CN210053345U - 一种模块化多电平直流固态变压器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种模块化多电平直流固态变压器，包括m个通过输入串联输出并联结构连接的双有源全桥变换器，双有源全桥变换器包括高频变压器以及分别连接在高频变压器原、副边的两个全桥电路,每个全桥电路均包括四个场效应管，每个场效应管都反并联着一个二极管；每个双有源全桥变换器的输入侧均连接一个二极管；还包括DSP、驱动电路和电压采集模块。本实用新型适用于直流固态变压器，具有良好的技术经济性。
Description
技术领域
本实用新型涉及直流变压器领域，具体是一种模块化多电平直流固态变压器。
背景技术
随着化石能源的枯竭和环境问题日渐突出，各种分布式电源的应用受到了广泛重视，与此同时国内外学者开展了直流微电网的研究。在直流微电网中，各个分布式电源和直流母线之间、高电压等级的直流母线和低电压等级的直流母线之间均需要大容量的DC/DC变换器进行互联。
由于单个变换器电压、电流应力较低，将标准化DC/DC 模块输入串联输出并联(input-series output-parallel， ISOP)是适用于宽电压增益比、大功率直流变换场合的主要解决方案。ISOP组合的直流变压器的控制关键在于对输出电压和输入均压进行解耦，同时保证输入电压的均衡和输出电压稳定。现阶段有文献通过推导输入均压和输出电压的环路方程，提出了双环解耦控制策略使得输出电压保持稳定。同时也有文献简化了控制策略，但未针对系统模块化的结构特性提出模块化的控制方式，不利于直流固态变压器的模块化扩展。同时有学者提出改进的新型模块化控制策略。同时可以提高变换器的效率及动态性能。虽然提出了直流变压器的模块化控制策略，但是未考虑直流变压器发生输入短路故障后所提控制策略的有效性。有学者提出了基于开关电容接入的双主动移相变换器方案，可以实现电压的快速匹配，同时当发生直流侧的短路故障时，可以在不加独立开关之下，迅速把故障隔离，当故障消失之后，恢复正常工作。但是其需要增加开关电容来处理故障，设计成本增加。因此，现阶段的直流固态变压器其结构存在有诸多的缺点，导致相应的控制策略也存在诸多问题。
实用新型内容
本实用新型为了解决传统直流固态变压器(DC solid state transformer，DCSST) 某个模块由于输入侧短路故障导致系统无法正常工作的问题，针对现有结构的缺陷，提出了一种加入二极管的一种模块化多电平直流固态变压器。
本实用新型是采用如下技术方案实现的：一种模块化多电平直流固态变压器，包括m个通过输入串联输出并联结构（ISOP）连接的双有源全桥变换器（DAB），双有源全桥变换器包括高频变压器以及分别连接在高频变压器原、副边的两个全桥电路, 每个全桥电路均包括四个场效应管，每个场效应管都反并联着一个二极管；每个双有源全桥变换器的输入侧均连接一个二极管；
还包括DSP、驱动电路和电压采集模块；对应每个场效应管配有一个驱动电路，对应每个双有源全桥变换器配有一个电压采集模块；DSP的驱动信号输出端与每个驱动电路相连接，每个驱动电路的输出端与其对应的场效应管驱动引脚相连接；每个电压采集模块的输入端与对应双有源全桥变换器的输入侧二极管之后连接同时与DAB的输出侧相连接，用来采集输入电压和输出电压，每个电压采集模块的输出端与DSP的电压输入端相连接。
基于本实用新型所述的一种模块化多电平直流固态变压器，可以实现一种用于上述基于直流固态变压器的控制方法，其所述方法具体展开如下：
模块化故障容错方法，在输入均压母线输入侧增加二极管来选择各个双有源全桥变换器（DAB）输入电压的最大值，作为输入均压环的参考电压，当模块化多电平直流固态变压器中某个双有源全桥变换器由于输入短路而发生故障时，系统可自动调整输入均压环的参考值，从而实现其余双有源全桥变换器均压，使输出电压保持稳定。
进一步的，所述容错方法具体如下：输入均压环中，选择各个双有源全桥变换器输入电压的最大值，并且将最大值作为输入均压环的参考信号；该参考电压作为均压参考值与每个双有源全桥变换器的输入电压值作差后，得到输出移相比修正信号；
