CN108270356B - 基于pwm/二极管混合整流结构的直流配电网能量路由器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PWM/二极管混合整流结构的直流配电网能量路由器及其控制方法，包括高压侧功率变换单元、低压侧PWM/二极管混合整流单元和中高频三相交流变压器，用于实现直流配电网中不同电压等级直流母线的互联；低压侧PWM/二极管混合整流单元包括一个低压侧PWM整流单元和若干低压侧二极管整流单元，低压侧PWM整流单元采用基于全控器件的交直流变换拓扑，低压侧二极管整流单元采用基于二极管不控器件的三相不控整流拓扑；中高频三相交流变压器采取一入多出的耦合方式。本发明能量路由器可实现电能双向传输，控制简单可靠，通流能力强，所用器件少，成本大为降低。当负载功率波动时，可自适应调整功率输出。

Description

基于PWM/二极管混合整流结构的直流配电网能量路由器及其 控制方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种基于PWM/二极管混合整流结构的直流配电网能量路由器及其控制方法。

背景技术

直流输配电技术具有传输导线少、电能损耗小、供电可靠性高、新能源发电系统易于接入等优点，逐渐成为输配电领域的研究热点。与交流系统类似，直流输配电系统中，通常需要连接不同电压等级的直流电网，而直流电网中难以直接通过交流变压器实现电压变换，因此如何实现直流电网不同电压等级母线的互联，成为直流输配电领域的研究热点。

基于电力电子变换拓扑的能量路由器不仅能对直流电压进行变换，而且可以实现潮流控制、短路电流限制等附加功能，是实现直流电压变换的优选方案。由于低压小容量领域的电力电子拓扑已经较为成熟，因此该领域下能量路由器的拓扑方案选择较多。而高压大容量领域的电力电子拓扑通常需通过串并联实现电压和功率扩展，如何设计和选择功率变换拓扑是能量路由器在高压大容量领域面临的重要挑战之一。一般而言，器件直接并联、变流器并联和变流器多相设计均可有效增强变流器的电流输出能力；开关器件直接串联、多电平技术和变流器串联均可有效提升变流器耐压。然而随着直流电网电压等级的提高和功率等级的增大，上述拓扑复杂度将极大提高，所需功率器件数量迅速增大，拓扑灵活性差，成本高，极大限制了其工程应用。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种基于PWM/二极管混合整流结构的直流配电网能量路由器及其控制方法，具有控制简单灵活、工程实现简单、成本较低、运行效率高的优点。

一种基于PWM/二极管混合整流结构的直流配电网能量路由器，包括高压侧功率变换单元、低压侧PWM/二极管混合整流单元和中高频三相交流变压器；其中，高压侧功率变换单元的直流端口与高压直流电网连接，高压侧功率变换单元的交流端口与中高频三相交流变压器的高压侧绕组连接，低压侧PWM/二极管混合整流单元的交流端口与中高频三相交流变压器的低压侧绕组连接，低压侧PWM/二极管混合整流单元的直流端口与低压直流电网连接；

所述高压侧功率变换单元用于将直流电转换成交流电，其内部采用全控型功率器件(如IGBT、IGCT或IEGT等)；所述低压侧PWM/二极管混合整流单元包含一个低压侧PWM整流单元和m个低压侧二极管整流单元，所述低压侧PWM整流单元和低压侧二极管整流单元均用于将交流电转换成直流电，其中低压侧PWM整流单元内部采用全控型功率器件，低压侧二极管整流单元内部采用不控型功率器件(如整流二极管等)，m为大于0的自然数；

所述中高频三相交流变压器采用一入多出的耦合方式，其低压侧绕组包含m+1个独立绕组，m+1个独立绕组分别与低压侧PWM整流单元以及低压侧二极管整流单元的交流端口一一对应连接，低压侧PWM整流单元与低压侧二极管整流单元的直流端口并联后接入低压直流电网。

进一步地，所述高压侧功率变换单元采用模块化多电平换流拓扑及其变形拓扑结构等，所述低压侧PWM整流单元采用模块化多电平换流拓扑及其变形拓扑结构、三相桥式整流拓扑结构、飞跨电容型多电平整流拓扑结构或二级管箝位多电平拓扑结构等，所述低压侧二极管整流单元采用不控整流器件的交直流变换拓扑结构(如三相不控整流拓扑及其串并联拓扑结构等)。

进一步地，所述高压侧功率变换单元采用模块化多电平变换拓扑，其各桥臂均含有N个半桥子模块；所述低压侧PWM混合整流单元采用模块化多电平变换拓扑，其各桥臂均含有M个半桥子模块，则N和M满足以下关系：

