模塊化并聯(lián)組合式全橋直流變換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種模塊化并聯(lián)組合式全橋直流變換器，其特征在于：它包括多個(gè)逆變模塊和與逆變模塊一一對應(yīng)的多個(gè)整流濾波模塊；多個(gè)逆變模塊的輸入端分別電連接于輸入母線；多個(gè)逆變模塊的輸出端分別連接于變壓器的原邊；多個(gè)整流濾波模塊的輸入端分別連接于變壓器的副邊；多個(gè)整流濾波模塊的輸出端分別連接于輸出母線。本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種模塊化并聯(lián)組合式全橋直流變換器，實(shí)現(xiàn)直流變換器的模塊化設(shè)計(jì)和容量的靈活擴(kuò)展，提高了裝置的供電可靠性和冗余性。
【專利說明】
模塊化并聯(lián)組合式全橋直流變換器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于電力電子電能變換技術(shù)，具體涉及一種模塊化并聯(lián)組合式全橋直流變換器?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]大容量直流變換裝置廣泛應(yīng)用于艦船綜合電力、高速電氣鐵路、城市軌道交通和交直流混合微網(wǎng)等領(lǐng)域。受到現(xiàn)有全控型電力電子器件功率等級的限制，大容量直流變換器在系統(tǒng)容量擴(kuò)展方面面臨一定的發(fā)展瓶頸。為了突破開關(guān)管功率等級對裝置容量的限制，一種常用的方法是將多個(gè)開關(guān)管并聯(lián)使用，使多個(gè)開關(guān)管平均分擔(dān)電流。在確定系統(tǒng)功率等級的情況下，通過運(yùn)用并聯(lián)擴(kuò)容技術(shù)，可以降低對電力電子器件功率等級的要求。
[0003]可靠性和冗余性對變換器是十分重要的特性，尤其是在軍事應(yīng)用中，可靠性和冗余性直接影響了設(shè)備的戰(zhàn)斗力和生命力。開關(guān)管并聯(lián)擴(kuò)容方案中，單個(gè)開關(guān)管故障后系統(tǒng)不易實(shí)現(xiàn)對故障的快速切除與隔離，因?yàn)椴⒙?lián)的一組開關(guān)管在變換器起到不可替代的作用，不可能對并聯(lián)的一組開關(guān)管全部切除。單個(gè)開關(guān)管故障可能影響整個(gè)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。
[0004]在開關(guān)管并聯(lián)擴(kuò)容方案中，隨著開關(guān)管并聯(lián)數(shù)目增多，控制器需要有許多路驅(qū)動(dòng)信號或者需要為每一組并聯(lián)的開關(guān)管選配多路驅(qū)動(dòng)器。隨著驅(qū)動(dòng)線路的增多，裝備的故障率會相應(yīng)提高，裝備的維護(hù)難度會增加、維護(hù)周期會增加。如果要改變裝備的容量，系統(tǒng)的控制器和驅(qū)動(dòng)線路就需要重新設(shè)計(jì)，裝備的靈活性和可擴(kuò)展性受到影響。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種模塊化并聯(lián)組合式全橋直流變換器，實(shí)現(xiàn)直流變換器的模塊化設(shè)計(jì)和容量的靈活擴(kuò)展，提高了裝置的供電可靠性和冗余性。
[0006]本發(fā)明提供了一種模塊化并聯(lián)組合式全橋直流變換器，其特征在于:它包括多個(gè)逆變模塊和與逆變模塊一一對應(yīng)的多個(gè)整流濾波模塊;多個(gè)逆變模塊的輸入端分別電連接于輸入母線；多個(gè)逆變模塊的輸出端分別連接于變壓器的原邊;多個(gè)整流濾波模塊的輸入端分別連接于變壓器的副邊;多個(gè)整流濾波模塊的輸出端分別連接于輸出母線。
[0007]本發(fā)明還包括中央控制器;每個(gè)逆變模塊與其對應(yīng)的整流濾波配合配合形成一組變換單元，每個(gè)變換單元電連接有一個(gè)底層控制器;底層控制器與中央控制器通過通信光纖電連接；中央控制器和多個(gè)底層控制器之間通過高速環(huán)形通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互;各個(gè)底層控制器采集本組變換單元中逆變模塊和整流濾波模塊的電壓、電流和溫度，并將其通過通信光纖上傳給中央控制器，中央控制器完成閉環(huán)控制算法并將計(jì)算結(jié)果通過通信光纖分發(fā)給各個(gè)底層控制器。
