CN110912412B - 一种直流变压器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种直流变压器，包括两类功率模块，第一类功率模块为基于移相型双有源桥变换器，第二类功率模块为基于并联的移相型双有源桥变换器和谐振型双有源桥变换器。在连续控制周期内，第一类功率模块采用低压侧或高压侧储能电容电压闭环和移相控制方式，第二类功率模块的谐振型双有源桥变换器采用开环的占空比为50％方波的电压输出控制方式，第二类功率模块的移相型双有源桥变换器采用高压侧储能电容电压闭环和移相控制方式。与现有技术相比，本发明在提高系统电能传输效率的同时，可保证系统运行的可靠性。

Description

一种直流变压器及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种直流变压器及其控制方法。
背景技术
目前，现有配电网中均采用交流形式进行电能传输。近年来，如计算机、手机、平板电脑等消费类电子产品、LED、数据中心和电动汽车等直流负荷和光伏、风能和太阳能等分布式可再生能源在配电系统中所占比例越来越重，通过构建直流配电网可以直接实现可再生能源与直流负荷之间的能量交互，从而节省大量电能变换环节，减小成本、降低损耗，提高电能传输效率。另外，与传统交流配电网相比，直流配电网具有供电容量更大、供电半径更长、电能质量问题不突出，不存在无功补偿问题等优势。
直流变压器是未来直流配电网的重要组成部分。与传统交流电力变压器相比，直流变压器一般可通过采用电力电子换流器和高频(相对工频而言)隔离变压器构成，通过控制电力电子换流器和高频变压器可以实现不同直流电压等级之间的能量变换与电气隔离。此外，直流变压器还具备装置自动保护、故障隔离和直流端口能量双向流动等功能。
面向中压20kV等级配电应用的直流变压器，受功率半导体耐压水平限制，一般可由多个功率模块构成，每个功率模块采用双有源桥变换器，且各模块按照高压侧级联低压侧并联方式进行连接。在实际运行中，效率和可靠性常为直流变压器考核指标。为实现直流变压器高效率运行，专利CN201710577477.X，提出一种基于混合移相型双有源桥变换器和谐振型双有源桥变换器的直流变压器。但是，由于谐振型双有源桥变换器处于开环状态，当高压侧电压发生波动时，内部高频电流容易过流从而导致变压器和开关器件发生损坏。当谐振型双有源桥变换器内部发生故障，导致开关器件闭锁时，其高压侧直流储能电容电压将会持续上升，最终导致整个系统无法正常运行。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术缺点，提出一种新型直流变压器。本发明的直流变压器中，一部分功率模块由移相型双有源桥变换器组成，另一部分功率模块由高压侧、低压侧电容并联的混合型双有源桥变换器组成，在系统运行成本允许的范围内，可进一步提高电能传输效率，同时可保证系统运行可靠性。
所述的直流变压器包含两类功率模块，两类功率模块在第一直流端口处采用级联方式连接，在第二直流端口处采用并联方式连接。
第一类功率模块由N个移相型双有源桥变换器级联构成，N的取值范围为10～15。每个移相型双有源桥变换器高压侧储能电容CH1的正极端子a连接至相邻移相型双有源桥变换器移相型双有源桥变换器CH1的负极端子b。每个移相型双有源桥变换器低压侧储能电容CL1的正极端子m均连接至相邻移相型双有源桥变换器低压侧储能电容CL1的正极端子m，每个移相型双有源桥变换器低压侧储能电容CL1的负极端子n均连接至相邻移相型双有源桥变换器低压侧储能电容CL1的负极端子n。
第二类功率模块由K个混合型双有源桥变换器级联构成，K的取值范围为10～15。每个混合型双有源桥变换器高压侧储能电容CH1的正极端子a连接至相邻混合型双有源桥变换器高压侧储能电容CH1的负极端子b。每个混合型功率双有源桥变换器均包含移相型双有源桥变换器和谐振型双有源桥变换器。谐振型双有源桥变换器高压侧储能电容CH2的正极端子o连接至移相型双有源桥变换器高压侧储能电容CH1的正极端子a，谐振型双有源桥变换器高压侧储能电容CH2的负极端子p连接至移相型双有源桥变换器高压侧储能电容CH1的负极端子b。谐振型双有源桥变换器低压侧储能电容CL2的正极端子y连接至移相型双有源桥变换器低压侧储能电容CL1的正极端子m，谐振型双有源桥变换器低压侧储能电容CL2的负极端子z连接至移相型双有源桥变换器低压侧储能电容CL1的负极端子n。每个混合型双有源桥变换器低压侧储能电容CL1的正极端子m连接至相邻混合型双有源桥变换器低压侧储能电容CL1的正极端子m。每个混合型双有源桥变换器低压侧储能电容CL1的负极端子n连接至相邻混合型双有源桥变换器低压侧储能电容CL1的负极端子n。
