CN107370365A - 高压直流输电dc‑dc变换器及采用该变换器实现电压充放电的方法 - Google Patents

高压直流输电dc‑dc变换器及采用该变换器实现电压充放电的方法 Download PDF

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Abstract

高压直流输电DC‑DC变换器及采用该变换器实现电压充放电的方法，涉及电力电子和高压直流输电领域。本发明是为了解决现有的高压DC/DC变换器存在元件器数目过于庞大，导致变换器成本器件损耗发热严重的问题。一号低压侧电能模块和一号高压侧电能模块串联在低压侧输入端与高压侧输出端之间，电感L1与多个子模块串联，串联电感的多个子模块、一号低压侧电能模块和一号高压侧电能模块按星型连接构成；本申请与传统两个半桥子模块串联的结构相比，可节省一个全控型器件，并且降低一半损耗；该变换器无需交流变压器，具有成本低、损耗小、占地少的特点。适用于高压直流输电系统中不同电压等级直流电网的连接。

Description

高压直流输电DC-DC变换器及采用该变换器实现电压充放电 的方法
技术领域
本发明涉及高压直流输电DC-DC变换器，属于电力电子领域。
背景技术
近年来随着柔性直流输电技术的迅猛发展，多个国家已陆续开始规划将多条直流输电线路构成直流电网，以更好地实现可再生能源的大规模消纳。但目前制约直流电网发展的一个关键问题是缺乏有效的高压大容量DC/DC变换装置，无法实现不同电压等级直流输电线路的互联。尽管目前存在有一系列低压DC/DC变换器拓扑，但这些拓扑由于损耗、成本以及器件耐压等参数的限制而无法拓展到高压大容量应用当中。
针对高电压大容量DC/DC电能变换，顾先明等人的《一种应用与高压直流输电的新型DC-AC-DC换流器》(见公开号：CN204145305U)，高阳等人的《一种新型DC/DC变换器》(见公开号CN106533162A)分别提出了高压DC/DC变换器拓扑，然而这些变换器存在的主要问题是元件器数目过于庞大，导致变换器成本高昂、器件损耗发热严重，从而制约了其在直流输电系统中的工程应用。
发明内容
本发明是为了解决现有的高压DC/DC变换器存在元件器数目过于庞大，导致变换器成本器件损耗发热严重的问题。现提供高压直流输电DC-DC变换器及采用该变换器实现电压充放电的方法。
高压直流输电DC-DC变换器，它包括一号低压侧电能模块1、一号高压侧电能模块2、电感L1和一号充放电模块3，所述一号充放电模块3由多个子模块串联构成，
一号低压侧电能模块1和一号高压侧电能模块2结构相同，一号低压侧电能模块1和一号高压侧电能模块2串联在低压侧输入端与高压侧输出端之间，
电感L1的一端连接一号低压侧电能模块1和一号高压侧电能模块2串联的公共节点，电感L1的另一端连接一号充放电模块3的一端，一号充放电模块3的另一端连接低压侧与高压侧的公共端，
多个子模块结构相同，每个子模块均包括三个全控型器件、电容C1和电容C2，
三个全控型器件串联，电容C1的两端分别连接第一个全控型器件的始端和第二个全控型器件的末端，电容C2的两端分别连接第二个全控型器件的始端和第三个全控型器件的末端。
根据高压直流输电DC-DC变换器实现电压充放电的方法，所述方法包括：
监测一号充放电模块3中的各个子模块的电容电压值，并进行排序；当DC-DC变换器工作在电容充电模式时，将各个子模块的电容电压求和后与给定电压UC *比较，其差值送入比例积分调节器，比例积分调节器的输出作为充电电流的参考值，再与检测到的实际充电电流比较，其差值经比例积分调节器得到电压控制信号，经PWM调制得到多个子模块驱动指令，驱动电容电压偏低的子模块进行充电；
