CN118232682A - 一种直接型单级变换高压直流变压器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高压直流输电技术领域，公开了一种直接型单级变换高压直流变压器，该直流变压器包括：多个相单元，每个相单元均包括：一个由多个半桥子模块与桥臂电感构成的公共桥臂、两个由多个全桥子模块与功率器件构成的端口桥臂，其中，两个端口桥臂与公共桥臂连接于节点a，两个端口桥臂的另一端分别连接高压侧与低压侧，从而输入或输出直流电压。本发明通过多个相单元及相内的桥臂实现能量传输与电压变换，构成单级变换结构，不包含笨重的交流隔离变压器，无需直流‑交流‑直流多级能量变换，从而提高变换效率，降低工程制造难度与成本。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种直接型单级变换高压直流变压器。
背景技术
为应对气候变化、环境污染与化石能源枯竭等问题，全球能源正加速向低碳、零碳方向演进。能源生产与消费形式的转变深刻影响着电力系统的形态：大量新能源发电装备接入电力系统，其间歇性、随机性特点给电力系统带来了新的挑战。交直流电网的柔性可控互联是实现高比例可再生能源消纳的有效手段，是实现不同地区能源共享的重要途径，也是电网发展的重要方向。而直流变压器(DC transformer,DCT)是高压电网柔性可控互联和直流电网柔性组网的关键装置，是发展新型电力系统中至关重要的一环。
目前，国内外直流变压器技术大多采用基于双有源桥/谐振变换器模块的串并联组合型拓扑结构，聚焦于中压领域应用场景。然而，受制于器件及设备电压等级限制、高频隔离变压器的绝缘与冷却设计困难，串并联组合式直流变压器技术尚无法高压电网领域应用需求。百千伏、百兆瓦级大容量高压直流变压器的理论与装备技术研究亟待突破。在高压直流输电领域，国内外学者陆续提出了一系列基于模块化思想的高压直流变压器。瑞士洛桑联邦理工学院在面对面型直流变压器中引入了模块化多电平技术，可有效降低绝缘设计需求并实现提压扩容。文献【1】Isolated DC/DC Structure Based on ModularMultilevel Converter(IEEE Transactions on Power Electronics,vol.30,no.1,pp.89-98,Jan.2015)提出面对面型模块化多电平直流变压器(MMC)并对其运行原理进行了详细分析。然而，面对面型方案需要“直交-交交-交直”三级功率变换，尽管每一级的效率目前工程实践中都能达到99％以上，其整体效率仍然难以突破98％，并且受限于笨重隔离变压器的绝缘、冷却设计等问题，其容量与电压等级仍受到限制，在变比小于10的直流输电互联场景下，其设计冗余度高、运行效率低、体积大而笨重、成本高昂。
对于变比较小的高压直流或交流输电线路互联场景，采用不包含隔离变压器的非隔离方案得到了更多关注。文献【2】The Hybrid-Cascaded DC–DC Converters Suitablefor HVDC Applications(IEEE Transactions on Power Electronics,vol.30,no.10,pp.5358-5363,Oct.2015)借鉴了经典的Buck-Boost型DC/DC变换器工作模式，通过子模块阀串实现容性储能代替Buck-Boost变换器的储能电感，得到斩波型混合级联MMC拓扑，该拓扑通过控制桥臂电流变换率实现电压变换与潮流控制，并通过设置死区时间实现大部分功率器件软开关，省去隔离变压器的同时大幅提高效率、降低所需子模块数量，但带来了两侧IGBT器件串联均压均流难题，限制了变换器的容量与电压等级进一步提高，此外，其热不均问题也十分突出，实际工程中难以应用。
发明内容
为解决现有技术中的问题，本发明提供了一种直接型单级变换高压直流变压器，包括M个相同的相单元和一个顶层控制器；