所述的直流变压器中，第一类功率模块第一移相型双有源桥变换器高压侧储能电容CH1的正极端子a连接至第一直流端口正极端子P1，第一类功率模块第N移相型双有源桥变换器高压侧储能电容CH1的负极端子b连接至第二类功率模块第一混合型双有源桥变换器高压侧储能电容CH1的正极端子a，第二类功率模块第K混合型双有源桥变换器高压侧储能电容CH1的负极端子b连接至第一直流端口负极端子N1；第一类功率模块第一移相型双有源桥变换器低压侧储能电容CL1的正极端子m连接至第二直流端口正极端子P2，第一类功率模块第一移相型双有源桥变换器低压侧储能电容CL1的负极端子n连接至第二直流端口正极端子N2，第一类功率模块第N移相型双有源桥变换器低压侧储能电容CL1的正极端子m连接至第一混合型双有源桥变换器低压侧储能电容CL1的正极端子m，第N移相型双有源桥变换器低压侧储能电容CL1的负极端子n连接至第一混合型双有源桥变换器低压侧储能电容CL1的负极端子n。
所述的移相型双有源桥变换器由高压侧储能电容CH1、高压侧H桥单元、高频变压器TFH1、低压侧H桥单元和低压侧储能电容CL1构成。高压侧H桥单元与高压侧储能单元CH1并联连接，低压侧H桥单元与低压侧直流储能单元CL1并联连接；高压侧H桥单元的端子c与高频变压器TFH1的高压侧上端e相连，高频变压器TFH1的高压侧下端f与高压侧H桥单元的端子d相连，高频变压器TFH1的低压侧上端g与低压侧H桥单元的端子i相连，高频变压器TFH1的低压侧下端h与低压侧H桥单元的端子j相连。同时高压侧H桥单元的两端分别连接移相型双有源桥变换器的高压侧储能电容CH1的正极端子a和负极端子b，低压侧H桥单元两端分别连接移相型双有源桥变换器的低压侧储能电容CL1的正极端子m和负极端子n。
所述的谐振型双有源桥变换器由高压侧储能电容CH2、高压侧H桥单元、高压侧谐振电容Cr1、高频变压器TFH2、低压侧谐振电容Cr2、低压侧H桥单元，以及低压侧储能电容CL2组成。高压侧H桥单元与高压侧直流储能单元CH2并联连接，低压侧H桥单元与低压侧储能单元CL2并联连接，高压侧H桥单元的端子q与高压侧谐振电容Cr1的正极相连，低压侧H桥单元的端子w与低压侧谐振电容Cr2的负极相连，高频变压器TFH2的高压侧上端s与高压侧谐振电容Cr1的负极相连，高频变压器TFH2的高压侧下端t与高压侧H桥单元的端子r相连，高频变压器TFH2的低压侧上端u与低压侧谐振电容Cr2的正极相连，高频变压器TFH2的低压侧下端v与低压侧H桥单元的端子x相连。同时高压侧H端子o桥单元的两端分别连接谐振型双有源桥变换器的高压侧储能电容CH2的正极和负极端子p，低压侧H桥单元的两端分别连接谐振型双有源桥变换器的低压侧储能电容CL2的正极端子y和负极端子z。
所述的直流变压器中，第一类功率模块内部N个移相型双有源桥变换器结构相同，参数相同；第二类功率模块内部K个移相型双有源桥变换器结构相同，参数相同；第二类功率模块内部K个谐振型双有源桥变换器结构相同，参数相同；两类功率模块高压侧储能电容CH1和CH2结构相同，参数相同；两类功率模块低压侧储能电容CL2和CL2结构相同，参数相同；第一类功率模块高频变压器TFH1和第二类功率模块高频变压器TFH2结构相同，参数相同。
所述的直流变压器正常工作时，第一类功率模块的N个移相型双有源桥变换器中，当能量从第一直流端口流向第二直流端口时，在连续开关周期Ts内，Ts取值为0.0001s～0.001s，每个移相型双有源桥变换器驱动高压侧H桥单元开关器件S1至S4产生50％占空比方波电压ucd，通过移相控制，每个移相型双有源桥变换器驱动低压侧H桥单元开关器件S6至S8，产生相位滞后
Figure BDA0002300802000000041
角的50％占空比方波电压uij，通过电压传感器采集的第二直流端口实时电压uP2N2与预先设定的电压参考值比较后，经过传统电容电压闭环后得到各移相型双有源桥变换器公共移相角
Figure BDA0002300802000000042
且
Figure BDA0002300802000000043
通过高压侧电容电压均衡控制后获得各移相型双有源桥变换器移相偏差角
Figure BDA0002300802000000051
且
Figure BDA0002300802000000052
则各移相型双有源桥变换器移相角
Figure BDA0002300802000000053
当能量从第二直流端口流向第一直流端口时，在连续开关周期Ts内，每个移相型双有源桥变换器驱动低压侧H桥单元开关器件S6至S8，产生50％占空比方波电压uij，通过移相控制，每个移相型双有源桥变换器驱动高压侧H桥单元开关器件S1至S4产生相位滞后
Figure BDA00023008020000000510
角的50％占空比方波电压ucd，通过电压传感器采集并计算第一类功率模块中所有高压侧储能电容电压及第二类功率模块中各移相型双有源桥高压侧储能电容电压总和usum，将此电压总和usum与预先设定的电压参考值比较后，经过传统电容电压闭环控制，得到各移相型双有源桥变换器公共移相角
Figure BDA0002300802000000054
且
Figure BDA0002300802000000055
通过高压侧电容电压均衡控制后获得各移相型双有源桥变换器移相偏差角
Figure BDA0002300802000000056
且
Figure BDA0002300802000000057