其中：V₁和V₂分别为高压侧功率变换单元和低压侧PWM整流单元的直流侧电压。

上述直流配电网能量路由器的控制方法如下：

当能量从高压直流电网向低压直流电网传输时，使高压侧功率变换单元工作于交流电压控制模式，低压侧PWM整流单元工作于直流电压控制模式，低压侧二极管整流单元工作于不控整流模式；当低压直流电网负载功率波动时，调整高压侧功率变换单元的交流电压，改变低压侧二极管整流单元的功率输出，使低压侧PWM整流单元通过交流电压前馈控制及直流电压控制自适应调整功率输出；

当能量从低压直流电网向高压直流电网传输时，使高压侧功率变换单元工作于直流电压控制模式，低压侧PWM整流单元工作于交流电压控制模式，低压侧二极管整流单元停止工作；当高压直流电网负载功率波动时，使高压侧功率变换单元自适应调整功率输出。

基于上述技术方案，本发明具有以下有益技术效果：

(1)本发明能量路由器由于低压直流侧采用低压侧PWM/二极管混合整流单元，可实现低压直流电网电压与电流的解耦控制，控制简单稳定，工程实现简单。

(2)本发明直流变压器能保证低压侧PWM整流单元和低压侧二极管整流单元在特定输出功率比下工作，并在复杂工况下保持低压侧PWM整流单元输出功率的稳定，能最大程度降低低压侧PWM整流单元的容量，极大地减小了制造成本。

(3)本发明能量路由器器件数目减少，低压侧二极管整流单元采用技术成熟的不控整流器件和不控整流拓扑，成本大为降低。

(4)基于本发明中的直流变压器，功率传输模块采用技术成熟的不控整流器件和拓扑，半控或全控型器件的使用数量大幅减少，控制简单可靠，成本大为降低。

(5)基于本发明能量路由器过压和通流能力增强，提高了能量路由器的可靠性。

(6)本发明能量路由器与低压直流电网完全采用不控整流拓扑的能量路由器相比，直流电压稳定，可实现能量双向流动；与低压直流电网完全采用全控整流拓扑的能量路由器相比，通流能力增强，所用器件数目减少，成本降低。

(7)本发明能量路由器的功率范围大，为大功率能量路由器的设计提供方案。

附图说明

图1为本发明直流配电网能量路由器的结构示意图。

图2(a)为高压侧功率变换单元的模块化多电平变换拓扑结构示意图。

图2(b)为半桥子模块的结构示意图。

图2(c)为全桥子模块的结构示意图。

图3(a)为低压侧PWM整流单元的模块化多电平变换拓扑结构示意图。

图3(b)为中点箝位整流拓扑结构示意图。

图3(c)为电容箝位整流拓扑结构示意图。

图3(d)为低压侧PWM整流单元的三相全控整流拓扑结构示意图。

图4为低压侧二极管整流单元的拓扑结构示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明基于PWM/二极管混合整流结构的直流配电网能量路由器包括一高压侧功率变换单元、一低压侧PWM/二极管混合整流单元和一中高频三相交流变压器；其中，高压侧功率变换单元的直流端口连接高压直流电网，高压直流电网的正负极分别为P₁、N₁，直流母线电压为V₁，直流母线电流为I₁；低压侧PWM/二极管混合整流单元的直流端口连接低压直流电网，低压直流电网的正负极分别为P₂、N₂，直流母线电压为V₂，直流母线电流为I₂；高压侧功率变换单元的三相交流端口与低压侧PWM/二极管混合整流单元的三相交流端口分别连接到中高频三相交流变压器的高压侧绕组和低压侧绕组，实现高压侧和低压侧的隔离与耦合。

低压侧PWM/二极管混合整流单元包含一个低压侧PWM整流单元和m个低压侧二极管整流单元，各低压侧二极管整流单元均包含一个电感L_i(i＝1,2,…,m)，低压侧PWM整流单元的直流端口正极和各低压侧二极管整流单元的正极均连接到低压直流电网的直流母线正极P₂，低压侧PWM整流单元的直流端口负极和各低压侧二极管整流单元的负极均连接到低压直流电网的直流母线负极N₂；中高频三相交流变压器的频率范围为100Hz～20kHz，其高压侧为一个独立三相绕组，低压侧为m+1个独立三相绕组，高压侧绕组与各低压侧绕组均采用星形联结方式和1入m+1出的耦合方式，高压侧绕组的每相匝数均为n₁，低压侧PWM整流单元所连低压侧绕组的每相匝数为n_2-0，各低压侧二极管整流单元所连低压侧绕组的每相匝数分别为n_2-1、n_2-2,、…、n_2-m。