[0008]所述變壓器的原邊連接于原邊中間交流母線；多個(gè)逆變模塊的輸出端分別連接于原邊中間交流母線;變壓器的副邊連接于副邊中間交流母線；多個(gè)整流濾波模塊的輸入端分別連接于副邊中間交流母線。
[0009]所述變壓器包括多相且與多個(gè)逆變模塊和整流濾波模塊一一對應(yīng);每個(gè)逆變模塊的輸入端分別連接于其對應(yīng)的變壓器原邊;每個(gè)整流濾波模塊的輸出端分別連接于其對應(yīng)的變壓器副邊。
[0010]所述中央控制器包括一個(gè)電壓外環(huán)控制器和一個(gè)電流內(nèi)環(huán)控制器;電壓外環(huán)控制器的反饋量是所有整流濾波模塊輸出電壓的平均值，電流內(nèi)環(huán)控制器的反饋量是所有整流濾波模塊電感電流之和。
[0011] 所述中央控制器包括一個(gè)電壓外環(huán)控制器和多個(gè)分別與變換單兀對應(yīng)的電流內(nèi)環(huán)控制器；電壓外環(huán)控制器的反饋量是所有整流濾波模塊輸出電壓的平均值，電壓外環(huán)控制器的輸出值作為內(nèi)環(huán)電流給定值平均分配到每個(gè)電流內(nèi)環(huán)控制器上;每個(gè)電流內(nèi)環(huán)控制器的反饋量是其對應(yīng)的整流濾波模塊電感電流。
[0012]所述逆變模塊采用兩電平H橋逆變模塊或三電平H橋逆變模塊。
[0013]本發(fā)明采用模塊化并聯(lián)組合方式靈活擴(kuò)展裝置的容量，提高大容量直流變換器的模塊化程度與標(biāo)準(zhǔn)化水平，縮短裝置的設(shè)計(jì)周期，降低裝置的設(shè)計(jì)成本。降低裝置的維護(hù)難度，提高裝置的可靠性。逆變模塊和整流濾波模塊都是集成的變換模塊，多種傳感器集成在模塊內(nèi)部，模塊的集成化程度和可靠性高，各個(gè)模塊具有統(tǒng)一的機(jī)械接口與電氣接口，機(jī)械上可以實(shí)現(xiàn)快速組裝，電氣上可以實(shí)現(xiàn)快速連接。本發(fā)明的變壓器既可以采用單相高頻隔離變壓器，也可以采用N相高頻隔離變壓器，從總體上降低裝置的體積，提高裝置功率密度， 提高隔離變壓器設(shè)計(jì)的靈活性。本發(fā)明采用分布式控制技術(shù)，相較于傳統(tǒng)的集中式控制技術(shù)，提高了系統(tǒng)的靈活性，可以快速構(gòu)建不同功率等級的裝置，每次系統(tǒng)擴(kuò)容時(shí)不需要重新設(shè)計(jì)控制器，只需要增加并聯(lián)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)即可，通過組裝標(biāo)準(zhǔn)模塊可以快速提高系統(tǒng)功率等級。本發(fā)明采用共同移相角控制策略，可以將多個(gè)子模塊作為一個(gè)整體來控制，提高裝置的整體動(dòng)態(tài)性能，簡化了控制策略。同時(shí)單個(gè)電壓外環(huán)、多個(gè)電流內(nèi)環(huán)的分立移相角控制技術(shù)既可以提高裝置的整體動(dòng)態(tài)性能，還可以獨(dú)立控制每個(gè)子模塊承擔(dān)的電流，實(shí)現(xiàn)裝置內(nèi)部的負(fù)載電流均衡分布。【附圖說明】
[0014]圖1基于高速環(huán)網(wǎng)通信的分布式控制器結(jié)構(gòu)圖
[0015]圖2是采用單相隔離變壓器的模塊化并聯(lián)組合式全橋直流變換器
[0016]圖3是采用N相隔離變壓器的模塊化并聯(lián)組合式全橋直流變換器
[0017]圖4是兩電平H橋基本逆變模塊主電路結(jié)構(gòu) [〇〇18]圖5是三電平H橋基本逆變模塊主電路結(jié)構(gòu) [0019 ]圖6基本整流濾波模塊模塊主電路結(jié)構(gòu)【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，便于清楚地了解本發(fā)明，但它們不對本發(fā)明構(gòu)成限定。