输出电压环中，输出电压参考值U oref与每个双有源全桥变换器的输出电压实际值U outi作差后，得到各个双有源全桥变换器的基本移相比信号；其中输出电压参考值U oref为设定好的阈值；
每个输出基本移相比信号与对应的移相比修正信号作差后分别得到各双有源全桥变换器的最终移相比信号，最后通过移相模块输出脉冲PWM驱动信号，进而通过调节各双有源全桥变换器的移相模块调节输出功率，使输入电压高的双有源全桥变换器输出功率大，输入电压低的双有源全桥变换器输出功率小，最终达到输入均压的目的；在系统运行过程中，当某个双有源全桥变换器由于输入短路而发生故障时，为了使剩余双有源全桥变换器可以继续工作，通过选择输入电压最大值，系统可以自动调整输入均压环的参考值，从而使得其余双有源全桥变换器可以正常运行。
本实用新型了一种模块化多电平直流固态变压器，该结构变压器与现有技术相比，所具有的优点与积极效果在于：当模块化多电平直流固态变压器中某个模块由于输入短路而发生故障时，系统可自动调整输入均压环的基准值，从而实现其余模块均压，使输出电压保持稳定。提高了模块化多电平直流固态变压器的可靠性。
附图说明
图1 是本实用新型所涉及一种直流固态变压器的结构图；
图2 是本实用新型所涉及双有源全桥变换器结构图；
图3 是本实用新型所涉及具有故障容错功能的直流固态变压器的模块化控制框图；
图1中：直流固态变压器由m个双有源全桥变换器（DAB）通过输入串联输出并联（ISOP）结构连接。U in和U out分别代表直流变压器输入输出母线电压；i in和i out分别为直流变压器输入和输出电流；i ini和i outi分别为每个DAB输入输出侧的电流；U ini和U outi为每个DAB输入输出侧的电压。其中：i=1,2,…,m。
图2中：C1 和 C2 为各模块输入电容及输出电容。T 为高频变压器，其原、副边分别与全桥电路 H1、H2连接, 高频变压器提供电气隔离和电压变换的功能，辅助电感提供暂态能量存储功能, 桥臂上的每一个场效应管（MOSFET）都反并联着一个二极管，为能量的双向流动提供了通路。U1、U2分别为每个模块（DAB）的输入输出电压值；i L为高频变压器原边电流，UL为辅助电感电压， Up、Us分别为高频变压器原、副边电压。
图3中：U oref为DCSST输出电压参考值。G sc、G dc分别为输入均压环和输出电压环的PI调节器。Di为移相比。U in和U out分别代表直流变压器输入输出母线电压；i in和i out分别为直流变压器输入和输出电流；i ini和i outi分别为每个DAB输入输出侧的电流；U ini和U outi为每个DAB输入输出侧的电压。其中：i=1,2,…,m。移相模块可生成MOSFET移相后的驱动波形。输入均压环中，均压参考值与各个模块的输入电压值U ini作差后，经过PI控制器Gsc输出移相比修正信号。输出电压环中，输出电压参考值U oref与输出电压实际值U outi作差后（图中均表示为U out，因为各个模块的U outi均相同），经过PI控制器Gdc输出基本移相比信号，与各个移相比修正信号作差后得到各模块的最终移相比信号D i，最后通过移相控制器输出脉冲PWM驱动信号。G sc、G dc以及移相模块均通过DSP来实现。
具体实施方式
一种模块化多电平直流固态变压器，由m个双有源全桥变换器（DAB）通过输入串联输出并联（ISOP）结构连接。同时在每个DAB的输入侧增加二极管来选择输入电压的最大值。每个DAB如图2所示，由高频变压器在其原、副边分别与全桥电路 H1、H2连接, 高频变压器提供电气隔离和电压变换的功能，辅助电感提供暂态能量存储功能, 桥臂上的每一个场效应管（MOSFET）都反并联着一个二极管，为能量的双向流动提供了通路。C1 和 C2 为各模块输入电容及输出电容。每个全桥由4个CREE公司的CAS120M12BM2型SiC MOSFET模块组成。DSP采用FM28335，输出的PWM信号通过驱动电路变换后才能控制SiC MOSFET功率模块的开通和关断。驱动电路选用CREE公司推出的CGD15HB62P1型SiC MOSFET门极驱动模块，DSP的11，15引脚输出驱动信号分别连接驱动电路的2，10号引脚。同时每个DAB的输入电压通过连接二极管选择最大输入电压，并将其输入到DSP中进行处理输出驱动信号，进而控制MOSFET的开关动作达到本设计的要求。
