。但基于该原理的单向DC-DC变换器不限于图3。

参考图3，无需均压控制的电气隔离单向DC-DC变换器，包括由模块化多电平换流器构成的DC-AC变换器；包括二极管整流桥；包括连接DC-AC变换器交流输出与二极管整流桥交流侧中点的交流变压器。

DC-AC变换器中，辅助电容C₁正极经节点N_{a_03}连接辅助IGBT模块T₁，负极经节点N_{b_03}连接箝位二极管并入直流母线正极；辅助电容C₂负极经节点N_{b_(2n+1)3}连接辅助IGBT模块T₂，正极经节点N_{a_(2n+1)3}连接箝位二极管并入直流母线负极，其中n为自然数。DC-AC变换器中A相、B相由改造后的半桥子模块、单箝位子模块、全桥子模块与钳位二极管组合而成，其中改造后的子模块均有三个端口。对于A相中第i个子模块SM_i，其中i的取值为1～2n，该子模块是半桥子模块时，端口N_{a_i1}连接子模块IGBT模块中点，端口N_{a_i2}连接子模块电容C_{a_i}负极，端口N_{a_i3}经机械开关连接子模块电容C_{a_i}正极；该子模块是单箝位子模块时，二极管连接子模块电容C_{a_i}正极，IGBT模块连接子模块电容C_{a_i}负极，同时端口N_{a_i1}连接子模块IGBT模块中点，端口N_{a_i2}连接二极管与IGBT模块联结点，端口N_{a_i3}经附加IGBT模块连接子模块电容C_{a_i}正极；该子模块是全桥子模块时，端口N_{a_i1}连接一个子模块IGBT模块中点，端口N_{a_i2}连接另一个IGBT模块中点，端口N_{a_i3}经附加IGBT模块连接子模块电容C_{a_i}正极。端口N_{a_i1}、N_{a_i2}经导线或桥臂电抗器连接到端口N_{a_(i-1)2}、N_{a_(i+1)1}，端口N_{a_i3}经钳位二极管连接到端口N_{a_(i-1)3}、N_{a_(i+1)3}。对于B相中第i个子模块SM_i，其中i的取值为1～2n，该子模块是半桥子模块时，端口N_{b_i1}连接子模块电容C_{b_i}正极，端口N_{b_i2}连接子模块IGBT模块中点，端口N_{b_i3}经机械开关连接子模块电容C_{b_i}负极；该子模块是单箝位子模块时，IGBT模块连接子模块电容C_{b_i}正极，二极管连接子模块电容C_{b_i}负极，同时端口N_{b_i1}连接IGBT模块与二极管联结点，端口N_{b_i2}连接子模块IGBT模块中点，端口N_{b_i3}经附加IGBT模块连接子模块电容C_{b_i}负极；该子模块是全桥子模块时，端口N_{b_i1}连接一个子模块IGBT模块中点，端口N_{b_i2}连接另一个IGBT模块中点，端口N_{b_i3}经附加IGBT模块连接子模块电容C_{b_i}负极。端口N_{b_i1}、N_{b_i2}经导线或桥臂电抗器连接到端口N_{b_(i-1)2}、N_{b_(i+1)1}，端口N_{b_i3}经钳位二极管连接到端口N_{b_(i-1)3}、N_{b_(i+1)3}。

正常情况下，改造后的子模块中机械开关与附加IGBT模块常闭，A相第一个子模块电容C_{a_1}旁路时，此时辅助IGBT模块T₁断开，子模块电容C_{a_1}与辅助电容C₁通过箝位二极管并联；A相第i个子模块电容C_{au_i}旁路时，其中i的取值为2～2n，子模块电容C_{a_i}与子模块电容C_{a_i-1}通过箝位二极管并联；辅助IGBT模块T₂闭合时，辅助电容C₂通过箝位二极管与子模块电容C_{a_2n}并联。

正常情况下，改造后的子模块中机械开关与附加IGBT模块常闭，辅助IGBT模块T₁闭合时，辅助电容C₁与B相第一个子模块子模块电容C_{b_1}通过箝位二极管并联；B相第i个子模块电容C_{b_i}旁路时，其中i的取值为1～2n-1，子模块电容C_{b_i}与子模块电容C_{b_i+1}通过箝位二极管并联；B相第2n个子模块电容C_{b_2n}旁路时，子模块电容C_{b_2n}与辅助电容C₂通过箝位二极管并联。其中辅助IGBT模块T₁的触发信号与A相第一个子模块的触发信号一致；辅助IGBT模块T₂的触发信号与B相第N个子模块的触发信号一致。

