一种直流固态变压器及其控制方法与流程

本发明属于电力电子应用的技术领域，涉及直流电网及固态变压器，尤其涉及一种直流固态变压器及其控制方法。

背景技术：

随着经济的高速发展，化石燃料日渐衰竭，使得新能源的应用得到快速发展。大部分的新能源，如光伏、燃料电池等，所发出的电能为直流电能，同时直流发输配电作为当今电力技术革新的重要方向，使得直流输电、直流配电网以及微网等领域逐渐进入大家研究的视野，可以预测直流电网是未来的发展趋势。

传统的电力变压器作为电力系统的基本设备，无法实现直流电压变换。近年来，随着电力电子技术的快速发展，固态变压器作为一种新型的变压器受到了广泛关注。固态变压器除了具有体积小的优点，还能完成电能质量管理以及新能源接入等任务，更能在直流电网中作为电压变换以及能量管理的关键设备，因而成为目前的研究热点，而其研究重点则在于减小体积以及提高效率，因此有必要提出一种体积小的直流固态变压器以及能提高工作效率的控制方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种直流固态变压器及其控制方法，该新型拓扑及其控制方法可满足小体积以及高效率的技术需求。

本发明采用的技术方案是：

一种直流固态变压器，包括滤波电感、多个半桥子模块和多个dc-dc隔离型变换器，所述多个半桥子模块级联后的直流输入端正极串联所述滤波电感后与中压直流电网的正极连接，所述多个半桥子模块级联后的直流输入端负极与中压直流电网的负极连接，所述多个dc-dc隔离型变换器的直流输出侧并联后形成直流输出端口，直流输出端口与低压直流电网或负载连接，所述每个dc-dc隔离型变换器的直流输入侧形成直流输入端口，每个直流输入端口各与一个半桥子模块的直流输出端连接。

所述dc-dc隔离型变换器包括逆变器、lc串联谐振环节、中频变压器、整流器和第一电容，所述逆变器的直流侧与半桥子模块的直流输出端连接，所述逆变器的交流侧串联所述lc串联谐振环节后连接所述中频变压器的原边，所述整流器的交流侧连接所述中频变压器的副边，所述整流器的直流侧并联所述第一电容，所述整流器的直流侧连接低压直流电网或负载。

所述逆变器和所述整流器均包括四个含反并联二极管的全控型开关，四个含反并联二极管的全控型开关连接成全桥结构；lc串联谐振环节包括谐振电感和谐振电容，成串联形式连接。

所述半桥子模块包括一个半桥桥臂和第二电容，所述半桥桥臂由上下两个含反并联二极管的全控型开关串联组成，所述半桥桥臂的上管的集电极与第二电容的正极相连，下管的发射极与第二电容的负极连接，所述半桥桥臂的中点与桥臂下管的发射极作为半桥子模块的直流输入端，所述第二电容的正负极作为半桥子模块的直流输出端。

所述直流固态变压器的控制方法包括功率控制和电压控制。

所述功率控制或电压控制均通过调节运行半桥子模块的工作占空比来实现，运行dc-dc隔离型变换器中的全控型开关以恒定50％占空比工作。在所有半桥子模块中，除运行半桥子模块外，其余半桥子模块处于热备用状态，即恒处于下管开通，上管关断状态。在所有dc-dc隔离型变换器中，除运行dc-dc隔离型变换器外，其余dc-dc隔离型变换器处于热备用状态，即恒处于所有全控型开关关断状态。运行半桥子模块个数应小于或等于总半桥子模块个数，运行dc-dc隔离型变换器个数应小于或等于总dc-dc隔离型变换器个数。

运行半桥子模块个数计算方法如下：

所述半桥子模块运行个数n通过计算能满足中压直流电网电压耐压的最少半桥子模块个数n1，并给一定裕度δn，以及计算能满足所述直流固态变压器实际运行功率的最少半桥子模块个数n2，取n1和n2中两者的较大值决定：

式中，n1为能满足中压直流电网电压耐压的最少半桥子模块个数，δn为裕度，n2为能满足所述直流固态变压器实际运行功率的最少半桥子模块个数，uhdc为中压直流电网电压，udcmin为所述半桥子模块最低工作电压，po为所述直流固态变压器实际运行功率，pdcn为所述半桥子模块额定功率，n为所述半桥子模块运行个数，max()指取最大值，ceil()指取大于或等于指定表达式的最小整数。

dc-dc隔离型变换器运行个数等于半桥子模块运行个数，当半桥子模块处于运行状态，运行半桥子模块的直流输出端连接的dc-dc隔离型变换器也应处于运行状态。

本发明的有益效果如下：

本发明提出了一种直流固态变压器及其控制方法，其直流固态变压器具有体积小的特点，有利于减小直流固态变压器的占用面积，其控制方法可以根据实际工作条件决定半桥子模块以及dc-dc隔离型变换器的运行个数，不需要全部半桥子模块以及全部dc-dc隔离型变换器投入工作，非运行半桥子模块以及非运行dc-dc隔离型变换器可处于热备用状态，有利于延长部件寿命以及减小损耗，提高整体效率。

