CN111082665A - 一种基于集中式多相变压器的双向llc直流变压器子模块 - Google Patents

一种基于集中式多相变压器的双向llc直流变压器子模块 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于集中式多相变压器的双向LLC直流变压器子模块拓扑结构及其控制方法，适用于多模块输入串联、输出并联型直流变压器。子模块包括中压侧电路、高频多相变压器与谐振腔、低压侧电路。中压侧电路由N个半桥电路串联构成，低压侧电路由N个半桥桥臂与输出滤波电容并联构成，谐振腔由谐振电感、谐振电容与励磁电感组成，中、低压侧电路通过多相变压器与谐振腔连接。该子模块具有高输入电压与高输出电流，可有效减少直流变压器子模块个数，提升直流变压器功率密度。

Description

一种基于集中式多相变压器的双向LLC直流变压器子模块
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，特别是涉及一种适用于中压直流配电网的基于集中式多相变压器的双向LLC直流变压器子模块拓扑结构及其控制方法。
背景技术
近年来，随着分布式能源的发展，直流负荷的增多，中低压直流配电系统受到了广泛的关注。而直流变压器作为中低压直流配电系统中的关键设备，成为了一个研究的热点。目前，直流变压器一般采用输入串联输出并联的结构，以减小中压直流侧开关器件的电压应力与低压直流侧开关器件的电流应力。同时，模块化的构造提高了直流变压器的可靠性与故障冗余性能。但受限于目前的半导体器件耐压水平与成本考虑，直流变压器的每个子模块的输入电压有限，使得直流变压器所使用的模块数量增多。进一步地，开关器件与高频变压器的数量也大大增加，从而导致直流变压器的功率密度难以进一步提高。如何在不增加器件耐压的前提下，通过改变子模块拓扑结构，减少直流变压器模块数量，提升直流变压器功率密度成为了一个难题。
发明内容
发明目的：为解决现有技术的不足，本发明提供一种适用于中压直流配电网的基于集中式多相变压器的双向LLC直流变压器子模块拓扑结构及其控制方法，通过对基于LLC结构的直流变压器子模块拓扑结构进行改进，提升直流变压器单个子模块输入电压，从而减少直流变压器模块数量，提升装置功率密度。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种适用于中压直流配电网的基于集中式多相变压器的双向LLC直流变压器子模块由中压侧电路、低压侧电路、高频多相变压器与谐振腔组成。中压侧电路由N个半桥电路串联构成，其中，在第i半桥电路内，第一开关管Qi1与第二开关管Qi2串联组成半桥桥臂，并与第i输入滤波电容Cini并联；低压侧电路由N个半桥桥臂与输出滤波电容Co并联组成，其中，第i半桥桥臂由第三开关管Qi3与第四开关管Qi4串联组成；多相变压器包含N相变压器绕组，每相变压器绕组包含一个原边绕组与一个副边绕组。谐振腔由谐振电感、谐振电容与励磁电感组成。中压侧、低压侧电路与多相变压器和谐振腔采用不同的连接方式构成双向LLC直流变压器子模块。其中，中压侧第i半桥电路、低压侧第i半桥桥臂、多相变压器第i原边绕组#ip、第i副边绕组#is、第i谐振电感Lri、第i谐振电容Cri、第i励磁电感Lmi共同构成第i单元模块。
多相变压器原边绕组和谐振腔与中压侧电路的连接方式有以下五种，其中P12、P22、……、PN2、S12、S22、……、SN2端子为多绕组变压器同名端。