当DC-DC变换器工作在电容放电模式时，将给定高压侧电流与检测到的放电电流比较，其差值经比例积分调节器得到电流控制信号，经PWM调制得到多个子模块驱动指令，驱动电容电压偏高的子模块进行放电。
本发明的有益效果为：
本申请采用一种新的子模块结构，包括三个全控型器件、电容C1和电容C2，与图4中传统的两个半桥子模块相比，可节省一个全控型器件，并且损耗降低了一半。该变换器无需交流变压器，具有成本低、损耗小、占地少的特点，适用于高压直流输电系统中不同电压等级直流电网的连接。
为了提高电流波形质量，本申请还可以采用两个DC-DC变换器交错并联的结构，如图6所示。
本申请的新型高压直流输电DC-DC变换器还可以衍生出几种其他的拓扑，如图7、图8和图9所示，以实现能量双向变换或直流短路保护。
附图说明
图1为具体实施方式一所述的一种新型高压直流输电DC-DC变换器的原理示意图；
图2为电能流入模块和电能流出模块均由串联二极管组成的原理示意图；
图3为每个子模块的原理示意图；
图4为两个传统半桥子模块串联的原理示意图；
图5为本发明提出的DC-DC变换器的控制框图；
图6为本发明提出的DC-DC变换器交错并联衍生拓扑结构图；
图7为本发明提出的DC-DC变换器的一种基于晶闸管的衍生拓扑结构图；
图8为本发明提出的DC-DC变换器的一种基于晶闸管的衍生拓扑结构图；
图9为本发明提出的DC-DC变换器的一种基于IGBT的衍生拓扑结构图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1至图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的高压直流输电DC-DC变换器，它包括一号低压侧电能模块1、一号高压侧电能模块2、电感L1和一号充放电模块3，所述一号充放电模块3由多个子模块串联构成，
一号低压侧电能模块1和一号高压侧电能模块2结构相同，一号低压侧电能模块1和一号高压侧电能模块2串联在低压侧输入端与高压侧输出端之间，
电感L1的一端连接一号低压侧电能模块1和一号高压侧电能模块2串联的公共节点，电感L1的另一端连接一号充放电模块3的一端，一号充放电模块3的另一端连接低压侧与高压侧的公共端，
多个子模块结构相同，每个子模块均包括三个全控型器件、电容C1和电容C2，
三个全控型器件串联，电容C1的两端分别连接第一个全控型器件的始端和第二个全控型器件的末端，电容C2的两端分别连接第二个全控型器件的始端和第三个全控型器件的末端。
本实施方式中，本申请的DC-DC变换器，具有三个串联子模块电容充电和放电两种不同的工作模式；当控制三个串联子模块中电容充电时，电流通过低压端的一号低压侧电能模块1流入三个串联子模块，电能从低压侧转移到三个串联子模块的电容中；当控制三个串联子模块中电容放电时，电流通过三个串联子模块流出，电能从三个串联子模块的电容中转移到高压侧；三个串联子模块的电容C1和电容C2在充电模式中从低压侧吸收的电能等于在放电模式中释放到高压侧的电能，从而实现了电能从低压侧到高压侧的转换。
根据电压等级的不同，本申请需要设置的子模块个数不同。
如图3所示，每个子模块结构的具体连接方式为，三个全控型器件串联连接，电容C1的两端连接到全控型器件T1的始端和全控型器件T2的末端，电容C2的两端连接到全控型器件T2的始端和全控型器件T3的末端。
具体实施方式二：参照图2具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的高压直流输电DC-DC变换器作进一步说明，本实施方式中，它还包括多个二号低压侧电能模块4、多个二号高压侧电能模块5、多个电感L2和多个二号充放电模块6，
