CN111181388A - 一种高变比大功率模块化dc-dc变换器 - Google Patents

一种高变比大功率模块化dc-dc变换器 Download PDF

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Abstract

一种高变比大功率模块化DC‑DC变换器，适用于新能源发电的电能送出，尤其是海上风电场的电能送出。它由三相并联而成，以保证功率传输的连续性。三相的结构相同，每一相均由R个相同的分支依次相连而成，分支1直接连接到中压直流侧，而分支R通过一个晶闸管串TH连接至高压直流侧。每个分支由两组相同的功率开关器件晶闸管T1和T2、一个半桥桥臂和一个全桥桥臂组成。通过对变换器中功率开关器件的通断控制，实现所有的半桥桥臂和全桥桥臂并联在中压侧对子模块中的电容进行充电；所有的半桥桥臂和全桥桥臂以及高压侧串联在一起对电容进行放电，实现能量从中压直流侧向高压直流侧的传递。在每个晶闸管串上反并联晶闸管串，为启动提供能量。

Description

一种高变比大功率模块化DC-DC变换器
技术领域
本发明涉及一种DC-DC变换器，适用于新能源发电领域。
背景技术
随着煤炭、石油等自然资源的短缺问题日益严重以及人类环保意识的日益提高，新能源发电受到越来越多的关注。而大规模的可再生能源如海上风能等地处偏远，通过离岸风电场发出的电能需要经过很长的一段距离才能并入大电网。因此如何将新能源发电产生的电能高效率地送出是新能源发电领域要考虑的一大问题。以离岸风电场为例，其需要水下电缆传输电能，若采用交流输电，电缆存在的寄生电容容易导致交流输电的空载损耗太大，从而影响输电效率，而分布电容对直流输电几乎无影响，因此高压直流输电被广泛用于海上风电送出。
随着模块化多电平变换器的出现，中压交流汇集系统在离岸风电场的电能送出环节中被广泛采用。在中压交流汇集系统中，多个风机发出的电能首先各自经过一级逆变器和变压器变为中压交流，通过交流电缆汇集到中压交流母线上，再经过一个变压器和一级MMC变为高压直流，然后通过直流电缆送到岸上。可见，这种中压交流汇集系统存在很多弊端，如交流电缆传输电能的效率较低、需要昂贵且笨重的变压器等，这些缺点给海上风电场的建设带来了很多问题。因此，基于DC-DC变换器的中压直流汇集系统应运而生。与中压交流汇集系统的不同之处在于，多个风机发出的电能直接通过直流变换器变为中压直流，并通过直流电缆汇集到中压直流母线，然后通过大功率高变比直流变换器经高压直流电缆送出。与中压交流系统相比，中压直流汇集系统具有更高的传输效率和更小的体积，更适用于海上风电的送出。
与高压直流母线相连的将中压直流变为高压直流的DC-DC变换器对于中压直流汇集系统的电能送出至关重要。这个DC-DC变换器要具有较高的变压比、功率足够大、轻量化且具有高可靠性和较高的传输效率。中国专利公布号为CN106357119A的专利《大功率高压光伏直流升压变流器装置及控制方法》提出了一种高压大功率的直流变换器，但该拓扑需要经过整流和逆变两个功率变换环节，使得电路效率较低、元器件数目多且成本较高。
发明内容
为解决现有用于新能源发电送出领域的直流变换器效率低、功率变换环节多和成本高的问题，且为了满足中压直流汇集系统对直流变换器高变比、大功率、高效率的需求，本发明提出一种适用于新能源发电送出领域直流升压汇集系统的高变比大功率模块化DC-DC变换器。
本发明所提出的高变比大功率模块化DC-DC变换器由三相变换电路并联而成，每一相变换电路由R个相同的分支电路依次相连而成；每个分支电路由晶闸管串T1、晶闸管串T2、一个半桥桥臂和一个全桥桥臂组成；其中每个半桥桥臂由N个半桥子模块串联在一起并与一个电感串联组成，全桥桥臂由N个全桥子模块串联在一起并与一个电感串联组成；