所述相单元均包括两个端口桥臂和一个公共桥臂，所述两个端口桥臂均用于调节流入或流出公共桥臂的电流大小，且均包括若干全桥子模块与一个功率器件，所述功率器件用于控制端口桥臂的通断，端口桥臂的若干全桥子模块级联构成全桥子模块级联阀串；两个端口桥臂分别为第一端口桥臂和第二端口桥臂；第一端口桥臂有N1个全桥子模块，第一端口桥臂的第N1个全桥子模块通过自身的功率器件分别连接第二端口桥臂与公共桥臂；第二端口桥臂有N2个全桥子模块，第二端口桥臂的第一个全桥子模块通过自身的功率器件分别连接第一端口桥臂的功率器件与公共桥臂；
所述公共桥臂用于储存高压母线流入的能量并释放能量到低压母线或储存低压母线流入的能量并释放能量到高压母线，由N3个半桥子模块与一个桥臂电感构成，所述桥臂电感用于抑制半桥子模块、与公共桥臂相连的两个端口桥臂的全部全桥子模块投切产生的电流，所述公共桥臂的N3个半桥子模块级联构成半桥子模块级联阀串，第N3个半桥子模块与桥臂电感相连并通过桥臂电感接地；其中，N1≥2，N2≥2，N3≥2；
每个相单元的第一端口桥臂的第一个全桥子模块相连并作为所述变换器的高压端，且连接至高压直流母线，每个相单元的第二端口桥臂的第N2个全桥子模块相连并作为所述变换器的低压端，且连接至低压直流母线；M个相单元的公共桥臂连接同一个地；
所述顶层控制器通过高压端的电压、目标功率与低压端的电压、目标功率调控每个相单元内的全部全桥子模块、半桥子模块的驱动信号，控制高压直流母线输入到变压器的电流与变压器输出到低压直流母线的电流，或低压直流母线输入到变压器的电流与变压器输出到高压直流母线的电流。
本发明还提供了一种基于所述变压器的调制方法，包括如下步骤：
在所述调制方法的每个控制周期T内，M个相单元的电流电压波形分别相差1/M个控制周期，即相比于第k个相单元，第k+1个相单元的电流电压波形比该相单元滞后1/M个控制周期，其中1≤k≤M-1；M个相单元两端的端口电流叠加构成高压端的电流与低压端的电流；
当时刻t＝0时，所述变压器的各个相单元内的全桥子模块、半桥子模块同步开始工作，此时，其中一个相单元A的公共桥臂的电流为0，其公共桥臂的电压为高压端的电压，其第一端口桥臂的电压为0，其第二端口桥臂的电压为高压端的电压减去低压端的电压Vh-Vl；
在上半控制周期，即0<t<T/2，相单元A的公共桥臂的半桥子模块级联阀串的电压为高压端的电压，公共桥臂的半桥子模块级联阀串的电流先上升一段时间Tr到高压端的电流Ih，再保持不变，最后下降一段时间Tr到0并持续死区时间Tdt，其中，电流以高压端到低压端方向为正方向；第一端口桥臂的电压在公共桥臂的电流上升阶段为-Vm1，第一端口桥臂的电压在公共桥臂的电流下降阶段为Vm1，其余时间第一端口桥臂的电压为0；第二端口桥臂的电压为高压端的电压减去低压端的电压Vh-Vl；其中，Vm1为调制电压，Vh为高压端的电压，Vl为低压端的电压；
在下半控制周期，即T/2<t<T，相单元A的公共桥臂的半桥子模块级联阀串的电压为低压端的电压，公共桥臂的半桥子模块级联阀串的电流先下降一段时间Tr到-Il，再保持不变，最后上升一段时间Tr到0并持续死区时间Tdt；第一端口桥臂的电压为Vh-Vl；第二端口桥臂的电压在公共桥臂的半桥子模块级联阀串的电流的下降阶段为-Vm2，第二端口桥臂的电压在公共桥臂的半桥子模块级联阀串的电流的上升阶段为Vm2，其余时间为0；其中，Il为低压端的电流，Vm2为调制电压。
进一步地，所述公共桥臂的全部半桥子模块的储能电容的电容值均为C0，电压均为Vsm0；第一端口桥臂的全部全桥子模块的储能电容的电容值均为C1，电压均为Vsm1；第二端口桥臂的全部全桥子模块的储能电容的电容值均为C2，电压均为Vsm2，其中，电压应满足下式：
其中，max(a，b)表示取a、b中比较大的数。
进一步地，所述调制电压Vm1、调制电压Vm2，死区时间Tdt、电流上升/下降时间Tr应满足下式：
进一步地，公共桥臂、第一端口桥臂和第二端口桥臂的储能电容的电压均衡方法为双排序法。
所述双排序法具体为：
1)根据桥臂电压，确定桥臂上需要投入的子模块个数为K个；