模块化故障容错方法，在输入均压母线输入侧增加二极管来选择输入电压的最大值，作为输入均压环的参考电压，由于传统控制策略中输入均压环参考值在某个模块发生输入短路故障时需要重新调整，所以新型控制策略通过增加最大值选取模块，选择各模块输入电压的最大值，并且将最大值作为输入均压环的参考信号。将每个模块的输入电压与输入均压的参考信号做差，之后将差值叠加到各模块输出电压环的输出值。进而通过调节各模块移相模块调节输出功率，使输入电压高的模块输出功率大，输入电压低的模块输出功率小，最终达到输入均压的目的。在系统运行过程中，当某个模块由于输入短路而发生故障时，为了使剩余模块可以继续工作，提出的新型控制策略通过选择输入电压最大值，系统可以自动调整输入均压环的参考值，从而使得其余模块可以正常运行，提高了系统的可靠性。在模块化控制策略的基础上，增加最大值选取模块，得到具有容错功能的模块化DCSST控制策略，当DCSST中某个模块由于输入短路而发生故障时，系统可自动调整输入均压环的基准值，从而实现其余模块均压，使输出电压保持稳定。如图3所示。
Claims (2)
1.一种模块化多电平直流固态变压器，其特征在于，包括m个通过输入串联输出并联结构连接的双有源全桥变换器，双有源全桥变换器包括高频变压器以及分别连接在高频变压器原、副边的两个全桥电路, 每个全桥电路均包括四个场效应管，每个场效应管都反并联着一个二极管；每个双有源全桥变换器的输入侧均连接一个二极管；
还包括DSP、驱动电路和电压采集模块；对应每个场效应管配有一个驱动电路，对应每个双有源全桥变换器配有一个电压采集模块；DSP的驱动信号输出端与每个驱动电路相连接，每个驱动电路的输出端与其对应的场效应管驱动引脚相连接；每个电压采集模块的输入端与对应双有源全桥变换器的输入侧二极管之后连接同时与双有源全桥变换器的输出侧相连接，用来采集输入电压和输出电压，每个电压采集模块的输出端与DSP的电压输入端相连接。
2.如权利要求1所述的一种模块化多电平直流固态变压器，其特征在于，每个全桥由4个CREE公司的CAS120M12BM2型SiC MOSFET模块组成；驱动电路选用CREE公司推出的CGD15HB62P1型SiC MOSFET门极驱动模块；DSP采用FM28335，输出的PWM信号通过驱动电路变换后能控制SiC MOSFET功率模块的开通和关断； DSP的11，15引脚输出驱动信号分别连接驱动电路的2，10号引脚。
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| CN110323930A (zh) * | 2019-08-07 | 2019-10-11 | 国网山西省电力公司电力科学研究院 | 一种模块化多电平直流固态变压器以及故障容错方法 |
| CN112865550A (zh) * | 2021-04-12 | 2021-05-28 | 中国矿业大学 | 一种输入并联输出串联的双有源桥变换器及其控制方法 |
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2019
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| CN110323930B (zh) * | 2019-08-07 | 2024-02-02 | 国网山西省电力公司电力科学研究院 | 一种模块化多电平直流固态变压器以及故障容错方法 |
| CN112865550A (zh) * | 2021-04-12 | 2021-05-28 | 中国矿业大学 | 一种输入并联输出串联的双有源桥变换器及其控制方法 |
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