高压侧功率变换单元采用如图2(a)所示的模块化多电平变换拓扑，根据实际需要，其子模块的具体形式可为图2(b)所示的半桥子模块或图2(c)所示的全桥子模块等；低压侧PWM整流单元为采用全控器件的交直流变换拓扑，根据实际需要，其具体形式可为图3(a)所示的模块化多电平变换拓扑、图3(b)所示的中点箝位整流拓扑、图3(c)所示的电容箝位整流拓扑或图3(d)所示的三相全控整流拓扑等；低压侧二极管整流单元采用如图4所示的三相不控整流拓扑结构。

基于上述PWM/二极管混合整流结构的直流配电网能量路由器结构，以下进一步介绍该能量路由器的设计方法和控制方式。

(1)高压侧功率变换单元与低压侧PWM混合整流单元的设计。

高压侧功率变换单元采用模块化多电平变换拓扑，其各桥臂均含有N个半桥子模块；低压侧PWM混合整流单元采用模块化多电平变换拓扑，其各桥臂均含有M个半桥子模块。假设上述所用半桥子模块所用全控器件的耐压相同，则N和M满足以下关系：

根据上述关系，并结合半桥子模块中电容耐压能力和全控器件的耐压能力，可以确定N和M的取值。

(2)中高频三相交流变压器的设计。

当满足式(1)的条件时，中高频三相交流变压器中，低压侧PWM整流单元所连低压侧绕组的每相匝数n_2-0可由下式决定：

假设各低压侧二极管整流单元的拓扑结构及二极管性能完全相同，由低压侧二极管整流单元的特点可知，稳定运行时，高压直流电网电压V₁和低压直流电网电压V₂满足：

故中高频三相交流变压器中，低压侧二极管整流单元所连低压侧绕组的每相匝数n_2-i(i＝1,2,…,m)可由下式决定：

由式(2)和式(4)可以设计中高频三相交流变压器的高压侧绕组和各低压侧绕组的匝数。

(3)低压侧二极管整流单元的器件选型与优势说明。

若忽略能量路由器的损耗，则能量路由器的输入功率与输出功率相等，即

V₁I₁＝V₂I₂ (5)

由于V₁>V₂，则I₂>I₁，即电能从高压直流电网向低压直流电网传输时，流经低压侧PWM/二极管整流单元的电流较大。

本发明能量路由器中，流经低压侧PWM整流单元的电流I_2-0较小，电流I₂几乎全部由I_2-1,I_2-2,…,I_2-m承担。为了简化描述，忽略电流I_2-0，即：

I₂＝I_2-1+I_2-2+L+I_2-m (6)

则各低压侧二极管整流单元的直流端口电流相等，为：

各低压侧二极管整流单元中，流经二极管的电流与直流端口电流相等，亦如式(7)所示。因此，低压侧二极管整流单元所用二极管的最大电流I_D应满足：

综上所述，低压侧PWM整流单元中全控器件的电流应力较小，各低压侧二极管整流单元中不控器件的电流应力较大，为I₂/m，可以充分利用二极管通流能力强的优势。

高压侧功率变换单元中，模块化多电平变换拓扑的半桥子模块中全控器件的电压应力为V₁/N；低压侧PWM整流单元中，模块化多电平变换拓扑的半桥子模块中全控器件的电压应力为V₂/M＝V₁/N；低压侧二极管整流单元中，不控整流拓扑的二极管电压应力为V₂。可以看出，本发明能量路由器中二极管的电压应力为全控器件的M倍，充分利用二极管耐压能力强的优势。

(4)各低压侧二极管整流单元的电感设计。

各低压侧二极管整流单元中的电感L_i(i＝1,2,…,m)起电流滤波和调节该单元直流端口电流的作用。

当系统处于稳态运行时，电感L_i(i＝1,2,…,m)的端电压为零，由电感的伏秒平衡可知，低压侧PWM/二极管的直流端口电流不变。

当低压直流电网负载增大时，低压侧PWM整流单元采用前馈控制，保证低压侧PWM/二极管整流单元的直流端口电压保持不变，提高高压侧功率变换器的三相交流电压，使其变为原来的k倍，经过中高频三相交流变压器的耦合和低压侧二极管整流单元的整流，电感两端电压为：