Figure BDA0002300802000000058
则各移相型双有源桥变换器移相角
Figure BDA0002300802000000059
所述的直流变压器正常工作时，第二类功率模块内部K个谐振型双有源桥变换器中，当能量从第一直流端口流向第二直流端口时，闭锁K个谐振型双有源桥变换器低压侧H桥单元开关器件，同时高压侧H桥单元开关器件均采用开环的占空比50％方波的电压输出控制方法，以单开关周期TC为例，TC取值为0.0001s～0.001s，前0.5TC内K个谐振型双有源桥变换器高压侧H桥单元导通T1、T4开关管，后0.5TC内K个谐振型双有源桥变换器高压侧H桥单元导通T2、T3开关管，且高压侧H桥单元中器件的开关频率和由谐振电容Cr1、Cr2与第二类功率模块谐振型双有源桥变换器内部高频变压器漏感Lr2所形成谐振网络的工作频率fres相同。
所述的直流变压器正常工作时，第二类功率模块内部K个谐振型双有源桥变换器中，当能量从第二直流端口流向第一直流端口时，闭锁K个谐振型双有源桥变换器高压侧H桥单元开关器件，同时低压侧H桥单元开关器件均采用开环的占空比50％方波的电压输出控制方法，以单开关周期TC为例，TC取值为0.0001s～0.001s，前0.5TC内K个谐振型双有源桥变换器低压侧H桥单元导通T5、T8开关管，后0.5TC内K个谐振型双有源桥变换器低压侧H桥单元导通T6、T7开关管，且低压侧H桥单元中器件的开关频率和由谐振电容Cr1、Cr2与第二类功率模块谐振型双有源桥变换器内部高频变压器漏感Lr2所形成谐振网络的工作频率fres相同。
所述的直流变压器正常工作时，第二类功率模块的K个移相型双有源桥变换器中，当能量从第一直流端口流向第二直流端口时，在连续开关周期Ts内，Ts取值为0.0001s～0.001s，每个移相型双有源桥变换器驱动高压侧H桥单元开关器件S1至S4产生50％占空比方波电压ucd，通过移相控制，每个移相型双有源桥变换器驱动低压侧H桥单元开关器件S6至S8，产生相位滞后
Figure BDA0002300802000000061
角的50％占空比方波电压uij，通过电压传感器采集的每个移相型双有源桥变换器高压侧电容电压与预先设定的电压参考值U1_ref比较后，通过传统电容电压闭环控制，获得各移相型双有源桥变换器移相偏差角
Figure BDA0002300802000000062
且
Figure BDA0002300802000000063
则各移相型双有源桥变换器移相角度
Figure BDA0002300802000000064
为当能量从第一直流端口流向第二直流端口时，第一类功率模块各移相型双有源桥变换器公共移相角。此外，第二类功率模块各移相型双有源桥变换器高压侧电容电压无需施加均衡控制。
所述的直流变压器正常工作时，第二类功率模块的K个移相型双有源桥变换器中，当能量从第二直流端口流向第一直流端口时，在连续开关周期Ts内，Ts取值为0.0001s～0.001s，每个移相型双有源桥变换器驱动低压侧H桥单元开关器件S6至S8，产生50％占空比方波电压uij，通过移相控制，每个移相型双有源桥变换器驱动高压侧H桥单元开关器件S1至S4产生相位滞后
Figure BDA0002300802000000068
角的50％占空比方波电压ucd，通过电压传感器采集的每个移相型双有源桥变换器高压侧电容电压与预先设定的电压参考值U2_ref比较后，通过传统电容电压闭环控制后获得各移相型双有源桥变换器移相偏差角
Figure BDA0002300802000000065
且
Figure BDA0002300802000000066
则各移相型双有源桥变换器移相角度
Figure BDA0002300802000000067
为当能量从第二直流端口流向第一直流端口时，第一类功率模块各移相型双有源桥变换器公共移相角。此外，第二类功率模块各移相型双有源桥变换器高压侧电容电压无需施加均衡控制。
所述的直流变压器正常工作时，第二类功率模块的K个混合双有源桥变换器中，当能量从第一直流端口流向第二直流端口时，通过调节电压参考值U1_ref，可改变内部移相型双有源桥变换器和谐振型双有源桥变换器传输功率分布，电压参考值U1_ref计算为：
Figure BDA0002300802000000071
其中，UO为电压传感器所采集的第二直流端口电压值，Rloss为第二类功率模块内部谐振型双有源变换器线路损耗电阻，kTF2为第二类功率模块内部高频变压器TF2原副边线圈匝数比，P1_rat为所述直流变压器能量从第一直流端口流向第二直流端口时的额定传输功率，N和K分别为所述直流变压器中的第一类功率模块和第二类功率模块数量，P1_ref为所述直流变压器能量从第一直流端口流向第二直流端口时的第二类功率模块内部谐振型双有源变换器功率参考值。U1_ref为所述直流变压器能量从第一直流端口流向第二直流端口时的第二类功率模块内部谐振型双有源变换器高压侧电容电压参考值。所述的直流变压器正常工作时，第二类功率模块的K个混合双有源桥变换器中，当能量从第二直流端口流向第一直流端口时，通过调节电压参考值U2_ref，可改变内部移相型双有源桥变换器和谐振型双有源桥变换器传输功率分布，电压参考值U2_ref可计算为：