分支电路1的输入端正极与中压直流输入侧的正极相连，分支电路1的输入端负极与中压直流输入侧的负极相连；
分支电路1的输出端正极与分支电路2的输入端正极相连，分支电路1的输出端负极与分支电路2的输入端负极相连；分支电路2的输出端正极与分支电路3的输入端正极相连，分支电路2的输出端负极与分支电路3的输入端负极相连；以此类推，直至顺次连至第R个分支电路；
分支电路R输入端正极与上一分支电路的输出端正极相连，输入端负极与上一分支电路的输出端负极相连；而输出端正极不再引出，且其输出端负极通过一个晶闸管串TH连至高压直流输出侧的正极；
高压直流输出侧的负极与分支电路1的输入端负极、中压直流输入侧的负极相连。
晶闸管串T1的阴极端与半桥桥臂的正极相连，晶闸管串串T1的阳极端作为整个分支的输入端正极；半桥桥臂的正极、晶闸管串T1的阴极以及全桥桥臂的正极相连作为整个分支的输出端正极；半桥桥臂的负极与晶闸管串T2的阴极相连，并作为整个分支的输入端负极；全桥桥臂的负极与晶闸管串T2的阳极端相连，作为整个分支的输出端负极。
进一步地，所述各个分支电路中的半桥桥臂，由多个半桥子模块HB1～HBN串联并与电感LHB串联而成，半桥子模块HB1的上端子即为半桥桥臂的正极，半桥子模块HB1的下端子与下一个半桥子模块的上端子相连，以此类推，直至连至半桥子模块HBN，而半桥子模块HBN的下端子与电感LHB的上端子相连，电感LHB的下端子即为半桥桥臂的负极。
进一步地，所述各个分支中的全桥桥臂，由多个全桥子模块串全桥子模块FB1～FBN串联并与电感LFB串联而成，全桥子模块FB1的上端子即为全桥桥臂的正极，全桥子模块FB1的下端子与下一个全桥子模块的上端子相连，以此类推，直至全桥子模块FBN，而全桥子模块FBN的下端子与电感LFB的上端子相连，电感LFB的下端子即为全桥桥臂的负极。
进一步地，所述半桥子模块，由两个反并联二极管的全控型功率开关器件IGBT1、IGBT2以及一个电容C1组成；IGBT1的集电极与电容C1的正极相连，IGBT1的发射极与IGBT2的集电极相连，又从IGBT1的发射极与IGBT1的集电极的连接线上引出一个端子，作为半桥子模块的上端子；IGBT2的发射极与电容C1的负极相连，并从IGBT2的发射极引出一个端子，作为半桥子模块的下端子。
进一步地，所述全桥子模块，由四个反并联二极管的全控型功率开关器件IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6以及一个电容C2组成；IGBT3的发射极与IGBT4的集电极相连，并从其连接线上引出一个端子，作为全桥子模块的上端子；IGBT5的发射极与IGBT6的集电极相连，并从其连接线上引出一个端子，作为全桥子模块的下端子；另外，IGBT3的集电极和IGBT5的集电极以及电容C2的正极连接于一点，IGBT4的发射极和IGBT6的发射极以及电容C2的负极连接于一点。
进一步地，所述晶闸管串T1、T2以及高压输出侧晶闸管串TH，均由若干个正向串联的晶闸管构成。
通过控制每个分支电路中半桥子模块HB1～HBN中全控型功率开关器件的通断，可以实现半桥子模块的投入和切除；通过控制全桥子模块FB1～FBN中全控型功率开关器件的通断，可以实现全桥子模块的正投入、负投入以及切除；此外，还要对每个分支电路中的两个晶闸管串T1、T2和高压直流输出侧晶闸管串TH的开关状态进行控制，从而实现所有的半桥桥臂和全桥桥臂并联在中压直流输入侧对子模块中的电容进行充电，所有的半桥桥臂和全桥桥臂以及高压直流输出侧串联在一起对子模块中的电容进行放电，以实现能量从中压直流侧向高压直流侧的传递。此外，要对子模块的电容电压进行平衡控制，使得能量平衡，从而保证整个高变比大功率模块化DC-DC变换器的正常工作。