可选的，i<N-1时，第i相变压器的原边绕组#ip的端子Pi1与第i谐振电感Lri和第i谐振电容Cri串联后，连接中压侧电路的第i半桥电路内半桥桥臂中间点，即开关管Qi1的发射极；第i相变压器的原边绕组#ip端子Pi2连接中压侧电路的第(i+1)半桥电路内半桥桥臂中间点；i＝N时，第N相变压器的原边绕组#Np端子PN2连接中压侧电路的第1相半桥电路内半桥桥臂中间点；
可选的，第i相变压器的原边绕组#ip端子Pi1与第i谐振电感Lri和第i谐振电容Cri串联后，连接中压侧第i半桥电路内半桥桥臂中间点，即开关管Qi1的发射极；高频多相变压器的原边绕组端子P12，P22，……，PN2相接；
可选的，2<i<N时，第i相变压器原边绕组#ip端子Pi1连接第i谐振电感Lri后，分别与第i谐振电容Cri与第(i-1)相变压器原边绕组#(i-1)p端子P(i-1)2相连，第i谐振电容Cri另一端连接至中压侧电路的第i半桥电路的半桥桥臂中间点；第1相变压器原边绕组#1p端子P11连接第1谐振电感Lr1后，分别与第1谐振电容Cr1与第N相变压器原边绕组#Np端子PN2相连，第1谐振电容Cr1另一端连接至中压侧电路的第1半桥电路的半桥桥臂中间点；
可选的，2<i<N时，第i相变压器原边绕组#ip端子Pi1连接第i谐振电容Cri后，分别与第i谐振电感Lri和第(i-1)相变压器原边绕组#(i-1)p端子P(i-1)2相连，第i谐振电感Lri另一端连接至中压侧电路的第i半桥电路的半桥桥臂中间点；第1相变压器原边绕组#1p端子P11连接第1谐振电容Cr1后，分别与第1谐振电感Lr1与第N相变压器原边绕组#Np端子PN2相连，第1谐振电感Lr1另一端连接至中压侧电路的第1半桥电路的半桥桥臂中间点；
可选的，2<i<N时，第i相变压器原边绕组#ip端子Pi1与第i谐振电感Lri、第i谐振电容Cri串联，连接至中压侧电路的第i半桥电路的半桥桥臂中间点；同时，端子Pi1连接至第(i-1)相变压器原边绕组#(i-1)p端子P(i-1)2，；第1相变压器原边绕组#1p端子P11与第1谐振电感Lr1、第1谐振电容Cr1串联后，连接至中压侧电路的第1半桥电路的半桥桥臂中间点，同时，端子P11连接至第N相变压器原边绕组#Np端子PN2。
多相变压器的副边绕组和谐振腔与低压侧电路的连接方式有以下两种，其中P12、P22、……、PN2、S12、S22、……、SN2端子为多绕组变压器同名端：
可选的，i<N-1时，第i相变压器的副边绕组#is与第i励磁电感Lmi并联后，连接低压侧电路的第i半桥桥臂中间点，即开关管Qi3的发射极；第i相变压器的副边绕组#is端子Si2连接第(i+1)相变压器副边绕组#(i+1)s端子S(i+1)1；第N相变压器副边绕组#Ns端子SN2连接第1相变压器副边绕组端子S11；
可选的，第i相变压器的副边绕组#is与第i励磁电感Lmi并联后，连接低压侧第i半桥桥臂中间点，即开关管Qi3的发射极；多相变压器的副边绕组端子S12，S22，……，SN2相接。
本发明还提供了一种基于集中式多绕组高频变压器的直流变压器的控制方法，包括以下步骤：
(1)开环工作模式：第i单元模块内，第一至第四开关管的驱动信号占空比均为50％，第一开关管与第三开关管驱动信号完全相同，第一开关管驱动信号与第二开关管相反，第三开关管驱动信号与第四开关管相反；
(2)闭环调频工作模式：根据实际的功率方向，使功率输出侧开关管工作于同步整流状态，即开关管导通时间等于谐振腔谐振周期的一半；或者闭锁功率输出侧开关管。通过调节各单元模块内开关管工作频率，实现中压直流电压或低压直流电压或传输功率的调节。
本发明另一实施例中还提供了一种基于集中式多相变压器的双向LLC直流变压器子模块拓扑及控制方法：