附图说明

图1为本发明直流固态变压器的整体电路结构示意图。

图2为本发明直流固态变压器的半桥子模块结构示意图。

图3为本发明直流固态变压器的dc-dc隔离型变换器结构示意图。

图4为本发明直流固态变压器的半桥子模块运行个数计算器框图。

图5为本发明直流固态变压器处于正常运行情况下的状态示意图。

图6为本发明直流固态变压器功率控制的一种控制框图。

图7为本发明直流固态变压器电压控制的一种控制框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

如图1所示，一种直流固态变压器，其特征在于，包括滤波电感100、多个半桥子模块200和多个dc-dc隔离型变换器300，多个半桥子模块200级联后的直流输入端正极串联滤波电感100后与中压直流电网的正极连接，多个半桥子模块200级联后的直流输入端负极与中压直流电网的负极连接，多个dc-dc隔离型变换器300的直流输出侧并联后形成直流输出端口，直流输出端口与低压直流电网或负载连接，每个dc-dc隔离型变换器300的直流输入侧形成直流输入端口，每个直流输入端口与一个半桥子模块200的直流输出端连接，dc-dc隔离型变换器300与半桥子模块200一一对应。

如图2所示，在本实施例中，半桥子模块200包括一个半桥桥臂和第二电容210，半桥桥臂由上下两个含反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管串联组成，半桥桥臂的上管的集电极与下管的发射极分别与第二电容210的正负极连接，半桥桥臂的中点与桥臂下管的发射极作为半桥子模块200的直流输入端，第二电容210的正负极作为半桥子模块200的直流输出端。

在本实施例中，每个半桥子模块有三个不同的开关状态，分别为投入、切除和闭锁状态。投入状态是指上桥绝缘栅双极型晶体管开通，下桥绝缘栅双极型晶体管关断，电流总是通过半桥的上管流通，半桥子模块输出电压可以认为等于第二电容电压；切除状态是指上桥绝缘栅双极型晶体管关断，下管开通，电流总是通过半桥的下管流通，半桥子模块输出电压可以认为等于0；闭锁状态是指上、下桥臂绝缘栅双极型晶体管同时关断，这种情形主要在系统启动、故障以及开关死区阶段出现。

在本实施例中，半桥子模块可分为两类，分别为运行半桥子模块和热备用半桥子模块。运行半桥子模块是指上下桥臂绝缘栅双极型晶体管的开关状态以设定的开关频率切换的半桥子模块。正常运行情况下，只有运行半桥子模块在投入和切除两种状态之间以设定的开关频率切换，其上下两个桥臂做互补导通。热备用半桥子模块是指除运行半桥子模块外的其余半桥子模块。热备用半桥子模块在正常运行时，若直流固态变压器的工作条件不发生变化，则恒处于上桥绝缘栅双极型晶体管关断，下桥臂开通状态，即恒处于切除状态。运行半桥子模块与热备用半桥子模块的根本区别在于，运行半桥子模块中的绝缘栅双极型晶体管需要以设定的开关频率工作，而热备用半桥子模块在直流固态变压器工作条件不变的情况下，恒处于切除状态，即半桥子模块中的绝缘栅双极型晶体管不进行开关动作。半桥子模块运行个数根据半桥子模块运行个数计算方法决定，总半桥子模块个数应大于或等于运行半桥子模块个数，运行半桥子模块个数应大于或等于处于投入状态的半桥子模块个数。总半桥子模块个数能满足最严苛的工作条件提出的技术要求，但直流固态变压器不一定恒处于最严苛的工作条件，因此在工作条件允许的情况下，可将部分半桥子模块设为热备用半桥子模块，减小开关器件的开关损耗，提高整机工作效率。

通过运行半桥子模块开关状态的切换，直流固态变压器可以决定处于投入状态的半桥子模块个数，实现对运行半桥子模块输出电压的控制，以满足运行半桥子模块耐压以及直流固态变压器运行功率提出的技术要求。

如图3所示，dc-dc隔离型变换器300包括逆变器310、lc串联谐振环节320、中频变压器330、整流器340和第一电容350。逆变器310的直流侧与半桥子模块200的直流输出端连接，逆变器310的交流侧串联lc串联谐振环节320后连接中频变压器330的原边，整流器340的交流侧连接中频变压器330的副边，整流器340的直流侧并联第一电容370，整流器340的直流侧连接低压直流电网或负载。

