CN115733370A - 基于模块数和移相角调节的模块化多电平直流变换器调压方法 - Google Patents

基于模块数和移相角调节的模块化多电平直流变换器调压方法 Download PDF

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Abstract

本发明为一种基于模块数和移相角调节的模块化多电平直流变换器调压方法，通过调节模块化多电平电路的电压调制比和桥臂子模块的开关信号移相角，实现宽输入电压范围下对输出电压的连续精准调控。本发明通过电压前馈环节，确定模块化多电平电路投切模块个数，改变电压调制比，调节模块化多电平电路输出电压大小。通过输出电压反馈环节，调节桥臂子模块的开关信号移相角，从而对输出电压精确连续调控。本发明无需调节开关频率，使模块化直流变换器工作在谐振点，可拓宽输入输出电压范围，实现宽范围高效率变换；本发明设计方法可减少模块化多电平电路所需子模块个数，降低系统建设成本，使该变换器在中高压直流变换领域具有重要应用价值。

Description

基于模块数和移相角调节的模块化多电平直流变换器调压 方法
技术领域
本发明属于电力电子控制技术领域，具体涉及一种基于模块数和移相角调节的模块化多电平直流变换器调压方法。
背景技术
随着大规模新能源并网、大规模数据中心和轨道交通牵引等迅猛发展，中压大容量变换器在众多领域得到广泛研究与应用。目前通过对低压功率半导体器件进行串并联或低压模块进行串并联，以满足高电压等级和大容量电源的应用需求。在现实应用工程中，常需要将中高压电能(数十千伏)转换为低压(数百伏)供给后级负载供电。传统方案采用的是通过单个低压模块输入侧串联、输出侧并联的拓扑结构进行电能变换。然而，随着输出入电压的提升，每个模块内部的隔离变压器等级也会同步上升，这样会增加隔离变压器的体积，降低变换器的转换效率和功率密度。目前也存在集中式变压器拓扑方案，减小变压器等磁性元件所占体积和损耗，其中模块化多电平谐振变换器其输入侧采用多模块串联，通过模块化的方式能灵活运用在不同电压等级，LLC谐振电路调压方案在中压供电领域有所运用，在中压宽输入电压范围下，仅采用调频调压策略会对硬件电路参数设计提出严峻挑战，变压器励磁电感较小情况下，会使变换器在中压应用场合有很大的励磁电流，增大变换器损耗；另一方面LLC谐振电路在调压方案上通常采用调节开关器件的频率实现调节输出电压，频率调节范围有限，不能适用于输入宽电压范围变化的场合，同时谐振变换器效率最高点在谐振频率附近，通过改变频率的调节方式，无法同时实现宽范围调压和运行效率最大化。
发明内容
针对现有技术所存在的上述问题，本发明提出了一种基于模块数和移相角调节的模块化多电平直流变换器，包括直流输入电容、模块化多电平电路、谐振电容、中高频变压器、整流电路、输出电容、前馈控制环和反馈控制环；
所述模块化多电平电路分为上、下两个桥臂，每个桥臂由N个相同的桥臂子模块和一个桥臂电感串联组成；中高频变压器原边一极经过谐振电容连接至两个直流输入电容的连接点，另一极接至上下桥臂的连接点，变压器副边连接输出整流电路，输出整流电路再与输出电容连接；所述前馈控制环用于根据输入电压大小调节模块化多电平电路电压调制比m；所述反馈控制环用于采样输出电压，再通过比例积分闭环控制方法调节桥臂子模块间的开关信号移相角进而控制输出电压。
本发明还提供了一种模块化多电平直流变换器的调压方法，具体为：前馈控制环根据输入电压大小，控制一个开关周期持续投入的桥臂子模块个数，调节模块化多电平电路电压调制比m，缩小交流输出电压变化范围；反馈控制环采样输出电压，再通过比例积分闭环控制方法调节未持续投入的桥臂子模块间的开关信号移相角，改变逆变交流电压的基波幅值，控制输出电压。
作为本发明的优选方案，一个开关周期里，桥臂有K个子模块持续投入，余下的N-K个子模块采用准方波进行调制，电压调制比m表示为：