因此，若要在Δt时间内，使一个低压侧二极管整流单元的直流电流变化ΔI，则电感L_i(i＝1,2,…,m)的取值为：

当低压直流电网负载减小时，原理同上。

选取适当的电感值，使得二极管整流单元的输出电流具有较大的调整空间，可有效解决负载波动的要求。

基于低压侧PWM/二极管混合整流结构的直流配电网能量路由器可以实现能量双向流动。

当能量由高压直流电网向低压直流电网传输时，高压侧功率变换单元工作在交流输出电压控制模式，低压侧PWM整流单元工作在控制直流输出电压模式，以维持低压直流母线电压的稳定，同时在控制环节中引入电压前馈控制，使得低压侧PWM整流单元不受交流输入电压变化的影响，在负载出现波动时保持自身工况和低压直流母线电压的稳定；低压侧二极管整流单元的输出电压由低压侧PWM整流单元控制保持稳定，输出电流由电感值和电感端电压决定，故当负载出现波动时，通过控制高压侧功率变换单元，改变中高频三相交流变压器的高压侧绕组三相交流电压，经过该变压器的耦合，改变了该变压器低压侧绕组的三相交流电压，故低压侧二极管整流单元中电感端电压将不为零，从而改变低压侧二极管整流单元的直流输出电流。在负载波动的动态过程中，引入电压前馈控制的低压侧PWM整流单元的功率输出基本保持稳定，通过控制二极管整流单元的功率输出保持能量路由器低压直流侧的功率平衡。

当能量由低压直流电网向高压直流电网传输时，高压侧和低压侧直流母线电压均保持稳定。该能量路由器经由低压侧PWM整流单元、中高频三相交流变压器和高压侧功率变换单元实现能量传输。由于低压侧二极管整流单元功率流动的单向性将其旁路，低压侧PWM整流单元工作在控制交流输出电压模式，高压侧功率单元工作在定有功功率控制模式。在负载出现波动时，低压侧PWM整流单元的控制方式不变，将该单元的直流端口电压维持在低压直流电网电压，则中高频三相交流变压器的高压侧绕组电压和低压侧绕组电压均保持不变，高压侧功率单元工作在定有功功率控制模式，将其直流端口电压维持在高压直流电网电压，从而增大其直流电流输出能力。

低压侧PWM整流单元采用全控电力电子器件，与采用不控或半控电力电子器件的交直流变换拓扑相比，能够更为精确地控制输出电压；低压侧二极管整流单元采用不控电力电子器件，器件的通流能力强、耐压高、成本低，与采用全控电力电子器件的交直流变换拓扑相比，所需器件少、成本低、控制简单、技术成熟。将低压侧PWM整流单元的直流侧与低压侧二极管整流单元的直流侧并联连接，可以发挥各自的优势，实现电压稳定，控制简单，成本较低，更适合大功率直流变换场合，可实现电能双向传输。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于PWM/二极管混合整流结构的直流配电网能量路由器，其特征在于：包括高压侧功率变换单元、低压侧PWM/二极管混合整流单元和中高频三相交流变压器；其中，高压侧功率变换单元的直流端口与高压直流电网连接，高压侧功率变换单元的交流端口与中高频三相交流变压器的高压侧绕组连接，低压侧PWM/二极管混合整流单元的交流端口与中高频三相交流变压器的低压侧绕组连接，低压侧PWM/二极管混合整流单元的直流端口与低压直流电网连接；

所述高压侧功率变换单元用于将直流电转换成交流电，其内部采用全控型功率器件；所述低压侧PWM/二极管混合整流单元包含一个低压侧PWM整流单元和m个低压侧二极管整流单元，所述低压侧PWM整流单元和低压侧二极管整流单元均用于将交流电转换成直流电，其中低压侧PWM整流单元内部采用全控型功率器件，低压侧二极管整流单元内部采用不控型功率器件，m为大于0的自然数；

所述中高频三相交流变压器采用一入多出的耦合方式，其低压侧绕组包含m+1个独立绕组，m+1个独立绕组分别与低压侧PWM整流单元以及低压侧二极管整流单元的交流端口一一对应连接，低压侧PWM整流单元与低压侧二极管整流单元的直流端口并联后接入低压直流电网；

所述高压侧功率变换单元采用模块化多电平变换拓扑，其各桥臂均含有N个半桥子模块；所述低压侧PWM混合整流单元采用模块化多电平变换拓扑，其各桥臂均含有M个半桥子模块，则N和M满足以下关系：

其中：V₁和V₂分别为高压侧功率变换单元和低压侧PWM整流单元的直流侧电压。

2.如权利要求1所述直流配电网能量路由器的控制方法，其特征在于：

当能量从高压直流电网向低压直流电网传输时，使高压侧功率变换单元工作于交流电压控制模式，低压侧PWM整流单元工作于直流电压控制模式，低压侧二极管整流单元工作于不控整流模式；当低压直流电网负载功率波动时，调整高压侧功率变换单元的交流电压，改变低压侧二极管整流单元的功率输出，使低压侧PWM整流单元通过交流电压前馈控制及直流电压控制自适应调整功率输出；

当能量从低压直流电网向高压直流电网传输时，使高压侧功率变换单元工作于直流电压控制模式，低压侧PWM整流单元工作于交流电压控制模式，低压侧二极管整流单元停止工作；当高压直流电网负载功率波动时，使高压侧功率变换单元自适应调整功率输出。

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