通过在上述高变比大功率模块化DC-DC变换器中的每一个晶闸管串上均反并联一个晶闸管串，得到一种扩展拓扑，其在原拓扑的基础上，还可以实现所有的半桥桥臂和全桥桥臂串联在高压直流侧对子模块中的电容进行充电，所有的半桥桥臂和全桥桥臂以及中压直流侧串联在一起对子模块中的电容进行放电，即可以实现能量的反向传递。
本发明中的高变比大功率模块化DC-DC变换器，在能量从中压直流侧向高压直流侧的稳态运行阶段，可以实现所有桥臂并联在低压侧充电，从而减小开关器件的电流应力；可以实现所有桥臂串联在一起放电，从而可以减小开关器件的电压应力并实现较高且可调的变比。另外，在风电场启动阶段，可以利用上述扩展拓扑，实现能量的双向传递，从而可以为风电场的启动提供能量。与传统中压交流升压汇集系统相比，采用本发明中的高变比大功率模块化DC-DC变换器的中压直流升压汇集系统具有传输效率更高、占地面积更小、高变比、模块化等优势，更适用于新能源发电的电能送出。
附图说明
图1为本发明的适用于新能源发电送出领域的高变比大功率模块化DC-DC变换器的三相拓扑结构图，其中UM为中压直流侧的电压，UH为高压直流侧电压，IM为中压直流侧的电流，IH为高压直流侧的电流；
图2为该DC-DC变换器的单相结构图，以a相为例，另外两相的结构与a相完全相同，其中iMa为a相的中压侧电流，iHa为a相的高压侧电流；
图3为构成各相的基本单位—分支电路的结构图；
图4为分支电路中的半桥桥臂的详细拓扑图，其中iHB为流过半桥桥臂的实际电流，uHB为半桥子模块串两端的电压，uHBin为半桥桥臂的输入端电压，uHBout为半桥桥臂的输出端电压；
图5为分支中的全桥桥臂的详细拓扑图，其中iFB为流过全桥桥臂的实际电流，uFB为全桥子模块串两端的电压，uFBin为全桥桥臂的输入端电压，uFBout为全桥桥臂的输出端电压；
图6为半桥子模块的电路原理图；
图7为全桥子模块的电路原理图；
图8为晶闸管串的电路原理图。
图9为所提出的高变比大功率模块化DC-DC变换器的扩展拓扑结构图。
图10为本发明单向工作模态下充电状态电流路径图。
图11为本发明单向工作模态下放电状态电流路径图。
具体实施方式
为了更清楚地阐述本发明的技术方案及优势，下面将结合附图及实施例，对本发明进行进一步的解释说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
本发明所提出的高变比大功率模块化DC-DC变换器由三相变换电路并联而成，以保证功率传输的连续性。三相变换电路的结构完全相同，每一相变换电路由R个相同的分支电路依次相连而成；每个分支电路由晶闸管串T1、晶闸管串T2、一个半桥桥臂和一个全桥桥臂组成；其中每个半桥桥臂由N个半桥子模块串联在一起并与一个电感串联组成，全桥桥臂由N个全桥子模块串联在一起并与一个电感串联组成；
分支电路1的输入端正极与新能源发电的中压直流输入侧的正极相连，分支电路1的输入端负极与中压直流输入侧的负极相连，从而利用本发明中的高变比大功率模块化DC-DC变换器实现高压直流输出。
分支电路1的输出端正极与分支电路2的输入端正极相连，分支电路1的输出端负极与分支电路2的输入端负极相连；分支电路2的输出端正极与分支电路3的输入端正极相连，分支电路2的输出端负极与分支电路3的输入端负极相连；以此类推，直至顺次连至第R个分支电路；
对于由R个分支构成的每一相中的最后一级，即为分支电路R，其输入端正极与上一分支电路的输出端正极相连，输入端负极与上一分支电路的输出端负极相连；而输出端正极不再引出，且其输出端负极通过一个晶闸管串TH连至高压直流输出侧的正极；
所述高变比大功率模块化DC-DC变换器的高压直流输出侧的正极与晶闸管串TH的阴极相连，高压直流输出侧的负极与分支电路1的输入端负极、中压直流输入侧的负极相连。
