CN1845433A - 超导储能用双向三电平软开关dc/dc及其电压侧脉宽控制方法 - Google Patents
超导储能用双向三电平软开关dc/dc及其电压侧脉宽控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种超导储能用双向三电平软开关DC/DC,包括电压单元、变压器单元和电流单元。电压单元为带中点箝位二极管的两个三电平半桥,三电平半桥最上端和最下端的开关管并联电容,中间两个开关管不并联电容,亦可在所有开关管上都并联电容。两个三电平半桥的中点和箝位二极管的中点都与两个分压电容器连线的中点相连。电流单元的结构决定于变压器单元:若为普通变压器,副边为全桥式电流源逆变器,若为带中间抽头的变压器,副边为全波式电流源逆变器。本发明通过控制电压单元输出的脉宽控制能量传输的大小,通过控制副边电流单元开关触发的位置控制充放电,通过控制三电平桥臂输出的正负向电压脉宽的相对大小,解决三电平桥臂中点电压不平衡问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种超导储能用的直流变换器及其控制方法,特别涉及一种超导储能用双向三电平软开关DC/DC及其控制方法。
背景技术
近年来,随着超导材料技术的发展,超导材料在电力领域的运用越来越得到人们的关注与重视,世界各国纷纷开展超导电力技术的研究。其中超导储能技术由于能实现脉冲能量调节、电力系统稳定控制等多方面的功能而倍受人们的关注,成为目前唯一商业化的超导电力技术。超导储能技术一般分为电压源型和电流源型两种类型,其中电压源型和电流源型相比,技术更为成熟,从而成为超导储能系统的主流选择。在电压源型超导储能装置中,需要用DC/DC对超导磁体进行充放电。目前常用的DC/DC技术要么是需要充放电设备各一套,如美国专利US005159261“采用充电和放电DC/DC的超导储能稳定装置”;要么采用一套装置同时实现充放电的功能,如美国专利US005661646“采用不同相角的多重化DC/DC斩波器”和美国专利US004695932“超导储能电路”。这些专利虽然采用的拓扑结构不一样,但是都没有解决两个关键的问题:1、开关管的软开关问题。这些DC/DC都是通过硬开关来实现超导磁体的充放电,开关管开关应力大,损耗大,不仅大大缩短了开关管的寿命,而且降低了系统的工作效率。2、直流电压端电压低,且只有一个直流端电压接口,无法与先进的多电平电压源逆变器相连。附图1为美国专利US004695932“超导储能电路”的拓扑结构图,其中10为用于超导磁体充放电的DC/DC斩波器。它通过开关管17a和17b的硬开关来实现对超导磁体的充放电,开关管的应力大,损耗也大;同时,它只有一个直流端电压接口,如图中所示的电容9两端所提供的直流电压接口,为了减小谐波,它只能通过采用多重化的形式的电压源换流器与高压电力系统相连。而多重化的电压源换流器需要使用多个体积庞大,价格昂贵的工频变压器。不仅大大增大了系统的体积,还大大增加了系统的成本。工频变压器的体积和成本都占到整个系统的40%以上。
发明内容
为了克服已有技术的不足,本发明提供了一种可以实现能量双向流动的三电平DC/DC,它能灵活地工作在二电平和三电平状态,从而减少电感电流的纹波,而且还能实现电流单元全部开关管的零电流开关,电压单元全部开关管的零电压开关,提高了工作的效率。并且,通过采用变压器降压,使得电流单元可以采用电压容量低而电流容量大的开关器件,提高了电流单元的通流能力,从而有效地提高了超导磁体的储能量。由于它的电压侧有两个独立的直流电压端口,所以可以和三电平的逆变器直接相连,而三电平逆变器技术已经非常成熟,能够广泛适应于中高压电力系统,从而避免了使用多个工频变压器与高压电力系统相连,极大地降低了成本和体积。
本发明的拓扑结构由电压单元、变压器单元和电流单元三部分组成。电压单元为带中点箝位二极管的两个三电平半桥组成,三电平半桥的最上端和最下端的开关管并联电容,中间两个开关管不并联电容。或者也可以在所有的开关管上都并联电容。其中上下两个开关管的电容值远大于中间两个开关管电容值10倍以上。电容的取值可视软开关的需要而定。两个三电平半桥的中点和箝位二极管的中点都与两个分压电容器的中点相连。电流单元的结构根据变压器单元而定。若为普通变压器,副边为全桥形式的电流源逆变器,若为带中间抽头的变压器,副边为全波形式的电流源逆变器。为了提高功率密度,变压器可用高频变压器。
