CN107592017A - 一种dc‑dc变换器及控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种DC‑DC变换器及控制方法，由m个高频链单元组成。每个高频链单元包含n个级联的子模块(SMi)，1≤i≤n、一个谐振电容(Cs)、一个谐振电感(Ls)、一台高频变压器(HFT)和一个低压直流侧H桥模块。正常运行过程中，n个级联的子模块产生带有直流偏置的高频方波电压，低压直流侧H桥模块产生高频方波电压；通过控制级联子模块产生的带有直流偏置的高频方波电压与低压直流侧H桥模块产生的高频方波电压之间的相位差，控制由高压直流侧向低压直流侧传输的功率。当高频链单元内任意一个级联的子模块(SMi)内部出现故障时，通过闭合其机械旁路开关(K)切除故障子模块，不影响DC‑DC变换器的正常运行。

Description

一种DC-DC变换器及控制方法
技术领域
本发明涉及中高压直流电网领域的一种DC-DC变换器及其控制方法。
背景技术
近年来，社会快速发展带来的化石能源消耗与环境污染问题日益突出，分布式新能源发电与储能等直流电源系统接入电网正呈现出逐年上升的趋势。另一方面，随着我国城市负荷密度不断增加和用户对供电可靠性和电能质量要求的不断提高，传统交流配电网存在的设备利用率低和新能源发电接纳能力有限等问题已经逐渐限制了电网的智能化发展。近些年的研究结果表明，相比传统的交流配电网，直流配电网在接纳分布式直流电源，如光伏、储能等系统，提高电压稳定性和供电可靠性，以及改善电能质量等方面均存在较大的优势。因此，交直流并存的混合配电网更适合现代城市对配电网灵活性和可控性的要求，也是未来配电网的发展趋势。
为了实现分布式电源系统与中压直流配电网的高效连接，需要高性能的DC-DC变换器，一方面需要实现电压变换和能量双向流动，另一方面还需要具备一定的故障隔离能力。此外，应用于中压直流配电网的DC-DC变换器在实现以上功能的基础上，应尽量减少开关器件和储能元件数量，提高工作频率，在降低DC-DC变换器的成本和体积的同时提高功率密度。
为解决以上问题，相关文献分别提出了不同的解决方案。在《IEEE Transactionson Power Electronics》2016年第31卷第7期4766-4777页刊登的《High-Frequency-LinkDC Transformer Based on Switched Capacitor for Medium-Voltage DC PowerDistribution Application》提出一种基于子模块级联和双主动全桥的DC-DC变换器，利用双主动全桥控制DC-DC变换器的功率，但该DC-DC变换器用到的开关器件和储能元件数量较多，功率密度低。在《IEEE Transactions on Power Electronics》2017年第32卷第3期1779-1791页刊登的《Modular Multilevel High-Frequency-Link DC Transformer Basedon Dual Active Phase-Shift Principle for Medium-Voltage DC Power DistributionApplication》提出一种基于模块化多电平换流器的DC-DC变换器，利用模块化多电平换流器和中频变压器控制变换器功率，但由于该DC-DC变换器中含有模块化多电平换流器，开关器件和储能元件数量均较多，且模块化多电平换流器中子模块电容较大，成本较高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提出一种适用于中高压直流电网领域的DC-DC变换器。本发明不仅可以实现高变压比的直流电压变换，同时在变换器内部出现故障或损坏时，可以将其与正常电路隔离，不影响变换器的正常运行，可提高变换器的可靠性。