2)收集桥臂上N个子模块电容电压V0～VN，并计算相邻两个控制周期电容电压采样值的偏差量ΔVi＝Vi-Vi_pre，其中i为桥臂子模块编号，1≤i≤N，Vi_pre为上一控制周期的子模块电容电压采样值；
3)分别排序子模块电容电压V0～VN与子模块电容电压偏差量ΔV0～ΔVN；
4)根据子模块电容电压V0～VN与子模块电容电压偏差量ΔV0～ΔVN的排序结果，重新分配当前控制预输出的子模块门极驱动信号G0(i)。
所述半桥子模块的上开关管和下开关管以及全桥子模块的上开关管a、上开关管b、下开关管a和下开关管b均为全控型器件。
基于上述技术方案，与现有技术相比本发明的有益效果是：
1)本发明所述的电源为单级变换型拓扑，通过容性能量转移实现电压变换，省去了笨重的隔离变压器与储能电感，从而实现轻量化设计；
2)本发明所述的电源结构简单，控制简易，大大提高了工程可行性；
3)本发明所述的电源公共桥臂通过半桥子模块投切进行电流控制，以实现零电流软开关，从而减小开关损耗并降低器件热应力；
4)本发明所述的电源通过子模块级联技术避免了器件串联的技术挑战，降低了器件的电压应力承载需求，提高了电路可靠性与容量。
附图说明
图1为本发明直接型单级变换高压直流变压器的电路拓扑图；
图2为本发明一实施例的半桥子模块电路拓扑图；
图3为本发明一实施例的全桥子模块电路拓扑图；
图4为本发明一实施例的A相电路主要工况的理想波形图，其中由上到下分别为驱动信号波形、公共桥臂电流波形、公共桥臂电压波形、端口桥臂1电压波形与端口桥臂2电压波形；
图5为本发明一实施例的A相电路主要工况的仿真结果，其中由上到下分别为公共桥臂电流波形(A)、公共桥臂电压波形(kV)、端口桥臂1电压波形(kV)、端口桥臂2电压波形(kV)与输出电压波形(kV)。
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。
鉴于现有技术中，用于高压直流电网直流输电线路互联的直流变压器方案中，隔离型方案存在笨重隔离变压器，体积大、成本高、工程难度大；非隔离型方案工况复杂，模块间、模块内及器件间热均衡难、工程可行性低。本发明提供了一种用于高压直流电网直流输电线路互联的直接型单级变换高压直流变压器。
如图1所示，用于高压直流电网直流输电线路互联的直接型单级变换高压直流变压器的电路，包括A、B、C三个相单元，三个相单元的输入端口与输出端口均为并联；每个相单元包括一个由半桥子模块与桥臂电感构成的公共桥臂、两个由全桥子模块与功率器件构成的端口桥臂。其中，两个端口桥臂与公共桥臂连接于节点a，两个端口桥臂的另一端分别连接高压侧与低压侧，公共桥臂的另一端接地。所述功率器件均为全控型器件，所述全控型器件为IGBT、MOSFET或IGCT，同一个相单元内的两个功率器件相同。
在本发明中，所述全桥子模块包括四个第一功率器件和一个第一储能电容，所述四个第一功率器件分别为上开关管a、上开关管b、下开关管a与下开关管b，所述第一功率器件均为全控型器件，所述全控型器件为IGBT、MOSFET或IGCT中的一种，上开关管a的发射极(源极)与下开关管a的集电极(漏极)相连，上开关管a的集电极(漏极)、上开关管b的集电极(漏极)与第一储能电容的正极两两相连，上开关管b的发射极(源极)与下开关管b的集电极(漏极)相连，下开关管b的发射极(源极)、下开关管a的发射极(源极)与第一储能电容的负极两两相连，上开关管a的发射极(源极)和下开关管a的集电极(漏极)之间设置有上端口，下开关管a的发射极(源极)作为全桥子模块的下端口。
在本发明中，所述半桥子模块由两个第二功率器件与一个第二储能电容组成，所述第二功率器件均为全控型器件，所述全控型器件为IGBT、MOSFET或IGCT中的一种，两个第二功率器件分别为上开关管与下开关管，上开关管的发射极(源极)与下开关管的集电极(漏极)相连，上开关管的集电极(漏极)与第二储能电容的正极相连，所述第二储能电容的负极与下开关管的发射极(源极)相连，上开关管的发射极(源极)与下开关管的集电极(漏极)之间设置有上端口，下开关管的发射极(源极)作为半桥子模块的下端口。