本发明的控制方法通过控制原边逆变器输出的脉宽控制能量传输的大小,而通过控制副边电流源换流器换相的位置来控制充放电,若在原边逆变器输出脉宽的前沿换相,则变换器充电,若在后沿换相则变换器放电。它可以工作在二电平和三电平模式,副边电流纹波小,可大大减小滤波电路的大小和超导磁体的交流损耗。同时,通过控制变压器原边三电平桥臂输出的正负向电压脉宽的相对大小,还可以解决三电平桥臂中点电压不平衡的问题。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
图1为现有技术美国专利US004695932的原理图。
图2为本发明的一个典型的拓扑结构原理图。图中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8为开关管,D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9、D10、D11、D12为二极管,C1、C4、C5、C8为相应开关管上的并联电容器,Cd1、Cd2为两个分压电容,Llk为变压器的漏感或外接的谐振电感,Tr为副边带中间抽头的变压器,T1、T2为电流只能单相流动的开关或者是双向流动的开关与二极管相串联的组合,L超导磁体。
图3为本发明的实施例1。图中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8为IGBT,D9、D10、D11、D12为二极管,C1、C4、C5、C8为相应开关管上的并联电容器,Cd1、Cd2为两个分压电容,Llk为变压器的漏感或外接的谐振电感,Tr为副边带中间抽头的变压器,T1、T2为晶闸管,L为超导磁体。
图4为本发明的实施例2。图中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8为IGBT,D9、D10、D11、D12为二极管,C1、C4、C5、C8为相应开关管上的并联电容器,Cd1、Cd2为两个分压电容,Llk为变压器的漏感或外接的谐振电感,Tr为副边带中间抽头的变压器,T1-T4为晶闸管,L为超导磁体。
图5为本发明的实施例3。图中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8为IGBT,D9、P10、D11、D12为二极管,C1、C4、C5、C8为相应开关管上的并联电容器,Cd1、Cd2为两个分压电容,Llk为变压器的漏感或外接的谐振电感,Tr为副边带中间抽头的变压器,T1、T2为IGBT,D1、D2为二极管,L为超导磁体。
图6为本发明的实施例4。图中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8为IGBT,D9、D10、D11、D12为二极管,C1、C4、C5、C8为相应开关管上的并联电容器,Cd1、Cd2为两个分压电容,Llk为变压器的漏感或外接的谐振电感,Tr为副边带中间抽头的变压器,T1-T4为IGBT,D1-D4为二极管,L为超导磁体。
图7为在二电平模式下的充电时序图。
图8为在三电平模式下的充电时序图。
图9为在二电平模式下的放电时序图。
图10为在三电平模式下的放电时序图。
图11为电流单元半控型开关与全控型开关触发脉冲对比图。
图12为在充电模式下分压电容电压不平衡控制原理图。
图13为在放电模式下分压电容电压不平衡控制原理图。
具体实施方式
图2为本发明的一个典型的拓扑结构原理图。它由电压单元、变压器单元和电流单元三部分组成。其电压单元由两个三电平桥臂组成。开关管Q1-Q4和钳位二极管D9、D10组成其中一个三电平桥臂。开关管Q1-Q4头尾相连,开关管Q1反并联二极管D1,并与电容器C1并联,开关管Q4反并联二极管D4,并与电容器C4并联。开关管Q2反并联二极管D2,开关管Q3反并联二极管D3。开关管Q1、Q2的中点与钳位二极管D9的阴极相连,开关管Q3、Q4的中点与钳位二极管D10的阳极相连。D9的阳极与D10的阴极相连,其中点与分压电容Cd1、Cd2的中点相连。开关管Q5-Q8和钳位二极管D11、D12组成其中另一个三电平桥臂。开关管Q5-Q8头尾相连,开关管Q5反并联二极管D5,并与电容器C5并联,开关管Q8反并联二极管D8,并与电容器C8并联。开关管Q6反并联二极管D6,开关管Q7反并联二极管D7。