本发明DC-DC变换器，由高压直流侧平波电抗器L和m个高频链单元构成，m为正整数。所述的高频链单元包含n个级联的子模块SMi，1≤i≤n，i和n均为正整数，高频链单元还包含一个谐振电容Cs、一个谐振电感Ls、一台高频变压器HFT和一个低压直流侧H桥模块。所述的子模块SMi包含第一连接端子T1、第二连接端子T2及机械旁路开关K；第一个高频链单元的第一个子模块SM1的第一连接端子T1与平波电抗器L的一端连接，平波电抗器L的另一端连接至高压直流侧的正极；第m个高频链单元的第n个子模块SMn的第二连接端子T2与高压直流侧的负极连接；第j个高频链单元的第i+1个子模块SMi+1的第一连接端子T1与第i个子模块SMi的第二连接端子T2连接，第i+1个子模块SMi+1的第二连接端子T2与第i+2个子模块SMi+2的第一连接端子T1连接；对于任意一个高频链单元，高频链单元的第一个子模块SM1的第一连接端子T1与谐振电容Cs的一端连接，谐振电容Cs与谐振电感Ls串联后与高频变压器HFT的连接端子a连接，高频链单元的第n个子模块SMn的第二连接端子T2与高频变压器HFT的连接端子b连接，高频变压器HFT的连接端子c、d与低压直流侧H桥模块的输入端连接；所有低压直流侧H桥模块的输出正极并联后与低压直流侧的正极连接，所有低压直流侧H桥模块的输出负极并联后与低压直流侧的负极连接。1≤j≤m，j为正整数。
对本发明DC-DC变换器的控制方法如下：
正常情况下，每一个高频链单元的n个级联子模块的第一连接端子T1和第二连接端子T2之间的机械旁路开关K均处于开路状态；n个级联子模块中的r个为冗余工作状态，r为整数且0≤r<n，即子模块的第一半导体开关S1为关断状态，第二半导体开关S2为导通状态；其余n-r个级联子模块输出带有直流偏置的高频方波电压，即子模块输出电压为正时，其第一半导体开关S1为导通状态，第二半导体开关S2为关断状态，子模块输出电压为零时，其第一半导体开关S1为关断状态，第二半导体开关S2为导通状态；高频链单元的低压直流侧H桥模块始终输出交流方波电压，即低压直流侧H桥模块输出方波电压为正时，其第一半导体开关Q1为导通状态，第二半导体开关Q2为关断状态，第三半导体开关Q3为关断状态，第四半导体开关Q4为导通状态，低压直流侧H桥模块输出方波电压为负时，其第一半导体开关Q1为关断状态，第二半导体开关Q2为导通状态，第三半导体开关Q3为导通状态，第四半导体开关Q4为关断状态；通过控制高频链单元级联子模块SMi产生的带有直流偏置的高频方波电压与低压直流侧H桥模块产生的高频方波电压之间的相位差，控制由高压直流侧向低压直流侧传输的功率。
对于本发明DC-DC变换器，当任意高频链单元内的任意一个子模块内部出现故障或损坏时，其第一连接端子T1和第二连接端子T2之间的机械旁路开关K闭合，使发生损坏或故障的子模块与电路其余部分的联系切断；发生故障的子模块被旁路后，剩余级联子模块仍然输出带有直流偏置的高频方波电压，不影响本发明DC-DC变换器的正常运行。此外，本发明DC-DC变换器中所有机械旁路开关均承受低直流电压，降低了机械旁路开关的制造难度。
附图说明
图1为本发明DC-DC变换器电路原理图；
图2为本发明DC-DC变换器的仿真波形，其中图2a为DC-DC变换器高压直流侧输入电流波形；图2b为DC-DC变换器低压直流侧输出电压波形；图2c为高频链单元级联子模块输出的高频方波电压波形、低压直流侧H桥模块输出高频方波电压波形以及高频变压器原边电流波形。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
图1为本发明DC-DC变换器电路原理图。如图1所示，本发明DC-DC变换器由高压直流侧平波电抗器L和m个高频链单元构成，m为正整数。所述的高频链单元包含n个级联的子模块SMi，1≤i≤n，i和n均为正整数，高频链单元还包含一个谐振电容Cs、一个谐振电感Ls、一台高频变压器HFT和一个低压直流侧H桥模块；所述的子模块SMi包含第一连接端子T1、第二连接端子T2及机械旁路开关K；第一个高频链单元的第一个子模块SM1的第一连接端子T1与平波电抗器L的一端连接，平波电抗器L的另一端连接至高压直流侧的正极；第m个高频链单元的第n个子模块SMn的第二连接端子T2与高压直流侧的负极连接；第j个高频链单元的第i+1个子模块SMi+1的第一连接端子T1与第i个子模块SMi的第二连接端子T2连接，1≤j≤m，j为正整数，第i+1个子模块SMi+1的第二连接端子T2与第i+2个子模块SMi+2的第一连接端子T1连接；对于任意一个高频链单元，高频链单元的第一个子模块SM1的第一连接端子T1与谐振电容Cs的一端连接，谐振电容Cs与谐振电感Ls串联后与高频变压器HFT的连接端子a连接，高频链单元的第n个子模块SMn的第二连接端子T2与高频变压器HFT的连接端子b连接，高频变压器HFT的连接端子c、d与低压直流侧H桥模块的输入连接；所有低压直流侧H桥模块的输出正极并联，与低压直流侧的正极连接，所有低压直流侧H桥模块的输出负极并联，与低压直流侧的负极连接。