在直流电压转换的过程中，各个子模块交替投入、旁路，辅助IGBT模块T₁、T₂交替开关，A、B相子模块电容电压在箝位二极管的作用下，满足下列约束：

U_C1≥U_{Ca_1}≥U_{Ca_2}…≥U_{Ca_n}≥U_{Ca_n+1}…≥U_{Ca_2n}≥U_C2

U_C1≤U_{Cb_1}≤U_{Cb_2}…≤U_{Cb_n}≤U_{Cb_n+1}…≤U_{Cb_2n}≤U_C2

由此可知，该DC-DC变换器实现直流电压转换的过程中，DC-AC变换器中改造后的子模块电容电压满足下面的约束条件：

U_C1＝U_{Ca_1}…＝U_{Ca_n}…＝U_{Ca_2n}＝U_{Cb_1}…＝U_{Cb_n}…＝U_{Cb_2n}＝U_C2

由上述具体说明可知，该单向DC-DC变换器在实现直流电压转换的过程中，DC-AC变换器无需均压控制。

最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims (1)

1.无需均压控制的电气隔离单向DC-DC变换器，其特征在于：包括由模块化多电平换流器构成的DC-AC变换器；包括二极管整流桥，包括连接DC-AC变换器交流侧输出与二极管整流桥交流侧中点的交流变压器；其中，交流变压器连接DC-AC变换器交流侧输出与二极管整流桥的交流侧中点，DC-AC变换器中，辅助电容C₁正极经节点N_{a_03}连接辅助IGBT模块T₁集电极，负极经节点N_{b_03}连接箝位二极管D₁正极，随后三者构成的A、B相上桥臂跨接回路，通过T₁发射极及D₁负极并入直流母线正极；辅助电容C₂负极经节点N_{b_(2n+1)3}连接辅助IGBT模块T₂发射极，正极经节点N_{a_(2n+1)3}连接箝位二极管D₂负极，随后三者构成的A、B相下桥臂跨接回路，通过T₂集电极及D₂正极并入直流母线负极，其中n为自然数；DC-AC变换器中A相、B相由改造后的半桥子模块、单箝位子模块、全桥子模块与钳位二极管组合而成，其中改造后的桥臂子模块均有三个端口；对于A相中第i个桥臂子模块SM_i，其中i的取值为1～2n，该桥臂子模块为改造后的半桥子模块时，端口N_{a_i1}连接半桥子模块内两个IGBT模块的中点，端口N_{a_i2}连接子模块电容C_{a_i}负极，端口N_{a_i3}经机械开关连接子模块电容C_{a_i}正极；该桥臂子模块为改造后的单箝位子模块时，单箝位子模块内二极管连接子模块电容C_{a_i}正极，同时端口N_{a_i1}连接单箝位子模块内两个IGBT模块的中点，端口N_{a_i2}连接单箝位子模块内二极管与IGBT模块联结点，端口N_{a_i3}连接附加IGBT模块发射极并经附加IGBT模块集电极连接子模块电容C_{a_i}正极；该桥臂子模块为改造后的全桥子模块时，端口N_{a_i1}连接一组全桥子模块内两个IGBT模块的中点，端口N_{a_i2}连接另一组全桥子模块内两个IGBT模块的中点，端口N_{a_i3}连接附加IGBT模块发射极并经附加IGBT模块集电极连接子模块电容C_{a_i}正极；端口N_{a_(k+1)1}向上经导线或桥臂电抗器连接于端口N_{a_k2}，端口N_{a_(k+1)3}经连接钳位二极管正极并经钳位二极管负极向上连接到端口N_{a_k3}，其中k的取值为0～2n；对于B相中第i个桥臂子模块SM_i，其中i的取值为1～2n，该桥臂子模块为改造后的半桥子模块时，端口N_{b_i1}连接子模块电容C_{b_i}正极，端口N_{b_i2}连接半桥子模块内两个IGBT模块的中点，端口N_{b_i3}经机械开关连接子模块电容C_{b_i}负极；该桥臂子模块为改造后的单箝位子模块时，单箝位子模块内二极管连接子模块电容C_{b_i}负极，同时端口N_{b_i1}连接单箝位子模块内IGBT模块与二极管的联结点，端口N_{b_i2}连接单箝位子模块内两个IGBT模块的中点，端口N_{b_i3}连接附加IGBT模块发射极并经附加IGBT模块集电极连接子模块电容C_{b_i}负极；该桥臂子模块为改造后的全桥子模块时，端口N_{b_i1}连接一组全桥子模块内两个IGBT模块的中点，端口N_{b_i2}连接另一组全桥子模块内两个IGBT模块的中点，端口N_{b_i3}连接附加IGBT模块发射极并经附加IGBT模块集电极连接子模块电容C_{b_i}负极；端口N_{b_(k+1)1}向上经导线或桥臂电抗器连接于端口N_{b_k2}，端口N_{b_(k+1)3}经连接钳位二极管正极并经钳位二极管负极向上连接到端口N_{b_k3}，其中k的取值为0～2n。