开关管Q5、Q6的中点与钳位二极管D11的阴极相连,开关管Q7、Q8的中点与钳位二极管D12的阳极相连。D11的阳极与D12的阴极相连,其中点与分压电容Cd1、Cd2的中点相连。两个三电平桥臂与两个串联分压电容Cd1、Cd2并联。两个三电平桥臂的中点A、B与变压器原边绕组的两端相连。变压器单元为副边带中间抽头的变压器。其电流单元为由开关T1、T2组成的电流源换流器。T1、T2的一端与变压器副边的两端相连,另一端相互连接,并与超导磁体L的一端相连,超导磁体L的另一端与变压器的中间抽头相连。其中三电平桥臂中间两个开关管[Q2]、[Q3]、[Q6]、[Q7]也可以并联电容器[C2]、[C3]、[C6]、[C7],其电容值远小于上下两个开关管[Q1]、[Q4]、[Q5]、[Q8]的并联电容[C1]、[C4]、[C5]、[C8]十倍以上。
图3为本发明的实施例1。图中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8为IGBT,D9、D10、D11、D12为二极管,C1、C4、C5、C8为相应开关管上的并联电容器,Cd1、Cd2为两个分压电容,Llk为变压器的漏感或外接的谐振电感,Tr为副边带中间抽头的变压器,T1、T2为晶闸管,L为超导磁体。其连接方式与图2完全相同,只是用相应的实际开关代替理想开关。其中IGBT可为1MBI600PX-120,晶闸管可以为KA1200。
图4为本发明的实施例2。图中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8为IGBT,D9、D10、D11、D12为二极管,C1、C4、C5、C8为相应开关管上的并联电容器,Cd1、Cd2为两个分压电容,Llk为变压器的漏感或外接的谐振电感,Tr为副边带中间抽头的变压器,T1-T4为晶闸管,L为超导磁体。其电压单元的连接方式与图2完全相同。其变压器单元为普通变压器,变压器的原边与三电平桥臂的两个中点相连,变压器的副边与电流单元的交流电流端相连。其电流单元为由晶闸管T1-T4组成的电流源换流器。T1的阳极与T3的阴极相连,构成其中一个桥臂,T2的阳极与T4的阴极相连,构成其中另一个桥臂,两个桥臂相互并联,并与超导磁体L并联。两个桥臂的中点与变压器副边的两端相连。其中IGBT可为1MBI600PX-120,晶闸管可以为KA1200。
图5为本发明的实施例3。图中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8为IGBT,D9、D10、D11、D12为二极管,C1、C4、C5、C8为相应开关管上的并联电容器,Cd1、Cd2为两个分压电容,Llk为变压器的漏感或外接的谐振电感,Tr为副边带中间抽头的变压器,T1、T2为IGBT,D1、D2为二极管,L为超导磁体。其连接方式与图3完全相同。它用IGBT与二极管相互连接作为一个整体,来代替图3中的一个晶闸管。其中IGBT可为1MBI600PX-120,二极管可为MDN 600C20。
图6为本发明的实施例4。图中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8为IGBT,D9、D10、D11、D12为二极管,C1、C4、C5、C8为相应开关管上的并联电容器,Cd1、Cd2为两个分压电容,Llk为变压器的漏感或外接的谐振电感,Tr为副边带中间抽头的变压器,T1-T4为IGBT,D1-D4为二极管,L为超导磁体。其连接方式与图4完全相同。它用IGBT与二极管相互连接作为一个整体,来代替图4中的一个晶闸管。其中IGBT可为1MBI600PX-120,二极管可为MDN 600C20。
本发明的具体工作原理和过程如下:
本发明可工作在充电和放电两种状态。充电和放电都可工作在二电平和三电平两种模式。
在2电平模式中,本发明变换器在一个开关周期共有16种开关模态,分别对应于[t0,t1]、[t1,t2]、[t2,t3]、[t3,t4]、[t4,t5]、[t5,t6]、[t6,t7]、[t7,t8]、[t8,t9]、[t9,t10]、[t10,t11]、[t11,t12]、[t12,t13]、[t13,t14],[t14,t15],[t15,t16],如图7所示。其中[t0,t8]为前半周期,[t8,t16]为后半周期。下面结合图2(设其中电流单元的开关器件为晶闸管等半控型开关),详细描述其工作过程,其中UA0为第一个三电平桥臂的输出端A对两个分压电容器中点0的电压,UB0为第二个三电平桥臂的输出端B对两个分压电容器中点0的电压。UAB为两个桥臂输出端的电压。IP为流过变压器原边的电流。另设变压器的变比为n(Np/Ns),Uo为副边可控整流电路的输出电压。
