一種基于電容分壓結構的高壓直流變壓器及其控制方法
【專利說明】
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于柔性直流輸電及高壓直流變換研究領域，特別涉及一種基于電容分壓結構的高壓直流變壓器及其控制方法。
【【背景技術】】
[0002]隨著能源危機加劇和環(huán)境污染日益嚴重，我國正大力開發(fā)和利用可再生能源等清潔能源技術[I]。然而，隨著風能、太陽能等可再生能源利用規(guī)模日益擴大，其分布式、間歇性等特點使得采用傳統(tǒng)的交流電力系統(tǒng)實現(xiàn)大規(guī)模新能源接入面臨電力系統(tǒng)調峰、電力系統(tǒng)安全、電能質量等多方面問題?；诮涣骶W(wǎng)的以上問題，發(fā)展直流電網(wǎng)技術已成為解決當前大規(guī)?？稍偕茉唇尤搿M足能源需求的重要途徑。
[0003]與交流電網(wǎng)相比，直流電網(wǎng)具有輸送功率容量大、損耗小、輸送距離遠、穩(wěn)定性好等特點，而有廣闊的應用前景。受到傳統(tǒng)DCDC變換器耐壓及容量的限制，目前存在的直流電網(wǎng)中仍然要工頻變壓器來實現(xiàn)和交流電網(wǎng)相連進行電壓變換和聯(lián)網(wǎng)，直流輸電仍然作為交流輸電一種輔助功能，沒有直接用于用電設備。為了適應將來將高壓直流輸電直接應用于用電設備，尤其對大規(guī)模非并網(wǎng)風力發(fā)電等獨立電力系統(tǒng)，需要具有和交流隔離變壓器功能類似的高電壓、大功率DCDC直流變壓裝置，將高壓直流電轉換成滿足用電設備需求的低壓直流電。目前，主要主要研究的方案有以下三種:
[0004](I)器件串聯(lián)來承壓；單個IGBT無法滿足非并網(wǎng)風電傳輸系統(tǒng)中直流電壓的范圍要求。目前研究較多的是直接將IGBT串聯(lián)使用，在滿足高耐壓要求的同時還可以減少整個系統(tǒng)的成本。由于結構的特殊性及觸發(fā)裝置的誤差，實際應用中串聯(lián)器件之間會產(chǎn)生端電壓靜態(tài)和動態(tài)不均衡的問題，將導致過電壓而大大影響器件的使用壽命和電路的工作效率，損壞設備，造成經(jīng)濟損失。
[0005](2)直流多電平變換器；多電平變換器與兩電平變換器相比，具有開關器件電壓應力低，輸出紋波小等優(yōu)點，適合應用于高壓大功率場合。多電平直流變換器雖能承受更高的輸入電壓，但隨著電平數(shù)的增加，電路拓撲變得復雜，使得其檢測和控制也變得更加的復雜O
[0006](3)多模塊輸入串聯(lián)組合變換器。將多個DC-DC變換器模塊輸入串聯(lián)，輸出并聯(lián)，可以得到輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)(Input-Series Output-Parallel, I SOP)組合變換器，ISOP組合變換器由于其模塊輸入均壓(可使用低壓器件)、輸出均功率等優(yōu)點，適用于輸入電壓高、輸出電壓低電流大的應用場合。其缺點也比較明顯:隨著模塊的增加，開關器件的數(shù)量也大幅增加，器件損耗增大，造成裝置效率不高。
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【發(fā)明內容】
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[0007]本發(fā)明提供了一種基于電容分壓結構的高壓直流變壓器及其控制方法，采用電容分壓降壓輸出的原理實現(xiàn)DCDC變換，通過控制閉環(huán)穩(wěn)定各個電容電壓的方法，實現(xiàn)能量在串聯(lián)電容間的順序傳遞，實現(xiàn)輸出穩(wěn)壓的目標。
[0008]本發(fā)明采用以下技術方案:
[0009]—種基于電容分壓結構的高壓直流變壓器，包括串聯(lián)的電容組和輔助電路；所述串聯(lián)的電容組至少包括一個分壓電容C3和一個輸出電容C4 ;所述輔助電路包括電感L3，以及開關S3和開關S6，其中，開關S3和電感L3串聯(lián)后并聯(lián)在分壓電容C3的兩端；當開關S3斷開時，電感L3通過開關S6并聯(lián)在輸出電容C4的兩端；所述輸出電容的兩端并聯(lián)DC低壓偵牝分壓電容Cl和輸出電容C4的兩端并聯(lián)DC高壓側。
[0010]該高壓直流變壓器進一步包括有中央控制器，分壓電容C3、電感L3和開關S3構成一級電容控制回路，該電容控制回路包括有PWM穩(wěn)壓控制系統(tǒng)。
[0011]所述中央控制器包括功率方向判別模塊和電容電壓參考值計算模塊，所述功率方向判別模塊通過采樣高壓側和低壓側的電流和電壓值，判斷功率流動方向，從而確定電壓控制策略，電容電壓參考值計算模塊根據(jù)確定的電壓控制策略，計算PWM穩(wěn)壓控制器的給定電壓，以此控制電壓穩(wěn)定。
