CN110677048A - 双极性直流变压器、及其控制方法和装置 - Google Patents

双极性直流变压器、及其控制方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双极性直流变压器、及其控制方法和装置，其中，双极性直流变压器包括：至少两个功率子模块，各功率子模块的高压侧端口依次串联形成双极性直流变压器的高压侧直流端口，各功率子模块的低压侧端口并联形成双极性直流变压器的低压侧直流端口，功率子模块包括：高压侧子电路、变压器以及低压侧子电路，其中：高压侧子电路包括：并联连接的高压侧电容器和高压侧H桥电路，高压侧电容器与高压侧直流端口并联连接，高压侧H桥电路与变压器的高压侧绕组连接，低压侧子电路包括：低压侧电感组合、以及并联连接的低压侧电容器组合和低压侧H桥电路，低压侧电感组合与变压器的低压侧绕组连接，低压侧电容器组合与低压侧直流端口并联连接。

Description

双极性直流变压器、及其控制方法和装置
技术领域
本发明涉及电力电子领域，具体涉及一种双极性直流变压器、及其控制方法和装置。
背景技术
直流变压器(DC transformer，DCT)是一种将电力电子变换技术和基于电磁感应原理的高频电能变换技术相结合(工作频率相对于工频变压器更高)，将一种直流电压变换成另一种或多种直流电压的新型电力电子设备。直流变压器在分布式新能源及储能应用、智能电网和能源互联网等领域具有广泛的应用前景和巨大的市场价值。
直流变压器一般采用输入串联输出并联(Input Series Output Parallel，ISOP)结构，其核心功率单元采用双有源桥(Dual Active Bridge，DAB)或者双向谐振电路(CLLC)，通过高频斩波、变压器隔离、高频整流来实现一种直流电压到另一种或多种直流电压的变换。
低压直流配网一般采用双极性供电形式，具有更高的灵活性和可靠性。双极性供电一般包括伪双极和真双极两种实现形式。
具有伪双极特性的直流变压器结构比较简单，参见图1，可利用接地电阻或者电容的中点接地，目前应用较为广泛。然而，对于具有伪双极特性的直流变压器，负载只能连接在正、负输出端口两端，正母线对地端口和负母线对地端口不能独立带载。
具有真双极特性的直流变压器结构较为复杂，体积大，成本高，因此对其研究和应用较少。但是，随着直流变压器技术在低压直流配网中的快速推广应用，越来越多的场合需要直流变压器具有真双极特性。换句话说，具有真双极特性的直流变压器拓扑和控制技术具有广阔的研究和应用前景。图2-图3示出了目前的具有真双极特性的直流变压器，如图2所示，为常规真双极特性的直流变压器，其需要两套独立的直流变压器，成本高，体积大。图3是利用电压均衡器实现真双极特性的直流变压器，其需要额外的电压平衡器及其控制保护装置，成本较高。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种双极性直流变压器、及其控制方法和装置，以解决上述提及的至少一个问题。
根据本发明的第一方面，提供一种双极性直流变压器，该双极性直流变压器包括：至少两个功率子模块，各功率子模块的高压侧端口依次串联形成所述双极性直流变压器的高压侧直流端口，各功率子模块的低压侧端口并联形成所述双极性直流变压器的低压侧直流端口，所述功率子模块包括：高压侧子电路、变压器以及低压侧子电路，其中：所述高压侧子电路包括：并联连接的高压侧电容器和高压侧H桥电路，所述高压侧电容器与所述高压侧直流端口并联连接，所述高压侧H桥电路与所述变压器的高压侧绕组连接，所述低压侧子电路包括：低压侧电感组合、以及并联连接的低压侧电容器组合和低压侧H桥电路，所述低压侧电感组合与所述变压器的低压侧绕组连接，所述低压侧电容器组合与所述低压侧直流端口并联连接。
根据本发明的第二方面，提供一种应用于双极性直流变压器的控制方法，该方法包括：获取所述双极性直流变压器的低压侧直流输出正母线电压(uLV1)和负母线电压(uLV2)；将所述uLV1和uLV2的电压差值进行低压侧均压环比例积分调节操作来确定所述低压侧子电路的第一电感、第二电感的电流参考值(iVBr)；获取第j个功率子模块的第一电感的电流(iLVB1,j)、第二电感的电流(iLVB2,j)，其中，j为正整数；将iVBr和所述第一电感的电流iLVB1,j的电流差值进行低压侧电流环比例积分调节操作，得到占空比增量(△dVB1,j)；根据预定初始占空比值与△dVB1,j的差值确定所述第j个功率子模块第三桥臂的占空比(dVB1,j)；将iVBr与所述第二电感的电流(iLVB2,j)的电流差值进行低压侧电流环比例积分调节操作，得到占空比增量(△dVB2,j)，根据所述预定初始占空比值与△dVB2,j的差值确定所述第j个功率子模块第四桥臂的占空比(dVB2,j)；根据预定规则调节所述第三桥臂的占空比(dVB1,j)和第四桥臂的占空比(dVB2,j)，以使所述低压侧直流输出正母线电压uLV1和负母线电压uLV2的幅值相同。