如图2所示，为本发明一具体实施例中半桥子模块的电路拓扑，半桥子模块电路含有上、下两个IGBT功率器件以及一个储能电容。在一个开关周期内，每个半桥子模块的上开关管与下开关管的驱动信号互补。
如图3所示，为本发明一具体实施例中全桥子模块的电路拓扑，全桥子模块电路含有四个IGBT功率器件以及一个储能电容，四个IGBT自上而下，从左到右分别为上开关管a，上开关管b，下开关管a与下开关管b。在一个开关周期内，端口桥臂1、2的全桥子模块级联阀串中，每个全桥子模块均有三种工作状态。当全桥子模块上端口与下端口之间电压为正时，上开关管a与下开关管b的驱动信号为1，其它开关管驱动信号为0；当全桥子模块上端口与下端口之间电压为负时，上开关管b与下开关管a的驱动信号为1，其它开关管驱动信号为0；当全桥子模块上端口与下端口之间电压为零时，上开关管a与下开关管a的驱动信号为1且其它开关管驱动信号为0，或上开关管b与下开关管b的驱动信号为1且其它开关管驱动信号为0。
在本实施例中，所述全桥子模块包括四个IGBT功率器件和一个储能电容，所述四个IGBT功率器件分别为上开关管a、上开关管b、下开关管a与下开关管b，上开关管a的发射极与下开关管a的集电极相连，上开关管a的集电极、上开关管b的集电极与储能电容的正极两两相连，上开关管b的发射极与下开关管b的集电极相连，下开关管b的发射极、下开关管a的发射极与储能电容的负极两两相连，上开关管a的发射极和下开关管a的集电极之间设置有上端口，下开关管a的发射极作为全桥子模块的下端口；
在第一端口桥臂中，第k1-1个全桥子模块的下端口与第k1个全桥子模块的上端口相连，其中，2≤k1≤N1，第一个全桥子模块的上端口与高压直流母线相连接，第N1个全桥子模块的下端口与第一功率器件相连；在第二端口桥臂中，第k2-1个全桥子模块的下端口与第k2个全桥子模块的上端口相连，其中，2≤k2≤N2，第N2个全桥子模块的下端口与低压直流母线相连接，第一个全桥子模块的上端口与第二功率器件相连接。
在本发明中，在变压器的一个控制周期内，第一端口桥臂和第二端口桥臂的每个全桥子模块均有三种工作状态；当全桥子模块的上端口与下端口之间电压为正时，全桥子模块为正投入状态，上开关管a与下开关管b的驱动信号为1，即上开关管a与下开关管b导通，其它开关管的驱动信号为0，即其它开关管关断，此时，全桥子模块的储能电容被正向投入到电路中；当全桥子模块的上端口与下端口之间电压为负时，全桥子模块为负投入状态，上开关管b与下开关管a的驱动信号为1，即上开关管b与下开关管a导通，其它开关管的驱动信号为0，即其它开关管关断，此时，全桥子模块的储能电容被反向投入到电路中；当全桥子模块上端口与下端口之间电压为零时，全桥子模块为旁路状态，上开关管a与下开关管a的驱动信号为1且其它开关管的驱动信号为0，即上开关管a与下开关管a导通且其它开关管关断，或上开关管b与下开关管b的驱动信号为1且其它开关管的驱动信号为0，即上开关管b与下开关管b导通且其它开关管关断，此时，全桥子模块的储能电容被切除。
在本实施例中，所述半桥子模块由两个IGBT功率器件与一个储能电容组成，两个IGBT功率器件分别为上开关管与下开关管，上开关管的发射极与下开关管的集电极相连，上开关管的集电极与储能电容的正极相连，所述储能电容的负极与下开关管的发射极相连，上开关管的发射极与下开关管的集电极之间设置有上端口，下开关管的发射极作为半桥子模块的下端口；
在公共桥臂中，第一个半桥子模块的上端口分别与第一端口桥臂和第二端口桥臂的功率器件相连接，第k3-1个半桥子模块的下端口与第k3个半桥子模块的上端口相连，其中，2≤k3≤N3，第N3个半桥子模块的下端口与桥臂电感相连接；
在变压器的一个控制周期内，公共桥臂的每个半桥子模块的上开关管与下开关管的驱动信号互补，即当上开关管的驱动信号为1时，下开关管的驱动信号为0，上开关管导通，下开关管关断，半桥子模块的储能电容被投入电路；或当上开关管的驱动信号为0时，下开关管的驱动信号为1，上开关管关断，下开关管导通，半桥子模块的储能电容被切除。