Figure BDA0004002931920000021
其中K为桥臂子模块持续投入的个数，N为一个桥臂当中桥臂子模块的总数，m为电压调制比；
K值的选取方法为：当直流输入电压Vink为最小时，记作Vin0，K值取0，电压调制比m＝1，
当直流输入电压Vink增加时，一个周期内桥臂持续投入桥臂子模块个数K在调节时为逐个递增(K为0，1，2，3，…)，电压调制比为
Figure BDA0004002931920000022
Vink满足如下关系式：
Figure BDA0004002931920000023
K为整数，桥臂持续投入桥臂子模块个数递增直至Vink大于直流输入最大电压。
作为本发明的优选方案，所述的通过调节桥臂子模块的开关信号移相角，改变逆变交流输出电压的基波幅值，移相角越大，输出增益越低；输出反馈控制闭环调节下，随着输入电压的增加，开关信号移相角增大，维持输出电压的稳定；一个周期持续投入桥臂子模块个数逐个增加时，主动将开关信号移相角调节到最小，以减小输出电压过冲，再进行闭环调节；当输入电压减小，一个周期持续投入桥臂子模块个数逐个减少时，主动将开关移相角调整为最大开关移相角，减小输出电压过冲，随后进行闭环控制。
作为本发明的优选方案，所述开关信号移相角为整体未持续投入的桥臂子模块的开关信号移相角、一半未持续投入的桥臂子模块的开关信号移相角或单个未持续投入的桥臂子模块的开关信号移相角。
作为本发明的优选方案，当反馈控制环通过比例积分闭环控制方法对整体未持续投入的桥臂子模块开关信号移相角进行调节时，采用准方波调制的未持续投入的桥臂子模块的开关信号移相角α，反馈控制环根据输出电压闭环调节整体未持续投入的桥臂子模块间的开关信号移相角α，当输出电压大于设定值，增加开关信号移相角α，当输出电压小于设定值，减小开关信号移相角α；开关信号移相角α大于0小于
Figure BDA0004002931920000031
作为本发明的优选方案，当反馈控制环通过比例积分闭环控制方法对一半未持续投入的桥臂子模块的开关信号移相角进行调节时，采用准方波调制的未持续投入的桥臂子模块，其后一半桥臂子模块与其前一桥臂半子模块的开关信号移相角为β，反馈控制环根据输出电压闭环调节后一半子模块的开关信号移相角β，当输出电压大于设定值，增加开关信号移相角β，当输出电压小于设定值，减小开关信号移相角β；开关信号移相角β大于0小于π。
作为本发明的优选方案，当反馈控制环通过比例积分闭环控制方法对单个未持续投入的桥臂子模块的开关信号移相角进行调节时，采用准方波调制的未持续投入的个桥臂子模块的最后一个子模块与其余子模块的开关信号移相角为γ，反馈控制环根据输出电压闭环调节后最后一个子模块的开关信号移相角γ，当输出电压大于设定值，增加开关信号移相角γ，当输出电压小于设定值，减小开关信号移相角γ；开关信号移相角γ大于0小于π。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果有：
(1)相比定电压调制比控制策略，本发明随着输入电压变化改变一个周期内持续投入子模块个数，同时有上下桥臂N+K个子模块共同支撑直流输入电压，可以降低子模块工作电压，另一方面可以降低桥臂子模块总个数，从而降低系统建设成本和运行损耗。
(2)变模块数调压具有调节能力强但调节不连续的特点，变移相角调节具有连续调节但调节能力有限的特点，本发明结合两种控制自由度，可实现宽范围连续调压能力。
(3)相比传统调频调压策略，本发明所提几种移相调压策略不依赖变压器励磁电感，可以避免较小的励磁电感，从而减小变压器励磁电流，降低变压器损耗和桥臂子模块导通损耗，提高系统运行效率，特别是轻载工况下的运行效率，从而实现宽输入宽负载工况下的高效变换。
附图说明
图1为模块化多电平谐振变换器拓扑结构图。
图2为模块化多电平谐振变换器输出电压控制架构图。
图3为模块化多电平变换器电压调制比控制方法。
图4为单个子模块的开关信号移相角调节方法示例。
