CN113381607A - 一种低成本高效率高变比dc/dc变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低成本高效率高变比DC/DC变换器，由a相、b相和c相三相相电路并联构成，三相相电路结构完全相同且交错120°运行，相电路有A类、B类、C类和D类四种拓扑结构，其共同特征在于均由一个子模块串、一个电感、若干晶闸管串或二极管串构成的单元级联而成。该DC/DC变换器通过控制子模块串的电压和电流为晶闸管串和二极管串提供低电压和零电流的开关条件，使得多个单元在高低压侧串并联切换传输功率，可实现较高的电压变比。高压直流侧电压仅由半桥子模块串承担，所需全控型开关器件大幅度降低，成本和损耗显著降低，且采用的单元结构可实现变换器的模块化、高集成度和高可靠性设计，有助于工程实践应用。

Description

一种低成本高效率高变比DC/DC变换器
技术领域
本发明涉及一种低成本高效率高变比DC/DC变换器，具体涉及一种适用于直流电网和新能源汇集领域的低成本高效率高变比DC/DC变换器。
背景技术
随着我国内陆新能源装机容量的持续增长，新能源发电的消纳送出问题日益突出，使得海上风电成为了新能源发展的焦点。当前海上风电场普遍采用交流进行汇集，高压直流线路送出。交流汇集线缆存在的集肤效应与无功功率问题限制了风电场的汇集效率与容量规模。此外，工频升压变压器和用于实现AC/DC变换的换流站增加了海上平台的体积和成本。为解决以上问题，基于直流汇集的全直流海上风电场得到了各国研究人员的关注。直流汇集不存在无功功率问题、无需同步锁相、且直流电缆具有更高的传输效率，可以有效支撑建设更大规模的海上风场。
在这一方案中，直流汇集与高压直流输电线路之间的大容量、高变比DC/DC变换器是核心技术。变换器需要承受低压直流侧巨大的电流应力和高压直流侧巨大的电压应力。CN110350788B提出了一种高变比DC/DC变换器，但是该变换器由一半的全桥子模块和一半的半桥子模块构成能量存储结构，使用大量的全桥子模块使得该变换器器件成本较高且损耗较大。
发明内容
为了解决大功率DC/DC变换器成本高、损耗大的问题，本发明提供了一种低成本高效率高变比DC/DC变换器。该DC/DC变换器通过控制子模块串的电压和电流为晶闸管串和二极管串提供低电压和零电流的开关条件，使得多个单元在高低压侧串并联切换传输功率，可实现较高的电压变比。高压直流侧电压仅由半桥子模块串承担，所需IGBT器件数目大幅度降低，成本和损耗显著降低，且采用的单元结构可实现变换器的模块化、高集成度和高可靠性设计，有助于工程实践应用。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种低成本高效率高变比DC/DC变换器，由a相、b相和c相三相相电路并联构成，三相相电路结构完全相同且交错120°运行，相电路有A类、B类、C类和D类四种拓扑结构，其共同特征在于均由一个子模块串、一个电感、若干晶闸管串或二极管串构成的单元级联而成，具体拓扑结构如下：
一、A类拓扑
所述A类拓扑由S个常规单元和一个二极管串DHj组成(j＝a,b,c)；
所述S个常规单元中每个常规单元的电路结构均相同；
所述每个常规单元的输出端与下一个常规单元的输入端相连，第一个常规单元的输入端与低压直流侧相连，最后一个常规单元的输出端与二极管串DHj的阳极相连；
所述二极管串DHj的阴极与高压直流侧相连。
二、B类拓扑
所述B类拓扑由S个常规单元、一个输入单元和一个二极管串DHj组成(j＝a,b,c)；
所述S个常规单元中每个常规单元的电路结构均相同；
所述输入单元包含一个二极管串DLj、一个半桥子模块串和一个电感L；
所述每个常规单元的输出端与下一个常规单元的输入端相连，第一个常规单元的输入端与输入单元的输出端相连，最后一个常规单元的输出端与二极管串DHj的阳极相连；
所述输入单元的输入端与低压直流侧相连，输出端与第一个常规单元的输入端相连；
所述二极管串DHj的阴极与高压直流侧相连。
三、C类拓扑
所述C类拓扑由S个常规单元、一个输出单元和一个二极管串DHj组成(j＝a,b,c)；
所述S个常规单元中每个常规单元的电路结构均相同；
所述输出单元包含一个晶闸管串THj、一个全桥子模块串和一个电感L；
所述每个常规单元的输出端与下一个常规单元的输入端相连，第一个常规单元的输入端与低压直流侧相连，最后一个常规单元的输出端与输出单元的输入端相连；
所述输出单元的输入端与最后一个常规单元的输出端相连，输出端与二极管串DHj的阳极相连；
所述二极管串DHj的阴极与高压直流侧相连。
四、D类拓扑
所述D类拓扑由S个常规单元、一个输入单元、一个输出单元和一个二极管串DHj组成(j＝a,b,c)；