如图4所示，为本发明一实施例的A相电路主要工况的理想波形图。其中由上到下分别为公共桥臂电流波形、公共桥臂电压波形、端口桥臂1(高压侧桥臂)电压波形与端口桥臂2(低压侧桥臂)电压波形，一个控制周期的每个阶段具体说明如下，
t0-t4时刻：上半周期(0-T/2)，公共桥臂电压保持为高压侧电压Vh直到死区时间变化为低压侧电压Vl，低压侧桥臂电压保持为Vh-Vl直到死区时间变化为0；t0-t1时刻为公共桥臂电流上升阶段，高压侧电压为负的调制电压；t1-t2时刻为公共桥臂电流保持阶段；t2-t3时刻为公共桥臂电流下降阶段，高压侧电压为调制电压；t3-t4时刻为死区时间，电流为0；
t4-t8时刻：下半周期(T/2-T)，公共桥臂电压保持为低压侧电压Vl直到死区时间变化为高压侧电压Vh，高压侧桥臂电压保持为Vh-Vl直到死区时间变化为0；t4-t5时刻为公共桥臂电流下降阶段，低压侧电压为负的调制电压；t5-t6时刻为公共桥臂电流保持阶段；t6-t7时刻为公共桥臂电流上升阶段，低压侧电压为调制电压；t7-t8时刻为死区时间，电流为0；
为了保证三相电路叠加后输出电压为所需直流电压，任一电流上升/下降阶段与死区时间相加应为一个完整控制周期的六分之一，B相波形在A相基础上提前三分之一个控制周期，C相波形在A相基础上滞后三分之一个控制周期。
如图5所示，为本发明一实施例的A相电路主要工况的仿真结果，其中由上到下分别为公共桥臂电流波形(A)、公共桥臂电压波形(kV)、端口桥臂1电压波形(kV)、端口桥臂2电压波形(kV)与输出电压波形(kV)。仿真所采用数据为：输入电压33kV，输出电压11kV，额定输出功率4.95MW，开关频率1kHz，子模块电压2.2kV，公共桥臂上半桥子模块数量为15个，端口桥臂1、2的全桥子模块数量均为5个，公共桥臂上的桥臂电感为2mH。仿真结果如图所示，基本与理想结果吻合，输出电压稳定在11kV左右。
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 (10)
1.一种直接型单级变换高压直流变压器，其特征在于，包括M个相同的相单元和一个顶层控制器；
所述相单元均包括两个端口桥臂和一个公共桥臂，所述两个端口桥臂均用于调节流入或流出公共桥臂的电流大小，且均包括若干全桥子模块与一个功率器件，所述功率器件用于控制端口桥臂的通断，端口桥臂的全桥子模块级联构成全桥子模块级联阀串；两个端口桥臂分别为第一端口桥臂和第二端口桥臂，第一端口桥臂有N1个全桥子模块，第一端口桥臂的第N1个全桥子模块通过自身的功率器件分别连接第二端口桥臂与公共桥臂；第二端口桥臂有N2个全桥子模块，第二端口桥臂的第一个全桥子模块通过自身的功率器件分别连接第一端口桥臂的功率器件与公共桥臂；
所述公共桥臂用于储存高压母线流入的能量并释放能量到低压母线或储存低压母线流入的能量并释放能量到高压母线，由N3个半桥子模块与一个桥臂电感构成，所述桥臂电感用于抑制半桥子模块、与公共桥臂相连的两个端口桥臂的全部全桥子模块投切产生的电流，所述公共桥臂的N3个半桥子模块级联构成半桥子模块级联阀串，第N3个半桥子模块与桥臂电感相连并通过桥臂电感接地；其中，N1≥2，N2≥2，N3≥2；
各个相单元的第一端口桥臂的第一个全桥子模块相连并作为所述变换器的高压端，且连接至高压直流母线，各个相单元的第二端口桥臂的第N2个全桥子模块相连并作为所述变换器的低压端，且连接至低压直流母线；M个相单元的公共桥臂连接同一个地；
所述顶层控制器调控每个相单元内的全部全桥子模块、半桥子模块的驱动信号，控制高压直流母线输入到变压器的电流与变压器输出到低压直流母线的电流，或低压直流母线输入到变压器的电流与变压器输出到高压直流母线的电流。
2.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述功率器件均为全控型器件，所述全控型器件为IGBT、MOSFET或IGCT，同一个相单元内的两个功率器件相同。