根据本发明的第三方面，提供一种应用于双极性直流变压器的控制装置，该装置包括：电压获取单元，用于获取所述双极性直流变压器的低压侧直流输出正母线电压(uLV1)和负母线电压(uLV2)；电流参考值确定单元，用于将所述uLV1和uLV2的电压差值进行低压侧均压环比例积分调节操作来确定所述低压侧子电路的第一电感、第二电感的电流参考值(iVBr)；电流获取单元，用于获取第j个功率子模块的第一电感的电流(iLVB1,j)、第二电感的电流(iLVB2,j)，其中，j为正整数；第三桥臂占空比确定单元，用于将iVBr和所述第一电感的电流(iLVB1,j)的电流差值进行低压侧电流环比例积分调节操作，得到占空比增量(△dVB1,j)，并根据预定初始占空比值与△dVB1,j的差值确定所述第j个功率子模块第三桥臂的占空比(dVB1,j)；第四桥臂占空比确定单元，用于根据iVBr与所述第二电感的电流(iLVB2,j)的电流差值进行低压侧电流环比例积分调节操作，得到占空比增量(△dVB2,j)，并根据所述预定初始占空比值与△dVB2,j的差值确定所述第j个功率子模块第四桥臂的占空比(dVB2,j)；占空比调节单元，用于根据预定规则调节所述第三桥臂的占空比(dVB1,j)和第四桥臂的占空比(dVB2,j)，以使所述低压侧直流输出正母线电压uLV1和负母线电压uLV2的幅值相同。
根据本发明的第四方面，提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述应用于双极性直流变压器的控制方法的步骤。
根据本发明的第五方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述应用于双极性直流变压器的控制方法的步骤。
由上述技术方案可知，本发明实施例提供的具有双极特性的直流变压器，其低压直流端口具有真双极输出特性，正、负母线端口可以独立带负载，并且通过电力电子开关器件的复用，可以降低直流变压器的成本和体积。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有的具有伪双极特性的直流变压器的结构示意图；
图2是现有的常规真双极特性的直流变压器的结构示意图；
图3是现有的利用电压均衡器实现真双极特性的直流变压器的结构示意图；
图4是根据本发明实施例的双极性直流变压器的结构示意图；
图5是根据本发明实施例的功率子模块的结构示意图；
图6是根据本发明实施例的高压侧子电路1的结构示意图；
图7是根据本发明实施例的低压侧子电路3的结构示意图；
图8是根据本发明实施例的低压侧子电路3的另一结构示意图；
图9是根据本发明实施例的应用于双极性直流变压器的控制结构示意图；
图10是根据本发明实施例的基于图9所示结构的控制方法流程图；
图11是根据本发明实施例的双极性直流变压器生成功率子模块电力电子器件驱动信号的示意图；
图12是根据本发明实施例的双极性直流变压器生成功率子模块移相角的控制结构示意图；
图13是根据本发明实施例的基于图12所示结构的控制方法流程图；
图14是根据本发明实施例的双极性直流变压器在低压侧正母线负载电流小于负母线负载电流工况下的功率子模块的电压及电流仿真结果示意图；
图15是根据本发明实施例的双极性直流变压器在低压侧正母线负载电流大于负母线负载电流工况下的功率子模块的电压及电流仿真结果示意图；
图16是根据本发明实施例的功率子模块低压侧均衡电感的电压、电流仿真结果示意图；
图17是根据本发明实施例的功率子模块低压侧均衡电感的电压、电流仿真结果示意图；
图18是根据本发明实施例的应用于双极性直流变压器的控制装置的结构框图；
图19是根据本发明实施例的应用于双极性直流变压器的控制装置的详细结构框图；
图20是根据本发明实施例的应用于双极性直流变压器的控制装置的另一详细结构框图；
图21是根据本发明实施例的电子设备的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种具有双极特性的直流变压器，该双极性直流变压器的低压直流端口具有真双极输出特性，正、负母线端口可以独立带负载，并且通过电力电子开关器件的复用，可以降低直流变压器的成本和体积。