Figure BDA0002300802000000072
其中，UO为电压传感器所采集的第二直流端口电压值，Rloss为第二类功率模块内部谐振型双有源变换器线路损耗电阻，kTF2为第二类功率模块内部高频变压器TF2原副边线圈匝数比，P2_rat为所述直流变压器能量从第二直流端口流向第一直流端口时的额定传输功率，N和K分别为所述直流变压器中的第一类功率模块和第二类功率模块数量，P2_ref为所述直流变压器能量从第二直流端口流向第一直流端口时的第二类功率模内部谐振型双有源变换器功率参考值。U2_ref为所述直流变压器能量从第二直流端口流向第一直流端口时的第二类功率模块内部谐振型双有源变换器高压侧电容电压参考值。
所述的直流变压器中，若第二类功率模块的M个谐振型双有源桥变换器发生高频变压器过流、过温或高低压直流储能电容过压等故障,且M≤K时，需闭锁高压侧和低压侧的H桥变换器，则所述的直流变压器第一类功率模块数量由N增加至N+M，第二类功率模块数由有K递减至K-M，当能量从第一直流端口流向第二直流端口时，重新计算第一类功率模块移相型双有源桥变换器的移相角
Figure BDA0002300802000000081
以及第二类功率模块中各移相型双有源桥变换器的移相角
Figure BDA0002300802000000082
当能量从第二直流端口流向第一直流端口时，重新计算第一类功率模块(1)移相型双有源桥变换器的移相角
Figure BDA0002300802000000083
以及第二类功率模块中各移相型双有源桥变换器的移相角
Figure BDA0002300802000000084
本发明所述的混合模块型直流变压器及其控制方法，在额定工况下运行时，第一类功率模块内部移相型双有源桥变换器可通过闭环控制改变高低压侧H桥变换器所产生的方波电压相位来进行功率传输，第二类功率模块内部谐振型双有源桥变换器和移相型双有源桥变换器均进行功率传输。且当第二类功率模块内部谐振型双有源桥变换器发生高频变压器过流、过温或高低压直流储能电容过压等故障工况时，通过闭锁第二类功率模块内部谐振型双有源桥变换器H桥单元开关器件，可继续实现直流变压器稳定运行，无需系统停机。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明的直流变压器在系统经济成本可允许的范围内，有效提高系统电能传输效率，同时当系统内部谐振型双有源桥变压器发生故障时，可通过直接闭锁H桥单元实现故障穿越运行，且谐振型双有源桥变换器传输功率可通过控制与其并联的移相型双有源桥变换器高压侧储能电容电压进行调节。
附图说明
图1为本发明的直流变压器结构示意图；
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。
本发明的直流变压器如图1所示。所述的直流变压器内部包含两类功率模块，两类功率模块在第一直流端口处采用级联方式连接，在第二直流端口处采用并联方式连接。
第一类功率模块1由N个移相型双有源桥变换器级联构成，N的取值范围为10～15。每个移相型双有源桥变换器高压侧储能电容CH1的正极端子a连接至相邻移相型双有源桥变换器移相型双有源桥变换器CH1的负极端子b。每个移相型双有源桥变换器低压侧储能电容CL1的正极端子m均连接至相邻移相型双有源桥变换器低压侧储能电容CL1的正极端子m，每个移相型双有源桥变换器低压侧储能电容CL1的负极端子n均连接至相邻移相型双有源桥变换器低压侧储能电容CL1的负极端子n。
第二类功率模块2由K个混合型双有源桥变换器级联构成，K的取值范围为10～15。每个混合型双有源桥变换器高压侧储能电容CH1的正极端子a连接至相邻混合型双有源桥变换器高压侧储能电容CH1的负极端子b。每个混合型功率双有源桥变换器中均包含移相型双有源桥变换器和谐振型双有源桥变换器。谐振型双有源桥变换器高压侧储能电容CH2的正极端子o连接至移相型双有源桥变换器高压侧储能电容CH1的正极端子a，谐振型双有源桥变换器高压侧储能电容CH2的负极端子p连接至移相型双有源桥变换器高压侧储能电容CH1的负极端子b。谐振型双有源桥变换器低压侧储能电容CL2的正极端子y连接至移相型双有源桥变换器低压侧储能电容CL1的正极端子m，谐振型双有源桥变换器低压侧储能电容CL2的负极端子z连接至移相型双有源桥变换器低压侧储能电容CL1的负极端子n。每个混合型双有源桥变换器低压侧储能电容CL1的正极端子m连接至相邻混合型双有源桥变换器低压侧储能电容CL1的正极端子m。每个混合型双有源桥变换器低压侧储能电容CL1的负极端子n连接至相邻混合型双有源桥变换器低压侧储能电容CL1的负极端子n。