所述变换器中每一相的各个分支，它们的结构完全相同。晶闸管串T1的阴极端与半桥桥臂的正极相连，又从晶闸管串T1的阳极端引出一条线，作为整个分支的输入端正极；半桥桥臂的正极、晶闸管串T1的阴极以及全桥桥臂的正极相连与一点，并从该点引出一条线，作为整个分支的输出端正极；半桥桥臂的负极与晶闸管串T2的阴极相连，并从其连接点处引出一条线，作为整个分支的输入端负极；全桥桥臂的负极与晶闸管串T2的阳极端相连，又从其连接点处引出一条线，作为整个分支的输出端负极。
如图1所示，本发明所提出的高变比大功率模块化DC-DC变换器由三相并联而成，三相电流依次错相120度，以保证功率传输的连续性。三相的结构完全相同，所以仅给出了a相的详细拓扑结构。每一相均由若干个相同的分支电路顺次相连而成。每个分支电路由两个功率开关器件晶闸管串、一个半桥桥臂和一个全桥桥臂组成。其中半桥桥臂由N个半桥子模块构成的半桥子模块串和一个电感组成，全桥桥臂由N个全桥子模块构成的全桥子模块串和一个电感组成，中压直流输入侧与分支电路1的输入端直接连接，而最后一个分支电路R通过一组晶闸管与高压直流侧相连，该晶闸管串仅在放电状态下导通，以防止稳态工作状态下功率的反向传输。
如图2所示，该图为本发明直流变换器的a相拓扑结构图。本实施例中高变比大功率模块化DC-DC变换器中的每一相均由R个完全相同的分支电路构成，因为三相拓扑结构完全相同，此处以a相为例进行分析，分析结论可以推广至另外两相。由图2可知，分支电路1的输出端正极与分支电路2的输入端正极相连，分支电路1的输出端负极与分支电路2的输入端负极相连；分支电路2的输出端正极与分支电路3的输入端正极相连，分支电路2的输出端负极与分支电路3的输入端负极相连；以此类推，直至顺次连至第R个分支电路。当某一相处于放电状态时，各个分支电路中的桥臂串联起来，以支撑高压侧电压，因此，每一相中的分支电路数越多，所能支撑的高压侧电压就越高，即变比越高。
如图3所示，每个分支电路由两组晶闸管、一个半桥桥臂和一个全桥桥臂组成。一组正向串联的晶闸管T1的阴极端与半桥桥臂的正极相连，又从这组晶闸管T1的阳极端引出一条线，作为整个分支电路的输入端正极；半桥桥臂的负极与晶闸管串T2的阴极相连，并从其交点处引出一条线，作为整个分支电路的输入端负极；全桥桥臂并联在半桥桥臂两端，且将全桥桥臂的正负极作为分支电路输出端的正负极。当晶闸管串T1和晶闸管串T2均导通时，该分支电路所在相工作在充电状态；当晶闸管串T1和晶闸管串T2均关断时，该分支电路所在相工作在放电状态。
图4为所述各个分支电路中的半桥桥臂详细电路图，如图中所示，其由半桥子模块串HB1～HBN和电感LHB串联而成，半桥子模块HB1的上端子即为半桥桥臂的正极，半桥子模块HB1的下端子与下一个半桥子模块的上端子相连，以此类推，直至连至半桥子模块HBN，而半桥子模块HBN的下端子与电感LHB的上端子相连，电感LHB的下端子即为半桥桥臂的负极。由于半桥子模块串两端电压的高度可控性，其特性类似于受控电压源，当整个桥臂电压值为固定值时，通过改变半桥子模块串两端的电压，可以改变加在电感LHB两端的电压，从而使得流过桥臂的电流可控。
图5为所述各个分支电路中的全桥桥臂的详细电路图，如图中所示，其由全桥子模块串和电感LFB串联而成，其中全桥子模块串由全桥子模块FB1～FBN串联而成，全桥子模块FB1的上端子即为全桥桥臂的正极，全桥子模块FB1的下端子与下一个全桥子模块的上端子相连，以此类推，直至全桥子模块FBN，而全桥子模块FBN的下端子与电感LFB的上端相连，电感LFB的下端即为全桥桥臂的负极。与半桥桥臂类似地，全桥桥臂中的全桥子模块串也可以看做受控电压源，但其在放电状态下电压反向，电流方向不变，而对于半桥桥臂来说，在放电状态下，电压不变，电流反向。