图4是该双极性直流变压器的结构示意图，如图4所示，该双极性直流变压器包括：至少两个功率子模块，各功率子模块的高压侧端口依次串联形成所述双极性直流变压器的高压侧直流端口，各功率子模块的低压侧端口并联形成所述双极性直流变压器的低压侧直流端口。
具体而言，本发明实施例提供的双极性直流变压器由多个功率子模块组成。该双极性直流变压器采用串联输入并联输出的连接方式，功率子模块的高压侧端口顺次连接形成双极性直流变压器的高压侧直流端口，包括高压端口正极和负极；功率子模块的低压侧端口并联形成所述双极性直流变压器的低压侧直流端口，包括低压端口正极、地和负极。
图5是一个功率子模块(j)的结构示意图，如图5所示，功率子模块包括：高压侧子电路1、变压器(Tj)2以及低压侧子电路3，其中：
高压侧子电路包括：并联连接的高压侧电容器(Cin,j)11和高压侧H桥电路12，所述高压侧电容器与所述高压侧直流端口并联连接，所述高压侧H桥电路与所述变压器的高压侧绕组连接；
所述低压侧子电路包括：低压侧电感组合、以及并联连接的低压侧电容器组合和低压侧H桥电路，所述低压侧电感组合与所述变压器2的低压侧绕组连接，所述低压侧电容器组合与所述低压侧直流端口并联连接。
以下结合附图6和图7来详细描述高压侧子电路1和低压侧子电路3。
(一)高压侧子电路1
图6是高压侧子电路1的结构示意图，如图6所示，高压侧H桥电路12包括：第一桥臂121和第二桥臂122，其中，所述第一桥臂121包括：串联连接的第一电力电子器件(S1,j)1211和第二电力电子器件(S2,j)1212；所述第二桥臂122包括：串联连接的第三电力电子器件(S3,j)1221和第四电力电子器件(S4,j)1222。
所述第一电力电子器件1211的第一主电极、与所述高压侧电容器11的正极和所述第三电力电子器件1221的第一主电极连接，所述第一电力电子器件1211的第二主电极、与所述第二电力电子器件1212的第一主电极和所述变压器2的高压侧绕组的正极连接。
所述第二电力电子器件1212的第二主电极、与所述高压侧电容器11的负极和所述第四电力电子器件1222的第二主电极连接。
所述第三电力电子器件1221的第二主电极、与所述第四电力电子器件1222的第一主电极和所述变压器2的高压侧绕组的负极连接。
(二)低压侧子电路3
图7是低压侧子电路3的结构示意图，如图7所示，所述低压侧电感组合包括：并联连接的第一电感(LVB1,j)31和第二电感(LVB2,j)32，所述低压侧电容器组合包括：串联连接的第一电容器(CVB1,j)33和第二电容器(CVB2,j)34，其中，j为正整数。
所述第一电感31的正极与所述变压器2的低压侧绕组的正极连接，所述第一电感31的负极、与所述第二电感32的负极、所述第一电容器33负极、所述第二电容器34的正极、以及所述低压侧子电路的直流端口接地极连接，所述第二电感32的正极与所述变压器2的低压侧绕组的负极连接。
所述第一电容器33的正极与所述低压侧子电路的直流侧端口正极连接，所述第二电容器34的负极与所述低压侧子电路的直流侧端口负极连接。
继续参见图4，低压侧H桥电路35包括：第三桥臂351和第四桥臂352，其中，所述第三桥臂351包括：串联连接的第五电力电子器件(S5,j)3511和第六电力电子器件(S6,j)3512；所述第四桥臂352包括：串联连接的第七电力电子器件(S7,j)3521和第八电力电子器件(S8,j)3522。
所述第五电力电子器件3511的第一主电极、与所述第七电力电子器件3521的第一主电极、所述第一电容器33的正极和所述低压侧子电路的直流侧端口正极连接，所述第五电力电子器件3511的第二主电极、与所述第六电力电子器件3512的第一主电极、所述变压器2的低压侧绕组的正极和所述第一电感31的正极连接。
所述第六电力电子器件3512的第二主电极、与所述第八电力电子器件3522的第二主电极、所述第二电容器34的负极和所述低压侧子电路的直流侧端口负极连接。
所述第七电力电子器件3521的第二主电极、与所述第八电力电子器件3522的第一主电极、所述变压器2的低压侧绕组的负极和所述第二电感32的正极连接。
在实际操作中，低压侧电感组合可以为包括至少两个绕组的耦合电感元件，参见图8所示的低压侧子电路3的另一结构示意图。通过耦合电感35，还可以减小功率子模块均衡电感的体积和重量。
由以上描述可知，本发明实施例提供的双极性直流变压器，其低压直流端口具有真双极输出特性，正、负母线端口可以独立带负载；并且，通过电力电子开关器件的复用，可以节省功率子模块开关器件的数量，从而可以降低系统的体积和成本。