开关模态1(对应于[t0,t1]其中Cs2,Cs3,Cs6,Cs7分别为开关管Q2、Q3、Q6、Q7的寄生电容,其值远小于并联电容的值)。t0时刻之前,原边电流IP从中点0出发,流向为0-D11-Q6-B-A-Q3-D10-0。t0时刻,Q3关断,由于有Cs3,所以是零电压关断。关断后,电流IP给Cs3充电,C1放电,充放电结束后,C1上的电压为零。IP的流向为0-D11-Q6-B-A-D2-D1。
开关模态2(对应于[t1,t2])。t1时刻,开通Q1,同时给T1施加触发脉冲,由于C1上的电压为零,所以是零电压开通。给T1施加触发脉冲后,由于T1两端承受正电压,在触发脉冲的作用下,T1开通,由于变压器存在漏感,流过T1的电流逐渐增加,T1实现了零电流开通。而此时,T2承受反向电压,在反向电压的作用下,流过T2的电流逐渐减少到零,T2过零关断,从而实现了零电流关断。整个开关过程结束后,IP的流向为Q1-Q2-A-B-Q7-D12-0。可控整流电路的输出电压Uo正向加在超导磁体上。超导磁体上的电流增加。
开关模态3(对应于[t2,t3])。t2时刻,Q1关断,由于Q1两端有电容C1,所以是零电压关断。Q1关断后,IP给C1充电,Cs3放电,充放电过程结束后,C1两端的电压为分压电容Cd1两端的电压,Cs3两端的电压接近于零,IP的流向为0-D9-Q2-A-B-Q7-D12-0。
开关模态4(对应于[t3,t4)。t3时刻,开通Q3,由于Cs3两端的电压接近于零,所以是零电压开通。原边电流IP的流向不变。
开关模态5(对应于[t4,t5])。t4时刻,Q7关断,IP给Cs7充电,给C5放电,充放电过程结束后,C5两端的电压为零,IP的流向为0-D9-Q2-A-B-D6-D5。
开关模态6(对应于[t5,t6)。t5时刻Q5开通,并给T2触发信号。由于C5上的电压为零,所以是零电压开通。给T2施加触发脉冲后,由于T2两端承受正电压,在触发脉冲的作用下,T2开通,由于变压器存在漏感,流过T2的电流逐渐增加,T2实现了零电流开通。而此时,T1承受反向电压,在反向电压的作用下,流过T1的电流逐渐减少到零,T1过零关断,从而实现了零电流关断。整个开关过程结束后,IP的流向为Q5-Q6-B-A-Q3-D10-0。可控整流电路的输出电压Uo正向加在超导磁体上。超导磁体上的电流增加。
开关模态7(对应于[t6,t7])。t6时刻Q5关断IP给C5充电,Cs7放电,充放电过程结束后,C5上的电压等于分压电容Cd1上的电压,Cs7上的电压接近于零。IP的流向为0-D11-Q6-B-A-Q3-D10-0。
开关模态8(对应于[t7,t8]),t7时刻Q7开通,由于Cs7上的电压接近于零,所以是零电压开通。
以上为两电平模式下,超导磁体充电的上半周期的开关过程,从开关过程可以看出,它实现了完全的软开关,下半周的开关过程与上半周相似,这里不再赘述。
在3电平模式中,本发明变换器在一个开关周期共有24种开关模态,分别对应于[t0,t1]、[t1,t2]、[t2,t3]、[t3,t4]、[t4,t5]、[t5,t6]、[t6,t7]、[t7,t8]、[t8,t9]、[t9,t10]、[t10,t11]、[t11,t12]、[t12,t13]、[t13,t14]、[t14,t15],[t15,t16]、[t16,t17]、[t17,t18]、[t18,t19]、[t19,t20]、[t20,t21]、[t21,t22]、[t22,t23]、[t23,t24],如图8所示。其中[t0,t12]为前半周期,[t12,t24]为后半周期。下面结合图2,详细描述其工作过程。
开关模态1(对应于[t0,t1])。t0时刻之前,原边电流IP从中点0出发,流向为0-D11-Q6-B-A-Q3-D10-0。t0时刻,Q3、Q6关断,电流IP给Cs3、Cs6充电,C1、C8放电,充放电结束后,IP的流向为D8-D7-B-A-D2-D1。由于IP流经Q1、Q2的反并联二级管回到电源正端,Q1上的电压为零,同理Q8上的电压也为零。
