本發(fā)明涉及一種直流變換器,具體涉及一種基于模塊化多電平換流器的準(zhǔn)零電流開關(guān)DC/DC變換器。
背景技術(shù):
基于常規(guī)直流及柔性直流的直流電網(wǎng)技術(shù)為解決大規(guī)模可再生能源安全高效遠(yuǎn)距離輸送、大型城市及孤島供電等問題提供了有效的技術(shù)手段。高壓大容量DC/DC變換器是構(gòu)建直流電網(wǎng)系統(tǒng)的核心裝備之一,該設(shè)備實現(xiàn)各個不同電壓等級直流輸電線路的聯(lián)接交互,進(jìn)而形成大規(guī)模的直流系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。目前,DC/DC變換器技術(shù)的研究主要集中在中小功率中低壓電壓等級,隨著高壓直流線路的不斷建設(shè)以及直流電網(wǎng)需求的日益迫切,高壓大容量DC/DC變換器技術(shù)亟待突破。
作為直流電網(wǎng)的關(guān)鍵裝備之一,DC/DC變換器的主要特點應(yīng)包括:①實現(xiàn)不同電壓等級直流網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接;②潮流方向雙向可控;③損耗低,運(yùn)行效率高;④具備故障隔離作用。DC/DC變換器一般分為兩類,一類是直接變壓,變換器中不存在交流環(huán)節(jié);另一類是間接變壓,變換器中存在交流環(huán)節(jié)。通過考察間接變壓的DC/DC變換器拓?fù)洌壳熬邆浼夹g(shù)潛力的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有兩種:一種是基于MMC的隔離型DC/DC變換器拓?fù)?,該變換器低壓側(cè)和高壓側(cè)換流器采用MMC換流器,并經(jīng)中頻變壓器連接,但這種設(shè)計由于調(diào)制策略、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等原因?qū)е聝蛇叺腗MC無法實現(xiàn)軟開關(guān),在較高頻運(yùn)行下?lián)p耗高;另一種是LCL型DC/DC變換器,該變換器低壓側(cè)和高壓側(cè)換流器采用兩電平全橋變換器,并經(jīng)LCL電路相連,在高電壓場合需采用IGBT直接串聯(lián)的方式,這種拓?fù)湓O(shè)計的問題在于交流側(cè)的電壓差很大,電感容量較大,且采用方波運(yùn)行模式會惡化裝置的電磁環(huán)境。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
基于目前MMC的隔離型DC/DC變換器損耗高以及所用高壓大容量中頻隔離變壓器制造困難、LCL-DC/DC變換器中LCL電路的電壓應(yīng)力大以及變換器電磁環(huán)境差的問題,本發(fā)明提出一種基于模塊化多電平換流器的準(zhǔn)零電流開關(guān)DC/DC變換器,該DC/DC變換器利用LCL諧振網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了兩側(cè)MMC的近似軟開關(guān),降低了損耗;通過合理配置兩側(cè)MMC的子模塊個數(shù)及運(yùn)行模式減少LCL電路的電氣應(yīng)力和電壓變化率,改善LCL的電磁環(huán)境,提高DC/DC 變換器的可靠性。
本發(fā)明的目的是采用下述技術(shù)方案實現(xiàn)的:
一種基于模塊化多電平換流器的準(zhǔn)零電流開關(guān)DC/DC變換器,其改進(jìn)之處在于,所述DC/DC變換器包括低壓側(cè)模塊化多電平換流器、LCL諧振電路和高壓側(cè)模塊化多電平換流器;所述低壓側(cè)模塊化多電平換流器通過LCL諧振電路和高壓側(cè)模塊化多電平換流器連接。
其中,所述低壓側(cè)模塊化多電平換流器和高壓側(cè)模塊化多電平換流器均由兩相四橋臂構(gòu)成,每相的上下兩橋臂通過串聯(lián)電抗器連接,所述上下兩橋臂均包括級聯(lián)的MMC子模塊。
其中,所述MMC子模塊由直流電容器、兩個IGBT芯片、均壓電阻和超高速旁路開關(guān)組成;所述兩個IGBT芯片串聯(lián)形成IGBT芯片串聯(lián)支路,所述超高速旁路開關(guān)與下管IGBT并聯(lián),所述IGBT芯片串聯(lián)支路、均壓電阻和直流電容器并聯(lián),下管IGBT集電極引出MMC子模塊的正極輸出,下管IGBT發(fā)射極引出MMC子模塊的負(fù)極輸出。
