CN112532062B - 级联型直流变压器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于直流变压器领域，具体涉及了一种级联型直流变压器及其控制方法，旨在解决作为直流变压器功率单元的变换器内部参数存在差异，导致高压侧电容电压发散，进而导致变压器无法正常运行的问题。本发明包括：级联型直流变压器包括N台隔离型DC‑DC功率变换单元以及2N‑1个均压单元；均压单元以级联方式嵌入N台隔离型DC‑DC功率变换单元的2N个高压侧H桥单元之间；N台隔离型DC‑DC功率变换单元的低压侧通过并联方式连接。每台隔离型DC‑DC功率变换单元包括一个高频变压器、三个H桥单元以及对应的母线电容。本发明通过均压单元实现隔离型DC‑DC功率变换单元的电压均衡化，避免高压侧电容电压出现发散现象，保证了级联型直流变压器运行的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于直流变压器领域，具体涉及了一种级联型直流变压器及其控制方法。
背景技术
目前，现有配电网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，进一步减小成本、降低损耗以及提高电能传输效率。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，并且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10kV等级配电应用的直流变压器，受功率半导体耐压水平限制，一般可由多个功率变换单元构成。为实现高功率密度，可选用三有源桥变换器作为直流变压器功率单元，然而当变换器内部电路参数存有差异时，高压侧电容电压将会出现发散现象，从而导致系统无法正常运行。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即作为直流变压器功率单元的变换器内部参数存在差异，导致高压侧电容电压发散，进而导致变压器无法正常运行的问题，本发明提供了一种级联型直流变压器，该级联型直流变压器包括N台隔离型DC-DC功率变换单元以及2N-1个均压单元；
所述N台隔离型DC-DC功率变换单元中第一隔离型DC-DC功率变换单元的P1端作为所述级联型直流变压器的第一直流端口的正极，第N隔离型DC-DC功率变换单元的N2端作为所述级联型直流变压器的第一直流端口的负极；
所述N台隔离型DC-DC功率变换单元的P3端连接到一起作为所述级联型直流变压器的第二直流端口的正极，N3端连接到一起作为所述级联型直流变压器的第二直流端口的负极；
所述N台隔离型DC-DC功率变换单元中第n隔离型DC-DC功率变换单元的N2端连接至第n+1隔离型DC-DC功率变换单元的P1端；
所述N台隔离型DC-DC功率变换单元的P1端和N1端分别连接至所述2N-1个均压单元中第1,3,5,…,2N-3,2N-1均压单元的C1端和q端；
所述N台隔离型DC-DC功率变换单元中第1,2,…,N-1隔离型DC-DC功率变换单元的P2端和N2端分别连接至所述2N-1个均压单元中第2,4,6,…,2N-4,2N-2均压单元的C1端和q端；
所述2N-1个均压单元中第2N-1均压单元的T2端连接至所述第N隔离型DC-DC功率变换单元的N2端，其余2N-2个均压单元中第n均压单元的T2端连接至第n+1均压单元的q端；
其中，1≤n≤N，代表N台隔离型DC-DC功率变换单元中第n台隔离型DC-DC功率变换单元或2N-1个均压单元中第n个均压单元。
在一些优选的实施例中，所述第n隔离型DC-DC功率变换单元包括以下模块：
高频变压器，包括第一交流电压输入、第二交流电压输入和交流电压输出；所述第一交流电压输入的a端和b端分别连接至第一H桥的g端和h端；所述第二交流电压输入的c端和d端分别连接至第二H桥的m端和n端；所述交流电压输出的e端和f端分别连接至第三H桥的x端和y端；
第一H桥，其P1端和N1端分别连接至第一高压侧母线电容正极和第一高压侧母线电容负极；
第二H桥，其P2端和N2端分别连接至第二高压侧母线电容正极和第二高压侧母线电容负极；
第三H桥，其P3端连接至低压侧母线电容正极作为所述级联型直流变压器的第二直流端口的正极，N3端连接至低压侧母线电容负极作为所述级联型直流变压器的第二直流端口的负极。
在一些优选的实施例中，所述N台隔离型DC-DC功率变换单元中的第一高压侧母线电容与所述第二高压侧母线电容为相同电容值、相同额定电压、相同额定电流和相同额定频率的电容。
在一些优选的实施例中，所述均压单元包括以下模块：
第一开关器，其C1端作为所述均压单元的C1端，T1端连接至第二开关器的C2端和均压电感的p端；
第二开关器，其T2端作为所述均压单元的T2端；
均压电感，其q端作为所述均压单元的q端。
在一些优选的实施例中，所述2N-1个均压单元中的均压电感为相同电感值、相同额定电压、相同额定电流和相同额定频率的高频电感。