在本实施例中，逆变器和整流器均包括四个含反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管，四个含反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管连接成全桥结构。全桥结构是一种模块化的结构，便于集成、生产和管理。

在本实施例中，lc谐振环节包括谐振电感350和谐振电容360，成串联形式连接。lc谐振环节与逆变器、中频变压器和整流器构成串联谐振变换器，有利于提高工作效率，减小dc-dc隔离型变换器体积。

在本实施例中，dc-dc隔离型变换器的运行状态和dc-dc隔离型变换器的直流输入端连接的半桥子模块的运行状态相同。当半桥子模块处于运行状态，半桥子模块直流输出端连接的dc-dc隔离型变换器也处于运行状态，即dc-dc隔离型变换器中的逆变器和整流器中的反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管以设定的开关频率工作。当半桥子模块处于热备用状态，半桥子模块直流输出端连接的所述dc-dc隔离型变换器也处于热备用状态，即dc-dc隔离型变换器中的逆变器和整流器中的反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管均关断。

如图4所示，半桥子模块运行个数n由中压直流电网电压uhdc和直流固态变压器的实际运行功率po决定。具体过程为，

实时测量中压直流电网的电压，由于半桥子模块存在一定的工作电压范围，半桥子模块需要级联才能承受中压直流电网的高电压，考虑半桥子模块处于最低工作电压，实时计算能承受中压直流电网电压的最少半桥子模块个数，由于电网电压可能突变，给计算结果一定裕度：

式中，n1为能满足中压直流电网电压耐压的最少半桥子模块个数，δn为裕度，裕度取1或2，uhdc为中压直流电网电压，udcmin为半桥子模块最低工作电压，ceil()指取大于或等于指定表达式的最小整数。

实时读取直流固态变压器的运行功率，由于半桥子模块存在额定功率，实时计算能满足直流固态变压器运行功率的最少半桥子模块个数，由于电力系统功率一般不考虑突变，不考虑裕度：

式中，n2为能满足直流固态变压器实际运行功率的最少半桥子模块个数，，po为直流固态变压器实际运行功率，pdcn为半桥子模块额定功率，ceil()指取大于或等于指定表达式的最小整数。

为了同时满足电压以及功率需求，取以上两个计算结果的最大值：

n＝max(n1,n2)

n为半桥子模块运行个数，max()指取最大值。

dc-dc隔离型变换器运行个数等于半桥子模块运行个数，当半桥子模块处于运行状态，运行半桥子模块的直流输出端连接的dc-dc隔离型变换器也应处于运行状态。

应注意，总半桥子模块个数及总dc-dc隔离型变换器个数应分别大于或等于半桥子模块运行个数及dc-dc隔离型变换器运行个数。

如图5所示，在本实施例中，直流固态变压器连接中压直流电网和低压直流电网，直流固态变压器处于正常运行的状态，经半桥子模块运行个数计算方法实时计算，当前工作条件下，所需的运行半桥子模块个数n小于总半桥子模块个数n，因此n个半桥子模块处于运行状态，(n-n)个半桥子模块处于热备用状态。直流固态变压器仅对运行半桥子模块的工作占空比进行调节以满足工作需求，即运行半桥子模块处于pwm状态，热备用半桥子模块恒处于切除状态，即下管恒开通，上管恒关断。dc-dc隔离型变换器的工作状态与其连接的半桥子模块的工作状态一致，运行dc-dc隔离型变换器中的开关器件以50％占空比工作，热备用dc-dc隔离型变换器中的开关器件恒关断。

如图6所示，在本实施例中，功率控制包括功率环、总压环、电感电流环和半桥子模块运行个数计算器。直流固态变压器的输出功率指令经功率环、总压环和电感电流环进行pi调节后，结果为应处于投入状态的半桥子模块数k，应处于投入状态的半桥子模块数与半桥子模块运行个数计算器的计算结果相除后，结果作为运行半桥子模块上管的工作占空比，最后经pwm调制得到运行半桥子模块开关器件的控制脉冲信号。

如图7所示，在本实施例中，电压控制包括电压环、总压环、电感电流环和半桥子模块运行个数计算器。直流固态变压器的输出电压指令经电压环、总压环和电感电流环进行pi调节后，结果为应处于投入状态的半桥子模块数k，应处于投入状态的半桥子模块数与半桥子模块运行个数计算器的计算结果相除后，结果作为运行半桥子模块上管的工作占空比，最后经pwm调制得到运行半桥子模块开关器件的控制脉冲信号

以上详细描述了本发明的具体实施方式，但本发明不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。