开关模态2(对应于[t1,t2])。t1时刻,开通Q1、Q8,同时给T1施加触发脉冲,由于Q1、Q8上的电压为零,并且有电容C1、C8,所以是零电压开通。给T1施加触发脉冲后,由于T1两端承受正电压,在触发脉冲的作用下,T1开通,由于变压器存在漏感,流过T1的电流逐渐增加,T1实现了零电流开通。而此时,T2承受反向电压,在反向电压的作用下,流过T2的电流逐渐减少到零,T2过零关断,从而实现了零电流关断。整个开关过程结束后,IP的流向为Q1-Q2-A-B-Q7-Q8。可控整流电路的输出电压Uo正向加在超导磁体上。超导磁体上的电流增加。
开关模态3(对应于[t2,t3])。t3时刻Q8关断,IP给C8充电,Cs6放电,充放电过程结束后,Cs6两端的电压接近于零,C8两端的电压为分压电容Cd2两端的电压,IP的流向为Q1-Q2-A-B-Q7-D12-0。
开关模态4(对应于[t3,t4])。t3时刻,Q6开通,由于Cs6两端的电压接近于零,所以是零电压开通。IP的流向与开关模态3相同。
开关模态5(对应于[t4,t5])。t4时刻,Q1关断,由于有C1所以是零电压关断,C1关断后,IP给C1充电,Cs3放电,充放电过程结束后,C1两端的电压等于分压电容Cd1两端的电压,Cs3两端的电压接近于零。IP的流向为0-D9-Q2-A-B-Q7-D12-0。
开关模态6(对应于[t5,t6])。t5时刻,Q3开通,由于Cs3上的电压接近于零,所以是零电压开通。IP的流向不变。
开关模态7(对应于[t6,t7])。t6时刻,Q2、Q7关断,由于有Cs2、Cs7,所以是零电压关断。IP给Cs2、Cs7充电,C4、C5放电,充放电过程结束后,Cs2、Cs7两端的电压分别等于分压电容Cd2、Cd1两端的电压,C4、C5两端的电压等于零。IP的流向为D4-D3-A-B-D6-D5。
开关模态8(对应于[t7,t8])。t7时刻,Q4、Q5开通,同时给T2施加触发脉冲,因为Q4、Q5上的电压为零,且有C4、C5,所以是零电压开通。给T2施加触发脉冲后,由于T2两端承受正电压,在触发脉冲的作用下,T2开通,由于变压器存在漏感,流过T2的电流逐渐增加,T2实现了零电流开通。而此时,T1承受反向电压,在反向电压的作用下,流过T1的电流逐渐减少到零,T1过零关断,从而实现了零电流关断。整个开关过程结束后,IP的流向为Q5-Q6-B-A-Q3-Q4。可控整流电路的输出电压Uo正向加在超导磁体上。超导磁体上的电流增加。
开关模态9(对应于[t8,t9])。t8时刻,Q4关断,由于有C4所以是零电压关断。IP给C4充电,Cs2放电,充放电过程结束后,C4两端的电压等于Cd2两端的电压,Cs2两端的电压接近于零。IP的流向为Q5-Q6-B-A-Q3-D10-0。
开关模态10(对应于[t9,t10])。t9时刻,Q2开通,由于Cs2两端的电压接近于零,所以是零电压开通。IP的流向不变。
开关模态11(对应于[t10,t11])。t10时刻,Q5关断,由于有C5,所以是零电压关断,IP给C5充电,Cs7放电。充放电过程结束后C5两端的电压等于分压电容Cd1两端的电压,Cs7两端的电压接近于零。Ip的流向为0-D11-Q6-B-A-Q3-D10-0。
开关模态12(对应于[t11,t12])。t11时刻,Q7开通,由于Cs7两端的电压接近于零,所以是零电压开通。
以上为三电平模式下超导磁体充电的上半周期的开关过程,从开关过程可以看出,它实现了完全的软开关,下半周的开关过程与上半周相似,这里不再赘述。
放电也可以工作在2L和3L模式,下面分别对这两种模式进行详细描述。
在2电平模式中,本发明变换器在一个开关周期共有20种开关模态,分别对应于[t0,t1]、[t1,t2]、[t2,t3]、[t3,t4]、[t4,t5]、[t5,t6]、[t6,t7]、[t7,t8]、[t8,t9]、[t9,t10]、[t10,t11]、[t11,t12]、[t12,t13]、[t13,t14]、[t14,t15],[t15,t16]、[t16,t17]、[t17,t18]、[t18,t19]、[t19,t20],如图9所示,其中[t0,t10]为上半周期,[t10,t20]为下半周期,下面结合图2,详细描述其工作过程。
开关模态1(对应于[t0,t1])。t0时刻之前,原边电流IP从中点0出发,流向为0-D11-Q6-B-A-Q3-D10-0。t0时刻,Q3关断,电流IP给Cs3充电,C1放电,充放电结束后,IP的流向为0-D11-Q6-B-A-D2-D1。由于IP流经Q1、Q2的反并联二级管回到电源正端,C1上的电压为零,此时Uo上的电压为负,超导磁体上所加的电压与电流的方向相反,超导磁体放电。