[0012]所述PffM穩(wěn)壓控制系統(tǒng)通過調節(jié)對應的兩個開關導通的占空比穩(wěn)定電壓。
[0013]每一級的PffM穩(wěn)壓控制系統(tǒng)獨立控制。
[0014]所述中央控制器進一步包括有過流、過壓、功率保護模塊，通過檢測高壓、低壓側的電流電壓，判斷是否超過設定閾值，從而輸出開關管的保護驅動信號。
[0015]分壓電容C3、電感L3、開關S3和開關S6形成一級能量電路，所述的高壓直流變壓器包括有多級能量電路，多級能量電路之間串聯(lián)連接，保證:當功率由高壓側流向低壓側時，將最上一級電容的能量逐級搬運到輸出電容上；當功率由低壓側流向高壓側時，將最底一級電容的能量逐級搬運到上層電容上。
[0016]—種基于電容分壓結構的高壓直流變壓器的控制方法，包括以下步驟:(1)分別采集高壓側和低壓側的電流和電壓，計算功率方向，然而確定選擇升壓控制或降壓控制；
(2)采集功率輸入側的高壓，計算獨立PffM穩(wěn)壓控制系統(tǒng)的給定電壓，PffM穩(wěn)壓控制系統(tǒng)根據(jù)給定電壓調節(jié)對應的兩個開關導通的占空比，穩(wěn)定電壓。
[0017]在步驟(2)中，通過采樣功率輸入側的電壓值，根據(jù)變壓器的變比，計算每一級電容電壓的參考值，發(fā)送給各級的PWM穩(wěn)壓控制系統(tǒng)，作為PWM穩(wěn)壓控制系統(tǒng)的給定電壓。
[0018]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果:本發(fā)明采用電容分壓降壓輸出的原理實現(xiàn)DCDC變換，通過控制閉環(huán)穩(wěn)定各個電容電壓的方法，實現(xiàn)能量在串聯(lián)電容間的順序傳遞，實現(xiàn)輸出穩(wěn)壓的目標。
[0019]每一級電容只需兩個開關器件配合，結構簡單，控制簡單；同電壓、同功率等級下，與多模塊輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)組合變換器結構相比開關器件使用數(shù)量明顯降低，使得開關損耗大大降低，裝置效率將大幅提高；由于損耗降低，裝置的散熱條件和散熱器體積將會降低，整體裝置體積和重量也可以大大減小。
【【附圖說明】】
[0020]圖1是本發(fā)明的主電路拓撲圖；
[0021 ] 圖2是本發(fā)明控制結構框圖；
[0022]圖3是本發(fā)明中央控制器功能框圖；
[0023]圖4是本發(fā)明主電路拓撲模塊化結構圖；
[0024]圖5是本發(fā)明三模塊串聯(lián)結構的低壓側輸入電容電壓及高壓側電容串聯(lián)輸出電壓的仿真波形；
[0025]圖6是本發(fā)明三模塊串聯(lián)結構中模塊的儲能電感電流、電感串聯(lián)開關管電流、及開關器件驅動信號的仿真波形。
【【具體實施方式】】
[0026]下面結合附圖對本發(fā)明做詳細描述:
[0027]圖1所示為本發(fā)明提供的一種基于電容分壓結構的高壓直流變壓器的主電路拓撲，為了方便敘述，以四個電容串聯(lián)分壓結構為例(實際可以根據(jù)直流變比確定串聯(lián)電容個數(shù))進行說明:
[0028]本發(fā)明提供的一種基于電容分壓結構的高壓直流變壓器包括串聯(lián)的電容組和輔助電路，所述電容組包括分壓電容Cl、分壓電容C2、分壓電容C3，以及輸出電容C4 ;所述輔助電路包括電感L1、電感L2、電感L3，以及開關S1、開關S2、開關S3、開關S4、開關S5，以及開關S6。其中，開關SI和電感LI串聯(lián)后并聯(lián)在電容Cl的兩端，開關S2和電感L2串聯(lián)后并聯(lián)在電容C2的兩端，開關S3和電感L3串聯(lián)后并聯(lián)在電容C3的兩端；當開關SI斷開時，電感LI通過開關S4并聯(lián)在分壓電容C2的兩端；當開關S2斷開時，電感L2通過開關S5并聯(lián)在分壓電容C3的兩端；當開關S3斷開時，電感L3通過開關S6并聯(lián)在輸出電容C4的兩端；輸出電容的兩端并聯(lián)DC低壓側，串聯(lián)在一起的分壓電容Cl至C4的兩端并聯(lián)DC高壓側。
[0029]實現(xiàn)原理如下所述:
[0030]I)實現(xiàn)降壓時，功率由高壓側流向低壓側，通過電容串聯(lián)，使高壓側電壓在串聯(lián)電容上分壓，通過一個或多個電容輸出電壓從而實現(xiàn)降壓DCDC變換。如果僅采用電容分壓后直接輸出電壓，C1、C2、C3、C4的電壓分布就會產(chǎn)生變化，由于輸出電容C4上接有負載，輸出電容C4上的電壓將逐漸降為零，而分壓電容Cl、C2、C3上的電壓會逐漸上升，從而輸出電容C4無法實現(xiàn)正常穩(wěn)壓輸出。所以需要附加輔助電路來維持各個電容上