所述S个常规单元中每个常规单元的电路结构均相同；
所述每个常规单元的输出端与下一个常规单元的输入端相连，第一个常规单元的输入端与输入单元的输出端相连，最后一个常规单元的输出端与输出单元的输入端相连；
所述输入单元的输入端与低压直流侧相连，输出端与第一个常规单元的输入端相连；
所述输出单元的输入端与最后一个常规单元的输出端相连，输出端与二极管串DHj的阳极相连；
所述二极管串DHj的阴极与高压直流侧相连。
本发明中，常规单元有Ⅰ类常规单元、Ⅱ类常规单元和Ⅲ类常规单元三种不同的电路结构，均包含一个晶闸管串Tpjk、一个晶闸管串Tsjk、一个二极管串Djk、一个半桥子模块串和一个电感L(k＝1,2,…,S)，其中：
所述Ⅰ类常规单元有输入端子1、输入端子2、输出端子1和输出端子2共4个端子，输入端子1与二极管串Djk的阳极和晶闸管串Tsjk的阳极相连，输入端子2与晶闸管串Tpjk的阴极相连，输出端子1与二极管串Djk的阴极和半桥子模块串的电流输入端相连，输出端子2与晶闸管串Tpjk的阳极、晶闸管串Tsjk的阴极和电感L的一端相连，电感L的另一端连接半桥子模块串的电流输出端；
所述Ⅱ类常规单元有输入端子1、输入端子2、输入端子3、输出端子1、输出端子2和输出端子3共6个端子，输入端子1与二极管串Djk的阳极和输出端子1相连，输入端子2与晶闸管串Tsjk的阳极相连，输入端子3与晶闸管串Tpjk的阴极和输出端子3相连，输出端子2与二极管串Djk的阴极和半桥子模块串的电流输入端相连，晶闸管串Tpjk的阳极与晶闸管串Tsjk的阴极和电感L的一端相连，电感L的另一端连接半桥子模块串的电流输出端；
所述Ⅲ类常规单元有输入端子1、输入端子2、输出端子1和输出端子2共4个端子，输入端子1与二极管串Djk的阳极和晶闸管串Tsjk的阳极相连，输入端子2与晶闸管串Tpjk的阳极、晶闸管串Tsjk的阴极和电感L的一端相连，电感L的另一端连接半桥子模块串的电流输出端，输出端子1与二极管串Djk的阴极和半桥子模块串的电流输入端相连，输出端子2与晶闸管串Tpjk的阴极相连。
本发明中，输入单元有Ⅰ类输入单元、Ⅱ类输入单元和Ⅲ类输入单元三种不同的电路结构，均包含一个二极管串DLj、一个半桥子模块串和一个电感L，其中：
所述Ⅰ类输入单元有输入端子1、输入端子2、输出端子1和输出端子2共4个端子，输入端子1与二极管串DLj的阳极相连，输入端子2与输出端子2和电感L的一端相连，电感L的另一端连接半桥子模块串的电流输出端，输出端子1与二极管串DLj的阴极和半桥子模块串的电流输入端相连；
所述Ⅱ类输入单元有输入端子1、输入端子2、输出端子1和输出端子2和输出端子3共5个端子，输入端子1与二极管串DLj的阳极相连，输入端子2与输出端子3和电感L的一端相连，电感L的另一端连接半桥子模块串的电流输出端，输出端子1与二极管串DLj的阴极、输出端子2和半桥子模块串的电流输入端相连；
所述Ⅲ类输入单元有输入端子1、输入端子2和输出端子1共3个端子，输入端子1与二极管串DLj的阳极相连，输入端子2与电感L的一端相连，电感L的另一端连接半桥子模块串的电流输出端，输出端子1与二极管串DLj的阴极和半桥子模块串的电流输入端相连。
本发明中，输出单元有Ⅰ类输出单元和Ⅱ类输出单元两种不同的电路结构，均包含一个晶闸管串THj、一个全桥子模块串和一个电感L，其中：
所述Ⅰ类输出单元有输入端子1、输入端子2和输出端子1共3个端子，输入端子1与全桥子模块串的电流输入端相连，输入端子2与晶闸管串THj的阴极相连，输出端子1与晶闸管串THj的阳极和电感L的一端相连，电感L的另一端连接全桥子模块串的电流输出端；
所述Ⅱ类输出单元有输入端子1、输入端子2、输出端子1和输出端子2共4个端子，输入端子1与全桥子模块串的电流输入端相连，输入端子2与电感L的一端、输出端子1和晶闸管串THj的阳极相连，电感L的另一端连接全桥子模块串的电流输出端，输出端子2与晶闸管串THj的阴极相连。
本发明中，半桥子模块串由多个电路结构完全相同的半桥子模块串联而成，每个半桥子模块由2个IGBT以及一个电容组成；每个半桥子模块的电流输出端与后一个半桥子模块的输入端相连，第一个半桥子模块的电流输入端作为半桥子模块串的电流输入端，最后一个半桥子模块的电流输出端作为半桥子模块串的电流输出端。
本发明中，全桥子模块串由多个电路结构完全相同的全桥子模块串联而成，每个全桥子模块由4个IGBT以及一个电容组成；每个全桥子模块的电流输出端与后一个全桥子模块的输入端相连，第一个全桥子模块的电流输入端作为全桥子模块串的电流输入端，最后一个全桥子模块的电流输出端作为全桥子模块串的电流输出端。
本发明中，晶闸管串Tsjk、Tpjk和THj均由多个晶闸管正向串联而成。
