一種直流電壓變換裝置及其橋臂控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種DC-DC變換裝置及其控制方法，具體講涉及一種直流電壓變換裝置及其橋臂控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]針對DC-DC變換器已經(jīng)有了很多報導(dǎo)，在適用于高壓領(lǐng)域并采用擴展性良好的模塊化多電平技術(shù)方向上，“面對面”型模塊化多電平變壓器是最基礎(chǔ)的拓?fù)湫问剑撏負(fù)湔嫉卮?，而且造價高、損耗大，難以大規(guī)模推廣應(yīng)用。
[0003]W02014/056540 A1 號的“Modular Multilevel DC/DC converter for HVDCapplicat1ns”的專利文件中公開了一種新型的DC-DC變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中披露了通過共用“面對面”拓?fù)渲械碾p端子模塊，可減小系統(tǒng)所投入子模塊數(shù)量、損耗和占地，但必須采用變壓器隔離電位。
[0004]W02013/026477 A1 號的“Bidirect1nal Unisolated DC-DC converter based oncascaded cel Is”專利文獻(xiàn)提出了一種基于從DC直接變換至DC的模塊化多電平結(jié)構(gòu)，省去了變壓器，有效減小了投資和占地，但在低壓側(cè)輸出仍需要較大的電抗器或者共軛電抗器，同時針對故障隔離，需要額外的全橋子模塊投入。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種直流電壓變換裝置及其橋臂控制方法，該裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過采用全控器件串聯(lián)結(jié)構(gòu)和子模塊級聯(lián)結(jié)合的方法，在無變壓器的情況下實現(xiàn)電壓變換，同時還可實現(xiàn)串聯(lián)器件的軟開關(guān)，并減小投資和占地。
[0006]本發(fā)明的目的是采用下述技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0007]本發(fā)明提供一種直流電壓變換裝置，其改進之處在于，所述裝置包括基本變換單元，由所述基本變換單元組成實現(xiàn)直流電能變換的單極結(jié)構(gòu)或者雙極結(jié)構(gòu)。
[0008]進一步地，所述基本變換單元由兩相或者多相的基本功能模塊并聯(lián)構(gòu)成；通過橋臂控制方法，實現(xiàn)直流電能的變換。
[0009]進一步地，所述基本功能模塊包括連接成星形結(jié)構(gòu)的兩個器件級聯(lián)結(jié)構(gòu)和一個子模塊級聯(lián)結(jié)構(gòu)；
[0010]其中一個器件級聯(lián)結(jié)構(gòu)的剩余一端連接至高壓端正極端子，另一個器件級聯(lián)結(jié)構(gòu)的剩余一端連接至接地點；子模塊級聯(lián)結(jié)構(gòu)的剩余一端連接至低壓端正極端子。
[0011]進一步地，所述基本功能模塊通過附加子模塊級聯(lián)結(jié)構(gòu)構(gòu)成具有多種直流電壓變換能力的多直流端子基本功能模塊。
[0012]進一步地，所述器件級聯(lián)結(jié)構(gòu)由全控型器件及其反并聯(lián)的二極管、半橋子模塊、全橋子模塊結(jié)構(gòu)中的一種單獨串聯(lián)而成，或由其中的幾種混合串聯(lián)而成，或由以上組成的結(jié)構(gòu)串聯(lián)電感形成；在沒有功率反向需求的情況下，省去由全控型器件及其反并聯(lián)二極管形成的基本功能模塊中上橋臂或下橋臂的全控型器件，變?yōu)槎O管級聯(lián)或者二極管與電感的串聯(lián)結(jié)構(gòu)。
[0013]進一步地，所述子模塊級聯(lián)結(jié)構(gòu)由多個全橋子模塊或半橋子模塊級聯(lián)組成，或由多個全橋子模塊或半橋子模塊級聯(lián)結(jié)構(gòu)串聯(lián)電感組成。
[0014]進一步地，所述全橋子模塊由Η橋并聯(lián)電容器組組成，Η橋的每個橋臂均由全控器件模塊以及與其反并聯(lián)的二極管組成，所述半橋子模塊由單相橋臂并聯(lián)電容器組組成，所述單相橋臂包括上下兩個橋臂，每個橋臂子模塊均由全控器件模塊以及與其反并聯(lián)的二極管組成；
[0015]所述全控器件模塊由單個全控器件，或由全控器件串聯(lián)或者并聯(lián)組成，所述電容器組由單個電容器，或由多個電容串聯(lián)或者并聯(lián)組成。
[0016]本發(fā)明還提供一種直流電壓變換裝置的橋臂控制方法，其改進之處在于，當(dāng)基本變換單元為單相基本功能模塊時，所述橋臂控制方法包括下述步驟:
[0017](1)當(dāng)基本功能模塊的上橋臂導(dǎo)通時，其下橋臂關(guān)斷，高壓端正極電流Idl通過上橋臂進入對應(yīng)的子模塊級聯(lián)結(jié)構(gòu)，子模塊級聯(lián)結(jié)構(gòu)輸出Udl-Ud2，用于補償高壓側(cè)和低壓側(cè)輸出端子兩端的電壓差；