开关模态2(对应于[t1,t2])。t1时刻,开通Q1,由于C1上的电压为零,所以是零电压开通。电流IP的流向不变,Uo上的电压仍为负,超导磁体继续放电。
开关模态3(对应于[t2,t3])。t2时刻,给T1触发信号,由于T1两端承受正电压,在触发脉冲的作用下,T1开通,由于变压器存在漏感,流过T1的电流逐渐增加,T1实现了零电流开通。而此时,T2承受反向电压,在反向电压的作用下,流过T2的电流逐渐减少到零,T2过零关断,从而实现了零电流关断。整个开关过程结束后,IP的流向为Q1-Q2-A-B-Q7-D12-0。可控整流电路的输出电压Uo正向加在超导磁体上。超导磁体上的电流增加。
开关模态4(对应于[t3,t4])。t3时刻,Q1关断,由于Q1两端有电容C1,所以是零电压关断。Q1关断后,IP给C1充电,Cs3放电,充放电过程结束后,C1两端的电压为分压电容Cd1两端的电压,Cs3两端的电压接近于零,IP的流向为0-D9-Q2-A-B-Q7-D12-0。
开关模态5(对应于[t4,t5])。t4时刻,开通Q3,由于Cs3两端的电压接近于零,所以是零电压开通。原边电流IP的流向不变。
开关模态6(对应于[t5,t6])。t5时刻,Q7关断,IP给Cs7充电,给C5放电,充放电过程结束后,Cs7两端的电压为分压电容Cd1两端的电压,C5两端的电压为零,IP的流向为0-D9-Q2-A-B-D6-D5,此时Uo上的电压为负,超导磁体上所加的电压与电流的方向相反,超导磁体放电。
开关模态7(对应于[t6,t7])。t6时刻,开通Q5,由于C5两端的电压为零,所以是零电压开通。原边电流IP的流向不变。Uo上的电压仍为负,超导磁体继续放电。
开关模态8(对应于[t7,t8])。t7时刻,给T2触发信号,由于T2两端承受正电压,在触发脉冲的作用下,T2开通,由于变压器存在漏感,流过T2的电流逐渐增加,T2实现了零电流开通。而此时,T1承受反向电压,在反向电压的作用下,流过T1的电流逐渐减少到零,T1过零关断,从而实现了零电流关断。整个开关过程结束后,IP的流向为Q5-Q6-B-A-Q3-D10-0。可控整流电路的输出电压Uo正向加在超导磁体上。超导磁体上的电流增加。
开关模态9(对应于[t8,t9])。t8时刻,Q5关断,由于Q5两端有电容C5,所以是零电压关断。Q5关断后,IP给C5充电,Cs7放电,充放电过程结束后,C5两端的电压为分压电容Cd1两端的电压,Cs7两端的电压接近于零,IP的流向为0-D11-Q6-B-A-Q3-D10-0。
开关模态10(对应于[t9,t10])。t9时刻,开通Q7,由于Cs7两端的电压接近零,所以是零电压开通。原边电流IP的流向不变。
以上为2电平模式下超导磁体放电的上半周期的开关过程,从开关过程可以看出,它实现了完全的软开关,下半周的开关过程与上半周相似,这里不再赘述。
在三电平模式中,本发明变换器在一个开关周期共有28种开关模态,分别对应于[t0,t1]、[t1,t2]、[t2,t3]、[t3,t4]、[t4,t5]、[t5,t6]、[t6,t7]、[t7,t8]、[t8,t9]、[t9,t10]、[t10,t11]、[t11,t12]、[t12,t13]、[t13,t14]、[t14,t15],[t15,t16]、[t16,t17]、[t17,t18]、[t18,t19]、[t19,t20]、[t20,t21]、[t21,t22]、[t22,t23]、[t23,t24]、[t24,t25]、[t25,t26]、[t26,t27]、[t27,t28],如图10所示。其中[t0,t14]为前半周期,[t14,t28]为后半周期。下面结合图2,详细描述其工作过程。
开关模态1(对应于[t0,t1])。t0时刻之前,原边电流IP从中点0出发,流向为0-D11-Q6-B-A-Q3-D10-0。t0时刻,Q3关断,电流IP给Cs3充电,C1放电,充放电结束后,IP的流向为0-D11-Q6-B-A-D2-D1。由于IP流经Q1、Q2的反并联二级管回到电源正端,C1上的电压为零,此时Uo上的电压为负,超导磁体上所加的电压与电流的方向相反,超导磁体放电。
开关模态2(对应于[t1,t2])。t1时刻,开通Q1,由于C1上的电压为零,所以是零电压开通。电流IP的流向不变,Uo上的电压仍为负,超导磁体继续放电。