本发明中，二极管串DLj、DHj和Djk均由多个二极管正向串联而成。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1、基于半桥子模块串、晶闸管串和二极管串构成的低成本、高效率的高变比DC/DC变换器，将成本低、损耗低、串联技术成熟的晶闸管和二极管，以及直流工程中广泛应用的半桥子模块串组成单元结构，并通过控制半桥子模块串的电压和电流为晶闸管串和二极管串提供低电压和零电流的开关条件，使得多个单元在高低压侧串并联切换传输功率，可实现较高的电压变比。
2、每相电路仅需半桥子模块承担高压直流侧电压，所需的IGBT器件数目大幅度降低，成本和损耗显著降低。且仅需将一个常规单元的半桥子模块替换成全桥子模块串构成输出单元，即可使变换器具备直流侧短路故障自清除能力。
3、每个常规单元由一个半桥子模块串和功率密度较高的晶闸管串、二极管串封装而成，可实现变换器的模块化、高集成度和高可靠性设计，有助于工程实践应用。
附图说明
图1为本发明提供的用于直流电网和新能源汇集领域的低成本高变比DC/DC变换器的单相电路结构图，其中：(a)为A类单相电路结构，(b)为B类单相电路结构，(c)为C类单相电路结构，(d)为D类单相电路结构，iL为低压直流侧输入电流，iH为高压直流侧输出电流，UL为低压直流侧电压，UH为高压直流侧电压；
图2为常规单元电路结构图，其中，(a)为Ⅰ类常规单元电路结构；(b)为Ⅱ类常规单元电路结构；(c)为Ⅲ类常规单元电路结构；iHjk为流过常规单元半桥子模块串的实际电流；
图3为输入单元电路结构图，其中，(a)为Ⅰ类输入单元电路结构；(b)为Ⅱ类输入单元电路结构；(c)为Ⅲ类输入单元电路结构；iHj1'为流过输入单元半桥子模块串的实际电流；
图4为输出单元电路结构图，其中，(a)为Ⅰ类输出单元电路结构；(b)为Ⅱ类输出单元电路结构；iF为流过输出单元全桥子模块串的实际电流；
图5为半桥子模块串和全桥子模块串的电路结构图，其中，(a)为半桥子模块串电路结构图；(b)为全桥子模块串电路结构图；uH为半桥子模块串的输出电压；uF为全桥子模块串的输出电压；
图6为晶闸管串和二极管串的电路结构图，其中，(a)为晶闸管串电路结构图；(b)为二极管串电路结构图；
图7为单相电路结构为A类且常规单元电路结构为Ⅰ类时，低成本高效率高变比DC/DC变换器的拓扑结构图；
图8为单相电路结构为A类且常规单元电路结构为Ⅱ类时，低成本高效率高变比DC/DC变换器的拓扑结构图；
图9为单相电路结构为A类且时常规单元电路结构为Ⅲ类时，低成本高效率高变比DC/DC变换器的拓扑结构图；
图10为单相电路结构为B类且输入单元电路结构为Ⅰ类、常规单元电路结构为Ⅰ类时，低成本高效率高变比DC/DC变换器的拓扑结构图；
图11为单相电路结构为B类且输入单元电路结构为Ⅱ类、常规单元电路结构为Ⅱ类时，低成本高效率高变比DC/DC变换器的拓扑结构图；
图12为单相电路结构为B类且输入单元电路结构为Ⅲ类、常规单元电路结构为Ⅲ类时，低成本高效率高变比DC/DC变换器的拓扑结构图；
图13为单相电路结构为C类且输出单元电路结构为Ⅰ类、常规单元电路结构为Ⅰ类时，低成本高效率高变比DC/DC变换器的拓扑结构图；
图14为单相电路结构为C类且输出单元电路结构为Ⅰ类、常规单元电路结构为Ⅱ类时，低成本高效率高变比DC/DC变换器的拓扑结构图；
图15为单相电路结构为C类且输出单元电路结构为Ⅱ类、常规单元电路结构为Ⅲ类时，低成本高效率高变比DC/DC变换器的拓扑结构图；
图16为单相电路结构为D类且输入单元电路结构为Ⅰ类、输出单元电路结构为Ⅰ类、常规单元电路结构为Ⅰ类时，低成本高效率高变比DC/DC变换器的拓扑结构图；
图17为单相电路结构为D类且输入单元电路结构为Ⅱ类、输出单元电路结构为Ⅰ类、常规单元电路结构为Ⅱ类时，低成本高效率高变比DC/DC变换器的拓扑结构图；
图18为单相电路结构为D类且输入单元电路结构为Ⅲ类、输出单元电路结构为Ⅱ类、常规单元电路结构为Ⅲ类时，低成本高效率高变比DC/DC变换器的拓扑结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提供的低成本高效率高变比DC/DC变换器由三相完全相同的电路结构并联构成(j＝a,b,c)，a相、b相和c相交错120°运行。每相电路有四种拓扑结构，其共同特征在于均由一个子模块串、一个电感、若干晶闸管串或二极管串构成的单元级联而成，通过控制子模块串的电压和电流为晶闸管串和二极管串提供低电压和零电流的开关条件，使得多个单元在高低压侧串并联切换传输功率。