在一些优选的实施例中，所述2N-1个均压单元中的第一开关器和第二开关器为相同规格标准的绝缘栅极双极型晶体管。
在一些优选的实施例中，所述N的取值范围为1~20。
本发明的另一方面，提出了一种级联型直流变压器的控制方法，基于上述的级联型直流变压器，该方法包括：
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，每台隔离型DC-DC功率变换单元中第一H桥和第二H桥产生同频同相的50%占空比方波电压u gh和u mn，通过低压侧母线电容电压闭环移相控制，每台隔离型DC-DC功率变换单元中产生相位滞后φA角的50%占空比方波电压u ef；
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，每台隔离型DC-DC功率变换单元中第一H桥和第二H桥产生同频同相的50%占空比方波电压u gh和u mn，通过低压侧母线电容电压闭环移相控制，每台隔离型DC-DC功率变换单元中产生相位超前φB角的50%占空比方波电压u ef；
其中，Ts取值为0.0001s~0.001s。
在一些优选的实施例中，所述均压单元，其正常工作时：
在连续开关周期Tc内，在前半个开关周期0.5Tc内选择导通第一开关器，在后半个开关周期0.5Tc内选择导通第二开关器；
其中，Tc取值为0.00005s~0.0001s。
本发明的有益效果：
（1）本发明级联型直流变压器，在级联的N台隔离型DC-DC功率变换单元的2N个高压侧H桥单元之间嵌入2N-1个均压单元，通过级联的方式进行连接，可以保证各台隔离型DC-DC功率变换单元的电压趋于一致，从而保证高压侧输入电压的均衡，避免高压侧电容电压出现发散现象，从而能够保证级联型直流变压器运行的稳定性。
（2）本发明级联型直流变压器，级联的各隔离型DC-DC功率变换单元采用双路输入高频变压器，且高压侧第一H桥单元与第二H桥单元之间采用串联方式，开关器件可承受高直流电压，有效提高系统功率密度，同时减少双路高频变换器中高频变压器的使用，降低了系统成本，并减少了系统的占用空间。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明级联型直流变压器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
本发明的一种级联型直流变压器，该级联型直流变压器包括N台隔离型DC-DC功率变换单元以及2N-1个均压单元；
所述N台隔离型DC-DC功率变换单元中第一隔离型DC-DC功率变换单元的P1端作为所述级联型直流变压器的第一直流端口的正极，第N隔离型DC-DC功率变换单元的N2端作为所述级联型直流变压器的第一直流端口的负极；
所述N台隔离型DC-DC功率变换单元的P3端连接到一起作为所述级联型直流变压器的第二直流端口的正极，N3端连接到一起作为所述级联型直流变压器的第二直流端口的负极；
所述N台隔离型DC-DC功率变换单元中第n隔离型DC-DC功率变换单元的N2端连接至第n+1隔离型DC-DC功率变换单元的P1端；
所述N台隔离型DC-DC功率变换单元的P1端和N1端分别连接至所述2N-1个均压单元中第1,3,5,…,2N-3,2N-1均压单元的C1端和q端；
所述N台隔离型DC-DC功率变换单元中第1,2,…,N-1隔离型DC-DC功率变换单元的P2端和N2端分别连接至所述2N-1个均压单元中第2,4,6,…,2N-4,2N-2均压单元的C1端和q端；
所述2N-1个均压单元中第2N-1均压单元的T2端连接至所述第N隔离型DC-DC功率变换单元的N2端，其余2N-2个均压单元中第n均压单元的T2端连接至第n+1均压单元的q端；
其中，1≤n≤N，代表N台隔离型DC-DC功率变换单元中第n台隔离型DC-DC功率变换单元或2N-1个均压单元中第n个均压单元。
为了更清晰地对本发明级联型直流变压器进行说明，下面结合图1对本发明实施例中各模块展开详述。
本发明第一实施例的级联型直流变压器，包括N台隔离型DC-DC功率变换单元以及2N-1个均压单元，N的取值范围为1~20，其详细描述如下：
第一隔离型DC-DC功率变换单元的P1端作为级联型直流变压器的第一直流端口的正极，第N隔离型DC-DC功率变换单元的N2端作为所述级联型直流变压器的第一直流端口的负极。
N台隔离型DC-DC功率变换单元中第一隔离型DC-DC功率变换单元的P1端作为所述级联型直流变压器的第一直流端口的正极，第N隔离型DC-DC功率变换单元的N2端作为所述级联型直流变压器的第一直流端口的负极。
N台隔离型DC-DC功率变换单元的P3端连接到一起作为所述级联型直流变压器的第二直流端口的正极，N3端连接到一起作为所述级联型直流变压器的第二直流端口的负极。