[0021]本發(fā)明提供了一種模塊化并聯(lián)組合式全橋直流變換器，其特征在于:它包括多個(gè)逆變模塊和與逆變模塊一一對應(yīng)的多個(gè)整流濾波模塊。逆變模塊主電路包括:防反二極管、輸入濾波電容、兩電平或三電平電平H橋、輸出限流電感等。整流濾波模塊主電路包括:二極管整流橋、輸出濾波電感、輸出濾波電容等。多個(gè)逆變模塊的輸入端分別電連接于輸入母線；多個(gè)逆變模塊的輸出端分別連接于變壓器的原邊;多個(gè)整流濾波模塊的輸入端分別連接于變壓器的副邊；多個(gè)整流濾波模塊的輸出端分別連接于輸出母線。本發(fā)明中的組合式全橋直流變換器不通過開關(guān)管并聯(lián)來擴(kuò)展系統(tǒng)容量，而是通過擴(kuò)展并聯(lián)的逆變模塊數(shù)量和并聯(lián)的整流模塊數(shù)量來擴(kuò)展系統(tǒng)容量。
[0022]本發(fā)明還包括中央控制器;本發(fā)明的控制系統(tǒng)采用分布式控制結(jié)構(gòu)，如圖1所示。 每個(gè)逆變模塊與其對應(yīng)的整流濾波配合配合形成一組變換單元，各個(gè)變換單元具有統(tǒng)一的機(jī)械接口與電氣接口，機(jī)械上可以實(shí)現(xiàn)快速組裝，電氣上可以實(shí)現(xiàn)快速連接。通過這種技術(shù)解決了并聯(lián)組網(wǎng)系統(tǒng)擴(kuò)容繁瑣的問題，在系統(tǒng)需要擴(kuò)充功率等級時(shí)只需增加并聯(lián)變換單元的個(gè)數(shù)即可實(shí)現(xiàn)，智能構(gòu)建不同功率等級，不同復(fù)雜程度的低成本、高性能、高可靠性的電能變換裝置。每個(gè)逆變模塊中集成了電壓、電流、溫度傳感器和開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路，每個(gè)整流濾波模塊中集成了電壓、電流、溫度傳感器。
[0023]每個(gè)變換單元電連接有一個(gè)底層控制器;底層控制器可以發(fā)出驅(qū)動(dòng)脈沖驅(qū)動(dòng)逆變模塊中的開關(guān)管，同時(shí)可以采樣逆變模塊和整流濾波模塊的電壓、電流和溫度信號。底層控制器集成有高速環(huán)網(wǎng)通信接口并通過其與中央控制器實(shí)現(xiàn)通信光纖電連接。中央控制器和多個(gè)底層控制器之間通過高速環(huán)形通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互。中央控制器具有高速環(huán)網(wǎng)通信接口。中央控制器定時(shí)從底層控制器中收集變換器的狀態(tài)信息，并按照預(yù)先設(shè)定的控制規(guī)律計(jì)算變換器的控制輸入量。每一組逆變模塊和整流濾波模塊配備的底層控制器具有高速環(huán)網(wǎng)通信接口，中央控制器和底層控制器通信接口依次連接構(gòu)成一個(gè)環(huán)形通信網(wǎng)絡(luò)。中央控制器作為環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中的主節(jié)點(diǎn)，完成對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度與控制；底層控制器是環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中的子節(jié)點(diǎn)，服從主節(jié)點(diǎn)的調(diào)度與控制。中央控制器通過環(huán)形網(wǎng)絡(luò)收集底層控制器的信息， 并通過環(huán)形網(wǎng)絡(luò)將控制量和控制指令發(fā)送給底層控制器。在每個(gè)開關(guān)周期，各個(gè)底層控制器采集本組變換單元中逆變模塊和整流濾波模塊的電壓、電流和溫度等數(shù)據(jù)，并將其通過光纖環(huán)網(wǎng)上傳給中央控制器，中央控制器完成閉環(huán)控制算法并將計(jì)算結(jié)果通過光纖環(huán)網(wǎng)通分發(fā)給各個(gè)底層控制器。不論是采用共同移相角控制策略，還是采用單電壓外環(huán)、多電流內(nèi)環(huán)的分立移相角控制策略，這種分布式控制結(jié)構(gòu)都能適用。