如图6所示，半桥子模块由两个反并联二极管的全控型功率开关器件IGBT1、IGBT2以及一个电容C1组成。两个IGBT正向串联后，与电容C1并联。两个开关器件互补导通，当上面的IGBT1处于导通状态，IGBT2处于关断状态时，该半桥子模块输出的电压为UC1；当IGBT1关断，IGBT2导通时，该半桥子模块两端的电压为0。
如图7所示，全桥子模块由四个反并联二极管的全控型功率开关器件IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6以及一个电容C2组成。IGBT3和IGBT4串联构成左半桥，IGBT5和IGBT6串联形成右半桥，左半桥、右半桥和电容C2进行并联，形成全桥子模块，分别从左半桥和右半桥的中点各引出一个端子，作为全桥子模块的两个接线端子。与半桥子模块类似地，左半桥的两个开关器件互补导通，右半桥的两个开关器件互补导通。当IGBT3和IGBT6同时导通时，全桥子模块输出正的电压UC2；当IGBT4和IGBT5同时导通时，全桥子模块输出负的电压-UC2；当上面两个开关管或者下面两个开关管同时导通时，全桥子模块输出为0。
如图8所示，晶闸管串T1、T2以及高压侧输出晶闸管串TH均由若干个正向串联的晶闸管组成，由于单个开关管的耐压有限，通过串联的方式来提高耐压等级，以适应具体直流变换器的耐压需求。
本实施例所述的适用于新能源发电送出领域的高变比大功率模块化DC-DC变换器，其由众多的半桥和全桥子模块、功率开关器件晶闸管及电感组成，模块化的拓扑结构具有易扩展及容错率高等优势，当一个子模块出现故障，可将其旁路，而不至于影响整个变换器的正常工作。对于本发明所述的直流变换器，其通过增加每一相的分支电路数就可以提高变压比，从而实现可调且较高的变比。本发明所述的高变比大功率模块化DC-DC变换器，工作在电容充电状态时，各个桥臂以并联的方式连接，从而实现分流的目的；工作在电容放电状态时，各个桥臂以串联的方式连接，可以达到分压的效果，从而可以实现大功率传输。通过实施例可知，本发明所述直流变换器在新能源发电送出领域具有明显优势，其不需要笨重的交流变压器，从而可以减小占地面积和造价，这对海上风电站的建设是非常有利的；其高变比的特性，有利于直流电能的送出，使得传输效率较高。并且，利用本实施例中的扩展拓扑结构，可以实现风电场启动时的能量反向馈入。
实施例2：
图9为本发明所提出的高变比大功率模块化DC-DC变换器的扩展拓扑结构图，在上述高变比大功率模块化DC-DC变换器的基础上，在每个晶闸管串上均反并联一个晶闸管串，以a相为例，增加的反并联晶闸管串为Tan11……TanR1、Tan12……TanR2以及TanH，以实现风电场启动阶段的能量馈入，即能量从高压直流侧向中压直流侧传递。在风电场启动阶段，所有的半桥桥臂和全桥桥臂串联在高压直流侧对子模块中的电容充电，所有的半桥桥臂和全桥桥臂并联在中压直流侧对子模块中的电容进行放电，此种运行方式仅在风电场启动阶段出现。
对于上述的高变比大功率模块化DC-DC变换器，其只能实现能量从中压直流侧向高压直流侧的单向传递，考虑到风电场启动阶段需要从外界吸收能量，所以在上述的高变比大功率模块化DC-DC变换器的基础上加以扩展，即在原拓扑中的每个晶闸管串上均反并联一个晶闸管串，以实现风电场启动阶段的能量馈入，即能量从高压直流侧向中压直流侧传递。
其它与实施例1相同。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种高变比大功率模块化DC-DC变换器，其特征在于它由三相变换电路并联而成，每一相变换电路由R个相同的分支电路依次相连而成；每个分支电路由晶闸管串T1、晶闸管串T2、一个半桥桥臂和一个全桥桥臂组成；其中每个半桥桥臂由N个半桥子模块串联在一起并与一个电感串联组成，全桥桥臂由N个全桥子模块串联在一起并与一个电感串联组成；