[0018](2)當(dāng)基本功能模塊的下橋臂導(dǎo)通時，其上橋臂關(guān)斷，基本功能模塊的低壓端和高壓端電流差I(lǐng)d2-1dl通過下橋臂注入子模塊級聯(lián)結(jié)構(gòu)，子模塊級聯(lián)結(jié)構(gòu)輸出-Ud2，用于補償?shù)蛪簜?cè)輸出端子對地電壓差；
[0019](3)當(dāng)基本功能模塊的上橋臂和下橋臂導(dǎo)通時間相同時，由于子模塊級聯(lián)結(jié)構(gòu)兩次充放電功率相等，維持電容器組能量不變，完成直流電能的變換。
[0020]進一步地，所述基本功能模塊的上橋臂和下橋臂導(dǎo)通時間根據(jù)平衡設(shè)定方式進行設(shè)計，基本功能模塊的上橋臂和下橋臂的開關(guān)頻率設(shè)定范圍無限制。
[0021]進一步地，所述平衡設(shè)定方式根據(jù)子模塊級聯(lián)結(jié)構(gòu)電壓或者能量波動情況，調(diào)整相應(yīng)的基本功能模塊的上橋臂和下橋臂開通時間比例。
[0022]進一步地，當(dāng)所述基本功能模塊的上橋臂和下橋臂進行開通和關(guān)斷時，通過調(diào)整子模塊級聯(lián)結(jié)構(gòu)的輸出使其軟開關(guān)。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明達(dá)到的有益效果是:
[0024]1、本發(fā)明提供的直流電壓變換裝置僅采用IGBT串聯(lián)結(jié)構(gòu)和一定數(shù)量的子模塊串聯(lián)實現(xiàn)電壓變換，投資少，損耗小，同時，高頻運行對損耗的提升少；良好的直流變壓器應(yīng)投資少，具備低損耗水平；
[0025]2、本發(fā)明提供的直流電壓變換裝置兩端直流側(cè)電壓電流質(zhì)量高，不需要其他濾波器；
[0026]3、本發(fā)明提供的直流電壓變換裝置能夠有效實現(xiàn)故障隔離；良好的直流變壓器應(yīng)滿足在一側(cè)直流故障情況下，另一側(cè)的運行不受到任何影響，即具備故障隔離能力；
[0027]4、本發(fā)明提供的直流電壓變換裝置具有變比范圍寬，寬范圍的可實現(xiàn)電壓變比。直流電壓等級的多樣性，要求電壓變換器能夠?qū)崿F(xiàn)寬范圍的電壓變比，能夠滿足不同場合的要求。
[0028]5、本發(fā)明提供的直流電壓變換裝置具有功率流動能力，由于直流電網(wǎng)功率調(diào)控的靈活性需求，相應(yīng)的，直流電壓變換器需要具備雙向功率調(diào)節(jié)能力。
【附圖說明】
[0029]圖1是本發(fā)明提供的半橋子模塊結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖2是本發(fā)明提供的全橋子模塊結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖3是本發(fā)明提供的基本功能模塊工作機理圖(單直流端子);
[0032]圖4是本發(fā)明提供的基本功能模塊工作機理圖(多直流端子);
[0033]圖5是本發(fā)明提供的單相變換單元及工作機理圖；
[0034]圖6是本發(fā)明提供的多相變換單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0035]圖7是本發(fā)明提供的直流電壓變換裝置雙極結(jié)構(gòu)圖；
[0036]圖8是本發(fā)明提供的三直流端子三相基本變換單元結(jié)構(gòu)圖。
【具體實施方式】
[0037]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步的詳細(xì)說明。
[0038]本發(fā)明提供一種直流電壓變換裝置，其結(jié)構(gòu)如下:該裝置包括基本變換單元，由所述基本變換單元組成單極結(jié)構(gòu)或者雙極結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)直流電能的變換。雙極結(jié)構(gòu)圖如圖7所
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[0039]基本變換單元由兩相或者多相的基本功能模塊并聯(lián)構(gòu)成；通過橋臂控制方法，實現(xiàn)直流電能的變換。圖3是該裝置的基本功能模塊，該模塊由兩個器件級聯(lián)結(jié)構(gòu)和一個子模塊級聯(lián)結(jié)構(gòu)組成，三者連接成星形結(jié)構(gòu)。一個器件級聯(lián)結(jié)構(gòu)的其余一端連接至高壓端正極端子，另一個器件級聯(lián)結(jié)構(gòu)的其余一端連接至接地點；子模塊級聯(lián)結(jié)構(gòu)其余一端連接至低壓端正極端子?；竟δ苣K可以通過附加子模塊級聯(lián)結(jié)構(gòu)構(gòu)成具有多種直流電壓變換能力的多直流端子基本功能模塊，如圖4所示。
[0040]器件級聯(lián)結(jié)構(gòu)一般由多個全控型器件(如IGBT，GT0等)以及與其反并聯(lián)二極管組成，