中压侧电路由N个全桥电路串联组成，第i全桥电路内，第一开关管Qi1与第二开关管Qi2串联构成第一桥臂，第三开关管Qi3与第四开关管Qi4串联构成第二桥臂，第一桥臂、第二桥臂与第i输入滤波电容并联；低压侧电路由N个半桥桥臂与输出滤波电容组成，第i半桥桥臂由第五开关管Qi5与第六开关管Qi6串联组成；第i相变压器原边绕组#ip端子Pi1与第i谐振电感Lri和第i谐振电容Cri串联后，连接至中压侧第i全桥电路第一桥臂中间点，端子Pi2连接至中压侧第i全桥电路第二桥臂中间点；可选的，第i相变压器的副边绕组#is与第i励磁电感Lmi并联后，连接低压侧第i半桥桥臂中间点，即开关管Qi3的发射极。多相变压器副边绕组端子S12，S22，……，SN2相接。其中，P12、P22、……、PN2、S12、S22、……、SN2端子为多绕组变压器同名端。
相应的，该子模块控制方法包括：
(1)开环工作模式：第i单元模块内，第一至第六开关管的驱动信号占空比均为50％，第一开关管、第四开关管与第六开关管驱动信号完全相同，第一开关管驱动信号与第二开关管相反，第三开关管驱动信号与第四开关管相反，第五开关管驱动信号与第六开关管相反；
(2)闭环调频工作模式：根据实际的功率方向，使功率输出侧开关管工作于同步整流状态，即开关管导通时间等于谐振腔谐振周期的一半；或者闭锁功率输出侧开关管。通过调节各单元模块内开关管工作频率，实现中压直流电压或低压直流电压或传输功率的调节。
有益效果：与现有技术相比，本发明通过对基于LLC结构的直流变压器子模块拓扑结构进行改进，提升直流变压器单个子模块输入电压，从而减少直流变压器模块数量，提升装置功率密度。同时，本发明涉及的一种基于集中式多相变压器的双向LLC直流变压器子模块中，所有开关器件均可实现零电压开通，有助于减少开关损耗，提升直流变压器传输效率。
附图说明
图1是本发明的基于集中式多相变压器的双向LLC直流变压器电路原理图；
图2-6是本发明的基于集中式多绕组高频变压器的直流变压器子模块中多相高频变压器、谐振腔与中压侧电路五种连接电路原理图；
图7-8是本发明的基于集中式多绕组高频变压器的直流变压器子模块中多相高频变压器、谐振腔与低压侧电路两种连接电路原理图；
图9是图1中的直流变压器子模块的开关管驱动波形；
图10是本发明的采用全桥电路作为中压侧电路的，基于集中式多绕组高频变压器的直流变压器子模块电路原理图；
图11是图10中的直流变压器子模块的开关管驱动波形；
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施实例对本发明的技术方案做更进一步说明。
本发明设计了一种适用于中压直流配电网的基于集中式多相变压器的双向LLC直流变压器子模块。如图1所示，该直流变压器子模块由中压侧电路、低压侧电路、高频多相变压器与谐振腔组成。中压侧电路由N个半桥电路串联构成，其中，在第i半桥电路内，第一开关管Qi1与第二开关管Qi2串联组成半桥桥臂，并与第i输入滤波电容Cini并联；低压侧电路由N个半桥桥臂与输出滤波电容Co并联组成，其中，第i半桥桥臂由第三开关管Qi3与第四开关管Qi4串联组成；多相变压器包含N相变压器绕组，每相变压器绕组包含一个原边绕组与一个副边绕组。谐振腔由谐振电感、谐振电容与励磁电感组成。中压侧、低压侧电路与多相变压器和谐振腔采用不同的连接方式构成双向LLC直流变压器子模块。其中，中压侧第i半桥电路、低压侧第i半桥桥臂、多相变压器第i原边绕组#ip、第i副边绕组#is、第i谐振电感Lri、第i谐振电容Cri、第i励磁电感Lmi共同构成第i单元模块。
图1中多相变压器原边绕组和谐振腔与中压侧电路的连接方式有以下五种，其中P12、P22、……、PN2、S12、S22、……、SN2端子为多绕组变压器同名端。