所述每个二号充放电模块6与一号充放电模块3结构相同，
二号低压侧电能模块4和二号高压侧电能模块5结构与一号低压侧电能模块1结构相同，每个二号低压侧电能模块4串联一个二号高压侧电能模块5，每个电感L2的一端连接一个二号低压侧电能模块4和一个二号高压侧电能模块5串联的公共节点，每个电感L2的另一端连接一个二号充放电模块3的一端，
一号低压侧电能模块1的输入端和多个二号低压侧电能模块4的输入端均连接低压侧输入端，一号高压侧电能模块2的输出端和多个二号高压侧电能模块5的输出端均连接高压侧输出端，
一号充放电模块3的另一端同时连接多个二号充放电模块6的另一端和低压侧与高压侧的公共端。
具体实施方式三：参照图7至图9具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一或二所述的高压直流输电DC-DC变换器作进一步说明，本实施方式中，一号低压侧电能模块1和二号低压侧电能模块4均采用多个串联的二极管、两个反并联晶闸管、一个二极管和一个晶闸管反并联或者IGBT管实现。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的高压直流输电DC-DC变换器作进一步说明，本实施方式中，电容C1和电容C2具有充电和放电两种工作模式；
当控制电容C1和电容C2充电时，电流从低压侧通过一号低压侧电能模块1流入一号储能模块3，电能从低压侧转移到多个子模块的电容C1和电容C2中；
当控制电容C1和电容C2放电时，电流从低压侧经过一号电能流出模块1流入一号充放电模块3，在从一号充放电模块3中的电容C1和电容C2转移到高压侧；
多个子模块在充电模式中从低压侧吸收的电能等于在放电模式中释放到高压侧的电能。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式二所述的高压直流输电DC-DC变换器作进一步说明，本实施方式中，一号充放电模块3有两种工作状态；
第一种工作状态为第二个全控型器件均工作在导通状态，另外两个全控型器件工作在关断状态，此时电容C1和电容C2为串联连接，提供的电压为电容C1和电容C2串联电压；
第二种工作状态为第二个全控型器件工作在关断状态，另外两个全控型器件工作在导通状态，此时电容C1和电容C2为并联连接，提供的电压为电容C1和电容C2并联电压。
具体实施方式七：参照图5具体说明本实施方式，根据具体实施方式一所述的高压直流输电DC-DC变换器实现电压充放电的方法，本实施方式中，所述方法包括：
监测一号充放电模块3中的各个子模块的电容电压值，并进行排序；当DC-DC变换器工作在电容充电模式时，将各个子模块的电容电压求和后与给定电压UC *比较，其差值送入比例积分调节器，比例积分调节器的输出作为充电电流的参考值，再与检测到的实际充电电流比较，其差值经比例积分调节器得到电压控制信号，经PWM调制得到多个子模块驱动指令，驱动电容电压偏低的子模块进行充电；
当DC-DC变换器工作在电容放电模式时，将给定高压侧电流与检测到的放电电流比较，其差值经比例积分调节器得到电流控制信号，经PWM调制得到多个子模块驱动指令，驱动电容电压偏高的子模块进行放电。
本实施方式中，图5中，S代表模式切换开关，当切换到位置0时代表三个串联子模块的电容处于充电状态，当切换到位置1时代表三个串联子模块的电容放电状态；
图5中PI表示比例积分调节器，UC *表示给定电压，U∑表示各个子模块的电容电压求和，IL *表示充电电流的参考值，IC2表示实际充电电流；
IH *表示给定高压侧电流，IC1表示放电电流。