图1为用于直流电网和新能源汇集领域的低成本高效率高变比DC/DC变换器单相电路结构图，以a相为例，另外两相的结构与a相完全相同，其中：图1(a)为A类单相电路结构，由S个常规单元和一个二极管串DHj组成；图1(b)为B类单相电路结构，由S个常规单元、一个输入单元和一个二极管串DHj组成；图1(c)为C类单相电路结构，由S个常规单元、一个输出单元和一个二极管串DHj组成；图1(d)为D类单相电路结构，由S个常规单元、一个输入单元、一个输出单元和一个二极管串DHj组成。其中，S个常规单元的电路结构均相同，每个常规单元的输出端与下一个常规单元的输入端相连，第一个常规单元的输入端与低压直流侧相连或与输入单元的输出端相连，最后一个常规单元的输出端与二极管串DHa的阳极相连或与输出单元的输入端相连。输入单元的输入端与低压直流侧相连，输出端与第一个常规单元的输入端相连。输出单元的输入端与最后一个常规单元的输出端相连，输出端与二极管串DHa的阳极相连。二极管串DHa的阴极与高压直流侧相连。
本发明中，四类电路结构的不同特征在于：常规单元、输入单元和输出单元的应用场景有所不同，以及各单元中子模块串、晶闸管串和二极管串的连接方式有所不同，具体如下：
图2为常规单元的电路结构，常规单元有三种不同的电路结构：Ⅰ类常规单元、Ⅱ类常规单元和Ⅲ类常规单元。每种常规单元均包含一个晶闸管串Tpjk、一个晶闸管串Tsjk、一个二极管串Djk、一个半桥子模块串和一个电感L(k＝1,2,…,S)，仅输入端子和输出端子的接线方式不同。常规单元为DC/DC变换器的基本结构，当晶闸管串Tpjk和二极管串Djk均导通，晶闸管串Tsjk阻断时，DC/DC变换器工作在并联传输功率状态；当晶闸管串Tsjk导通，晶闸管串Tpjk和二极管串Djk均阻断时，DC/DC变换器工作在在串联传输功率状态。
图2(a)所示为Ⅰ类常规单元电路结构图。Ⅰ类常规单元有输入端子1、输入端子2、输出端子1和输出端子2共4个端子，输入端子1与二极管串Djk的阳极和晶闸管串Tsjk的阳极相连，输入端子2与晶闸管串Tpjk的阴极相连，输出端子1与二极管串Djk的阴极和半桥子模块串的电流输入端相连，输出端子2与晶闸管串Tpjk的阳极、晶闸管串Tsjk的阴极和电感L的一端相连，电感L的另一端连接半桥子模块串的电流输出端。
图2(b)所示为Ⅱ类常规单元电路结构图。Ⅱ类常规单元有输入端子1、输入端子2、输入端子3、输出端子1、输出端子2和输出端子3共6个端子，输入端子1与二极管串Djk的阳极和输出端子1相连，输入端子2与晶闸管串Tsjk的阳极相连，输入端子3与晶闸管串Tpjk的阴极和输出端子3相连，输出端子2与二极管串Djk的阴极和半桥子模块串的电流输入端相连，晶闸管串Tpjk的阳极与晶闸管串Tsjk的阴极和电感L的一端相连，电感L的另一端连接半桥子模块串的电流输出端。
图2(c)所示为Ⅲ类常规单元电路结构图。Ⅲ类常规单元有输入端子1、输入端子2、输出端子1和输出端子2共4个端子，输入端子1与二极管串Djk的阳极和晶闸管串Tsjk的阳极相连，输入端子2与晶闸管串Tpjk的阳极、晶闸管串Tsjk的阴极和电感L的一端相连，电感L的另一端连接半桥子模块串的电流输出端，输出端子1与二极管串Djk的阴极和半桥子模块串的电流输入端相连，输出端子2与晶闸管串Tpjk的阴极相连。
图3为输入单元的电路结构，输入单元有三种不同的电路结构：Ⅰ类输入单元、Ⅱ类输入单元和Ⅲ类输入单元，每种输入单元均包含一个二极管串DLj、一个半桥子模块串和一个电感L，仅输入端子和输出端子的接线方式不同。输入单元仅在DC/DC变换器不需要具备高压直流侧和低压直流侧有直接电气连接的场景下采用，当二极管串DLj导通时，DC/DC变换器工作在并联传输功率状态；当二极管串DLj阻断时，DC/DC变换器工作在串联传输功率状态。
图3(a)所示为Ⅰ类输入单元电路结构图。Ⅰ类输入单元有输入端子1、输入端子2、输出端子1和输出端子2共4个端子。输入端子1与二极管串DLj的阳极相连，输入端子2与输出端子2和电感L的一端相连，电感L的另一端连接半桥子模块串的电流输出端，输出端子1与二极管串DLj的阴极和半桥子模块串的电流输入端相连。
图3(b)所示为Ⅱ类输入单元电路结构图。Ⅱ类输入单元有输入端子1、输入端子2、输出端子1和输出端子2和输出端子3共5个端子。输入端子1与二极管串DLj的阳极相连，输入端子2与输出端子3和电感L的一端相连，电感L的另一端连接半桥子模块串的电流输出端，输出端子1与二极管串DLj的阴极、输出端子2和半桥子模块串的电流输入端相连。
图3(c)所示为Ⅲ类输入单元电路结构图。Ⅲ类输入单元有输入端子1、输入端子2和输出端子1共3个端子，输入端子1与二极管串DLj的阳极相连，输入端子2与电感L的一端相连，电感L的另一端连接半桥子模块串的电流输出端，输出端子1与二极管串DLj的阴极和半桥子模块串的电流输入端相连。