如图2所示，i<N-1时，第i相变压器的原边绕组#ip的端子Pi1与第i谐振电感Lri和第i谐振电容Cri串联后，连接中压侧电路的第i半桥电路内半桥桥臂中间点，即开关管Qi1的发射极；第i相变压器的原边绕组#ip端子Pi2连接中压侧电路的第(i+1)半桥电路内半桥桥臂中间点；i＝N时，第N相变压器的原边绕组#Np端子PN2连接中压侧电路的第1相半桥电路内半桥桥臂中间点；
如图3所示，第i相变压器的原边绕组#ip端子Pi1与第i谐振电感Lri和第i谐振电容Cri串联后，连接中压侧第i半桥电路内半桥桥臂中间点，即开关管Qi1的发射极；高频多相变压器的原边绕组端子P12，P22，……，PN2相接；
如图4所示，2<i<N时，第i相变压器原边绕组#ip端子Pi1连接第i谐振电感Lri后，分别与第i谐振电容Cri与第(i-1)相变压器原边绕组#(i-1)p端子P(i-1)2相连，第i谐振电容Cri另一端连接至中压侧电路的第i半桥电路的半桥桥臂中间点；第1相变压器原边绕组#1p端子P11连接第1谐振电感Lr1后，分别与第1谐振电容Cr1与第N相变压器原边绕组#Np端子PN2相连，第1谐振电容Cr1另一端连接至中压侧电路的第1半桥电路的半桥桥臂中间点；
如图5所示，2<i<N时，第i相变压器原边绕组#ip端子Pi1连接第i谐振电容Cri后，分别与第i谐振电感Lri和第(i-1)相变压器原边绕组#(i-1)p端子P(i-1)2相连，第i谐振电感Lri另一端连接至中压侧电路的第i半桥电路的半桥桥臂中间点；第1相变压器原边绕组#1p端子P11连接第1谐振电容Cr1后，分别与第1谐振电感Lr1与第N相变压器原边绕组#Np端子PN2相连，第1谐振电感Lr1另一端连接至中压侧电路的第1半桥电路的半桥桥臂中间点；
如图6所示，2<i<N时，第i相变压器原边绕组#ip端子Pi1与第i谐振电感Lri、第i谐振电容Cri串联，连接至中压侧电路的第i半桥电路的半桥桥臂中间点；同时，端子Pi1连接至第(i-1)相变压器原边绕组#(i-1)p端子P(i-1)2，；第1相变压器原边绕组#1p端子P11与第1谐振电感Lr1、第1谐振电容Cr1串联后，连接至中压侧电路的第1半桥电路的半桥桥臂中间点，同时，端子P11连接至第N相变压器原边绕组#Np端子PN2。
多相变压器副边绕组和谐振腔与中压侧电路的连接方式有以下两种，其中P12、P22、……、PN2、S12、S22、……、SN2端子为多绕组变压器同名端。
如图7所示，i<N-1时，第i相变压器的副边绕组#is与第i励磁电感Lmi并联后，连接低压侧电路的第i半桥桥臂中间点，即开关管Qi3的发射极；第i相变压器的副边绕组#is端子Si2连接第(i+1)相变压器副边绕组#(i+1)s端子S(i+1)1；第N相变压器副边绕组#Ns端子SN2连接第1相变压器副边绕组端子S11；
如图8所示，第i相变压器的副边绕组#is与第i励磁电感Lmi并联后，连接低压侧第i半桥桥臂中间点，即开关管Qi3的发射极；多相变压器的副边绕组端子S12，S22，……，SN2相接。
本发明还提供了一种基于集中式多绕组高频变压器的直流变压器子模块的控制方法，包括以下步骤：
(1)开环工作模式：如图9所示第i单元模块内，第一至第四开关管的驱动信号占空比均为50％，第一开关管与第三开关管驱动信号完全相同，第一开关管驱动信号与第二开关管相反，第三开关管驱动信号与第四开关管相反；如图9所示，第i单元模块内第一开关管驱动信号滞后第(i-1)相单元模块内第一开关管驱动信号Ts/N，其中，Ts为开关周期，N为直流变压器子模块数量。