3.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述全桥子模块包括四个第一功率器件和一个第一储能电容；所述半桥子模块由两个第二功率器件与一个第二储能电容组成；所述第一功率器件和第二功率器件均为全控型器件，所述全控型器件为IGBT、MOSFET或IGCT中的一种。
4.根据权利要求3所述的变压器，其特征在于，所述第一功率器件均为IGBT，所述全桥子模块的四个IGBT功率器件分别为上开关管a、上开关管b、下开关管a与下开关管b，上开关管a的发射极与下开关管a的集电极相连，上开关管a的集电极、上开关管b的集电极与第一储能电容的正极两两相连，上开关管b的发射极/与下开关管b的集电极相连，下开关管b的发射极、下开关管a的发射极/与第一储能电容的负极两两相连，上开关管a的发射极/和下开关管a的集电极/之间设置有上端口，下开关管a的发射极/作为全桥子模块的下端口；
在第一端口桥臂中，第k1-1个全桥子模块的下端口与第k1个全桥子模块的上端口相连，其中，2≤k1≤N1，第一个全桥子模块的上端口与高压直流母线相连接，第N1个全桥子模块的下端口与第一功率器件相连；在第二端口桥臂中，第k2-1个全桥子模块的下端口与第k2个全桥子模块的上端口相连，其中，2≤k2≤N2，第N2个全桥子模块的下端口与低压直流母线相连接，第一个全桥子模块的上端口与第二功率器件相连接。
5.根据权利要求4所述的变压器，其特征在于，在变压器的一个控制周期内，第一端口桥臂和第二端口桥臂的每个全桥子模块均有三种工作状态；当全桥子模块的上端口与下端口之间电压为正时，全桥子模块为正投入状态，上开关管a与下开关管b的驱动信号为1，即上开关管a与下开关管b导通，其它开关管的驱动信号为0，即其它开关管关断，此时，全桥子模块的储能电容被正向投入到电路中；当全桥子模块的上端口与下端口之间电压为负时，全桥子模块为负投入状态，上开关管b与下开关管a的驱动信号为1，即上开关管b与下开关管a导通，其它开关管的驱动信号为0，即其它开关管关断，此时，全桥子模块的储能电容被反向投入到电路中；当全桥子模块上端口与下端口之间电压为零时，全桥子模块为旁路状态，上开关管a与下开关管a的驱动信号为1且其它开关管的驱动信号为0，即上开关管a与下开关管a导通且其它开关管关断，或上开关管b与下开关管b的驱动信号为1且其它开关管的驱动信号为0，即上开关管b与下开关管b导通且其它开关管关断，此时，全桥子模块的储能电容被切除。
6.根据权利要求3所述的变压器，其特征在于，所述第二功率器件均为IGBT，所述半桥子模块的两个IGBT功率器件分别为上开关管与下开关管，上开关管的发射极与下开关管的集电极相连，上开关管的集电极与第二储能电容的正极相连，所述第二储能电容的负极与下开关管的发射极相连，上开关管的发射极与下开关管的集电极之间设置有上端口，下开关管的发射极作为半桥子模块的下端口；
在公共桥臂中，第一个半桥子模块的上端口分别与第一端口桥臂和第二端口桥臂的功率器件相连接，第k3-1个半桥子模块的下端口与第k3个半桥子模块的上端口相连，其中，2≤k3≤N3，第N3个半桥子模块的下端口与桥臂电感相连接；
在变压器的一个控制周期内，公共桥臂的每个半桥子模块的上开关管与下开关管的驱动信号互补，即当上开关管的驱动信号为1时，下开关管的驱动信号为0，上开关管导通，下开关管关断，半桥子模块的储能电容被投入电路；或当上开关管的驱动信号为0时，下开关管的驱动信号为1，上开关管关断，下开关管导通，半桥子模块的储能电容被切除。
7.一种基于权利要求1所述变压器的调制方法，其特征在于，包括如下步骤：
在所述调制方法的每个控制周期T内，M个相单元的电流电压波形分别相差1/M个控制周期，即相比于第k个相单元，第k+1个相单元的电流电压波形比该相单元滞后1/M个控制周期，其中1≤k≤M-1；M个相单元两端的端口电流叠加构成高压端的电流与低压端的电流；
当时刻t＝0时，所述变压器的各个相单元内的全桥子模块、半桥子模块同步开始工作，此时，其中一个相单元A的公共桥臂的电流为0，其公共桥臂的电压为高压端的电压，其第一端口桥臂的电压为0，其第二端口桥臂的电压为高压端的电压减去低压端的电压Vh-Vl；