图4为输出单元的电路结构，输出单元有两种不同的电路结构：Ⅰ类输出单元和Ⅱ类输出单元，每种输出单元均包含一个晶闸管串THj、一个全桥子模块串和一个电感L，仅输入端子和输出端子的接线方式不同。输出单元仅在需要DC/DC变换器具备直流侧短路故障自清除能力的场景下采用，当晶闸管串THj导通时，DC/DC变换器工作在并联传输功率状态；当晶闸管串THj阻断时，DC/DC变换器工作在串联传输功率状态。
图4(a)所示为Ⅰ类输出单元电路结构图。Ⅰ类输出单元有输入端子1、输入端子2和输出端子1共3个端子，输入端子1与全桥子模块串的电流输入端相连，输入端子2与晶闸管串THj的阴极相连，输出端子1与晶闸管串THj的阳极和电感L的一端相连，电感L的另一端连接全桥子模块串的电流输出端。
图4(b)所示为Ⅱ类输出单元电路结构图。Ⅱ类输出单元有输入端子1、输入端子2、输出端子1和输出端子2共4个端子，输入端子1与全桥子模块串的电流输入端相连，输入端子2与电感L的一端、输出端子1和晶闸管串THj的阳极相连，电感L的另一端连接全桥子模块串的电流输出端，输出端子2与晶闸管串THj的阴极相连。
图5为半桥子模块串和全桥子模块串的电路结构图。由于半桥子模块串和全桥子模块串的受控电压源特性，可通过调节子模块串两端的电压，改变加在电感L两端的电压，从而控制流过子模块串的电流。
图5(a)所示为半桥子模块串电路结构图。半桥子模块串由多个电路结构完全相同的半桥子模块串联而成，每个半桥子模块由2个IGBT以及一个电容组成；每个半桥子模块的电流输出端与后一个半桥子模块的输入端相连，第一个半桥子模块的电流输入端作为半桥子模块串的电流输入端，最后一个半桥子模块的电流输出端作为半桥子模块串的电流输出端。
图5(b)所示为全桥子模块串电路结构图。全桥子模块串由多个电路结构完全相同的全桥子模块串联而成，每个全桥子模块由2个IGBT以及一个电容组成；每个全桥子模块的电流输出端与后一个全桥子模块的输入端相连，第一个全桥子模块的电流输入端作为全桥子模块串的电流输入端，最后一个全桥子模块的电流输出端作为全桥子模块串的电流输出端。
图6为晶闸管串Tsjk、Tpjk和THj和二极管串DLj、DHj和Djk的电路结构图。通过调节子模块串的电压和电流，改变晶闸管串和二极管串的电压和电流，使得晶闸管串和二极管串具备低电压和零电流的开关条件，从而使得多个单元在高低压侧串并联切换传输功率。
图6(a)所示为晶闸管串电路结构图。晶闸管串Tsjk、Tpjk和THj的电路结构都相同，每个晶闸管串由多个晶闸管正向串联而成。
图6(b)所示为二极管串电路结构图。二极管串DLj、DHj和Djk的电路结构都相同，每个二极管串由多个二极管正向串联而成。
本发明所述DC/DC变换器是利用子模块串中电容的储能特点实现功率的功率传递，通过对子模块串、晶闸管串和二极管串的协调控制，当二极管串DLj、Djk和晶闸管串Tpjk和THj导通，晶闸管串Tsjk和DHj二极管串阻断时，实现所有的子模块串并联在低压直流侧，子模块中的电容储存来自低压直流侧的功率；然后，当晶闸管串Tsjk和DHj二极管串导通，二极管串DLj、Djk和晶闸管串Tpjk和THj阻断时，所有的子模块串与高压直流侧串联，子模块中的电容向高压侧直流侧释放储存的功率，实现功率由低压直流侧向高压直流侧的传输。
实施例1：
图7-图9为单相电路结构为A类时，用于直流电网和新能源汇集领域的低成本高效率高变比DC/DC变换器的拓扑结构图。根据常规单元电路结构的不同类型，可得到三个低成本高效率高变比DC/DC变换器的拓扑结构，拓扑均由完全相同的三相构成，三相交错120°运行，既可以保证功率的连续传输，又可以抵消单相电路产生的电流纹波。图7为单相电路结构为A类且常规单元电路结构为Ⅰ类时，低成本高效率高变比DC/DC变换器的拓扑结构图，图8为单相电路结构为A类且常规单元电路结构为Ⅱ类时，低成本高效率高变比DC/DC变换器的拓扑结构图，图9为单相电路结构为A类且常规单元电路结构为Ⅲ类时，低成本高效率高变比DC/DC变换器的拓扑结构图。
对于本实施例中提及到的上述三种拓扑结构，其主要区别是常规单元中子模块串、晶闸管串和二极管串的连接方式有所不同，这会造成晶闸管串Tpjk或二极管串Djk流过的电流和承担的电压不同。对于图7所示拓扑，每个晶闸管串Tpjk或二极管串Djk流过的电流是不同的，而承担的电压均为(UH-UL)/S；对于图8所示拓扑，每个晶闸管串Tpjk或二极管串Djk流过的电流均为(IL-IH)/S，而承担的电压是不同的；对于图9所示拓扑，晶闸管串TpjS承担的电压为UH-(UH-UL)/S，与其他晶闸管不同；但三种拓扑的工作原理完全相同，在实际应用中，可以根据具体情况，选择相应的拓扑形式。