其中,所述低壓側(cè)MMC換流器橋臂子模塊數(shù)量為低壓側(cè)直流電壓除以額定子模塊電容電壓的商取整,高壓側(cè)MMC換流器橋臂子模塊數(shù)量為低壓側(cè)MMC橋臂子模塊數(shù)量的(N+1)/2~N倍,其中,N為DC/DC變換器高壓側(cè)與低壓側(cè)直流電壓的比值。
其中,所述低壓側(cè)模塊化多電平換流器和高壓側(cè)模塊化多電平換流器的交流側(cè)均處于高頻運(yùn)行工況,交流頻率均達(dá)到500Hz~2000Hz。
其中,所述LCL諧振電路包括兩個電感和諧振電容,其中一個電感的一端與低壓側(cè)模塊化多電平換流器的一相連接;另一端與另一個電感的一端連接;另一個電感的另一端與高壓側(cè)模塊化多電平換流器的一相連接;所述諧振電容的兩端分別連接低壓側(cè)模塊化多電平換流器的另一相和高壓側(cè)模塊化多電平換流器的另一相。
其中,所述LCL諧振電路中兩個電感所需的無功功率由諧振電容提供,保證低壓側(cè)模塊化多電平換流器和高壓側(cè)模塊化多電平換流器輸出的無功功率為0,以減小低壓側(cè)和高壓側(cè)模塊化多電平換流器的功率損耗,同時實現(xiàn)低壓側(cè)和高壓側(cè)模塊化多電平換流器的交流基波電壓和交流基波電流同相位。
其中,所述低壓側(cè)模塊化多電平換流器和高壓側(cè)模塊化多電平換流器均工作于梯形波模式,低壓側(cè)模塊化多電平換流器和高壓側(cè)模塊化多電平換流器的交流輸出電壓均為梯形波電壓。
其中,所述低壓側(cè)模塊化多電平換流器和高壓側(cè)模塊化多電平換流器的交流梯形電壓的上升沿和下降沿分別對應(yīng)于低壓側(cè)和高壓側(cè)交流基波電流過零區(qū)域,進(jìn)一步減小低壓側(cè)和高壓側(cè)模塊化多電平換流器中功率器件的開關(guān)損耗;且梯形波的斜率可控,便于控制LCL諧振 電路所承受的電壓變化率。
本發(fā)明提供的技術(shù)方案具有的優(yōu)異效果是:
1、本發(fā)明提供的變換器兩側(cè)采用MMC換流器,通過半橋子模塊串聯(lián)承受高電壓,避免了LCL-DC/DC變換器中IGBT器件串聯(lián)技術(shù),可應(yīng)用于電壓等級高,傳輸容量大的應(yīng)用場合,且擴(kuò)展性強(qiáng);
2、本發(fā)明提供的變換器采用LCL諧振電路連接兩MMC換流器,避免了基于MMC的隔離型DC/DC變換器中高壓大容量中頻隔離變壓器的制造限制,并有效實現(xiàn)低壓側(cè)和高壓側(cè)MMC換流器的零無功功率控制和準(zhǔn)零電流開關(guān),減小了DC/DC變換器的損耗。
3、本發(fā)明提供的變換器通過配置高壓側(cè)MMC子模塊個數(shù)以及運(yùn)行模式,可以有效減小LCL電路的電壓應(yīng)力和承受的電壓變化率,改善DC/DC變換器的電磁環(huán)境,提高了系統(tǒng)可靠性。
附圖說明
圖1是本發(fā)明提供的基于模塊化多電平換流器的準(zhǔn)零電流開關(guān)DC/DC變換器電路圖;
圖2是本發(fā)明提供的模塊化多電平換流器子模塊結(jié)構(gòu)圖;
圖3是本發(fā)明提供的模塊化多電平換流器梯形工作模式圖,其中:(a)為低壓端MMC交流側(cè)電壓與基波電流波形圖;(b)為高壓端MMC交流側(cè)電壓與基波電流波形圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
以下描述和附圖充分地示出本發(fā)明的具體實施方案,以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)嵺`它們。其他實施方案可以包括結(jié)構(gòu)的、邏輯的、電氣的、過程的以及其他的改變。實施例僅代表可能的變化。除非明確要求,否則單獨的組件和功能是可選的,并且操作的順序可以變化。一些實施方案的部分和特征可以被包括在或替換其他實施方案的部分和特征。本發(fā)明的實施方案的范圍包括權(quán)利要求書的整個范圍,以及權(quán)利要求書的所有可獲得的等同物。在本文中,本發(fā)明的這些實施方案可以被單獨地或總地用術(shù)語“發(fā)明”來表示,這僅僅是為了方便,并且如果事實上公開了超過一個的發(fā)明,不是要自動地限制該應(yīng)用的范圍為任何單個發(fā)明或發(fā)明構(gòu)思。
