CN111800001A - 一种直流变压器串联侧母线电容均压装置及均压方法 - Google Patents

一种直流变压器串联侧母线电容均压装置及均压方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种直流变压器串联侧母线电容均压装置及均压方法,均压装置包括:开关电源、控制板卡和风机;开关电源从母线电容获取电能,为控制板卡和风机供电;在直流变压器启动前,控制板卡采集母线电容的电压,当母线电容的电压小于额定电压时,控制风机转速减小;当母线电容的电压高于额定电压时,控制风机转速增大;风机为直流变压器功率模块的散热风机。本发明将直流变压器功率模块正常运行时的散热风机,复用于直流变压器串联侧母线电容静态均压,不仅提高了直流变压器整机的效率,同时使得直流变压器功率模块的电气元件减少,降低了成本、提高了直流变压器的功率密度,并且其控制方法简单、有效、易于实现。

Description

一种直流变压器串联侧母线电容均压装置及均压方法
技术领域
本发明涉及直流配网技术领域,尤其涉及一种直流变压器串联侧母线电容均压装置及均压方法。
背景技术
随着直流配技术的发展,直流配电网相关的实证和示范系统也逐步增加,直流变压器作为一种重要的直流设备,在实际直流配网工程中得到了广泛的应用。实现中压直流电网和低压直流电网功率传递的直流变压器,由于功率器件电压的限制,该设备通常采用中压侧串联、低压侧并联的拓扑(即ISOP拓扑)。
ISOP拓扑的直流变压器,其功率模块的控制板卡通常采用开关电源从母线电容取电。设备正常运行之前,先通过外电路给串联侧母线电容充电,母线电容带电之后,开关电源正常工作,然后控制板卡带电,因此再直流变压器尚未运行时,其串联侧多个功率模块的静态均压问题是影响设备能够正常启动的关键。
图1所示为ISOP拓扑的DC/DC变换装置,串联侧电压为Ui、并联侧电压为U0;图2所示为现有的串联侧自均压方案,当Ui带电时,Ui通过软启电路为n个模块的串联侧母线电容C充电,串联侧母线电容C的电压升高到开关电源的启动电压时,开关电源正常运行,开关电源运行则控制板卡带电,则串联侧模块的控制系统可正常工作。
图2所示电路,开关电源的运行具有恒功率特性,即输入功率相同时,输入电压高的模块输入电流小,输入电压低的模块输入电流大。由于变换器装置串联侧由n个模块串联,则功率模块的输入电流i相同,因此当出现某一个扰动导致某个模块电压升高时,该功率模块开关电源输入电流iP减小,但是由于该模块的输入i相同,因此电流iC增大,母线电容电压继续升高,这会导致在串联侧变换器桥臂未运行时,串联侧n个子模块的母线电容电压无法稳定,DC/DC变换装置无法实现静态均压。
综上所述,由于开关电源的恒功率特性导致DC/DC变换装置串联侧无法实现静态均压的特性,增加均压电阻R,均压电阻R的功率大于开关电源的输入功率时,DC/DC变换装置串联侧静态均压正常。
采用上述增加均压电阻的静态均压方案,可以实现母线电容电压的稳定,并且该方案也已经通过实验室和变换器装置的验证。但是该方案中的均压电阻与母线电容并联,无论变换装置待机或者正常运行,该电阻持续消耗功率,导致直流变压器的效率降低;另外,由于电阻持续的发热,会导致功率模块的散热风量加大,散热风机的损耗增加,降低装置的效率。此外增加由于增加了电阻,也使得功率模块的电气元件数量增加,提高变换装置的成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种直流变压器串联侧母线电容均压装置及均压方法,通过控制风机的转速来稳定直流母线电压,用于解决现有技术中的直流母线通过均压电阻与母线电容并联,电阻持续消耗功率和电阻发热的问题。
为达到上述目的,本发明提供了一种直流变压器串联侧母线电容均压装置,包括:开关电源、控制板卡和风机;
所述开关电源从母线电容获取电能,为控制板卡和风机供电;
在直流变压器启动前,所述控制板卡采集母线电容的电压,当母线电容的电压小于额定电压时,控制风机转速减小;当母线电容的电压高于额定电压时,控制风机转速增大;
所述风机为直流变压器功率模块的散热风机。
进一步地,直流母线不设置均压电阻。
进一步地,所述控制板卡和所述风机通过控制总线通讯。
进一步地,所述风机为直流调速风机。
本发明另一方面提供一种利用所述的直流变压器串联侧母线电容均压装置进行均压的方法,包括:
外部电路给串联母线电容充电,母线电容带电之后,开关电源获取电能,为控制板卡和风机供电;