(2)闭环调频工作模式：根据实际的功率方向，使功率输出侧开关管工作于同步整流状态，即开关管导通时间等于谐振腔谐振周期的一半；或者闭锁功率输出侧开关管。通过调节各单元模块内开关管工作频率，实现中压直流电压或低压直流电压或传输功率的调节。
本发明另一实施例中还提供了一种基于集中式多相变压器的双向LLC直流变压器子模块拓扑。如图10所示，中压侧电路由N个全桥电路串联组成，第i全桥电路内，第一开关管Qi1与第二开关管Qi2串联构成第一桥臂，第三开关管Qi3与第四开关管Qi4串联构成第二桥臂，第一桥臂、第二桥臂与第i输入滤波电容并联；低压侧电路由N个半桥桥臂与输出滤波电容组成，第i半桥桥臂由第五开关管Qi5与第六开关管Qi6串联组成；第i相变压器原边绕组#ip端子Pi1与第i谐振电感Lri和第i谐振电容Cri串联后，连接至中压侧第i全桥电路第一桥臂中间点，端子Pi2连接至中压侧第i全桥电路第二桥臂中间点；可选的，第i相变压器的副边绕组#is与第i励磁电感Lmi并联后，连接低压侧第i半桥桥臂中间点，即开关管Qi3的发射极。多相变压器副边绕组端子S12，S22，……，SN2相接。其中，P12、P22、……、PN2、S12、S22、……、SN2端子为多绕组变压器同名端。
相应的，该子模块控制方法包括：
(1)开环工作模式：如图11所示，第i单元模块内，第一至第六开关管的驱动信号占空比均为50％，第一开关管、第四开关管与第六开关管驱动信号完全相同，第一开关管驱动信号与第二开关管相反，第三开关管驱动信号与第四开关管相反，第五开关管驱动信号与第六开关管相反；如图11所示，第i单元模块内第一开关管驱动信号滞后第(i-1)相单元模块内第一开关管驱动信号Ts/N，其中，Ts为开关周期，N为直流变压器子模块数量；
(2)闭环调频工作模式：根据实际的功率方向，使功率输出侧开关管工作于同步整流状态，即开关管导通时间等于谐振腔谐振周期的一半；或者闭锁功率输出侧开关管。通过调节各单元模块内开关管工作频率，实现中压直流电压或低压直流电压或传输功率的调节。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (4)

1.一种基于集中式多相变压器的双向LLC直流变压器子模块，其特征在于：子模块由中压侧电路、低压侧电路、高频多相变压器与谐振腔组成，中压侧电路由N个半桥电路串联构成，其中，在第i半桥电路内，第一开关管Qi1与第二开关管Qi2串联组成半桥桥臂，半桥桥臂与第i输入滤波电容Cini并联；低压侧电路由N个半桥桥臂与输出滤波电容Co并联组成，其中，第i半桥桥臂由第三开关管Qi3与第四开关管Qi4串联组成；高频多相变压器包含N相变压器绕组，每相变压器绕组包含一个原边绕组与一个副边绕组；谐振腔由谐振电感、谐振电容与励磁电感组成；其中，中压侧电路的第i半桥电路、低压侧电路的第i半桥桥臂、高频多相变压器的第i相变压器的原边绕组#ip、高频多相变压器的第i相变压器的副边绕组#is、第i谐振电感Lri、第i谐振电容Cri、第i励磁电感Lmi共同构成第i单元模块，i＝1,2，…，N。
2.根据权利要求1所述的一种基于集中式多相变压器的双向LLC直流变压器子模块，其特征在于：高频多相变压器的原边绕组和谐振腔与中压侧电路的连接方式有以下五种，其中P12、P22、……、PN2、S12、S22、……、SN2端子为多绕组变压器同名端：
(1)i<N-1时，第i相变压器的原边绕组#ip的端子Pi1与第i谐振电感Lri和第i谐振电容Cri串联后，连接中压侧电路的第i半桥电路内半桥桥臂中间点，即开关管Qi1的发射极；第i相变压器的原边绕组#ip端子Pi2连接中压侧电路的第(i+1)半桥电路内半桥桥臂中间点；i＝N时，第N相变压器的原边绕组#Np端子PN2连接中压侧电路的第1相半桥电路内半桥桥臂中间点；