本发明实施例还提供一种应用于双极性直流变压器的控制方法，优选地应用于上述的双极性直流变压器。
该控制方法具体包括：(1)通过调节各个功率子模块高压侧H桥电路与低压侧H桥电路之间的移相角，控制低压侧直流输出正母线、负母线电压的电压和，同时实现各个功率子模块高压侧电容器电压的均压；(2)通过调节各个功率子模块低压侧子电路电力电子器件的占空比，使得所述低压侧直流输出正母线电压与负母线电压幅值相等。
为了更好地理解本发明实施例，以下结合附图来详细描述本发明实施例。
图9是根据本发明实施例的应用于双极性直流变压器的控制结构示意图，图10是基于图9所示结构的控制方法流程图，如图9、10所示，该方法包括：
步骤1001，获取所述双极性直流变压器的低压侧直流输出正母线电压(uLV1)和负母线电压(uLV2)；
步骤1002，将所述uLV1和uLV2的电压差值进行低压侧均压环比例积分(PI，proportional plus integral)调节操作来确定所述低压侧子电路的第一电感、第二电感的电流参考值(iVBr)；
步骤1003，获取第j个功率子模块的第一电感的电流(iLVB1,j)、第二电感的电流(iLVB2,j)，其中，j为正整数；
步骤1004，将第一电感、第二电感的电流参考值(iVBr)与所述第一电感的电流(iLVB1,j)的电流差值进行低压侧电流环比例积分调节操作，得到占空比增量(△dVB1,j)；根据预定初始占空比值(例如，0.5)与△dVB1,j的差值确定所述第j个功率子模块第三桥臂的占空比(dVB1,j)；
步骤1005，将第一电感、第二电感的电流参考值(iVBr)与所述第二电感的电流(iLVB2,j)的电流差值进行低压侧电流环比例积分调节操作，得到占空比增量(△dVB2,j)，根据预定初始占空比值(例如，0.5)与△dVB2,j的差值确定所述第j个功率子模块第四桥臂的占空比(dVB2,j)；
步骤1006，根据预定规则调节所述第三桥臂的占空比(dVB1,j)和第四桥臂的占空比(dVB2,j)，以使所述低压侧直流输出正母线电压(uLV1)和负母线电压(uLV2)的幅值相同。
这里的预定规则可以是基于现有经验的规则，以实现低压侧直流输出正母线电压和负母线电压的幅值相同。
之后，根据第j个功率子模块的第一桥臂对应的三角载波分别确定第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂对应的三角载波；以及，根据预定初始占空比值(例如，0.5)确定所述第一桥臂和第二桥臂对应的调制波，根据上述第三桥臂的占空比(dVB1,j)确定第三桥臂对应的调制波，根据上述第四桥臂的占空比(dVB2,j)确定第四桥臂对应的调制波。
图11是根据本发明实施例的双极性直流变压器生成功率子模块电力电子器件驱动信号的示意图，如图11所示，所有三角载波周期均为Ts，最小值为0，最大值为1；以所述第j个功率子模块高压侧第一桥臂对应的三角载波为基准，第二桥臂对应三角载波移相时间为Ts/2，低压侧第三桥臂移相时间为低压侧第四桥臂移相时间为
Figure BDA0002229443240000082
所述第一桥臂、第二桥臂调制波固定为0.5，第三桥臂调制波为dVB1,j，第四桥臂调制波为dVB2,j。
根据第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂对应的载波和调制波可以分别确定各自桥臂中电力电子器件的驱动信号，每个桥臂中的两个电力电子开关器件的驱动信号互补。
图12是根据本发明实施例的双极性直流变压器生成功率子模块移相角的控制结构示意图，图13是基于图12所示结构的控制方法流程图，如图12、图13所示，该方法包括：
步骤1301，根据低压侧直流输出正母线电压(uLV1)和负母线电压(uLV2)的电压和(uLV)、以及预先设定的参考电压(uLVr)确定公共移相角
Figure BDA0002229443240000091
具体而言，根据预先设定的参考电压(uLVr)与所述uLV确定电压差值；并将所述电压差值进行电压环比例积分(PI)调节，确定公共移相角
Figure BDA0002229443240000092
步骤1302，为了实现功率子模块均压功能，获取所述第j个功率子模块的高压侧电容器电压(uC_HV,j)，并根据各高压侧电容器电压(uC_HV,j)计算高压侧电容器的平均电压(uC_HV_avg)；
步骤1303，根据所述uC_HV,j和所述uC_HV_avg确定所述第j个功率子模块的移相角调整值
Figure BDA0002229443240000093