本实施例所述的直流电网和新能源汇集领域的低成本高效率高变比DC/DC变换器，其由半桥子模块串、晶闸管串和二极管串及电感组成。当二极管串Djk和晶闸管串Tpjk导通，晶闸管串Tsjk和DHj二极管串阻断时，所有的子模块串并联在低压直流侧，子模块中的电容储存来自低压直流侧的功率；当晶闸管串Tsjk和DHj二极管串导通，二极管串Djk和晶闸管串Tpjk阻断时，所有的子模块串与高压直流侧串联，子模块中的电容向高压侧直流侧释放储存的功率，实现功率由低压直流侧向高压直流侧的连续传输。需要注意的是，当DC/DC变换器工作于放电状态时，高压直流侧和低压直流侧有直接电气连接，能够直接传递一部分功率，拓扑所需传递的功率较小，因此所需子模块、晶闸管和二极管的数量较少，拓扑损耗也较少，变换器的成本较低、效率较高。通过实施例可知，本发明所述的低成本高效率高变比DC/DC变换器在直流电网和新能源汇集领域具有明显优势，其不需要笨重的交流变压器就可以实现高变比情况下的大功率传输，从而可以变换器的体积和重量，特别是对海上风电换流平台的建设是非常有利的；另一方面所采用的单元结构，可实现变换器模块化、高集成度和高可靠性设计，有助于工程实践应用。
实施例2：
图10-图12为单相电路结构为B类时，用于直流电网和新能源汇集领域的低成本高效率高变比DC/DC变换器的拓扑结构图。根据输入单元和常规单元电路结构的不同类型，可得到三个低成本高效率高变比DC/DC变换器的拓扑结构，拓扑均由完全相同的三相构成，三相交错120°运行，既可以保证功率的连续传输，又可以抵消单相电路产生的电流纹波。图10为单相电路结构为B类且输入单元电路结构为Ⅰ类、常规单元电路结构为Ⅰ类时，低成本高效率高变比DC/DC变换器的拓扑结构图，图11为单相电路结构为B类且输入单元电路结构为Ⅱ类、常规单元电路结构为Ⅱ类时，低成本高效率高变比DC/DC变换器的拓扑结构图，图12为单相电路结构为B类且输入单元电路结构为Ⅲ类、常规单元电路结构为Ⅲ类时，低成本高效率高变比DC/DC变换器的拓扑结构图。
对于本实施例中提及到的上述三种拓扑结构，其主要区别是输入单元和常规单元中子模块串、晶闸管串和二极管串的连接方式有所不同，这会造成晶闸管串Tpjk或二极管串Djk流过的电流和承担的电压不同，不同之处与实施例1中描述的内容相似，此处不再赘述，可参照实施例1的相关描述；但三种拓扑的工作原理完全相同，在实际应用中，可以根据具体情况，选择相应的拓扑形式。
本实施例所述的直流电网和新能源汇集领域的低成本高效率高变比DC/DC变换器，其由半桥子模块串、晶闸管串和二极管串及电感组成。具体工作原理与实施例1中描述的内容相似，此处不再赘述，可参照实施例1的相关描述；需要注意的是，当DC/DC变换器工作于放电状态时，高压直流侧和低压直流侧没有直接电气连接，因此本实施所述DC/DC变换器适用于不需要高低压侧具备直接电气连接的应用场景。
实施例3：
图13-图15为单相电路结构为C类时，用于直流电网和新能源汇集领域的低成本高效率高变比DC/DC变换器的拓扑结构图。根据输出单元和常规单元电路结构的不同类型，可得到三个低成本高效率高变比DC/DC变换器的拓扑结构，拓扑均由完全相同的三相构成，三相交错120°运行，既可以保证功率的连续传输，又可以抵消单相电路产生的电流纹波。图13为单相电路结构为C类且输出单元电路结构为Ⅰ类、常规单元电路结构为Ⅰ类时，低成本高效率高变比DC/DC变换器的拓扑结构图，图14为单相电路结构为C类且输出单元电路结构为Ⅰ类、常规单元电路结构为Ⅱ类时，低成本高效率高变比DC/DC变换器的拓扑结构图，图15为单相电路结构为C类且输出单元电路结构为Ⅱ类、常规单元电路结构为Ⅲ类时，低成本高效率高变比DC/DC变换器的拓扑结构图。
对于本实施例中提及到的上述三种拓扑结构，其主要区别是输出单元和常规单元中子模块串、晶闸管串和二极管串的连接方式有所不同，这会造成晶闸管串Tpjk或二极管串Djk流过的电流和承担的电压不同，不同之处与实施例1中描述的内容相似，此处不再赘述，可参照实施例1的相关描述；但三种拓扑的工作原理完全相同，在实际应用中，可以根据具体情况，选择相应的拓扑形式。
本实施例所述的直流电网和新能源汇集领域的低成本高效率高变比DC/DC变换器，其由半桥子模块串、全桥子模块串、晶闸管串和二极管串及电感组成。具体工作原理与实施例1中描述的内容相似，此处不再赘述，可参照实施例1的相关描述；需要注意的是，额外的输出单元可在高压直流侧发生短路故障时支撑低压直流侧电压，并能够输出反压降低故障电流的小，使变换器具备直流侧短路故障自清除能力。本实施例所述DC/DC变换器适用于需要变换器具备直流侧短路故障自清除能力，且高压直流侧和低压直流侧可以具备直接电气连接的应用场景。
实施例4：