N台隔离型DC-DC功率变换单元中第n隔离型DC-DC功率变换单元的N2端连接至第n+1隔离型DC-DC功率变换单元的P1端；N台隔离型DC-DC功率变换单元的P1端和N1端分别连接至所述2N-1个均压单元中第1,3,5,…,2N-3,2N-1均压单元的C1端和q端；N台隔离型DC-DC功率变换单元中第1,2,…,N-1隔离型DC-DC功率变换单元的P2端和N2端分别连接至所述2N-1个均压单元中第2,4,6,…,2N-4,2N-2均压单元的C1端和q端；2N-1个均压单元中第2N-1均压单元的T2端连接至所述第N隔离型DC-DC功率变换单元的N2端，其余2N-2个均压单元中第n均压单元的T2端连接至第n+1均压单元的q端；其中，1≤n≤N，代表N台隔离型DC-DC功率变换单元中第n台隔离型DC-DC功率变换单元或2N-1个均压单元中第n个均压单元。
本发明级联型直流变压器的隔离型DC-DC功率变换单元包括高频变压器、第一H桥、第二H桥、第三H桥、第一高压侧母线电容CH1、第二高压侧母线电容CH2和低压侧母线电容CL：
高频变压器，包括第一交流电压输入、第二交流电压输入和交流电压输出；所述第一交流电压输入的a端和b端分别连接至第一H桥的g端和h端；所述第二交流电压输入的c端和d端分别连接至第二H桥的m端和n端；所述交流电压输出的e端和f端分别连接至第三H桥的x端和y端。
第一H桥，其P1端和N1端分别连接至第一高压侧母线电容正极和第一高压侧母线电容负极。第二H桥，其P2端和N2端分别连接至第二高压侧母线电容正极和第二高压侧母线电容负极。第三H桥，其P3端连接至低压侧母线电容正极作为所述级联型直流变压器的第二直流端口的正极，N3端连接至低压侧母线电容负极作为所述级联型直流变压器的第二直流端口的负极。
第一高压侧母线电容CH1与第二高压侧母线电容CH2为相同电容值、相同额定电压、相同额定电流和相同额定频率的电容。
第一H桥、第二H桥和第三H桥的结构相同，以第一H桥为例，进行H桥的结构说明，第一H桥包括四个开关器，开关器①的源极和开关器③的漏极连接到一起作为第一H桥的g端，开关器②的源极和开关器④的漏极连接到一起作为第一H桥的h端，开关器①与开关器②的漏极连接到一起作为第一H桥的P1端（即正极端H1+），开关器③与开关器④的源极连接到一起作为第一H桥的N1端（即负极端H1-）。第二H桥和第三H桥的结构参照第一H桥，本发明在此不一一详述。
均压单元包括第一开关器S1、第二开关器S2和均压电感Lg：
第一开关器S1，其C1端作为均压单元的C1端，T1端连接至第二开关器S2的C2端和均压电感的p端。
第二开关器S2，其T2端作为均压单元的T2端。
均压电感Lg，其一端连接至第一开关器S1的T1端，另一端作为均压单元的q端。
2N-1个均压单元中的均压电感Lg为相同电感值、相同额定电压、相同额定电流和相同额定频率的高频电感。
2N-1个均压单元中的第一开关器S1和第二开关器S2为相同规格标准的绝缘栅极双极型晶体管。
N台隔离型DC-DC功率变换单元对应的的2N-1个均压单元嵌入N台隔离型DC-DC功率变换单元的2N个高压侧H桥之间，通过级联的方式进行连接，可以保证各台隔离型DC-DC功率变换单元的电压趋于一致，从而保证高压侧输入电压的均衡，避免高压侧电容电压出现发散现象，从而导致级联型直流变压器无法运行。
本发明第二实施例的级联型直流变压器的控制方法，基于上述的级联型直流变压器，该方法包括：
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，每台隔离型DC-DC功率变换单元中第一H桥和第二H桥产生同频同相的50%占空比方波电压u gh和u mn，通过低压侧母线电容电压闭环移相控制，每台隔离型DC-DC功率变换单元中产生相位滞后φA角的50%占空比方波电压u ef；
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，每台隔离型DC-DC功率变换单元中第一H桥和第二H桥产生同频同相的50%占空比方波电压u gh和u mn，通过低压侧母线电容电压闭环移相控制，每台隔离型DC-DC功率变换单元中产生相位超前φB角的50%占空比方波电压u ef；
其中，Ts取值为0.0001s~0.001s。
均压单元，其正常工作时：
在连续开关周期Tc内，在前半个开关周期0.5Tc内选择导通第一开关器，在后半个开关周期0.5Tc内选择导通第二开关器；
其中，Tc取值为0.00005s~0.0001s。
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的方法的具体工作过程及有关说明，可以参考前述系统实施例中的对应过程，在此不再赘述。
需要说明的是，上述实施例提供的级联型直流变压器及方法，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
本发明第三实施例的一种存储装置，其中存储有多条程序，所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述的级联型直流变压器的控制方法。