[0024]如圖2所示，所述變壓器的原邊連接于原邊中間交流母線；多個(gè)逆變模塊的輸出端分別連接于原邊中間交流母線;變壓器的副邊連接于副邊中間交流母線；多個(gè)整流濾波模塊的輸入端分別連接于副邊中間交流母線。N個(gè)逆變模塊并聯(lián)后與單相隔離變壓器連接，N 個(gè)逆變模塊共用一臺高頻隔離變壓器。N個(gè)整流濾波模塊并聯(lián)后與隔離變壓器的副邊連接。 逆變模塊和整流濾波模塊都設(shè)計(jì)成標(biāo)準(zhǔn)模塊，逆變模塊內(nèi)部集成了電壓、電流和溫度傳感器，集成了開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路。整流濾波模塊內(nèi)部集成了電壓、電流和溫度傳感器.一個(gè)逆變模塊和一個(gè)整流濾波模塊組成一個(gè)變換單元，每一個(gè)變換單元配置一個(gè)底層控制器，底層控制器完成對應(yīng)的變換單元的采樣、驅(qū)動(dòng)與保護(hù)功能。在系統(tǒng)需要擴(kuò)充容量時(shí)，只需要成對地增加逆變模塊和整流濾波模塊的數(shù)量即可，縮短了設(shè)計(jì)周期、降低了設(shè)計(jì)成本。
[0025]采用N相隔離變壓器的模塊化并聯(lián)組合式全橋直流變換器如圖3所示，所述變壓器包括多相且與多個(gè)逆變模塊和整流濾波模塊對應(yīng);每個(gè)逆變模塊的輸入端分別連接于其對應(yīng)的變壓器原邊;每個(gè)整流濾波模塊的輸出端分別連接于其對應(yīng)的變壓器副邊。采用N相隔離變壓器可以取消中間公共交流母線，N個(gè)逆變模塊分別連接到隔離變壓器的原邊每一相，N個(gè)整流濾波模塊分別連接到隔離變壓器的副邊每一相。采用N相隔離變壓器使逆變模塊的輸出端不用連接在一起，各個(gè)逆變模塊可以采用獨(dú)立的移相角控制。
[0026]無論變換器采用單相隔離變壓器或者采用N相隔離變壓器，裝置都可以采用共同移相角控制技術(shù)。所述中央控制器包括一個(gè)電壓外環(huán)控制器和一個(gè)電流內(nèi)環(huán)控制器；電壓外環(huán)控制器的反饋量是所有整流濾波模塊輸出電壓的平均值，電流內(nèi)環(huán)控制器的反饋量是所有整流濾波模塊電感電流之和。中央控制器將模塊化并聯(lián)的子模塊作為一個(gè)系統(tǒng)整體來看待，中央控制器將采集的所有整流濾波模塊輸出電流值相加作為總的輸出電流反饋，將采集的輸出電壓信號平均值作為總的輸出電壓反饋。電壓外環(huán)控制器和電流內(nèi)環(huán)控制器根據(jù)總電流反饋和總電壓反饋計(jì)算控制輸入量。電流內(nèi)環(huán)控制器的輸出作為整個(gè)裝置所有逆變模塊的共同移相角。
[0027]對于變換器采用N相隔離變壓器時(shí)，裝置可以采用單個(gè)電壓外環(huán)、多個(gè)電流內(nèi)環(huán)的分立移相角控制技術(shù)。所述中央控制器包括一個(gè)電壓外環(huán)控制器和多個(gè)分別與變換單元一一對應(yīng)的電流內(nèi)環(huán)控制器;電壓外環(huán)控制器的反饋量是所有整流濾波模塊輸出電壓的平均值，電壓外環(huán)控制器的輸出值作為內(nèi)環(huán)電流給定值平均分配到每個(gè)電流內(nèi)環(huán)控制器上;每個(gè)電流內(nèi)環(huán)控制器的反饋量是其對應(yīng)的整流濾波模塊電感電流。在中央控制器中為每一組逆變模塊和整流濾波模塊配置一個(gè)電流內(nèi)環(huán)控制器，裝置整體使用一個(gè)電壓外環(huán)控制器。 電壓外環(huán)控制器的輸出作為電流內(nèi)環(huán)的給定，將電流給定平均分配到每一個(gè)電流內(nèi)環(huán)控制器上，每一個(gè)整流濾波模塊的輸出電流作為本模塊所對應(yīng)的電流內(nèi)環(huán)控制器的電流反饋。 單個(gè)電壓外環(huán)、多個(gè)電流內(nèi)環(huán)的分立移相角控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)子模塊均分負(fù)載電流。
[0028]所述逆變模塊采用兩電平H橋逆變模塊或三電平H橋逆變模塊。兩電平H橋基本逆變模塊主電路結(jié)構(gòu)如圖4所示，兩電平H橋逆變模塊開關(guān)管數(shù)目較少，電路結(jié)構(gòu)簡單。兩電平 H橋逆變模塊可以作為一種逆變模塊參與模塊化并聯(lián)組合，可以采用移相控制策略控制逆變模塊輸出電壓。H橋逆變模塊內(nèi)部還集成有電壓、電流和溫度傳感器。[〇〇29]三電平H橋基本逆變模塊主電路結(jié)構(gòu)如圖5所示，三電平H橋逆變模塊采用二極管箝位型結(jié)構(gòu)，可以應(yīng)用在電壓較高的條件下。三電平H橋逆變模塊可以作為一種逆變模塊參與模塊化并聯(lián)組合，可以采用移相控制策略控制逆變模塊輸出電壓。H橋逆變模塊內(nèi)部還集成有電壓、電流和溫度傳感器。