图16-图18为单相电路结构为D类时，用于直流电网和新能源汇集领域的低成本高效率高变比DC/DC变换器的拓扑结构图。根据输入单元、输出单元和常规单元电路结构的不同类型，可得到三个低成本高效率高变比DC/DC变换器的拓扑结构，拓扑均由完全相同的三相构成，三相交错120°运行，既可以保证功率的连续传输，又可以抵消单相电路产生的电流纹波。图16为单相电路结构为D类且输入单元电路结构为Ⅰ类、输出单元电路结构为Ⅰ类、常规单元电路结构为Ⅰ类时，低成本高效率高变比DC/DC变换器的拓扑结构图，图17为单相电路结构为D类且输入单元电路结构为Ⅱ类、输出单元电路结构为Ⅰ类、常规单元电路结构为Ⅱ类时，低成本高效率高变比DC/DC变换器的拓扑结构图，图18为单相电路结构为D类且输入单元电路结构为Ⅲ类、输出单元电路结构为Ⅱ类、常规单元电路结构为Ⅲ类时，低成本高效率高变比DC/DC变换器的拓扑结构图。
对于本实施例中提及到的上述三种拓扑结构，其主要区别是输入单元、输出单元和常规单元中子模块串、晶闸管串和二极管串的连接方式有所不同，这会造成晶闸管串Tpjk或二极管串Djk流过的电流和承担的电压不同，不同之处与实施例1中描述的内容相似，此处不再赘述，可参照实施例1的相关描述；但三种拓扑的工作原理完全相同，在实际应用中，可以根据具体情况，选择相应的拓扑形式。
本实施例所述的直流电网和新能源汇集领域的低成本高效率高变比DC/DC变换器，其由半桥子模块串、全桥子模块串、晶闸管串和二极管串及电感组成。具体工作原理与实施例1中描述的内容相似，此处不再赘述，可参照实施例1的相关描述。本实施例所述DC/DC变换器适用于需要变换器具备直流侧短路故障自清除能力，且不需要高低压侧具备直接电气连接的应用场景。

Claims (10)

1.一种低成本高效率高变比DC/DC变换器，由a相、b相和c相三相相电路并联构成，三相相电路结构完全相同且交错120°运行，其特征在于所述相电路由S个常规单元和一个二极管串DHj组成，j＝a,b,c，其中：
所述S个常规单元中每个常规单元的电路结构均相同；
所述每个常规单元的输出端与下一个常规单元的输入端相连，第一个常规单元的输入端与低压直流侧相连，最后一个常规单元的输出端与二极管串DHj的阳极相连；
所述二极管串DHj的阴极与高压直流侧相连。
2.根据权利要求1所述的低成本高效率高变比DC/DC变换器，其特征在于所述相电路由S个常规单元、一个输入单元和一个二极管串DHj组成，j＝a,b,c，其中：
所述S个常规单元中每个常规单元的电路结构均相同；
所述每个常规单元的输出端与下一个常规单元的输入端相连，第一个常规单元的输入端与输入单元的输出端相连，最后一个常规单元的输出端与二极管串DHj的阳极相连；
所述输入单元的输入端与低压直流侧相连，输出端与第一个常规单元的输入端相连；
所述二极管串DHj的阴极与高压直流侧相连。
3.根据权利要求1所述的低成本高效率高变比DC/DC变换器，其特征在于所述相电路由S个常规单元、一个输出单元和一个二极管串DHj组成，j＝a,b,c，其中：
所述S个常规单元中每个常规单元的电路结构均相同；
所述每个常规单元的输出端与下一个常规单元的输入端相连，第一个常规单元的输入端与低压直流侧相连，最后一个常规单元的输出端与输出单元的输入端相连；
所述输出单元的输入端与最后一个常规单元的输出端相连，输出端与二极管串DHj的阳极相连；
所述二极管串DHj的阴极与高压直流侧相连。
4.根据权利要求1所述的低成本高效率高变比DC/DC变换器，其特征在于所述相电路由S个常规单元、一个输入单元、一个输出单元和一个二极管串DHj组成，j＝a,b,c，其中：
所述S个常规单元中每个常规单元的电路结构均相同；
所述每个常规单元的输出端与下一个常规单元的输入端相连，第一个常规单元的输入端与输入单元的输出端相连，最后一个常规单元的输出端与输出单元的输入端相连；
所述输入单元的输入端与低压直流侧相连，输出端与第一个常规单元的输入端相连；
所述输出单元的输入端与最后一个常规单元的输出端相连，输出端与二极管串DHj的阳极相连；
所述二极管串DHj的阴极与高压直流侧相连。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的低成本高效率高变比DC/DC变换器，其特征在于所述常规单元有Ⅰ类常规单元、Ⅱ类常规单元和Ⅲ类常规单元三种不同的电路结构，均包含一个晶闸管串Tpjk、一个晶闸管串Tsjk、一个二极管串Djk、一个半桥子模块串和一个电感L，k＝1,2,…,S，其中：
所述Ⅰ类常规单元有输入端子1、输入端子2、输出端子1和输出端子2共4个端子，输入端端子1与二极管串Djk的阳极和晶闸管串Tsjk的阳极相连，输入端子2与晶闸管串Tpjk的阴极相连，输出端子1与二极管串Djk的阴极和半桥子模块串的电流输入端相连，输出端子2与晶闸管串Tpjk的阳极、晶闸管串Tsjk的阴极和电感L的一端相连，电感L的另一端连接半桥子模块串的电流输出端；