以下为本发明的一个实施例。
本实施例的DC-DC变换器参数如下：
对本发明DC-DC变换器的控制方法如下：
正常情况下，每一个高频链单元的n个级联子模块的第一连接端子T1和第二连接端子T2之间的机械旁路开关K均处于开路状态；n个级联子模块中的r个为冗余工作状态，r为整数且0≤r<n，即子模块的第一半导体开关S1为关断状态，第二半导体开关S2为导通状态；其余n-r个级联子模块输出带有直流偏置的高频方波电压，即子模块输出电压为正时，其第一半导体开关S1为导通状态，第二半导体开关S2为关断状态，子模块输出电压为零时，其第一半导体开关S1为关断状态，第二半导体开关S2为导通状态；高频链单元的低压直流侧H桥模块始终输出交流方波电压，即低压直流侧H桥模块输出方波电压为正时，其第一半导体开关Q1为导通状态，第二半导体开关Q2)为关断状态，第三半导体开关Q3为关断状态，第四半导体开关Q4为导通状态，低压直流侧H桥模块输出方波电压为负时，其第一半导体开关Q1为关断状态，第二半导体开关Q2为导通状态，第三半导体开关Q3为导通状态，第四半导体开关Q4为关断状态；通过控制高频链单元级联子模块SMi产生的带有直流偏置的高频方波电压与低压直流侧H桥模块产生的高频方波电压之间的相位差的大小控制由高压直流侧向低压直流侧传输的功率大小。
当任意高频链单元内的任意一个子模块内部出现故障或损坏时，其第一连接端子T1和第二连接端子T2之间的机械旁路开关K闭合，使发生损坏或故障的子模块与电路其余部分的联系切断；发生故障的子模块被旁路后，剩余级联子模块仍然输出带有直流偏置的高频方波电压，不影响DC-DC变换器的正常运行。
图2为本发明DC-DC变换器的仿真波形。其中，图2a为DC-DC变换器高压直流侧输入电流波形；图2b为DC-DC变换器低压直流侧输出电压波形；图2c为高频链单元级联子模块输出的高频方波电压波形、低压直流侧H桥模块输出高频方波电压波形以及高频变压器原边电流波形。如图2a、图2b和图2c所示，高频链单元级联子模块输出的高频方波电压波形和低压直流侧H桥模块输出高频方波电压存在相位差，由此可以控制DC-DC变换器的输出功率。因此，本发明DC-DC变换器在实现不同等级直流电压变换的基础上，减少了开关器件和储能元件数量，降低变换器成本的同时提高了功率密度。

Claims (3)

1.一种DC-DC变换器，由高压直流侧平波电抗器L和m个高频链单元构成，m为正整数；所述的高频链单元包含n个级联的子模块SMi，1≤i≤n，i和n均为正整数、一个谐振电容Cs、一个谐振电感Ls、一台高频变压器HFT和一个低压直流侧H桥模块；所述的子模块SMi包含第一连接端子T1、第二连接端子T2及机械旁路开关K，其特征在于：第一个所述的高频链单元的第一个子模块SM1的第一连接端子T1与平波电抗器L的一端连接，平波电抗器L的另一端连接至高压直流侧的正极；第m个高频链单元的第n个子模块SMn的第二连接端子T2与高压直流侧的负极连接；第j个高频链单元的第i+1个子模块SMi+1的第一连接端子T1与第i个子模块SMi的第二连接端子T2连接，第i+1个子模块SMi+1的第二连接端子T2与第i+2个子模块SMi+2的第一连接端子T1连接，1≤j≤m，j为正整数；高频链单元的第一个子模块SM1的第一连接端子T1与谐振电容Cs的一端连接，谐振电容Cs与谐振电感Ls串联后与高频变压器HFT的连接端子a连接，高频链单元的第n个子模块SMn的第二连接端子T2与高频变压器HFT的连接端子b连接，高频变压器HFT的连接端子c、d与低压直流侧H桥模块的输入连接；所有低压直流侧H桥模块的输出正极并联，并联的低压直流侧H桥模块的输出正极与低压直流侧的正极连接；所有低压直流侧H桥模块的输出负极并联，并联的低压直流侧H桥模块的输出负极与低压直流侧的负极连接。
2.如权利要求1所述的DC-DC变换器，其特征在于：对所述的DC-DC变换器控制方法为：正常情况下，每一个所述高频链单元的n个级联子模块的第一连接端子T1和第二连接端子T2之间的机械旁路开关K均处于开路状态；n个级联子模块中的r个为冗余工作状态，r为整数且0≤r<n，即子模块的第一半导体开关S1为关断状态，第二半导体开关S2为导通状态；其余n-r个级联子模块输出带有直流偏置的高频方波电压，即子模块输出电压为正时，其第一半导体开关S1为导通状态，第二半导体开关S2为关断状态，子模块输出电压为零时，其第一半导体开关S1为关断状态，第二半导体开关S2为导通状态；高频链单元的低压直流侧H桥模块始终输出交流方波电压，即低压直流侧H桥模块输出方波电压为正时，其第一半导体开关Q1为导通状态，第二半导体开关Q2为关断状态，第三半导体开关Q3为关断状态，第四半导体开关Q4为导通状态，低压直流侧H桥模块输出方波电压为负时，其第一半导体开关Q1为关断状态，第二半导体开关Q2为导通状态，第三半导体开关Q3为导通状态，第四半导体开关Q4为关断状态；通过控制高频链单元级联子模块SMi产生的带有直流偏置的高频方波电压与低压直流侧H桥模块产生的高频方波电压之间的相位差，控制由高压直流侧向低压直流侧传输的功率。