分支电路(1)的输入端正极与中压直流输入侧的正极相连，分支电路(1)的输入端负极与中压直流输入侧的负极相连；分支电路1的输出端正极与分支电路2的输入端正极相连，分支电路1的输出端负极与分支电路2的输入端负极相连；分支电路2的输出端正极与分支电路3的输入端正极相连，分支电路2的输出端负极与分支电路3的输入端负极相连；以此类推，直至顺次连至第R个分支电路；
分支电路R的输入端正极与上一分支电路的输出端正极相连，输入端负极与上一分支电路的输出端负极相连；而输出端正极不再引出，且其输出端负极通过一个晶闸管串TH连至高压直流输出侧的正极；
高压直流输出侧的负极与分支电路1的输入端负极、中压直流输入侧的负极相连；
晶闸管串T1的阴极端与半桥桥臂的正极相连，晶闸管串T1的阳极端作为整个分支的输入端正极；半桥桥臂的正极、晶闸管串T1的阴极以及全桥桥臂的正极相连，作为整个分支的输出端正极；半桥桥臂的负极与晶闸管串T2的阴极相连，并作为整个分支的输入端负极；全桥桥臂的负极与晶闸管串T2的阳极端相连，作为整个分支的输出端负极。
2.根据权利要求1所述的一种高变比大功率模块化DC-DC变换器，其特征在于并联而成的三相变换电路，其三相电流依次错相120度。
3.根据权利要求1所述的一种高变比大功率模块化DC-DC变换器，其特征在于所述各个分支电路中的半桥桥臂，由多个半桥子模块HB1～HBN串联并与电感LHB串联而成，半桥子模块HB1的上端子即为半桥桥臂的正极，半桥子模块HB1的下端子与下一个半桥子模块的上端子相连，以此类推，直至连至半桥子模块HBN，而半桥子模块HBN的下端子与电感LHB的上端子相连，电感LHB的下端子即为半桥桥臂的负极。
4.根据权利要求1所述的一种高变比大功率模块化DC-DC变换器，其特征在于所述各个分支电路中的全桥桥臂，由多个全桥子模块串全桥子模块FB1～FBN串联并与电感LFB串联而成，全桥子模块FB1的上端子即为全桥桥臂的正极，全桥子模块FB1的下端子与下一个全桥子模块的上端子相连，以此类推，直至全桥子模块FBN，而全桥子模块FBN的下端子与电感LFB的上端子相连，电感LFB的下端子即为全桥桥臂的负极。
5.根据权利要求1、2或3所述的一种高变比大功率模块化DC-DC变换器，其特征在于，所述半桥子模块，由两个反并联二极管的全控型功率开关器件IGBT1、IGBT2以及一个电容C1组成；IGBT1的集电极与电容C1的正极相连，IGBT1的发射极与IGBT2的集电极相连，又从IGBT1的发射极与IGBT1的集电极的连接线上引出一个端子，作为半桥子模块的上端子；IGBT2的发射极与电容C1的负极相连，并从IGBT2的发射极引出一个端子，作为半桥子模块的下端子。
6.根据权利要求1、2或3所述的一种高变比大功率模块化DC-DC变换器，其特征在于所述全桥子模块，由四个反并联二极管的全控型功率开关器件IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6以及一个电容C2组成；IGBT3的发射极与IGBT4的集电极相连，并从其连接线上引出一个端子，作为全桥子模块的上端子；IGBT5的发射极与IGBT6的集电极相连，并从其连接线上引出一个端子，作为全桥子模块的下端子；另外，IGBT3的集电极和IGBT5的集电极以及电容C2的正极连接于一点，IGBT4的发射极和IGBT6的发射极以及电容C2的负极连接于一点。
7.根据权利要求1所述的一种高变比大功率模块化DC-DC变换器，其特征在于所述晶闸管串T1、T2以及高压输出侧晶闸管串TH，均由若干个正向串联的晶闸管构成晶闸管串。
8.根据权利要求1所述的一种高变比大功率模块化DC-DC变换器，其特征在于在每一个晶闸管串上均反并联一个晶闸管串。
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