一种基于电容分压结构的高压直流变压器及其控制方法
【专利说明】
【技术领域】
[0001]本发明属于柔性直流输电及高压直流变换研究领域，特别涉及一种基于电容分压结构的高压直流变压器及其控制方法。
【【背景技术】】
[0002]随着能源危机加剧和环境污染日益严重，我国正大力开发和利用可再生能源等清洁能源技术[I]。然而，随着风能、太阳能等可再生能源利用规模日益扩大，其分布式、间歇性等特点使得采用传统的交流电力系统实现大规模新能源接入面临电力系统调峰、电力系统安全、电能质量等多方面问题。基于交流网的以上问题，发展直流电网技术已成为解决当前大规模可再生能源接入、满足能源需求的重要途径。
[0003]与交流电网相比，直流电网具有输送功率容量大、损耗小、输送距离远、稳定性好等特点，而有广阔的应用前景。受到传统DCDC变换器耐压及容量的限制，目前存在的直流电网中仍然要工频变压器来实现和交流电网相连进行电压变换和联网，直流输电仍然作为交流输电一种辅助功能，没有直接用于用电设备。为了适应将来将高压直流输电直接应用于用电设备，尤其对大规模非并网风力发电等独立电力系统，需要具有和交流隔离变压器功能类似的高电压、大功率DCDC直流变压装置，将高压直流电转换成满足用电设备需求的低压直流电。目前，主要主要研究的方案有以下三种:
[0004](I)器件串联来承压；单个IGBT无法满足非并网风电传输系统中直流电压的范围要求。目前研究较多的是直接将IGBT串联使用，在满足高耐压要求的同时还可以减少整个系统的成本。由于结构的特殊性及触发装置的误差，实际应用中串联器件之间会产生端电压静态和动态不均衡的问题，将导致过电压而大大影响器件的使用寿命和电路的工作效率，损坏设备，造成经济损失。
[0005](2)直流多电平变换器；多电平变换器与两电平变换器相比，具有开关器件电压应力低，输出纹波小等优点，适合应用于高压大功率场合。多电平直流变换器虽能承受更高的输入电压，但随着电平数的增加，电路拓扑变得复杂，使得其检测和控制也变得更加的复杂O
[0006](3)多模块输入串联组合变换器。将多个DC-DC变换器模块输入串联，输出并联，可以得到输入串联输出并联(Input-Series Output-Parallel, I SOP)组合变换器，ISOP组合变换器由于其模块输入均压(可使用低压器件)、输出均功率等优点，适用于输入电压高、输出电压低电流大的应用场合。其缺点也比较明显:随着模块的增加，开关器件的数量也大幅增加，器件损耗增大，造成装置效率不高。
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【发明内容】
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[0007]本发明提供了一种基于电容分压结构的高压直流变压器及其控制方法，采用电容分压降压输出的原理实现DCDC变换，通过控制闭环稳定各个电容电压的方法，实现能量在串联电容间的顺序传递，实现输出稳压的目标。
[0008]本发明采用以下技术方案:
[0009]—种基于电容分压结构的高压直流变压器，包括串联的电容组和辅助电路；所述串联的电容组至少包括一个分压电容C3和一个输出电容C4 ;所述辅助电路包括电感L3，以及开关S3和开关S6，其中，开关S3和电感L3串联后并联在分压电容C3的两端；当开关S3断开时，电感L3通过开关S6并联在输出电容C4的两端；所述输出电容的两端并联DC低压侦牝分压电容Cl和输出电容C4的两端并联DC高压侧。
[0010]该高压直流变压器进一步包括有中央控制器，分压电容C3、电感L3和开关S3构成一级电容控制回路，该电容控制回路包括有PWM稳压控制系统。
[0011]所述中央控制器包括功率方向判别模块和电容电压参考值计算模块，所述功率方向判别模块通过采样高压侧和低压侧的电流和电压值，判断功率流动方向，从而确定电压控制策略，电容电压参考值计算模块根据确定的电压控制策略，计算PWM稳压控制器的给定电压，以此控制电压稳定。
