一种基于模块化多电平换流器的准零电流开关DC/DC变换器的制作方法

本发明涉及一种直流变换器，具体涉及一种基于模块化多电平换流器的准零电流开关DC/DC变换器。

背景技术：

基于常规直流及柔性直流的直流电网技术为解决大规模可再生能源安全高效远距离输送、大型城市及孤岛供电等问题提供了有效的技术手段。高压大容量DC/DC变换器是构建直流电网系统的核心装备之一，该设备实现各个不同电压等级直流输电线路的联接交互，进而形成大规模的直流系统网络。目前，DC/DC变换器技术的研究主要集中在中小功率中低压电压等级，随着高压直流线路的不断建设以及直流电网需求的日益迫切，高压大容量DC/DC变换器技术亟待突破。

作为直流电网的关键装备之一，DC/DC变换器的主要特点应包括：①实现不同电压等级直流网络的联接；②潮流方向双向可控；③损耗低，运行效率高；④具备故障隔离作用。DC/DC变换器一般分为两类，一类是直接变压，变换器中不存在交流环节；另一类是间接变压，变换器中存在交流环节。通过考察间接变压的DC/DC变换器拓扑，目前具备技术潜力的拓扑结构主要有两种：一种是基于MMC的隔离型DC/DC变换器拓扑，该变换器低压侧和高压侧换流器采用MMC换流器，并经中频变压器连接，但这种设计由于调制策略、拓扑结构等原因导致两边的MMC无法实现软开关，在较高频运行下损耗高；另一种是LCL型DC/DC变换器，该变换器低压侧和高压侧换流器采用两电平全桥变换器，并经LCL电路相连，在高电压场合需采用IGBT直接串联的方式，这种拓扑设计的问题在于交流侧的电压差很大，电感容量较大，且采用方波运行模式会恶化装置的电磁环境。

技术实现要素：

基于目前MMC的隔离型DC/DC变换器损耗高以及所用高压大容量中频隔离变压器制造困难、LCL-DC/DC变换器中LCL电路的电压应力大以及变换器电磁环境差的问题，本发明提出一种基于模块化多电平换流器的准零电流开关DC/DC变换器，该DC/DC变换器利用LCL谐振网络实现了两侧MMC的近似软开关，降低了损耗；通过合理配置两侧MMC的子模块个数及运行模式减少LCL电路的电气应力和电压变化率，改善LCL的电磁环境，提高DC/DC 变换器的可靠性。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种基于模块化多电平换流器的准零电流开关DC/DC变换器，其改进之处在于，所述DC/DC变换器包括低压侧模块化多电平换流器、LCL谐振电路和高压侧模块化多电平换流器；所述低压侧模块化多电平换流器通过LCL谐振电路和高压侧模块化多电平换流器连接。

其中，所述低压侧模块化多电平换流器和高压侧模块化多电平换流器均由两相四桥臂构成，每相的上下两桥臂通过串联电抗器连接，所述上下两桥臂均包括级联的MMC子模块。

其中，所述MMC子模块由直流电容器、两个IGBT芯片、均压电阻和超高速旁路开关组成；所述两个IGBT芯片串联形成IGBT芯片串联支路，所述超高速旁路开关与下管IGBT并联，所述IGBT芯片串联支路、均压电阻和直流电容器并联，下管IGBT集电极引出MMC子模块的正极输出，下管IGBT发射极引出MMC子模块的负极输出。

其中，所述低压侧MMC换流器桥臂子模块数量为低压侧直流电压除以额定子模块电容电压的商取整，高压侧MMC换流器桥臂子模块数量为低压侧MMC桥臂子模块数量的(N+1)/2～N倍，其中，N为DC/DC变换器高压侧与低压侧直流电压的比值。

其中，所述低压侧模块化多电平换流器和高压侧模块化多电平换流器的交流侧均处于高频运行工况，交流频率均达到500Hz～2000Hz。

其中，所述LCL谐振电路包括两个电感和谐振电容，其中一个电感的一端与低压侧模块化多电平换流器的一相连接；另一端与另一个电感的一端连接；另一个电感的另一端与高压侧模块化多电平换流器的一相连接；所述谐振电容的两端分别连接低压侧模块化多电平换流器的另一相和高压侧模块化多电平换流器的另一相。

其中，所述LCL谐振电路中两个电感所需的无功功率由谐振电容提供，保证低压侧模块化多电平换流器和高压侧模块化多电平换流器输出的无功功率为0，以减小低压侧和高压侧模块化多电平换流器的功率损耗，同时实现低压侧和高压侧模块化多电平换流器的交流基波电压和交流基波电流同相位。