开关模态3(对应于[t2,t3])。t2时刻,关断Q6,由于Q6上有寄生电容Cs6,所以是零电压关断,IP给Cs6充电,C8放电,充放电过程结束后,Cs6上的电压等于分压电容Cd2上的电压,C8上的电压等于零,IP的流向为D8-D7-B-A-D2-D1,若两个分压电容上的电压平衡,Uo上的电压为开关模态2时的两倍,超导磁体放电的速度加快。
开关模态4(对应于[t3,t4])。t3时刻,开通Q8,由于C8上的电压为零,所以是零电压开通。电流IP的流向不变,Uo上的电压与上个开关模态相同,超导磁体继续放电。
开关模态5(对应于[t4,t5])。t4时刻,T1触发信号,由于T1两端承受正电压,在触发脉冲的作用下,T1开通,由于变压器存在漏感,流过T1的电流逐渐增加,T1实现了零电流开通。而此时,T2承受反向电压,在反向电压的作用下,流过T2的电流逐渐减少到零,T2过零关断,从而实现了零电流关断。整个开关过程结束后,IP的流向为Q1-Q2-A-B-Q7-Q8。可控整流电路的输出电压Uo正向加在超导磁体上。超导磁体上的电流增加。
开关模态6(对应于[t5,t6])。t5时刻,Q1、Q8关断,由于Q1、Q8两端有电容C1、C8,所以是零电压关断。Q1、Q8关断后,IP给C1、C8充电,Cs3、Cs6放电,充放电过程结束后,C1两端的电压为分压电容Cd1两端的电压,C8两端的电压等于分压电容Cd2两端的电压,Cs3、Cs6两端的电压接近于零,IP的流向为0-D9-Q2-A-B-Q7-D12-0。
开关模态7(对应于[t6,t7])。t6时刻,开通Q3、Q6,由于Cs3、Cs6两端的电压接近于零,所以是零电压开通。原边电流IP的流向不变。
开关模态8(对应于[t7,t8])。t7时刻,Q7关断,IP给Cs7充电,给C5放电,充放电过程结束后,Cs7两端的电压为分压电容Cd1两端的电压,C5两端的电压为零,IP的流向为0-D9-Q2-A-B-D6-D5,此时Uo上的电压为负,超导磁体上所加的电压与电流的方向相反,超导磁体放电。
开关模态9(对应于[t8,t9])。t8时刻,开通Q5,由于C5两端的电压为零,所以是零电压开通。原边电流IP的流向不变。Uo上的电压仍为负,超导磁体继续放电。
开关模态10(对应于[t9,t10])。t9时刻,关断Q2,由于Q2上有寄生电容Cs2,所以是零电压关断,IP给Cs2充电,C4放电,充放电过程结束后,Cs2上的电压等于分压电容Cd2上的电压,C4上的电压等于零,IP的流向为D4-D3-A-B-D6-D5,若两个分压电容上的电压平衡,Uo上的电压为开关模态2时的两倍,超导磁体放电的速度加快。
开关模态11(对应于[t10,t11])。t10时刻,开通Q4,由于C4上的电压为零,所以是零电压开通。电流IP的流向不变,Uo上的电压与上个开关模态相同,超导磁体继续放电。
开关模态12(对应于[t11,t12])。t11时刻,给T2触发信号,由于T2两端承受正电压,在触发脉冲的作用下,T2开通,由于变压器存在漏感,流过T2的电流逐渐增加,T2实现了零电流开通。而此时,T1承受反向电压,在反向电压的作用下,流过T1的电流逐渐减少到零,T1过零关断,从而实现了零电流关断。整个开关过程结束后,IP的流向为Q5-Q6-B-A-Q3-Q4。可控整流电路的输出电压Uo正向加在超导磁体上。超导磁体上的电流增加。
开关模态13(对应于[t12,t13])。t12时刻,Q4、Q5关断,由于Q4、Q5两端有电容C4、C5,所以是零电压关断。Q4、Q5关断后,IP给C4、C5充电,Cs2、Cs7放电,充放电过程结束后,C4、C5两端的电压分别为分压电容Cd2、Cd1两端的电压,Cs2、Cs7两端的电压接近于零,IP的流向为0-D11-Q6-B-A-Q3-D10-0。
开关模态14(对应于[t13,t14])。t13时刻,开通Q2、Q7,由于Cs2、Cs7两端的电压接近于零,所以是零电压开通。原边电流IP的流向不变。
以上为三电平模式下超导磁体放电的上半周期的开关过程,从开关过程可以看出,它实现了完全的软开关,下半周的开关过程与上半周相似,这里不再赘述。
从整个充放电的过程可以看出,这种超导储能用的双向三电平DC/DC能够完全实现软开关,具有非常高的工作效率。