所述的直流变压器中，第一移相型双有源桥变换器高压侧储能电容CH1的正极端子a连接至第一直流端口正极端子P1，第N移相型双有源桥变换器高压侧储能电容CH1的负极端子b连接至第一混合型双有源桥变换器高压侧储能电容CH1的正极端子a，第K混合型双有源桥变换器高压侧储能电容CH1的负极端子b连接至第一直流端口负极端子N1；第一移相型双有源桥变换器低压侧储能电容CL1的正极端子m连接至第二直流端口正极端子P2，第一移相型双有源桥变换器低压侧储能电容CL1的负极端子n连接至第二直流端口正极端子N2，第N移相型双有源桥变换器低压侧储能电容CL1的正极端子m连接至第一混合型双有源桥变换器低压侧储能电容CL1的正极端子m，第N移相型双有源桥变换器低压侧储能电容CL1的负极端子n连接至第一混合型双有源桥变换器低压侧储能电容CL1的负极端子n。
所述的移相型双有源桥变换器由高压侧储能电容CH1、高压侧H桥单元、高频变压器TFH1、低压侧H桥单元和低压侧储能电容CL1构成。高压侧H桥单元与高压侧储能单元CH1并联连接，低压侧H桥单元与低压侧直流储能单元CL1并联连接；高压侧H桥单元的端子c与高频变压器TFH1的高压侧上端e相连，高频变压器TFH1的高压侧下端f与高压侧H桥单元的端子d相连，高频变压器TFH1的低压侧上端g与低压侧H桥单元的端子i相连，高频变压器TFH1的低压侧下端h与低压侧H桥单元的端子j相连。同时高压侧H桥单元的两端分别连接移相型双有源桥变换器的高压侧储能电容CH1的正极端子a和负极端子b，低压侧H桥单元两端分别连接移相型双有源桥变换器的低压侧储能电容CL1的正极端子m和负极端子n。
所述的谐振型双有源桥变换器由高压侧储能电容CH2、高压侧H桥单元、高压侧谐振电容Cr1、高频变压器TFH2、低压侧谐振电容Cr2、低压侧H桥单元，以及低压侧储能电容CL2组成。高压侧H桥单元与高压侧直流储能单元CH2并联连接，低压侧H桥单元与低压侧储能单元CL2并联连接，高压侧H桥单元的端子q与高压侧谐振电容Cr1的正极相连，低压侧H桥单元的端子w与低压侧谐振电容Cr2的负极相连，高频变压器TFH2的高压侧上端s与高压侧谐振电容Cr1的负极相连，高频变压器TFH2的高压侧下端t与高压侧H桥单元的端子r相连，高频变压器TFH2的低压侧上端u与低压侧谐振电容Cr2的正极相连，高频变压器TFH2的低压侧下端v与低压侧H桥单元的端子x相连。同时高压侧H端子o桥单元的两端分别连接谐振型双有源桥变换器的高压侧储能电容CH2的正极和负极端子p，低压侧H桥单元的两端分别连接谐振型双有源桥变换器的低压侧储能电容CL2的正极端子y和负极端子z。
所述的直流变压器中，第一类功率模块1内部N个移相型双有源桥变换器结构相同，参数相同；第二类功率模块2内部K个移相型双有源桥变换器结构相同，参数相同；第二类功率模块2内部K个谐振型双有源桥变换器结构相同，参数相同；两类功率模块高压侧储能电容CH1和CH2结构相同，参数相同；两类功率模块低压侧储能电容CL2和CL2结构相同，参数相同；第一类功率模块1高频变压器TFH1和第二类功率模块2高频变压器TFH2结构相同，参数相同。
所述的直流变压器正常工作时，第一类功率模块1的N个移相型双有源桥变换器中，当能量从第一直流端口流向第二直流端口时，在连续开关周期Ts内，Ts取值为0.0001s～0.001s，每个移相型双有源桥变换器驱动高压侧H桥单元开关器件S1至S4产生50％占空比方波电压ucd，通过移相控制，每个移相型双有源桥变换器驱动低压侧H桥单元开关器件S6至S8，产生相位滞后
Figure BDA0002300802000000111
角的50％占空比方波电压uij，通过电压传感器采集的第二直流端口实时电压uP2N2与预先设定的电压参考值比较后，经过传统电容电压闭环后得到各移相型双有源桥变换器公共移相角
Figure BDA0002300802000000112
且
Figure BDA0002300802000000113
通过高压侧电容电压均衡控制后获得各移相型双有源桥变换器移相偏差角
Figure BDA0002300802000000114
且
Figure BDA0002300802000000115
则各移相型双有源桥变换器移相角
Figure BDA0002300802000000116
当能量从第二直流端口流向第一直流端口时，在连续开关周期Ts内，每个移相型双有源桥变换器驱动低压侧H桥单元开关器件S6至S8，产生50％占空比方波电压uij，通过移相控制，每个移相型双有源桥变换器驱动高压侧H桥单元开关器件S1至S4产生相位滞后
Figure BDA0002300802000000117
角的50％占空比方波电压ucd，通过电压传感器采集并计算第一类功率模块1中所有高压侧储能电容电压及第二类功率模块2中各移相型双有源桥高压侧储能电容电压总和usum，将此电压总和usum与预先设定的电压参考值比较后，经过传统电容电压闭环控制，得到各移相型双有源桥变换器公共移相角
Figure BDA0002300802000000121
且
Figure BDA0002300802000000122
通过高压侧电容电压均衡控制后获得各移相型双有源桥变换器移相偏差角
Figure BDA0002300802000000123
且
Figure BDA0002300802000000124
则各移相型双有源桥变换器移相角