图5为一半子模块的开关信号移相角调节方法示例。
图6为整体子模块的开关信号移相角调节方法示例。
图7为子模块移相角调节方法控制实施例。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。所述实施例仅是本公开内容的示范且不圈定限制范围。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
如图2所示，本发明提出了一种基于模块数和移相角控制的调压策略应用于宽输入范围模块化多电平谐振变换器。本发明所提变换器的控制框架构如图2所示，包括直流输入电容Cin、模块化多电平电路、谐振电容、中高频变压器、整流电路、输出电容、前馈控制环和反馈控制环；所述前馈控制环和反馈控制环分别对输入电压和输出电压进行采样，前馈控制环节根据输入电压计算出模块化多电平电路电压调制比，计算出需要参与投切的子模块个数，将模块化多电平电路输出的电压幅值调节到较窄的范围。同时，反馈控制环节根据输出电压闭环调节桥臂子模块开关信号移相角，改变电路增益精确调控输出电压。
如图1所示，单相模块化多电平谐振变换器包括直流输入电容Cin，模块化多电平电路MMC、谐振电路、中高频变压器、整流电路、输出电容Co和输出等效负载RL。其中，模块化多电平电路分为上、下两个桥臂，每个桥臂由N个相同的半桥子模块SM1～SMN和一个桥臂电感Lp/Ln串联而成，上、下桥臂电感可采用耦合绕制方式，绕制在同一个磁芯上，可以保证上下桥臂电感量的相等，并使桥臂电感在交流侧等效电感量为零，实现桥臂电感和谐振电路中电感的解耦设计。上下桥臂电压电流分别用up，ip，un，in表示，谐振电路由谐振电容Cr、变压器漏感Lk和励磁电感Lm组成。变压器副边整流电路采用全桥结构D1～D4以降低单个开关器件的电压、电流应力。
一个方波周期里，桥臂子模块有K个子模块持续投入，余下的N-K个子模块采用准方波进行调制，电压调制比m表示为：
Figure BDA0004002931920000051
其中K为桥臂子模块持续投入的个数，N为一个桥臂当中桥臂子模块的总数，m为电压调制比；
K值的选取方法为：当直流输入电压为最小时，记作Vin0，K值取0，电压调制比m＝1，当直流输入电压增大为Vin1时，K从0切换为1，电压调制比为
Figure BDA0004002931920000052
Vin1满足如下关系式：
Figure BDA0004002931920000053
当直流输入电压增加到Vink时，一个周期持续投入桥臂子模块个数K从k-1增加到k(k为1，2，3，…)，电压调制比为
Figure BDA0004002931920000054
Vink满足如下关系式：
Figure BDA0004002931920000055
K为整数，直流输入电压递增直至Vink大于直流输入最大电压。
图3所示为电压调制比控制的具体调制策略，桥臂有N个子模块，其中K个子模块在一个开关周期内占空比为100％，保持持续投入，余下的N-K个子模块在一个开关周期内占空比为50％，相邻驱动信号间存在移相角θ，使其生成多电平准方波，同理施加一组互补的驱动信号于下桥臂，通过改变K值可以实现电压调制比控制。
图4所示为单个子模块的开关信号移相角调节方式，在一个桥臂当中通过对于单个子模块开关信号的移相角进行调节，剩余子模块按照传统采用准方波调制策略，可以减小dv/dt对变压器的冲击，降低中高频变压器绝缘设计难度。子模块移相角通过输出闭环反馈得出，不同移相角下对于输入电压的增益不同，子模块移相角度为0～π。
图5所示为一半子模块的开关信号移相角调节方式，在一个桥臂当中通过对于一半子模块开关信号的移相角进行调节。子模块移相角通过输出闭环反馈得出，不同移相角下对于输入电压的增益不同，子模块移相角度为0～π，参与移相角调节的子模块数目为
Figure BDA0004002931920000061