以上为电流单元采用半控型器件如晶闸管的工作原理。对于电流单元采用全控型开关与二极管串联的形式,其控制方法几乎完全相同,唯一不同的是电流单元的触发脉冲,两者脉冲对比如图11所示。其中T1、T2为半控型开关的触发脉冲,S1、S2为全控型开关的触发脉冲。对于半控型开关,t0时刻,给T1触发脉冲,此时加在T1上的电压大于零,由于变压器有漏感,流过T1的电流逐渐增加,T1零电流开通,而加在T2上的电压小于零,流过T2的电流逐渐减小,T2过零关断,实现零电流关断。对于全控型开关,t0时刻,给S1触发脉冲,此时加在S1上的电压大于零,由于变压器有漏感,流过S1的电流逐渐增加,S1零电流开通,而加在S2上的电压小于零,流过S2的电流逐渐减小到零,当S2减小到零后,t1时刻,关断S2,从而实现零电流关断。
中点不平衡问题是所以三电平DC/DC必须解决的问题,本发明也不例外。本发明提供一种通过改变两个三电平桥臂中点输出电压正负脉宽的相对大小来控制中点不平衡的方法。设分压电容Cd1上的电压大于分压电容Cd2的电压。如图12所示,在充电时,使正向脉宽大于负向脉宽,这样流出分压电容Cd1的电流Icd1大于流入的电流,Cd1的电压Ucd1下降;而流入分压电容Cd2的电流Icd2大于流出的电流,Cd2的电压Ucd2上升,流出两个分压电容Cd1、Cd2中点电流Io的平均值小于零。Cd1和Cd2上的电压趋于相等。如图13所示,在放电时,由于原边电流的流向相反,在放电时,使正向脉宽小于负向脉宽,这样流入分压电容Cd1的电流Icd1小于流入分压电容Cd2的电流Icd2,Cd1的电压Ucd1相对Cd2减小,流出两个分压电容Cd1、Cd2中点电流Io的平均值小于零。Cd1和Cd2上的电压趋于相等。需要特别说明的是,中点不平衡的控制并不局限于缩短正向或负向脉宽,也可以通过增加脉宽的方式,总而言之,就是通过控制正负向电压脉宽的相对大小来控制中点电压的不平衡。通过这种方式,中点不平衡的问题就能得以解决。
Claims (2)
1、超导储能用双向三电平软开关DC/DC,其特征在于它由电压单元、变压器单元和电流单元三部分组成;电压单元由两个三电平桥臂组成;开关管[Q1-Q4]和钳位二极管[D9]、[D10]组成其中一个三电平桥臂;开关管[Q1-Q4]头尾相连;开关管[Q1]反并联二极管[D1],并与电容器[C1]并联,开关管[Q4]反并联二极管[D4]、并与电容器[C4]并联,开关管[Q2]反并联二极管[D2],开关管[Q3]反并联二极管[D3];开关管[Q1]、[Q2]的中点与钳位二极管[D9]的阴极相连,开关管[Q3]、[Q4]的中点与钳位二极管[D10]的阳极相连;[D9]的阳极与[D10]的阴极相连,其中点与分压电容[Cd1]、[Cd2]的中点相连;开关管[Q5-Q8]和钳位二极管[D11]、[D12]组成其中另一个三电平桥臂;开关管[Q5-Q8]头尾相连,开关管[Q5]反并联二极管[D5],并与电容器[C5]并联,开关管[Q8]反并联二极管[D8],并与电容器[C8]并联,开关管[Q6]反并联二极管[D6]、开关管[Q7]反并联二极管[D7];开关管[Q5]、[Q6]的中点与钳位二极管[D11]的阴极相连,开关管[Q7]、[Q8]的中点与钳位二极管[D12]的阳极相连;钳位二极管[D11]的阳极与[D12]的阴极相连,其中点与分压电容[Cd1]、[Cd2]的中点相连;两个三电平桥臂与两个串联分压电容[Cd1]、[Cd2]并联;两个三电平桥臂的中点A、B与变压器原边绕组的两端相连;变压器单元若为副边带中间抽头的变压器,其电流单元为由开关[T1]、[T2]组成的电流源换流器;开关[T1]、[T2]的一端与变压器副边的两端相连,另一端相互连接,并与超导磁体[L]的一端相连,超导磁体[L]的另一端与变压器的中间抽头相连;其中三电平桥臂中间两个开关管[Q2]、[Q3]、[Q6]、[Q7]也可以并联电容器[C2]、[C3]、[C6]、[C7],其电容值远小于上下两个开关管[Q1]、[Q4]、[Q5]、[Q8]的并联电容[C1]、[C4]、[C5]、[C8]十倍以上。
2、应用于权利要求1所述的超导储能用双向三电平软开关DC/DC电压侧脉宽控制方法,其特征在于通过控制电压单元逆变器输出的电压脉宽来控制能量传输的大小,而通过控制电流单元开关换相的位置来控制充放电,若在原边逆变器输出电压脉宽的前沿换相,则变换器充电,若在后沿换相则变换器放电;通过控制三电平桥臂输出正负向电压脉宽的相对大小来控制中点电压的不平衡。
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