3.如权利要求1所述的DC-DC变换器，其特征在于：当高频链单元内的任意一个子模块内部出现故障或损坏时，其第一连接端子T1和第二连接端子T2之间的机械旁路开关K闭合，使发生损坏或故障的子模块与电路其余部分的联系切断；发生故障的子模块被旁路后，剩余级联子模块仍然输出带有直流偏置的高频方波电压，DC-DC变换器仍能够正常运行。
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109194130A (zh) * 2018-09-06 2019-01-11 南京南瑞继保电气有限公司 一种单向直流电压变换装置和系统及其控制方法
CN109600049A (zh) * 2019-01-23 2019-04-09 哈尔滨工业大学 一种直流固态变压器
US10819112B1 (en) 2019-03-27 2020-10-27 Abb Schweiz Ag Feeder line fault response using direct current interconnection system
US10971934B2 (en) 2018-12-31 2021-04-06 Abb Schweiz Ag Distribution networks with flexible direct current interconnection system
US11031773B2 (en) 2019-03-27 2021-06-08 Abb Power Grids Switzerland Ag Transformer isolation response using direct current link
US11121543B2 (en) 2018-12-31 2021-09-14 Abb Schweiz Ag Fault mitigation in medium voltage distribution networks

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109194130A (zh) * 2018-09-06 2019-01-11 南京南瑞继保电气有限公司 一种单向直流电压变换装置和系统及其控制方法
WO2020048362A1 (zh) * 2018-09-06 2020-03-12 南京南瑞继保电气有限公司 一种单向直流电压变换装置和系统及其控制方法
US10971934B2 (en) 2018-12-31 2021-04-06 Abb Schweiz Ag Distribution networks with flexible direct current interconnection system
US11121543B2 (en) 2018-12-31 2021-09-14 Abb Schweiz Ag Fault mitigation in medium voltage distribution networks
CN109600049A (zh) * 2019-01-23 2019-04-09 哈尔滨工业大学 一种直流固态变压器
US10819112B1 (en) 2019-03-27 2020-10-27 Abb Schweiz Ag Feeder line fault response using direct current interconnection system
US11031773B2 (en) 2019-03-27 2021-06-08 Abb Power Grids Switzerland Ag Transformer isolation response using direct current link

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