具体而言，将uC_HV,j和所述uC_HV_avg的电压差值经过高压侧均压环比例积分调节，得到第j个功率子模块移相角的调整值
Figure BDA0002229443240000096
之后根据所述公共移相角
Figure BDA0002229443240000094
和所述
Figure BDA0002229443240000095
的差值确定所述第j个功率子模块的移相角
步骤1304，根据预定规则调节各功率子模块的移相角，以控制所述低压侧直流输出正母线电压和负母线电压的电压和。
这里的预定规则可以是基于现有经验的规则，以有效控制所述低压侧直流输出正母线电压和负母线电压的电压和。
通过调节功率子模块高压侧H桥电路与低压侧H桥电路之间的移相角，可以控制低压侧直流输出正母线、负母线电压的电压和，同时实现各个功率子模块高压侧电容器电压的均压。
以下结合附图对本发明实施例中的双极性直流变压器进行仿真试验。在仿真模型中，直流变压器包含10个功率子模块，高压侧端口电压20kV，每个功率子模块高压侧电容器额定电压为2kV，低压侧端口电压±0.375kV，额定功率为1MW。功率子模块开关频率为20kHz，均衡电感感量为200μH。利用上述参数对所述双极性直流变压器进行仿真，可以得到图14-图16所示的仿真结果。
图14是根据本发明实施例的双极性直流变压器在低压侧正母线负载电流小于负母线负载电流工况下的功率子模块的电压及电流仿真结果示意图，图16是功率子模块低压侧均衡电感的电压、电流仿真结果示意图，其中，曲线uLV1和曲线uLV2基本重合。
图15是在低压侧正母线负载电流大于负母线负载电流工况下的功率子模块的电压及电流仿真结果示意图，图17是功率子模块低压侧均衡电感的电压、电流仿真结果示意图，其中，曲线uLV1和曲线uLV2基本重合。
本发明实施例还提供一种应用于双极性直流变压器的控制装置，优选地，该装置可以用于实现上述的方法实施例。图18是该装置的结构框图，如图18所示，该装置包括：电压获取单元181、电流参考值确定单元182、电流获取单元183、第三桥臂占空比确定单元184、第四桥臂占空比确定单元185和占空比调节单元186，其中：
电压获取单元181，用于获取所述双极性直流变压器的低压侧直流输出正母线电压(uLV1)和负母线电压(uLV2)；
电流参考值确定单元182，用于将所述uLV1和uLV2的电压差值进行低压侧均压环比例积分调节操作来确定所述低压侧子电路的第一电感、第二电感的电流参考值(iVBr)；
电流获取单元183，用于获取第j个功率子模块的第一电感的电流、第二电感的电流，其中，j为正整数；
第三桥臂占空比确定单元184，用于将iVBr和所述第一电感的电流的电流差值进行低压侧电流环比例积分调节操作，得到占空比增量(△dVB1,j)，并根据预定初始占空比值与△dVB1,j的差值确定所述第j个功率子模块第三桥臂的占空比(dVB1,j)；
第四桥臂占空比确定单元185，用于根据iVBr与所述第二电感的电流的电流差值进行低压侧电流环比例积分调节操作，得到占空比增量(△dVB2,j)，并根据所述预定初始占空比值与△dVB2,j的差值确定所述第j个功率子模块第四桥臂的占空比(dVB2,j)；
占空比调节单元186，用于根据预定规则调节所述第三桥臂的占空比(dVB1,j)和第四桥臂的占空比(dVB2,j)，以使所述低压侧直流输出正母线电压和负母线电压的幅值相同。
在实际操作中，如图19所示，上述装置还可以包括：三角载波确定单元191、调制波确定单元192和驱动信号确定单元193，其中：
三角载波确定单元191，用于根据所述第j个功率子模块的第一桥臂对应的三角载波分别确定第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂对应的三角载波；
调制波确定单元192，用于根据所述预定初始占空比值确定所述第一桥臂和第二桥臂对应的调制波，根据所述第三桥臂的占空比确定所述第三桥臂对应的调制波，根据所述第四桥臂的占空比确定所述第四桥臂对应的调制波。
驱动信号确定单元193，用于根据所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂对应的载波和调制波分别确定各自桥臂中电力电子器件的驱动信号。
进一步地，如图20所示，上述装置还可以包括：公共移相角确定单元201、高压侧电容器电压计算单元202、移相角确定单元203和移相角调节单元204，其中：
公共移相角确定单元201，用于根据所述正母线电压和负母线电压的电压和、以及预先设定的参考电压确定公共移相角；