一半子模块移相角调节，将桥臂电压交流输出从准方波变为准三电平波，可以减小dv/dt对变压器的冲击。
图6所示为整体子模块的开关信号移相角调节方式，在一个桥臂当中通过对于整体子模块开关信号的移相角进行调节。子模块移相角通过输出闭环反馈得出，不同移相角下对于输入电压的增益不同，子模块移相角度为
Figure BDA0004002931920000062
参与移相角调节的子模块数目为N-K。整体子模块移相角调节，将桥臂电压交流输出从准方波变为准三角波。
为了展示本发明所提出的基于模块数和移相角调节的模块化多电平直流变换器电压调节方法的实施效果，在PLEC电气仿真软件中搭建了仿真模型进行了验证。仿真模型主要参数如下：直流输入电压9kV～18kV，输出电压为恒定375V，最大输出功率100kW，桥臂子模块数为18，谐振频率12kHz，调整单个子模块移相角，表1为实施案例的参数值。
表1
参数
直流输入电压 9kV～18kV
直流输出电压 375V
额定输出功率 100kW
单个桥臂子模块个数N 18
子模块最大电压 782V
桥臂电感 500μH
变压器变比 12:1
变压器漏感 600μH
变压器励磁电感 150mH
谐振电容 293nF
谐振频率、开关频率 12kHz
当输入电压为最小Vin0＝9kV时，前馈环节将电压调制比设置为最大1，即一个开关周期，桥臂18个子模块均参与方波投切，一直投入子模块个数K＝0，子模块移相角为较小的值；随着输入电压上升，反馈环节会调节子模块移相角维持输出电压的稳定，当输入电压增大为
Figure BDA0004002931920000071
时，前馈环节将电压调制比设置为
Figure BDA0004002931920000072
即K＝1，同时主动将子模块移相角调节至最小，以减小输出电压过冲，随后由反馈闭环自主调节子模块移相角。同理，在K＝2，3，4，5，6按公式计算，表2为前馈子模块调节设置的电压切换点。
表2
Figure BDA0004002931920000073
图7展示了输入电压连续变化，调电压调制比和单个子模块移相角调节相结合的调压策略对输出电压调控效果图。100kW输出工况下，当输入电压从13kV连续变化到18kV，需要将K从3切换到5，在电压调制比切换点处，输出电压震荡不超过15V，经过20ms后反馈控制环通过调节单个子模块移相角使输出电压恢复到设定值375V，且移相角范围可控制在0～120°范围。此外，每次增加K值可以降低子模块电容电压，减小子模块电压应力，换而言之，在输入电压和子模块最大电压一定的前提下，本发明调压方案可以减小桥臂所需子模块个数。该仿真结果验证了本发明所提调压方法的优良效果。
综上所述本发明无需调节开关频率，使模块化直流变换器工作在谐振点，可拓宽输入输出电压范围，实现宽范围高效率变换；本发明设计方法可减少模块化多电平电路所需子模块个数，降低系统建设成本，使该变换器在中高压直流变换领域具有重要应用价值。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于模块数和移相角调节的模块化多电平直流变换器，其特征在于：包括直流输入电容、模块化多电平电路、谐振电容、中高频变压器、整流电路、输出电容、前馈控制环和反馈控制环；
所述模块化多电平电路分为上、下两个桥臂，每个桥臂由N个相同的桥臂子模块和一个桥臂电感串联组成；中高频变压器原边一极经过谐振电容连接至两个直流输入电容的连接点，另一极接至上下桥臂的连接点，变压器副边连接输出整流电路，输出整流电路再与输出电容连接；所述前馈控制环用于根据输入电压大小调节模块化多电平电路电压调制比m；所述反馈控制环用于采样输出电压，再通过比例积分闭环控制方法调节桥臂子模块间的开关信号移相角进而控制输出电压。
2.一种如权利要求1所述模块化多电平直流变换器的调压方法，其特征在于，所述前馈控制环根据输入电压大小，控制一个开关周期持续投入的桥臂子模块个数，调节模块化多电平电路电压调制比m，缩小交流输出电压变化范围；反馈控制环采样输出电压，再通过比例积分闭环控制方法调节未持续投入的桥臂子模块间的开关信号移相角，改变逆变交流电压的基波幅值，控制输出电压。