[0012]所述PffM稳压控制系统通过调节对应的两个开关导通的占空比稳定电压。
[0013]每一级的PffM稳压控制系统独立控制。
[0014]所述中央控制器进一步包括有过流、过压、功率保护模块，通过检测高压、低压侧的电流电压，判断是否超过设定阈值，从而输出开关管的保护驱动信号。
[0015]分压电容C3、电感L3、开关S3和开关S6形成一级能量电路，所述的高压直流变压器包括有多级能量电路，多级能量电路之间串联连接，保证:当功率由高压侧流向低压侧时，将最上一级电容的能量逐级搬运到输出电容上；当功率由低压侧流向高压侧时，将最底一级电容的能量逐级搬运到上层电容上。
[0016]—种基于电容分压结构的高压直流变压器的控制方法，包括以下步骤:(1)分别采集高压侧和低压侧的电流和电压，计算功率方向，然而确定选择升压控制或降压控制；
(2)采集功率输入侧的高压，计算独立PffM稳压控制系统的给定电压，PffM稳压控制系统根据给定电压调节对应的两个开关导通的占空比，稳定电压。
[0017]在步骤(2)中，通过采样功率输入侧的电压值，根据变压器的变比，计算每一级电容电压的参考值，发送给各级的PWM稳压控制系统，作为PWM稳压控制系统的给定电压。
[0018]与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果:本发明采用电容分压降压输出的原理实现DCDC变换，通过控制闭环稳定各个电容电压的方法，实现能量在串联电容间的顺序传递，实现输出稳压的目标。
[0019]每一级电容只需两个开关器件配合，结构简单，控制简单；同电压、同功率等级下，与多模块输入串联输出并联组合变换器结构相比开关器件使用数量明显降低，使得开关损耗大大降低，装置效率将大幅提高；由于损耗降低，装置的散热条件和散热器体积将会降低，整体装置体积和重量也可以大大减小。
【【附图说明】】
[0020]图1是本发明的主电路拓扑图；
[0021 ] 图2是本发明控制结构框图；
[0022]图3是本发明中央控制器功能框图；
[0023]图4是本发明主电路拓扑模块化结构图；
[0024]图5是本发明三模块串联结构的低压侧输入电容电压及高压侧电容串联输出电压的仿真波形；
[0025]图6是本发明三模块串联结构中模块的储能电感电流、电感串联开关管电流、及开关器件驱动信号的仿真波形。
【【具体实施方式】】
[0026]下面结合附图对本发明做详细描述:
[0027]图1所示为本发明提供的一种基于电容分压结构的高压直流变压器的主电路拓扑，为了方便叙述，以四个电容串联分压结构为例(实际可以根据直流变比确定串联电容个数)进行说明:
[0028]本发明提供的一种基于电容分压结构的高压直流变压器包括串联的电容组和辅助电路，所述电容组包括分压电容Cl、分压电容C2、分压电容C3，以及输出电容C4 ;所述辅助电路包括电感L1、电感L2、电感L3，以及开关S1、开关S2、开关S3、开关S4、开关S5，以及开关S6。其中，开关SI和电感LI串联后并联在电容Cl的两端，开关S2和电感L2串联后并联在电容C2的两端，开关S3和电感L3串联后并联在电容C3的两端；当开关SI断开时，电感LI通过开关S4并联在分压电容C2的两端；当开关S2断开时，电感L2通过开关S5并联在分压电容C3的两端；当开关S3断开时，电感L3通过开关S6并联在输出电容C4的两端；输出电容的两端并联DC低压侧，串联在一起的分压电容Cl至C4的两端并联DC高压侧。
[0029]实现原理如下所述:
[0030]I)实现降压时，功率由高压侧流向低压侧，通过电容串联，使高压侧电压在串联电容上分压，通过一个或多个电容输出电压从而实现降压DCDC变换。如果仅采用电容分压后直接输出电压，C1、C2、C3、C4的电压分布就会产生变化，由于输出电容C4上接有负载，输出电容C4上的电压将逐渐降为零，而分压电容Cl、C2、C3上的电压会逐渐上升，从而输出电容C4无法实现正常稳压输出。所以需要附加辅助电路来维持各个电容上