一种高升压比隔离型直流变换器及其控制方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，涉及一种隔离型直流变换器及其控制方法，具体涉及一种用于直流输变电领域，具有高升压比的隔离型直流变换器拓扑及其控制方法，适用于大功率中高压直流互连场合。

背景技术

随着电力系统容量及输电距离的日益增加，交流电力系统在大电网互联等场景中逐渐表现出疲态。高压直流输电在远距离电能传输场景下的优势也被越来越多的学者及科研机构证实。同时中压直流电网有望实现分布式可再生能源发电的高效接入。因而亟需具有高升压比的大功率直流变换器将中压直流升压至高压，实现中压直流配电网与高压直流输电网的互联。近年来也有一些学者致力于研究适用于中高压直流互联的升压变换器，目前的主流方案包括基于隔离型直流变换器功率模块输入串联输出并联的变换器和基于模块化多电平变换器的面对面直流变换器。但二者均存在一些问题：前者受限于目前半导体器件耐压不足，难以适用于高压应用；后者由于所需器件太多、硬开关等因素，难以实现较高的功率密度和效率。因此有必要提出一种大功率、高效率、小体积、低成本、高功率密度的具有高升压比的用于中高压直流互联的隔离型直流变换器。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明提供了一种用于中高压直流互联的高升压比隔离型直流变换器及其控制方法。本发明可以实现高升压比；中压侧采用半控或全控器件串联，且均可以实现软开关；高压侧采用串联二极管或其它可控器件与模块化多电平变换器构成同一桥臂，可有效降低变换器的体积、损耗及成本。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种高升压比隔离型直流变换器，包括中压变换电路、三相变压器和高压变换电路，其中：

所述中压变换电路包括输入滤波电容C

所述高压变换电路包括A相二极管D

所述三相变压器包括三相变压器一次侧和三相变压器二次侧，变压器变比为1:n，各相分别存在A相漏感L

所述第一晶闸管T

中压直流输入端的正极经输入滤波电容C

三相变压器一次侧的A相绕组连接第一晶闸管T

所述A相桥臂电感L

所述B相桥臂电感L

所述C相桥臂电感L

所述高压直流输出端的正极分别连接A相桥臂电感L

所述三相变压器二次侧的A相绕组连接A相二极管D

一种上述具有高升压比的隔离型直流变换器的控制方法，包括如下步骤：

步骤一、第一晶闸管T

步骤二、设一个控制周期为T

一、第一阶段的具体控制方法如下：

初始时刻t

第一开关模态：t

第二开关模态：t

第三开关模态：t

第四开关模态：t

第五开关模态：t

第六开关模态：t

第七开关模态：t

二、第二阶段的具体控制方法如下：

第八开关模态：t

第九开关模态：t

第十开关模态：t

第十一开关模态：t

第十二开关模态：t

第十三开关模态：t

第十四开关模态：t

三、第三阶段的具体控制过程如下：

第十五开关模态：t

第十六开关模态：t

第十七开关模态：t

第十八开关模态：t

第十九开关模态：t

第二十开关模态：t

第二十一开关模态：t

本发明中，所述第一晶闸管T

本发明中，所述A相二极管D

本发明中，所述A相模块化多电平桥臂SLa、B相模块化多电平桥臂SLb和C相模块化多电平桥臂SLc均采用半桥或全桥子模块串联。

本发明中，所述第一晶闸管T

本发明中，所述直流变换器可拓展为采用多个中压变换电路并联、串联或混合串并联，并分别与多个三相变压器一次侧连接，多个三相变压器二次侧可并联、串联或混合串并联，高压变换电路也可采用多个电路进行并联、串联或混合串并联。

本发明具有如下优点：

1、相比于基于隔离型直流变换器功率模块输入串联输出并联的结构，本发明的直流变换器利用晶闸管、二极管和子模块串联来承担中高压直流电压，增强了变换器的可靠性和易用性。

2、相比于基于模块化多电平变换器的面对面直流变换器，本发明将中压侧的模块化多电平变换器替换为可以软开关的晶闸管，将高压侧的一半模块化多电平桥臂替换为二极管，可有效降低变换器体积、成本，提高效率。

3、对于相同输入输出电压等级，本发明主要采用不控和半控器件，大大降低成本。

4、本发明的直流变换器具有体积小、效率高、成本低、功率密度高的特点，非常适用于直流输电中高压直流互联的场景。

附图说明

图1为本发明提出的具有高升压比的隔离型直流变换器的拓扑结构示意图；

图2为本发明提出的直流变换器典型驱动和电压电流波形；

图3为本发明所提拓扑工作在第一开关模态的电流通路图；

图4为本发明所提拓扑工作在第二开关模态的电流通路图；

图5为本发明所提拓扑工作在第三开关模态的电流通路图；

图6为本发明所提拓扑工作在第四开关模态的电流通路图；

图7为本发明所提拓扑工作在第五开关模态的电流通路图；

图8为本发明所提拓扑工作在第六开关模态的电流通路图；

图9为本发明所提拓扑工作在第七开关模态的电流通路图；

图10为本发明的双向拓扑示意图；

图11为本发明所提拓扑衍生示意图；

图12为本发明所提另一种衍生拓扑示意图。

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。

本发明提供了一种具有高升压比的隔离型直流变换器，如图1所示，所述直流变换器由中压变换电路、三相变压器和高压变换电路构成，U

所述中压变换电路包括输入滤波电容C

所述高压变换电路包括A相二极管D

所述三相变压器包括三相变压器一次侧和三相变压器二次侧，变压器变比为1:n，各相分别存在A相漏感L

所述第一晶闸管T

中压直流输入端的正极经输入滤波电容C

三相变压器一次侧的A相绕组连接第一晶闸管T

所述A相桥臂电感L

所述B相桥臂电感L

所述C相桥臂电感L

所述高压直流输出端的正极分别连接A相桥臂电感L

所述三相变压器二次侧的A相绕组连接A相二极管D

所述第一晶闸管T

所述A相二极管D

所述A相模块化多电平桥臂SLa、B相模块化多电平桥臂SLb和C相模块化多电平桥臂SLc均采用半桥或全桥子模块串联。

本发明提出的具有高升压比的隔离型直流变换器典型驱动和电压电流波形如图2所示，第一晶闸管T

第一阶段的具体控制方式分为如下七个开关模态：

初始时刻t

第一开关模态：t

第二开关模态：t

第三开关模态：t

第四开关模态：t

第五开关模态：t

第六开关模态：t

第七开关模态：t

第二阶段与第三阶段的工作模态与前述七个工作模态类似，故而不再赘述。

图10为本发明的一种双向拓扑示意图，将中压变换电路晶闸管T

图11为本发明的一种衍生拓扑示意图，将中压侧晶闸管T

图12为本发明的一种衍生拓扑示意图，采用两个中压变换电路和两个三相变压器，两个中压变换电路并联，并分别与两个三相变压器的一次侧连接，两个三相变压器的二次侧串联，中压侧晶闸管T