所述Ⅱ类常规单元有输入端子1、输入端子2、输入端子3、输出端子1、输出端子2和输出端子3共6个端子，输入端子1与二极管串Djk的阳极和输出端子1相连，输入端子2与晶闸管串Tsjk的阳极相连，输入端子3与晶闸管串Tpjk的阴极和输出端子3相连，输出端子2与二极管串Djk的阴极和半桥子模块串的电流输入端相连，晶闸管串Tpjk的阳极与晶闸管串Tsjk的阴极和电感L的一端相连，电感L的另一端连接半桥子模块串的电流输出端；
所述Ⅲ类常规单元有输入端子1、输入端子2、输出端子1和输出端子2共4个端子，输入端子1与二极管串Djk的阳极和晶闸管串Tsjk的阳极相连，输入端子2与晶闸管串Tpjk的阳极、晶闸管串Tsjk的阴极和电感L的一端相连，电感L的另一端连接半桥子模块串的电流输出端，输出端子1与二极管串Djk的阴极和半桥子模块串的电流输入端相连，输出端子2与晶闸管串Tpjk的阴极相连。
6.根据权利要求2或4所述的低成本高效率高变比DC/DC变换器，其特征在于所述输入单元有Ⅰ类输入单元、Ⅱ类输入单元和Ⅲ类输入单元三种不同的电路结构，均包含一个二极管串DLj、一个半桥子模块串和一个电感L，其中：
所述Ⅰ类输入单元有输入端子1、输入端子2、输出端子1和输出端子2共4个端子，输入端子1与二极管串DLj的阳极相连，输入端子2与输出端子2和电感L的一端相连，电感L的另一端连接半桥子模块串的电流输出端，输出端子1与二极管串DLj的阴极和半桥子模块串的电流输入端相连；
所述Ⅱ类输入单元有输入端子1、输入端子2、输出端子1和输出端子2和输出端子3共5个端子，输入端子1与二极管串DLj的阳极相连，输入端子2与输出端子3和电感L的一端相连，电感L的另一端连接半桥子模块串的电流输出端，输出端子1与二极管串DLj的阴极、输出端子2和半桥子模块串的电流输入端相连；
所述Ⅲ类输入单元有输入端子1、输入端子2和输出端子1共3个端子，输入端子1与二极管串DLj的阳极相连，输入端子2与电感L的一端相连，电感L的另一端连接半桥子模块串的电流输出端，输出端子1与二极管串DLj的阴极和半桥子模块串的电流输入端相连。
7.根据权利要求3或4所述的低成本高效率高变比DC/DC变换器，其特征在于所述输出单元有Ⅰ类输出单元和Ⅱ类输出单元两种不同的电路结构，均包含一个晶闸管串THj、一个全桥子模块串和一个电感L，其中：
所述Ⅰ类输出单元有输入端子1、输入端子2和输出端子1共3个端子，输入端子1与全桥子模块串的电流输入端相连，输入端子2与晶闸管串THj的阴极相连，输出端子1与晶闸管串THj的阳极和电感L的一端相连，电感L的另一端连接全桥子模块串的电流输出端；
所述Ⅱ类输出单元有输入端子1、输入端子2、输出端子1和输出端子2共4个端子，输入端端子1全桥子模块串的电流输入端相连，输入端子2与电感L的一端、输出端子1和晶闸管串THj的阳极相连，电感L的另一端连接全桥子模块串的电流输出端，输出端子2与晶闸管串THj的阴极相连。
8.根据权利要求5所述的低成本高效率高变比DC/DC变换器，其特征在于所述半桥子模块串由多个电路结构完全相同的半桥子模块串联而成，每个半桥子模块的电流输出端与后一个半桥子模块的输入端相连，第一个半桥子模块的电流输入端作为半桥子模块串的电流输入端，最后一个半桥子模块的电流输出端作为半桥子模块串的电流输出端；
所述晶闸管串Tsjk、Tpjk和THj均由多个晶闸管正向串联而成，二极管串DLj、DHj和Djk均由多个二极管正向串联而成。
9.根据权利要求6所述的低成本高效率高变比DC/DC变换器，其特征在于所述半桥子模块串由多个电路结构完全相同的半桥子模块串联而成，每个半桥子模块的电流输出端与后一个半桥子模块的输入端相连，第一个半桥子模块的电流输入端作为半桥子模块串的电流输入端，最后一个半桥子模块的电流输出端作为半桥子模块串的电流输出端；
所述晶闸管串Tsjk、Tpjk和THj均由多个晶闸管正向串联而成，二极管串DLj、DHj和Djk均由多个二极管正向串联而成。
10.根据权利要求7所述的低成本高效率高变比DC/DC变换器，其特征在于所述全桥子模块串由多个电路结构完全相同的全桥子模块串联而成，每个全桥子模块的电流输出端与后一个全桥子模块的输入端相连，第一个全桥子模块的电流输入端作为全桥子模块串的电流输入端，最后一个全桥子模块的电流输出端作为全桥子模块串的电流输出端；
所述晶闸管串Tsjk、Tpjk和THj均由多个晶闸管正向串联而成，二极管串DLj、DHj和Djk均由多个二极管正向串联而成。
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