高压侧电容器电压计算单元202，用于获取所述第j个功率子模块的高压侧电容器电压(uC_HV,j)，并根据各高压侧电容器电压(uC_HV,j)计算高压侧电容器的平均电压(uC_HV_avg)；
移相角确定单元203，用于根据所述uC_HV,j和所述uC_HV_avg确定所述第j个功率子模块的移相角调整值
Figure BDA0002229443240000111
并根据所述公共移相角和所述
Figure BDA0002229443240000112
确定所述第j个功率子模块的移相角；
移相角调节单元204，用于根据预定规则调节各功率子模块的移相角，以控制所述低压侧直流输出正母线电压和负母线电压的电压和。
在具体实施过程中，上述各单元可以合一设置、也可以单一设置，本发明不限于此。
上述各单元的具体执行功能可以参见上述方法实施例中的描述，此处不再赘述。
图21是根据本发明实施例的电子设备的示意图。图21所示的电子设备为通用数据处理装置，其包括通用的计算机硬件结构，其至少包括处理器2101和存储器2102。处理器2101和存储器2102通过总线2103连接。存储器2102适于存储处理器2101可执行的一条或多条指令或程序。该一条或多条指令或程序被处理器2101执行以实现上述应用于双极性直流变压器的控制方法中的步骤。
上述处理器2101可以是独立的微处理器，也可以是一个或者多个微处理器集合。由此，处理器2101通过执行存储器2102所存储的命令，从而执行如上所述的本发明实施例的方法流程实现对于数据的处理和对于其他装置的控制。总线2103将上述多个组件连接在一起，同时将上述组件连接到显示控制器2104和显示装置以及输入/输出(I/O)装置2105。输入/输出(I/O)装置2105可以是鼠标、键盘、调制解调器、网络接口、触控输入装置、体感输入装置、打印机以及本领域公知的其他装置。典型地，输入/输出(I/O)装置2105通过输入/输出(I/O)控制器2106与系统相连。
其中，存储器2102可以存储软件组件，例如操作系统、通信模块、交互模块以及应用程序。以上所述的每个模块和应用程序都对应于完成一个或多个功能和在发明实施例中描述的方法的一组可执行程序指令。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时以实现上述应用于双极性直流变压器的控制方法的步骤。
综上所述，针对低压直流配电网一般采用双极性供电的特点，本发明实施例提出了一种双极性直流变压器及其控制方案，本发明实施例提供的直流变压器的低压直流端口具有真双极输出特性，正、负母线端口可以独立带负载；并且，通过电力电子开关器件的复用，可以节省功率子模块开关器件的数量，降低系统体积和成本；另外，在本发明实施例提供的控制方案中，移相角控制器和低压侧均衡占空比控制器相互解耦，方便独立设计。
以上参照附图描述了本发明的优选实施方式。这些实施方式的许多特征和优点根据该详细的说明书是清楚的，因此权利要求旨在覆盖这些实施方式的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施方式限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (16)

1.一种双极性直流变压器，其特征在于，所述双极性直流变压器包括：
至少两个功率子模块，各功率子模块的高压侧端口依次串联形成所述双极性直流变压器的高压侧直流端口，各功率子模块的低压侧端口并联形成所述双极性直流变压器的低压侧直流端口，
所述功率子模块包括：高压侧子电路、变压器以及低压侧子电路，其中：
所述高压侧子电路包括：并联连接的高压侧电容器和高压侧H桥电路，所述高压侧电容器与所述高压侧直流端口并联连接，所述高压侧H桥电路与所述变压器的高压侧绕组连接，
所述低压侧子电路包括：低压侧电感组合、以及并联连接的低压侧电容器组合和低压侧H桥电路，所述低压侧电感组合与所述变压器的低压侧绕组连接，所述低压侧电容器组合与所述低压侧直流端口并联连接。
2.根据权利要求1所述的双极性直流变压器，其特征在于，所述高压侧H桥电路包括：第一桥臂和第二桥臂，其中，
所述第一桥臂包括：串联连接的第一电力电子器件和第二电力电子器件，
所述第二桥臂包括：串联连接的第三电力电子器件和第四电力电子器件，
所述第一电力电子器件的第一主电极与所述高压侧电容器的正极和所述第三电力电子器件的第一主电极连接，所述第一电力电子器件的第二主电极与所述第二电力电子器件的第一主电极和所述变压器的高压侧绕组的正极连接，
所述第二电力电子器件的第二主电极与所述高压侧电容器的负极、所述第四电力电子器件的第二主电极连接，