[0030]基本整流濾波模塊模塊主電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。整流濾波模塊采用二極管不控整流，采用LC濾波電路。整流濾波模塊內(nèi)部集成有電壓、電流和溫度傳感器，底層控制器可以直接采集其所對應(yīng)的整流濾波模塊內(nèi)部的狀態(tài)信息。
[0031]本說明書未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種模塊化并聯(lián)組合式全橋直流變換器，其特征在于:它包括多個(gè)逆變模塊和與逆 變模塊一一對應(yīng)的多個(gè)整流濾波模塊;多個(gè)逆變模塊的輸入端分別電連接于輸入母線；多 個(gè)逆變模塊的輸出端分別連接于變壓器的原邊;多個(gè)整流濾波模塊的輸入端分別連接于變 壓器的副邊;多個(gè)整流濾波模塊的輸出端分別連接于輸出母線。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊化并聯(lián)組合式全橋直流變換器，其特征在于還包括中央 控制器;每個(gè)逆變模塊與其對應(yīng)的整流濾波配合配合形成一組變換單元，每個(gè)變換單元電 連接有一個(gè)底層控制器;底層控制器與中央控制器通過通信光纖電連接；中央控制器和多 個(gè)底層控制器之間通過高速環(huán)形通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互;各個(gè)底層控制器采集本組變換單 元中逆變模塊和整流濾波模塊的電壓、電流和溫度，并將其通過通信光纖上傳給中央控制 器，中央控制器完成閉環(huán)控制算法并將計(jì)算結(jié)果通過通信光纖分發(fā)給各個(gè)底層控制器。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的模塊化并聯(lián)組合式全橋直流變換器，其特征在于變壓器的原 邊連接于原邊中間交流母線；多個(gè)逆變模塊的輸出端分別連接于原邊中間交流母線;變壓 器的副邊連接于副邊中間交流母線；多個(gè)整流濾波模塊的輸入端分別連接于副邊中間交流 母線。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的模塊化并聯(lián)組合式全橋直流變換器，其特征在于所述變壓器 包括多相且與多個(gè)逆變模塊和整流濾波模塊 對應(yīng);每個(gè)逆變模塊的輸入端分別連接于 其對應(yīng)的變壓器原邊;每個(gè)整流濾波模塊的輸出端分別連接于其對應(yīng)的變壓器副邊。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的模塊化并聯(lián)組合式全橋直流變換器，其特征在于中央控制器 包括一個(gè)電壓外環(huán)控制器和一個(gè)電流內(nèi)環(huán)控制器;電壓外環(huán)控制器的反饋量是所有整流濾 波模塊輸出電壓的平均值，電流內(nèi)環(huán)控制器的反饋量是所有整流濾波模塊電感電流之和。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的模塊化并聯(lián)組合式全橋直流變換器，其特征在于中央控制器 包括一個(gè)電壓外環(huán)控制器和多個(gè)分別與變換單元 對應(yīng)的電流內(nèi)環(huán)控制器;電壓外環(huán)控 制器的反饋量是所有整流濾波模塊輸出電壓的平均值，電壓外環(huán)控制器的輸出值作為內(nèi)環(huán) 電流給定值平均分配到每個(gè)電流內(nèi)環(huán)控制器上;每個(gè)電流內(nèi)環(huán)控制器的反饋量是其對應(yīng)的 整流濾波模塊電感電流。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊化并聯(lián)組合式全橋直流變換器，其特征在于逆變模塊采 用兩電平H橋逆變模塊或三電平H橋逆變模塊。
【文檔編號】H02M3/335GK105978342SQ201610392031
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月3日
【發(fā)明人】肖飛, 劉計(jì)龍, 范學(xué)鑫, 王瑞田, 李超然, 楊國潤, 陳偉
【申請人】中國人民解放軍海軍工程大學(xué)