Figure BDA0002300802000000125
所述的直流变压器正常工作时，第二类功率模块2内部K个谐振型双有源桥变换器中，当能量从第一直流端口流向第二直流端口时，闭锁K个谐振型双有源桥变换器低压侧H桥单元开关器件，同时高压侧H桥单元开关器件均采用开环的占空比50％方波的电压输出控制方法，以单开关周期TC为例，TC取值为0.0001s～0.001s，前0.5TC内K个谐振型双有源桥变换器高压侧H桥单元导通T1、T4开关管，后0.5TC内K个谐振型双有源桥变换器高压侧H桥单元导通T2、T3开关管，且高压侧H桥单元中器件的开关频率和由谐振电容Cr1、Cr2与第二类功率模块2谐振型双有源桥变换器内部高频变压器漏感Lr2所形成谐振网络的工作频率fres相同。
所述的直流变压器正常工作时，第二类功率模块2内部K个谐振型双有源桥变换器中，当能量从第二直流端口流向第一直流端口时，闭锁K个谐振型双有源桥变换器高压侧H桥单元开关器件，同时低压侧H桥单元开关器件均采用开环的占空比50％方波的电压输出控制方法，以单开关周期TC为例，TC取值为0.0001s～0.001s，前0.5TC内K个谐振型双有源桥变换器低压侧H桥单元导通T5，T8开关管，后0.5TC内K个谐振型双有源桥变换器低压侧H桥单元导通T6，T7开关管，且低压侧H桥单元中器件的开关频率和由谐振电容Cr1、Cr2与第二类功率模块2谐振型双有源桥变换器内部高频变压器漏感Lr2所形成谐振网络的工作频率fres相同。
所述的直流变压器正常工作时，第二类功率模块2的K个移相型双有源桥变换器中，当能量从第一直流端口流向第二直流端口时，在连续开关周期Ts内，Ts取值为0.0001s～0.001s，每个移相型双有源桥变换器驱动高压侧H桥单元开关器件S1至S4产生50％占空比方波电压ucd，通过移相控制，每个移相型双有源桥变换器驱动低压侧H桥单元开关器件S6至S8产生相位滞后
Figure BDA0002300802000000138
角的50％占空比方波电压uij，通过电压传感器采集的每个移相型双有源桥变换器高压侧电容电压与预先设定的电压参考值U1_ref比较后，通过传统电容电压闭环控制，获得各移相型双有源桥变换器移相偏差角
Figure BDA0002300802000000131
且
Figure BDA0002300802000000132
则各移相型双有源桥变换器移相角度
Figure BDA0002300802000000133
为当能量从第一直流端口流向第二直流端口时，第一类功率模块1各移相型双有源桥变换器公共移相角。此外，第二类功率模块2各移相型双有源桥变换器高压侧电容电压无需施加均衡控制。
所述的直流变压器正常工作时，第二类功率模块2的K个移相型双有源桥变换器中，当能量从第二直流端口流向第一直流端口时，在连续开关周期Ts内，Ts取值为0.0001s～0.001s，每个移相型双有源桥变换器驱动低压侧H桥单元开关器件S6至S8，产生50％占空比方波电压uij，通过移相控制，每个移相型双有源桥变换器驱动高压侧H桥单元开关器件S1至S4产生相位滞后
Figure BDA0002300802000000134
角的50％占空比方波电压ucd，通过电压传感器采集的每个移相型双有源桥变换器高压侧电容电压与预先设定的电压参考值U2_ref比较后，通过传统电容电压闭环控制后获得各移相型双有源桥变换器移相偏差角
Figure BDA0002300802000000135
且
Figure BDA0002300802000000136
则各移相型双有源桥变换器移相角度
Figure BDA0002300802000000137
为当能量从第二直流端口流向第一直流端口时，第一类功率模块1各移相型双有源桥变换器公共移相角。此外，第二类功率模块2各移相型双有源桥变换器高压侧电容电压无需施加均衡控制。
所述的直流变压器正常工作时，第二类功率模块2的K个混合双有源桥变换器中，当能量从第一直流端口流向第二直流端口时，通过调节电压参考值U1_ref，可改变内部移相型双有源桥变换器和谐振型双有源桥变换器传输功率分布，电压参考值U1_ref计算为：
Figure BDA0002300802000000141
其中，UO为电压传感器所采集的第二直流端口电压值，Rloss为第二类功率模块2内部谐振型双有源变换器线路损耗电阻，kTF2为第二类功率模块2内部高频变压器TF2原副边线圈匝数比，P1_rat为所述直流变压器能量从第一直流端口流向第二直流端口时的额定传输功率，N和K分别为所述直流变压器中的第一类功率模块1和第二类功率模块2数量，P1_ref为所述直流变压器能量从第一直流端口流向第二直流端口时的第二类功率模块2内部谐振型双有源变换器功率参考值。U1_ref为所述直流变压器能量从第一直流端口流向第二直流端口时的第二类功率模块2内部谐振型双有源变换器高压侧电容电压参考值。所述的直流变压器正常工作时，第二类功率模块2的K个混合双有源桥变换器中，当能量从第二直流端口流向第一直流端口时，通过调节电压参考值U2_ref，可改变内部移相型双有源桥变换器和谐振型双有源桥变换器传输功率分布，电压参考值U2_ref可计算为：