3.根据权利要求2所述模块化多电平直流变换器的调压方法，其特征在于：一个开关周期里，桥臂有K个子模块持续投入，余下的N-K个子模块采用准方波进行调制，电压调制比m表示为：
Figure FDA0004002931910000011
其中K为桥臂子模块持续投入的个数，N为一个桥臂当中桥臂子模块的总数，m为电压调制比；
K值的选取方法为：当直流输入电压Vink为最小时，记作Vin0，K值取0，电压调制比m＝1，
当直流输入电压Vink增加时，一个周期内桥臂持续投入桥臂子模块个数K在调节时为逐个递增(K为0，1，2，3，…)，电压调制比为
Figure FDA0004002931910000012
Vink满足如下关系式：
Figure FDA0004002931910000013
K为整数，桥臂持续投入桥臂子模块个数递增直至Vink大于直流输入最大电压。
4.根据权利要求2所述模块化多电平直流变换器的调压方法，其特征在于：所述的通过调节桥臂子模块的开关信号移相角，改变逆变交流输出电压的基波幅值，移相角越大，输出增益越低；输出反馈控制闭环调节下，随着输入电压的增加，开关信号移相角增大，维持输出电压的稳定；一个周期持续投入桥臂子模块个数逐个增加时，主动将开关信号移相角调节到最小，以减小输出电压过冲，再进行闭环调节；当输入电压减小，一个周期持续投入桥臂子模块个数逐个减少时，主动将开关移相角调整为最大开关移相角，减小输出电压过冲，随后进行闭环控制。
5.根据权利要求4所述模块化多电平直流变换器的调压方法，其特征在于：所述开关信号移相角为整体未持续投入的桥臂子模块的开关信号移相角、一半未持续投入的桥臂子模块的开关信号移相角或单个未持续投入的桥臂子模块的开关信号移相角。
6.根据权利要求5所述模块化多电平直流变换器的调压方法，其特征在于：当反馈控制环通过比例积分闭环控制方法对整体未持续投入的桥臂子模块开关信号移相角进行调节时，采用准方波调制的未持续投入的桥臂子模块的开关信号移相角α，反馈控制环根据输出电压闭环调节整体未持续投入的桥臂子模块间的开关信号移相角α，当输出电压大于设定值，增加开关信号移相角α，当输出电压小于设定值，减小开关信号移相角α；开关信号移相角α大于0小于
Figure FDA0004002931910000021
7.根据权利要求5所述模块化多电平直流变换器的调压方法，其特征在于：当反馈控制环通过比例积分闭环控制方法对一半未持续投入的桥臂子模块的开关信号移相角进行调节时，采用准方波调制的未持续投入的桥臂子模块，其后一半桥臂子模块与其前一桥臂半子模块的开关信号移相角为β，反馈控制环根据输出电压闭环调节后一半子模块的开关信号移相角β，当输出电压大于设定值，增加开关信号移相角β，当输出电压小于设定值，减小开关信号移相角β；开关信号移相角β大于0小于π。
8.根据权利要求5所述模块化多电平直流变换器的调压方法，其特征在于：当反馈控制环通过比例积分闭环控制方法对单个未持续投入的桥臂子模块的开关信号移相角进行调节时，采用准方波调制的未持续投入的个桥臂子模块的最后一个子模块与其余子模块的开关信号移相角为γ，反馈控制环根据输出电压闭环调节后最后一个子模块的开关信号移相角γ，当输出电压大于设定值，增加开关信号移相角γ，当输出电压小于设定值，减小开关信号移相角γ；开关信号移相角γ大于0小于π。
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CN115995965A (zh) * 2023-03-22 2023-04-21 浙江大学杭州国际科创中心 一种模块化宽输入宽输出电压范围dc-dc变换器

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