本发明第四实施例的一种处理装置，包括处理器、存储装置；处理器，适于执行各条程序；存储装置，适于存储多条程序；所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述的级联型直流变压器的控制方法。
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
术语“第一”、 “第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种级联型直流变压器，其特征在于，该级联型直流变压器包括N台隔离型DC-DC功率变换单元以及2N-1个均压单元；
所述N台隔离型DC-DC功率变换单元中第一隔离型DC-DC功率变换单元的P1端作为所述级联型直流变压器的第一直流端口的正极，第N隔离型DC-DC功率变换单元的N2端作为所述级联型直流变压器的第一直流端口的负极；
所述N台隔离型DC-DC功率变换单元的P3端连接到一起作为所述级联型直流变压器的第二直流端口的正极，N3端连接到一起作为所述级联型直流变压器的第二直流端口的负极；
所述N台隔离型DC-DC功率变换单元中第n隔离型DC-DC功率变换单元的N2端连接至第n+1隔离型DC-DC功率变换单元的P1端；
所述N台隔离型DC-DC功率变换单元的P1端和N1端分别连接至所述2N-1个均压单元中第1,3,5,…,2N-3,2N-1均压单元的C1端和q端；
所述N台隔离型DC-DC功率变换单元中第1,2,…,N-1隔离型DC-DC功率变换单元的P2端和N2端分别连接至所述2N-1个均压单元中第2,4,6,…,2N-4,2N-2均压单元的C1端和q端；
所述2N-1个均压单元中第2N-1均压单元的T2端连接至所述第N隔离型DC-DC功率变换单元的N2端，其余2N-2个均压单元中第n均压单元的T2端连接至第n+1均压单元的q端；
其中，1≤n≤N，代表N台隔离型DC-DC功率变换单元中第n台隔离型DC-DC功率变换单元或2N-1个均压单元中第n个均压单元；
所述第n隔离型DC-DC功率变换单元包括以下模块：
高频变压器，包括第一交流电压输入、第二交流电压输入和交流电压输出；所述第一交流电压输入的a端和b端分别连接至第一H桥的g端和h端；所述第二交流电压输入的c端和d端分别连接至第二H桥的m端和n端；所述交流电压输出的e端和f端分别连接至第三H桥的x端和y端；
第一H桥，其P1端和N1端分别连接至第一高压侧母线电容正极和第一高压侧母线电容负极；
第二H桥，其P2端和N2端分别连接至第二高压侧母线电容正极和第二高压侧母线电容负极；
第三H桥，其P3端连接至低压侧母线电容正极作为所述级联型直流变压器的第二直流端口的正极，N3端连接至低压侧母线电容负极作为所述级联型直流变压器的第二直流端口的负极；
所述均压单元包括以下模块：
第一开关器，其C1端作为所述均压单元的C1端，T1端连接至第二开关器的C2端和均压电感的p端；
第二开关器，其T2端作为所述均压单元的T2端；
均压电感，其q端作为所述均压单元的q端。
2.根据权利要求1所述的级联型直流变压器，其特征在于，所述N台隔离型DC-DC功率变换单元中的第一高压侧母线电容与所述第二高压侧母线电容为相同电容值、相同额定电压、相同额定电流和相同额定频率的电容。
3.根据权利要求1所述的级联型直流变压器，其特征在于，所述2N-1个均压单元中的均压电感为相同电感值、相同额定电压、相同额定电流和相同额定频率的高频电感。
4.根据权利要求1所述的级联型直流变压器，其特征在于，所述2N-1个均压单元中的第一开关器和第二开关器为相同规格标准的绝缘栅极双极型晶体管。
5.根据权利要求1所述的级联型直流变压器，其特征在于，所述N的取值范围为1~20。
6.一种级联型直流变压器的控制方法，其特征在于，基于权利要求1-5任一项所述的级联型直流变压器，该方法包括：
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，每台隔离型DC-DC功率变换单元中第一H桥和第二H桥产生同频同相的50%占空比方波电压u gh和u mn，通过低压侧母线电容电压闭环移相控制，每台隔离型DC-DC功率变换单元中产生相位滞后φA角的50%占空比方波电压u ef；
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，每台隔离型DC-DC功率变换单元中第一H桥和第二H桥产生同频同相的50%占空比方波电压u gh和u mn，通过低压侧母线电容电压闭环移相控制，每台隔离型DC-DC功率变换单元中产生相位超前φB角的50%占空比方波电压u ef；
其中，Ts取值为0.0001s~0.001s。
7.根据权利要求6所述的级联型直流变压器的控制方法，其特征在于，所述均压单元，其正常工作时：
在连续开关周期Tc内，在前半个开关周期0.5Tc内选择导通第一开关器，在后半个开关周期0.5Tc内选择导通第二开关器；
其中，Tc取值为0.00005s~0.0001s。
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