所述第三电力电子器件的第二主电极与所述第四电力电子器件的第一主电极、所述变压器的高压侧绕组的负极连接。
3.根据权利要求1所述的双极性直流变压器，其特征在于，
所述低压侧电感组合包括：并联连接的第一电感和第二电感，所述低压侧电容器组合包括：串联连接的第一电容器和第二电容器，
所述第一电感的正极与所述变压器的低压侧绕组的正极连接，所述第一电感的负极与所述第二电感的负极、所述第一电容器负极、所述第二电容器的正极、以及所述低压侧子电路的直流端口接地极连接，所述第二电感的正极与所述变压器的低压侧绕组的负极连接，
所述第一电容器的正极与所述低压侧子电路的直流侧端口正极连接，所述第二电容器负极与所述低压侧子电路的直流侧端口负极连接。
4.根据权利要求3所述的双极性直流变压器，其特征在于，所述低压侧H桥电路包括：第三桥臂和第四桥臂，其中，
所述第三桥臂包括：串联连接的第五电力电子器件和第六电力电子器件，
所述第四桥臂包括：串联连接的第七电力电子器件和第八电力电子器件，
所述第五电力电子器件的第一主电极与所述第七电力电子器件的第一主电极、所述第一电容器的正极和所述低压侧子电路的直流侧端口正极连接，所述第五电力电子器件的第二主电极与所述第六电力电子器件的第一主电极、所述变压器的低压侧绕组的正极和所述第一电感的正极连接，
所述第六电力电子器件的第二主电极与所述第八电力电子器件的第二主电极、所述第二电容器的负极和所述低压侧子电路的直流侧端口负极连接，
所述第七电力电子器件的第二主电极与所述第八电力电子器件的第一主电极、所述变压器的低压侧绕组的负极、所述第二电感的正极连接。
5.根据权利要求1所述的双极性直流变压器，其特征在于，所述低压侧电感组合为包括至少两个绕组的耦合电感元件。
6.一种应用于双极性直流变压器的控制方法，其特征在于，所述方法包括：
获取所述双极性直流变压器的低压侧直流输出正母线电压uLV1和负母线电压uLV2；
将所述uLV1和uLV2的电压差值进行低压侧均压环比例积分调节操作来确定所述低压侧子电路的第一电感、第二电感的电流参考值iVBr；
获取第j个功率子模块的第一电感的电流iLVB1,j、第二电感的电流iLVB2,j，其中，j为正整数；
将iVBr和所述第一电感的电流iLVB1,j的电流差值进行低压侧电流环比例积分调节操作，得到占空比增量△dVB1,j；根据预定初始占空比值与△dVB1,j的差值确定所述第j个功率子模块第三桥臂的占空比dVB1,j；
将iVBr与所述第二电感的电流iLVB2,j的电流差值进行低压侧电流环比例积分调节操作，得到占空比增量△dVB2,j，根据所述预定初始占空比值与△dVB2,j的差值确定所述第j个功率子模块第四桥臂的占空比dVB2,j；
根据预定规则调节所述第三桥臂的占空比dVB1,j和第四桥臂的占空比dVB2,j，以使所述低压侧直流输出正母线电压uLV1和负母线电压uLV2的幅值相同。
7.根据权利要求6所述的应用于双极性直流变压器的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述正母线电压uLV1和负母线电压uLV2的电压和、以及预先设定的参考电压uLVr确定公共移相角
Figure FDA0002229443230000031
获取所述第j个功率子模块的高压侧电容器电压uC_HV,j，并根据各高压侧电容器电压uC_HV,j计算高压侧电容器的平均电压uC_HV_avg；
根据所述uC_HV,j和所述uC_HV_avg确定所述第j个功率子模块的移相角调整值
Figure FDA0002229443230000034
并根据所述公共移相角
Figure FDA0002229443230000035
和所述
Figure FDA0002229443230000036
确定所述第j个功率子模块的移相角
根据预定规则调节各功率子模块的移相角，以控制所述低压侧直流输出正母线电压uLV1和负母线电压uLV2的电压和。
8.根据权利要求7所述的应用于双极性直流变压器的控制方法，其特征在于，根据所述正母线电压uLV1和负母线电压uLV2的电压和uLV、以及预先设定的参考电压uLVr确定公共移相角
Figure FDA0002229443230000032
包括：
根据所述预先设定的参考电压uLVr与所述uLV确定电压差值；
将所述电压差值进行电压环比例积分调节，确定公共移相角
Figure FDA0002229443230000033