其中，所述低压侧模块化多电平换流器和高压侧模块化多电平换流器均工作于梯形波模式，低压侧模块化多电平换流器和高压侧模块化多电平换流器的交流输出电压均为梯形波电压。

其中，所述低压侧模块化多电平换流器和高压侧模块化多电平换流器的交流梯形电压的上升沿和下降沿分别对应于低压侧和高压侧交流基波电流过零区域，进一步减小低压侧和高压侧模块化多电平换流器中功率器件的开关损耗；且梯形波的斜率可控，便于控制LCL谐振 电路所承受的电压变化率。

本发明提供的技术方案具有的优异效果是：

1、本发明提供的变换器两侧采用MMC换流器，通过半桥子模块串联承受高电压，避免了LCL-DC/DC变换器中IGBT器件串联技术，可应用于电压等级高，传输容量大的应用场合，且扩展性强；

2、本发明提供的变换器采用LCL谐振电路连接两MMC换流器，避免了基于MMC的隔离型DC/DC变换器中高压大容量中频隔离变压器的制造限制，并有效实现低压侧和高压侧MMC换流器的零无功功率控制和准零电流开关，减小了DC/DC变换器的损耗。

3、本发明提供的变换器通过配置高压侧MMC子模块个数以及运行模式，可以有效减小LCL电路的电压应力和承受的电压变化率，改善DC/DC变换器的电磁环境，提高了系统可靠性。

附图说明

图1是本发明提供的基于模块化多电平换流器的准零电流开关DC/DC变换器电路图；

图2是本发明提供的模块化多电平换流器子模块结构图；

图3是本发明提供的模块化多电平换流器梯形工作模式图，其中：(a)为低压端MMC交流侧电压与基波电流波形图；(b)为高压端MMC交流侧电压与基波电流波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。

本发明提供一种基于模块化多电平换流器的准零电流DC/DC变换器，如图1所示。所述 变换器包括低压侧模块化多电平换流器、LCL谐振电路和高压侧模块化多电平换流器；所述低压侧模块化多电平换流器通过LCL谐振电路和高压侧模块化多电平换流器连接。所述低压侧模块化多电平换流器和高压侧模块化多电平换流器均由两相四桥臂构成，每相的上下两桥臂通过串联电抗器连接，所述上下两桥臂均包括级联的MMC子模块。

所述MMC子模块如图2所示，包括直流电容器、两个IGBT芯片、两个均压电阻和晶闸管组成；其中，两个IGBT芯片串联形成IGBT芯片串联支路，两个均压电阻串联形成均压电容支路，所述IGBT芯片串联支路、均压电容支路和直流电容器并联，所述晶闸管与IGBT芯片之一并联，其阳极连接直流电容器的负极，阴极连接直流电容器的正极，晶闸管的阴极引出子模块的正极输出，晶闸管的阳极引出子模块的负极输出。

所述低压侧MMC换流器桥臂子模块数量为低压侧直流电压除以额定子模块电容电压的商取整，高压侧MMC换流器桥臂子模块数量为低压侧MMC桥臂子模块数量的(N+1)/2～N倍，其中，N为DC/DC变换器高压侧与低压侧直流电压的比值。

所述低压侧模块化多电平换流器的交流侧输出频率和高压侧模块化多电平换流器的交流侧输出频率均为500～2000Hz。

所述低压侧和高压侧模块化多电平换流器均工作于梯形波模式，所述低压侧和高压侧模块化多电平换流器的交流侧梯形电压错开一定的相位差，如图3(a)、(b)所示。相比于LCL-DC/DC变换器中方波运行模式，梯形波运行模式有效减小LCL谐振网络所承受的电压变化率，改善系统的电磁环境。

所述LCL谐振电路包括两个电感和谐振电容，其中一个电感的一端与低压侧模块化多电平换流器的一相连接；另一端与第二个电感的一端连接；第二个电感的另一端与高压侧模块化多电平换流器的一相连接；谐振电容的两端分别连接低压侧模块化多电平换流器的另一相和高压侧模块化多电平换流器的另一相。

所述LCL谐振网络中电容可提供两个电感所需的感性无功功率，从而实现低压侧和高压侧模块化多电平换流器的零无功功率控制，减少MMC换流器输送无功功率造成的电能损耗，提高DC/DC变换器传输的有功容量。结合两侧MMC梯形波工作模式，两侧MMC换流器的功率开关管在各自交流电流为零附近动作，可实现MMC近似零电流开关。

本发明提供的基于模块化多电平换流器的准零电流开关DC/DC变换器，利用LCL谐振网络实现了两侧MMC的近似软开关，降低了损耗；通过合理配置两侧MMC的子模块个数及运行模式减少LCL电路的电气应力和电压变化率，改善LCL的电磁环境，提高DC/DC变换器的可靠性。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。