在直流变压器启动前,所述控制板卡采集母线电容的电压,当母线电容的电压小于额定电压时,控制风机转速减小;当母线电容的电压高于额定电压时,控制风机转速增大;使得母线电容的电压稳定。
进一步地,控制板卡采集母线电容的电压,并计算与额定电压的差值Δui,当0<Δui≤50V,速度增加Krad/s,50V<Δui≤100,速度增加5*Krad/s;100V<Δui,则将速度增加至最大;当-50V≤Δui<0V时,速度减小Krad/s,100V≤Δui<-50V,速度减小5*Krad/s,Δui<-100V,则将速度减小为0;Δui为0时,保持当前速度;K为8~15。
进一步地,当直流变压器启动后,所述控制板卡采集功率模块的散热器的温度,调节所述风机的转速为直流变压器功率模块散热。
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果:
(1)本发明将直流变压器功率模块正常运行时的散热风机,复用于直流变压器串联侧母线电容静态均压,不仅提高了直流变压器整机的效率,同时使得直流变压器功率模块的电气元件减少,降低了成本、提高了直流变压器的功率密度,并且其控制方法简单、有效、易于实现。
(2)本发明无需使用均压电阻,避免了在正常运行时,电阻持续消耗功率,持续发热,减小了散热需求,降低了电阻带来的持续功耗以及散热功耗,进一步降低了成本。
(3)本发明提供风机的速度调节方法,进一步保证了电压的稳定性。
附图说明
图1是ISOP拓扑DC/DC变换器示意图;
图2现有的串联侧电容稳态均压电路图;
图3为本发明风机调试均压方法示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了,下面结合具体实施方式并参照附图,对本发明进一步详细说明。应该理解,这些描述只是示例性的,而并非要限制本发明的范围。此外,在以下说明中,省略了对公知结构和技术的描述,以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图3所示,本发明提供一种直流变压器串联侧母线电容均压装置,包括:开关电源、控制板卡和风机;所述开关电源从母线电容获取电能,为控制板卡和风机供电;在直流变压器启动前,所述控制板卡采集母线电容的总电压,当母线电容的总电压小于额定电压时,控制风机转速减小;当母线电容的电压高于额定电压时,控制风机转速增大;所述风机为直流变压器功率模块的散热风机。传统的ISOP拓扑的直流变压器,串联侧功率模块包括:电容、控制板卡、开关电源、开关器件等。本发明增加了风机,通过控制板卡采集母线电容的电压值,根据母线电容电压的采样值控制调速风机的运行。
进一步地,直流母线不设置均压电阻。
进一步地,所述控制板卡和所述风机通过控制总线通讯。控制板卡和调速风机之间可采用RS485或者其他的通讯方式。
进一步地,所述风机为直流调速风机。
母线电容为功率模块的滤波器件,开关电源从母线电容取电,开关电源的输出分别给控制板卡和调速风机供电。当串联侧所有母线电容带电,开关电源正常运行并且控制板卡带电时,控制板卡检测到母线电容的电压,当母线电容的电压高于额定电压时,控制调速风机转速增大,即运行功率增大,可降低该功率模块母线电容的电压;当母线电容的电压小于额定电压时,控制调速风机转速减小,即风机功率减小,则可升高该功率模块母线电容的电压;通过上述调节可使得母线电容电压在额定值附近波动,维持串联侧多个母线电容电压的稳定。
直流调速风机与控制板卡、直流母线电压三者形成闭环。在串联侧功率器件尚未运行时,通过调节直流调速风机转速大小来维持串联侧多个功率模块的母线电容电压的稳定。该方法可以实现直流母线电容电压的稳定,控制方式也容易实现,并且没有增加其他的电气器件,使得功率模块的结构紧凑、功率密度提高。
在一个实施例中,控制板卡采集母线电容的电压,并计算与额定电压的差值Δui,当0<Δui≤50V,速度增加10rad/s,50V<Δui≤100,速度增加50rad/s;100V<Δui,则将速度增加至最大;当-50V≤Δui<0V时,速度减小10rad/s,100V≤Δui<-50V,速度减小50rad/s;Δui<-100V,则将速度减小为0。
由于该风机是功率模块开关器件的散热风机,当直流变压器正常运行时,可根据散热器的温度,控制该风机的转速;直流变压器尚未启动时,该风机作为串联侧母线电容静态均压的功耗器件;这种方法,可去掉直流母线均压电阻,不仅减少了功率模块的电气器件,同时也提高了直流变压器的效率。