本發(fā)明提供一種基于模塊化多電平換流器的準(zhǔn)零電流DC/DC變換器,如圖1所示。所述 變換器包括低壓側(cè)模塊化多電平換流器、LCL諧振電路和高壓側(cè)模塊化多電平換流器;所述低壓側(cè)模塊化多電平換流器通過LCL諧振電路和高壓側(cè)模塊化多電平換流器連接。所述低壓側(cè)模塊化多電平換流器和高壓側(cè)模塊化多電平換流器均由兩相四橋臂構(gòu)成,每相的上下兩橋臂通過串聯(lián)電抗器連接,所述上下兩橋臂均包括級聯(lián)的MMC子模塊。
所述MMC子模塊如圖2所示,包括直流電容器、兩個IGBT芯片、兩個均壓電阻和晶閘管組成;其中,兩個IGBT芯片串聯(lián)形成IGBT芯片串聯(lián)支路,兩個均壓電阻串聯(lián)形成均壓電容支路,所述IGBT芯片串聯(lián)支路、均壓電容支路和直流電容器并聯(lián),所述晶閘管與IGBT芯片之一并聯(lián),其陽極連接直流電容器的負(fù)極,陰極連接直流電容器的正極,晶閘管的陰極引出子模塊的正極輸出,晶閘管的陽極引出子模塊的負(fù)極輸出。
所述低壓側(cè)MMC換流器橋臂子模塊數(shù)量為低壓側(cè)直流電壓除以額定子模塊電容電壓的商取整,高壓側(cè)MMC換流器橋臂子模塊數(shù)量為低壓側(cè)MMC橋臂子模塊數(shù)量的(N+1)/2~N倍,其中,N為DC/DC變換器高壓側(cè)與低壓側(cè)直流電壓的比值。
所述低壓側(cè)模塊化多電平換流器的交流側(cè)輸出頻率和高壓側(cè)模塊化多電平換流器的交流側(cè)輸出頻率均為500~2000Hz。
所述低壓側(cè)和高壓側(cè)模塊化多電平換流器均工作于梯形波模式,所述低壓側(cè)和高壓側(cè)模塊化多電平換流器的交流側(cè)梯形電壓錯開一定的相位差,如圖3(a)、(b)所示。相比于LCL-DC/DC變換器中方波運(yùn)行模式,梯形波運(yùn)行模式有效減小LCL諧振網(wǎng)絡(luò)所承受的電壓變化率,改善系統(tǒng)的電磁環(huán)境。
所述LCL諧振電路包括兩個電感和諧振電容,其中一個電感的一端與低壓側(cè)模塊化多電平換流器的一相連接;另一端與第二個電感的一端連接;第二個電感的另一端與高壓側(cè)模塊化多電平換流器的一相連接;諧振電容的兩端分別連接低壓側(cè)模塊化多電平換流器的另一相和高壓側(cè)模塊化多電平換流器的另一相。
所述LCL諧振網(wǎng)絡(luò)中電容可提供兩個電感所需的感性無功功率,從而實現(xiàn)低壓側(cè)和高壓側(cè)模塊化多電平換流器的零無功功率控制,減少MMC換流器輸送無功功率造成的電能損耗,提高DC/DC變換器傳輸?shù)挠泄θ萘?。結(jié)合兩側(cè)MMC梯形波工作模式,兩側(cè)MMC換流器的功率開關(guān)管在各自交流電流為零附近動作,可實現(xiàn)MMC近似零電流開關(guān)。
本發(fā)明提供的基于模塊化多電平換流器的準(zhǔn)零電流開關(guān)DC/DC變換器,利用LCL諧振網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了兩側(cè)MMC的近似軟開關(guān),降低了損耗;通過合理配置兩側(cè)MMC的子模塊個數(shù)及運(yùn)行模式減少LCL電路的電氣應(yīng)力和電壓變化率,改善LCL的電磁環(huán)境,提高DC/DC變換器的可靠性。
最后應(yīng)當(dāng)說明的是:以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其限制,盡管參照上述實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明,所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員依然可以對本發(fā)明的具體實施方式進(jìn)行修改或者等同替換,這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換,均在申請待批的本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。