在上半控制周期，即0<t<T/2，相单元A的公共桥臂的半桥子模块级联阀串的电压为高压端的电压，公共桥臂的半桥子模块级联阀串的电流先上升一段时间Tr到高压端的电流Ih，再保持不变，最后下降一段时间Tr到0并持续死区时间Tdt，其中，电流以高压端到低压端方向为正方向；第一端口桥臂的电压在公共桥臂的电流上升阶段为-Vm1，第一端口桥臂的电压在公共桥臂的电流下降阶段为Vm1，其余时间第一端口桥臂的电压为0；第二端口桥臂的电压为高压端的电压减去低压端的电压Vh-Vl；其中，Vm1为调制电压，Vh为高压端的电压，Vl为低压端的电压；
在下半控制周期，即T/2<t<T，相单元A的公共桥臂的半桥子模块级联阀串的电压为低压端的电压，公共桥臂的半桥子模块级联阀串的电流先下降一段时间Tr到-Il，再保持不变，最后上升一段时间Tr到0并持续死区时间Tdt；第一端口桥臂的电压为Vh-Vl；第二端口桥臂的电压在公共桥臂的半桥子模块级联阀串的电流的下降阶段为-Vm2，第二端口桥臂的电压在公共桥臂的半桥子模块级联阀串的电流的上升阶段为Vm2，其余时间为0；其中，Il为低压端的电流，Vm2为调制电压。
8.根据权利要求7所述的调制方法，其特征在于，所述公共桥臂的全部半桥子模块的储能电容的电容值均为C0，电压均为Vsm0；第一端口桥臂的全部全桥子模块的储能电容的电容值均为C1，电压均为Vsm1；第二端口桥臂的全部全桥子模块的储能电容的电容值均为C2，电压均为Vsm2，其中，电压应满足下式：
其中，max(a，b)表示取a、b中比较大的数。
9.根据权利要求8所述的调制方法，其特征在于，所述调制电压Vm1、调制电压Vm2，死区时间Tdt、电流上升/下降时间Tr应满足下式：
10.根据权利要求8所述的调制方法，其特征在于，公共桥臂、第一端口桥臂和第二端口桥臂的储能电容的电压均衡方法为双排序法。
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Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| WO2016029824A1 (zh) * | 2014-08-25 | 2016-03-03 | 国家电网公司 | 一种直流电压变换装置及其桥臂控制方法 |
| CN110350788A (zh) * | 2019-08-07 | 2019-10-18 | 哈尔滨工业大学 | 用于直流升压汇集的大功率直流升压变换器及其控制方法 |
| CN116054589A (zh) * | 2023-02-07 | 2023-05-02 | 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院 | 一种模块化器件串联式直流变压器及其控制方法与应用 |
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2024
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Patent Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| WO2016029824A1 (zh) * | 2014-08-25 | 2016-03-03 | 国家电网公司 | 一种直流电压变换装置及其桥臂控制方法 |
| CN110350788A (zh) * | 2019-08-07 | 2019-10-18 | 哈尔滨工业大学 | 用于直流升压汇集的大功率直流升压变换器及其控制方法 |
| CN116054589A (zh) * | 2023-02-07 | 2023-05-02 | 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院 | 一种模块化器件串联式直流变压器及其控制方法与应用 |
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