Claims (6)

1.高压直流输电DC-DC变换器，其特征在于，它包括一号低压侧电能模块(1)、一号高压侧电能模块(2)、电感L1和一号充放电模块(3)，所述一号充放电模块(3)由多个子模块串联构成，
一号低压侧电能模块(1)和一号高压侧电能模块(2)结构相同，一号低压侧电能模块(1)和一号高压侧电能模块(2)串联在低压侧输入端与高压侧输出端之间，
电感L1的一端连接一号低压侧电能模块(1)和一号高压侧电能模块(2)串联的公共节点，电感L1的另一端连接一号充放电模块(3)的一端，一号充放电模块(3)的另一端连接低压侧与高压侧的公共端，
多个子模块结构相同，每个子模块均包括三个全控型器件、电容C1和电容C2，
三个全控型器件串联，电容C1的两端分别连接第一个全控型器件的始端和第二个全控型器件的末端，电容C2的两端分别连接第二个全控型器件的始端和第三个全控型器件的末端。
2.根据权利要求1所述的高压直流输电DC-DC变换器，其特征在于，它还包括多个二号低压侧电能模块(4)、多个二号高压侧电能模块(5)、多个电感L2和多个二号充放电模块(6)，
所述每个二号充放电模块(6)与一号充放电模块(3)结构相同，
二号低压侧电能模块(4)和二号高压侧电能模块(5)结构与一号低压侧电能模块(1)结构相同，每个二号低压侧电能模块(4)串联一个二号高压侧电能模块(5)，每个电感L2的一端连接一个二号低压侧电能模块(4)和一个二号高压侧电能模块(5)串联的公共节点，每个电感L2的另一端连接一个二号充放电模块(3)的一端，
一号低压侧电能模块(1)的输入端和多个二号低压侧电能模块(4)的输入端均连接低压侧输入端，一号高压侧电能模块(2)的输出端和多个二号高压侧电能模块(5)的输出端均连接高压侧输出端，
一号充放电模块(3)的另一端同时连接多个二号充放电模块(6)的另一端和低压侧与高压侧的公共端。
3.根据权利要求1或2所述的高压直流输电DC-DC变换器，其特征在于，一号低压侧电能模块(1)和二号低压侧电能模块(4)均采用多个串联的二极管、两个反并联晶闸管、一个二极管和一个晶闸管反并联或者IGBT管实现。
4.根据权利要求1所述的高压直流输电DC-DC变换器，其特征在于，电容C1和电容C2具有充电和放电两种工作模式；
当控制电容C1和电容C2充电时，电流从低压侧通过一号低压侧电能模块(1)流入一号储能模块(3)，电能从低压侧转移到多个子模块的电容C1和电容C2中；
当控制电容C1和电容C2放电时，电流从低压侧经过一号电能流出模块(1)流入一号充放电模块(3)，在从一号充放电模块(3)中的电容C1和电容C2转移到高压侧；
多个子模块在充电模式中从低压侧吸收的电能等于在放电模式中释放到高压侧的电能。
5.根据权利要求2所述的高压直流输电DC-DC变换器，其特征在于，一号充放电模块(3)有两种工作状态；
第一种工作状态为第二个全控型器件均工作在导通状态，另外两个全控型器件工作在关断状态，此时电容C1和电容C2为串联连接，提供的电压为电容C1和电容C2串联电压；
第二种工作状态为第二个全控型器件工作在关断状态，另外两个全控型器件工作在导通状态，此时电容C1和电容C2为并联连接，提供的电压为电容C1和电容C2并联电压。
6.根据权利要求1高压直流输电DC-DC变换器实现电压充放电的方法，其特征在于，所述方法包括：
监测一号充放电模块(3)中的各个子模块的电容电压值，并进行排序；当DC-DC变换器工作在电容充电模式时，将各个子模块的电容电压求和后与给定电压UC *比较，其差值送入比例积分调节器，比例积分调节器的输出作为充电电流的参考值，再与检测到的实际充电电流比较，其差值经比例积分调节器得到电压控制信号，经PWM调制得到多个子模块驱动指令，驱动电容电压偏低的子模块进行充电；
当DC-DC变换器工作在电容放电模式时，将给定高压侧电流与检测到的放电电流比较，其差值经比例积分调节器得到电流控制信号，经PWM调制得到多个子模块驱动指令，驱动电容电压偏高的子模块进行放电。
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