Figure BDA0002300802000000142
其中，UO为电压传感器所采集的第二直流端口电压值，Rloss为第二类功率模块2内部谐振型双有源变换器线路损耗电阻，kTF2为第二类功率模块2内部高频变压器TF2原副边线圈匝数比，P2_rat为所述直流变压器能量从第二直流端口流向第一直流端口时的额定传输功率，N和K分别为所述直流变压器中的第一类功率模块1和第二类功率模块2数量，P2_ref为所述直流变压器能量从第二直流端口流向第一直流端口时的第二类功率模内部谐振型双有源变换器功率参考值。U2_ref为所述直流变压器能量从第二直流端口流向第一直流端口时的第二类功率模块2内部谐振型双有源变换器高压侧电容电压参考值。
所述的直流变压器中，若第二类功率模块2的M个谐振型双有源桥变换器发生高频变压器过流、过温或高低压直流储能电容过压等故障,且M≤K时，需闭锁高压侧和低压侧的H桥变换器，则所述的直流变压器第一类功率模块1数量由N增加至N+M，第二类功率模块2数由有K递减至K-M，当能量从第一直流端口流向第二直流端口时，重新计算第一类功率模块1移相型双有源桥变换器的移相角
Figure BDA0002300802000000151
以及第二类功率模块2中各移相型双有源桥变换器的移相角
Figure BDA0002300802000000152
当能量从第二直流端口流向第一直流端口时，重新计算第一类功率模块1(1)移相型双有源桥变换器的移相角
Figure BDA0002300802000000153
以及第二类功率模块2中各移相型双有源桥变换器的移相角
Figure BDA0002300802000000154

Claims (1)

1.一种直流变压器，所述的直流变压器包含两类功率模块，两类功率模块在第一直流端口处采用级联方式连接，在第二直流端口处采用并联方式连接；第一类功率模块(1)由N个移相型双有源桥变换器级联构成，N的取值范围为10～15；第二类功率模块(2)由K个混合型双有源桥变换器级联构成，K的取值范围为10～15；每个混合型双有源桥变换器高压侧储能电容CH1的正极端子a连接至相邻混合型双有源桥变换器高压侧储能电容CH1的负极端子b；每个混合型功率双有源桥变换器中均包含移相型双有源桥变换器和谐振型双有源桥变换器；谐振型双有源桥变换器高压侧储能电容CH2的正极端子o连接至移相型双有源桥变换器高压侧储能电容CH1的正极端子a，谐振型双有源桥变换器高压侧储能电容CH2的负极端子p连接至移相型双有源桥变换器高压侧储能电容CH1的负极端子b；谐振型双有源桥变换器低压侧储能电容CL2的正极端子y连接至移相型双有源桥变换器低压侧储能电容CL1的正极端子m，谐振型双有源桥变换器低压侧储能电容CL2的负极端子z连接至移相型双有源桥变换器低压侧储能电容CL1的负极端子n；每个混合型双有源桥变换器低压侧储能电容CL1的正极端子m连接至相邻混合型双有源桥变换器低压侧储能电容CL1的正极端子m；每个混合型双有源桥变换器低压侧储能电容CL1的负极端子n连接至相邻混合型双有源桥变换器低压侧储能电容CL1的负极端子n，
其特征在于：所述的直流变压器在正常工作时：
第一类功率模块(1)的N个移相型双有源桥变换器中，当能量从第一直流端口流向第二直流端口时，在连续开关周期Ts内，Ts取值为0.0001s～0.001s，每个移相型双有源桥变换器驱动高压侧H桥单元开关器件S1至S4产生50％占空比方波电压ucd，通过移相控制，每个移相型双有源桥变换器驱动低压侧H桥单元开关器件S6至S8，产生相位滞后
Figure FDA0002755647920000011
角的50％占空比方波电压uij，通过电压传感器采集的第二直流端口实时电压uP2N2与预先设定的电压参考值比较后，经过传统电容电压闭环控制后得到各移相型双有源桥变换器公共移相角
Figure FDA0002755647920000021
且
Figure FDA0002755647920000022
通过高压侧电容电压均衡控制后获得各移相型双有源桥变换器移相偏差角
Figure FDA0002755647920000023
且
Figure FDA0002755647920000024
则各移相型双有源桥变换器移相角
Figure FDA0002755647920000025
Figure FDA0002755647920000026
当能量从第二直流端口流向第一直流端口时，在连续开关周期Ts内，每个移相型双有源桥变换器驱动低压侧H桥单元开关器件S6至S8，产生50％占空比方波电压uij，通过移相控制，每个移相型双有源桥变换器驱动高压侧H桥单元开关器件S1至S4产生相位滞后
Figure FDA00027556479200000217
角的50％占空比方波电压ucd，通过电压传感器采集并计算第一类功率模块(1)中所有高压侧储能电容电压及第二类功率模块(2)中各移相型双有源桥高压侧储能电容电压总和usum，与预先设定的电压参考值比较后，经过传统电容电压闭环控制得到各移相型双有源桥变换器公共移相角