(2)第i相变压器的原边绕组#ip端子Pi1与第i谐振电感Lri和第i谐振电容Cri串联后，连接中压侧第i半桥电路内半桥桥臂中间点，即开关管Qi1的发射极；高频多相变压器的原边绕组端子P12，P22，……，PN2相接；
(3)2<i<N时，第i相变压器原边绕组#ip端子Pi1连接第i谐振电感Lri后，分别与第i谐振电容Cri与第(i-1)相变压器原边绕组#(i-1)p端子P(i-1)2相连，第i谐振电容Cri另一端连接至中压侧电路的第i半桥电路的半桥桥臂中间点；第1相变压器原边绕组#1p端子P11连接第1谐振电感Lr1后，分别与第1谐振电容Cr1与第N相变压器原边绕组#Np端子PN2相连，第1谐振电容Cr1另一端连接至中压侧电路的第1半桥电路的半桥桥臂中间点；
(4)2<i<N时，第i相变压器原边绕组#ip端子Pi1连接第i谐振电容Cri后，分别与第i谐振电感Lri和第(i-1)相变压器原边绕组#(i-1)p端子P(i-1)2相连，第i谐振电感Lri另一端连接至中压侧电路的第i半桥电路的半桥桥臂中间点；第1相变压器原边绕组#1p端子P11连接第1谐振电容Cr1后，分别与第1谐振电感Lr1与第N相变压器原边绕组#Np端子PN2相连，第1谐振电感Lr1另一端连接至中压侧电路的第1半桥电路的半桥桥臂中间点；
(5)2<i<N时，第i相变压器原边绕组#ip端子Pi1与第i谐振电感Lri、第i谐振电容Cri串联，连接至中压侧电路的第i半桥电路的半桥桥臂中间点；同时，端子Pi1连接至第(i-1)相变压器原边绕组#(i-1)p端子P(i-1)2，；第1相变压器原边绕组#1p端子P11与第1谐振电感Lr1、第1谐振电容Cr1串联后，连接至中压侧电路的第1半桥电路的半桥桥臂中间点，同时，端子P11连接至第N相变压器原边绕组#Np端子PN2。
3.根据权利要求1所述的一种基于集中式多相变压器的双向LLC直流变压器子模块，其特征在于：多相变压器的副边绕组和谐振腔与低压侧电路的连接方式有以下两种，其中P12、P22、……、PN2、S12、S22、……、SN2端子为多绕组变压器同名端：
(1)i<N-1时，第i相变压器的副边绕组#is与第i励磁电感Lmi并联后，连接低压侧电路的第i半桥桥臂中间点，即开关管Qi3的发射极；第i相变压器的副边绕组#is端子Si2连接第(i+1)相变压器副边绕组#(i+1)s端子S(i+1)1；第N相变压器副边绕组#Ns端子SN2连接第1相变压器副边绕组端子S11；
(2)第i相变压器的副边绕组#is与第i励磁电感Lmi并联后，连接低压侧第i半桥桥臂中间点，即开关管Qi3的发射极；多相变压器的副边绕组端子S12，S22，……，SN2相接。
4.如权利要求1至3中任一所述的一种基于集中式多相变压器的双向LLC直流变压器子模块的控制方法，其特征在于：子模块的工作模式具有以下两种：
(1)开环工作模式：第i单元模块内，第一至第四开关管的驱动信号占空比均为50％，第一开关管与第三开关管驱动信号完全相同，第一开关管驱动信号与第二开关管相反，第三开关管驱动信号与第四开关管相反；
(2)闭环调频工作模式：根据实际的功率方向，使功率输出侧开关管工作于同步整流状态，即开关管导通时间等于谐振腔谐振周期的一半，或者闭锁功率输出侧开关管；通过调节各单元模块内开关管工作频率，实现中压直流电压或低压直流电压或传输功率的调节。
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