9.根据权利要求6所述的应用于双极性直流变压器的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述第j个功率子模块的第一桥臂对应的三角载波分别确定第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂对应的三角载波；
根据所述预定初始占空比值确定所述第一桥臂和第二桥臂对应的调制波，根据所述第三桥臂的占空比dVB1,j确定所述第三桥臂对应的调制波，根据所述第四桥臂的占空比dVB2,j确定所述第四桥臂对应的调制波。
10.根据权利要求9所述的应用于双极性直流变压器的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂对应的载波和调制波分别确定各自桥臂中电力电子器件的驱动信号。
11.一种应用于双极性直流变压器的控制装置，其特征在于，所述装置包括：
电压获取单元，用于获取所述双极性直流变压器的低压侧直流输出正母线电压uLV1和负母线电压uLV2；
电流参考值确定单元，用于将所述uLV1和uLV2的电压差值进行低压侧均压环比例积分调节操作来确定所述低压侧子电路的第一电感、第二电感的电流参考值iVBr；
电流获取单元，用于获取第j个功率子模块的第一电感的电流iLVB1,j、第二电感的电流iLVB2,j，其中，j为正整数；
第三桥臂占空比确定单元，用于将iVBr和所述第一电感的电流iLVB1,j的电流差值进行低压侧电流环比例积分调节操作，得到占空比增量△dVB1,j，并根据预定初始占空比值与△dVB1,j的差值确定所述第j个功率子模块第三桥臂的占空比dVB1,j；
第四桥臂占空比确定单元，用于根据iVBr与所述第二电感的电流iLVB2,j的电流差值进行低压侧电流环比例积分调节操作，得到占空比增量△dVB2,j，并根据所述预定初始占空比值与△dVB2,j的差值确定所述第j个功率子模块第四桥臂的占空比dVB2,j；
占空比调节单元，用于根据预定规则调节所述第三桥臂的占空比dVB1,j和第四桥臂的占空比dVB2,j，以使所述低压侧直流输出正母线电压uLV1和负母线电压uLV2的幅值相同。
12.根据权利要求11所述的应用于双极性直流变压器的控制装置，其特征在于，所述装置还包括：
公共移相角确定单元，用于根据所述正母线电压uLV1和负母线电压uLV2的电压和、以及预先设定的参考电压uLVr确定公共移相角
Figure FDA0002229443230000045
高压侧电容器电压计算单元，用于获取所述第j个功率子模块的高压侧电容器电压uC_HV,j，并根据各高压侧电容器电压uC_HV,j计算高压侧电容器的平均电压uC_HV_avg；
移相角确定单元，用于根据所述uC_HV,j和所述uC_HV_avg确定所述第j个功率子模块的移相角调整值
Figure FDA0002229443230000043
并根据所述公共移相角
Figure FDA0002229443230000041
和所述确定所述第j个功率子模块的移相角
Figure FDA0002229443230000044
移相角调节单元，用于根据预定规则调节各功率子模块的移相角，以控制所述低压侧直流输出正母线电压uLV1和负母线电压uLV2的电压和。
13.根据权利要求11所述的应用于双极性直流变压器的控制装置，其特征在于，所述装置还包括：
三角载波确定单元，用于根据所述第j个功率子模块的第一桥臂对应的三角载波分别确定第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂对应的三角载波；
调制波确定单元，用于根据所述预定初始占空比值确定所述第一桥臂和第二桥臂对应的调制波，根据所述第三桥臂的占空比dVB1,j确定所述第三桥臂对应的调制波，根据所述第四桥臂的占空比dVB1,j确定所述第四桥臂对应的调制波。
14.根据权利要求13所述的应用于双极性直流变压器的控制装置，其特征在于，所述装置还包括：
驱动信号确定单元，用于根据所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂对应的载波和调制波分别确定各自桥臂中电力电子器件的驱动信号。
15.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求6至10中任一项所述应用于双极性直流变压器的控制方法的步骤。
16.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求6至10中任一项所述应用于双极性直流变压器的控制方法的步骤。
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