Figure FDA0002755647920000027
且
Figure FDA0002755647920000028
通过高压侧电容电压均衡控制后获得各移相型双有源桥变换器移相偏差角
Figure FDA0002755647920000029
且
Figure FDA00027556479200000210
则各移相型双有源桥变换器移相角
Figure FDA00027556479200000211
第二类功率模块(2)的K个移相型双有源桥变换器中，当能量从第一直流端口流向第二直流端口时，在连续开关周期Ts内，Ts取值为0.0001s～0.001s，每个移相型双有源桥变换器驱动高压侧H桥单元开关器件S1至S4产生50％占空比方波电压ucd，通过移相控制，每个移相型双有源桥变换器驱动低压侧H桥单元开关器件S6至S8，产生相位滞后
Figure FDA00027556479200000212
角的50％占空比方波电压uij，通过电压传感器采集的每个移相型双有源桥变换器高压侧电容电压与预先设定的电压参考值U1_ref比较后，通过传统电容电压闭环控制获得各移相型双有源桥变换器移相偏差角
Figure FDA00027556479200000213
且
Figure FDA00027556479200000214
则各移相型双有源桥变换器移相角度
Figure FDA00027556479200000215
Figure FDA00027556479200000216
为当能量从第一直流端口流向第二直流端口时，第一类功率模块(1)各移相型双有源桥变换器公共移相角；第二类功率模块(2)各移相型双有源桥变换器高压侧电容电压无需施加均衡控制；
第二类功率模块(2)的K个移相型双有源桥变换器中，当能量从第二直流端口流向第一直流端口时，在连续开关周期Ts内，Ts取值为0.0001s～0.001s，每个移相型双有源桥变换器驱动低压侧H桥单元开关器件S6至S8，产生50％占空比方波电压uij，通过移相控制，每个移相型双有源桥变换器驱动高压侧H桥单元开关器件S1至S4产生相位滞后
Figure FDA0002755647920000031
角的50％占空比方波电压ucd，通过电压传感器采集的每个移相型双有源桥变换器高压侧电容电压与预先设定的电压参考值U2_ref比较后，通过传统电容电压闭环控制获得各移相型双有源桥变换器移相偏差角
Figure FDA0002755647920000032
且
Figure FDA0002755647920000033
则各移相型双有源桥变换器移相角度
Figure FDA0002755647920000034
Figure FDA0002755647920000035
为当能量从第二直流端口流向第一直流端口时，第一类功率模块(1)各移相型双有源桥变换器公共移相角；第二类功率模块(2)各移相型双有源桥变换器高压侧电容电压无需施加均衡控制；
第二类功率模块(2)的K个混合双有源桥变换器中，当能量从第一直流端口流向第二直流端口时，通过调节电压参考值U1_ref，改变内部移相型双有源桥变换器和谐振型双有源桥变换器传输功率分布，电压参考值U1_ref计算为：
Figure FDA0002755647920000036
其中，UO为电压传感器所采集的第二直流端口电压值，Rloss为第二类功率模块(2)内部谐振型双有源变换器线路损耗电阻，kTF2为第二类功率模块(2)内部高频变压器TF2原副边线圈匝数比，P1_rat为所述直流变压器能量从第一直流端口流向第二直流端口时的额定传输功率，N和K分别为所述直流变压器中的第一类功率模块(1)和第二类功率模块(2)数量，P1_ref为所述直流变压器能量从第一直流端口流向第二直流端口时的第二类功率模块(2)内部谐振型双有源变换器功率参考值；U1_ref为所述直流变压器能量从第一直流端口流向第二直流端口时的第二类功率模块(2)内部谐振型双有源变换器高压侧电容电压参考值；
第二类功率模块(2)的K个混合双有源桥变换器中，当能量从第二直流端口流向第一直流端口时，通过调节电压参考值U2_ref改变内部移相型双有源桥变换器和谐振型双有源桥变换器传输功率分布，电压参考值U2_ref计算为：
Figure FDA0002755647920000041
其中，UO为电压传感器所采集的第二直流端口电压值，Rloss为第二类功率模块(2)内部谐振型双有源变换器线路损耗电阻，kTF2为第二类功率模块(2)内部高频变压器TF2原副边线圈匝数比，P2_rat为所述直流变压器能量从第二直流端口流向第一直流端口时的额定传输功率，N和K分别为所述直流变压器中的第一类功率模块(1)和第二类功率模块(2)数量，P2_ref为所述直流变压器能量从第二直流端口流向第一直流端口时的第二类功率模块(2)内部谐振型双有源变换器功率参考值，U2_ref为所述直流变压器能量从第二直流端口流向第一直流端口时的第二类功率模块(2)内部谐振型双有源变换器高压侧电容电压参考值。
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