本发明另一方面提供一种利用所述的直流变压器串联侧母线电容均压装置进行均压的方法,包括:
外部电路给串联母线电容充电,母线电容带电之后,开关电源获取电能,为控制板卡和风机供电;
在直流变压器启动前,所述控制板卡采集母线电容的电压,当母线电容的电压小于额定电压时,控制风机转速减小;当母线电容的电压高于额定电压时,控制风机转速增大;使得母线电容的电压稳定。
进一步地,控制板卡采集母线电容的电压,并计算与额定电压的差值Δui,当0<Δui≤50V,速度增加10rad/s,50V<Δui≤100,速度增加50rad/s;100V<Δui,则将速度增加至最大;当-50V≤Δui<0V时,速度减小10rad/s,100V≤Δui<-50V,速度减小50rad/s;Δui<-100V,则将速度减小为0。Δui为0时,保持当前速度。
进一步地,当直流变压器启动后,所述控制板卡采集散热器的温度,调节所述风机的转速为直流变压器功率模块散热。本发明采用风机对直流变压器串联侧母线电容静态均压,该风机与功率模块的散热风机复用,无需增加额外的器件,且减少了均衡电阻的使用。
综上所述,本发明提供一种直流变压器串联侧母线电容均压装置及均压方法,均压装置包括:开关电源、控制板卡和风机;开关电源从母线电容获取电能,为控制板卡和风机供电;在直流变压器启动前,控制板卡采集母线电容的电压,当母线电容的电压小于额定电压时,控制风机转速减小;当母线电容的电压高于额定电压时,控制风机转速增大;风机为直流变压器功率模块的散热风机。本发明将直流变压器功率模块正常运行时的散热风机,复用于直流变压器串联侧母线电容静态均压,不仅提高了直流变压器整机的效率,同时使得直流变压器功率模块的电气元件减少,降低了成本、提高了直流变压器的功率密度,并且其控制方法简单、有效、易于实现。另一方面,本发明无需使用均压电阻,避免了在正常运行时,电阻持续消耗功率,持续发热,见小了散热需求,降低了电阻带来的持续功耗以及散热功耗,进一步降低了成本。
应当理解的是,本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理,而不构成对本发明的限制。因此,在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。此外,本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (7)

1.一种直流变压器串联侧母线电容均压装置,其特征在于,包括:开关电源、控制板卡和风机;
所述开关电源从母线电容获取电能,为控制板卡和风机供电;
在直流变压器启动前,所述控制板卡采集母线电容的电压,当母线电容的电压小于额定电压时,控制风机转速减小;当母线电容的电压高于额定电压时,控制风机转速增大;
所述风机为直流变压器功率模块的散热风机。
2.根据权利要求1所述的直流变压器串联侧母线电容均压装置,其特征在于,直流母线不设置均压电阻。
3.根据权利要求1或2所述的直流变压器串联侧母线电容均压装置,其特征在于,所述控制板卡和所述风机通过控制总线通讯。
4.根据权利要求1或2所述的直流变压器串联侧母线电容均压装置,其特征在于,所述风机为直流调速风机。
5.利用权利要求1至4之一所述的直流变压器串联侧母线电容均压装置进行均压的方法,其特征在于,包括:
外部电路给串联母线电容充电,母线电容带电之后,开关电源获取电能,为控制板卡和风机供电;
在直流变压器启动前,所述控制板卡采集母线电容的电压,当母线电容的电压小于额定电压时,控制风机转速减小;当母线电容的电压高于额定电压时,控制风机转速增大;使得母线电容的电压稳定。
6.根据权利要求5所述的进行均压的方法,其特征在于,控制板卡采集母线电容的电压,并计算与额定电压的差值Δui,当0<Δui≤50V,速度增加Krad/s,50V<Δui≤100,速度增加5*Krad/s;100V<Δui,则将速度增加至最大;当-50V≤Δui<0V时,速度减小Krad/s,100V≤Δui<-50V,速度减小5*Krad/s,Δui<-100V,则将速度减小为0;Δui为0时,保持当前速度;K为8~15。
7.根据权利要求5或6所述的进行均压的方法,其特征在于,当直流变压器启动后,所述控制板卡采集功率模块的散热器的温度,调节所述风机的转速为直流变压器功率模块散热。
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