适用于中压直流系统的隔离式直流变换器及其控制方法与流程

本发明涉及直流变换器，特别是一种适用于中压直流供电系统的高可靠隔离式直流变换器结构及其控制方法。

背景技术：

在全球能源格局转型的形势下，基于直流微网的直流输电及功率分配技术成为有效利用风、光等分布式可再生能源的解决方案，因此不同电压等级直流微网之间的互联环节十分重要；另一方面，传统海洋军事、科研工作以及金属制造工业等有特殊需求的供能场所需要适应性供电装置。以上应用场景具有供电功率大、运行环境差、可维修度低的特点，因此对设备可靠性要求高，需要高电压等级、高精度且具有冗余运行能力的系统设计才能满足要求。

在大功率高电压的应用场合，用模块化组合式变换器可有效解决单个功率器件的耐压及容量问题，可以实现系统的冗余供电，大大提高系统的可靠性，并方便实现系统容量的扩展。通过将多个标准化dc/dc变换器模块的输入和输出分别串联或并联，就可以根据所需的电压等级形成多模块串并联组合变换器系统。

移相全桥直流变换器具有电压应力较低，适用于高电压输入场合，易实现软开关等优点，因此以其作为功率模块的基础拓扑，通过在移相全桥直流变换器的拓扑上增加开关投切电路，可以使得以该拓扑作为基本模块的输入串联输出并联模块化组合式变换器在外部故障时能快速从故障处切除，故障消失后也也能快速投入运行，在模块内部故障时，也可以实现灵活投切和冗余运行，可靠性高。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种适用于中压直流供电系统的隔离式直流变换器及其控制方法，精确控制输出电能。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种适用于中压直流系统的隔离式直流变换器，包括多个级联的投切隔离功率模块；所述投切隔离功率模块包括投切电路；所述投切电路与高频逆变电路连接；所述高频逆变电路通过高频隔离变压器与高频整流电路连接。

所述投切电路包括投切开关si、防短路二极管di及输出稳压电容cvi；所述投切开关si与输出稳压电容cvi并联；所述输出稳压电容cvi与防短路二极管di串联。

所述高频逆变电路为全桥结构。

相应的，本发明还提供了一种上述适用于中压直流系统的隔离式直流变换器的控制方法，该方法主要实现过程为：将各模块输入电容电压vcdi与输入电压平均值vinave相减，差值经输入均压控制器输出高频逆变电路的占空比信号修正因子；将输出电压vo与基准值voref相减，差值送入输出电压控制器，得到高频逆变电路的占空比信号，再叠加前述占空比信号修正因子，抵消均压控制与输出电压控制之间的耦合系数；最后通过pwm波调制生成vi1～vi4的驱动信号，控制输入的均压和输出电压的稳定。

所述占空比修正因子δdn的表达式为：其中d为各模块稳态占空比，δvcdi为第i个投切隔离功率模块输入电压变化量，vcdi为第i个投切隔离功率输入电压，δdi为第i个投切隔离功率占空比变化量,δvcdn为第n个投切隔离功率的输入电压变化量；n为投切隔离功率模块的数量。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

1)投切电路可以使系统具备快速故障切除的能力，当变换器发生外部故障时可以快速从故障处切除，发生功率模块内部故障时可以快速切除该故障模块，切除后不影响变换器的输出，系统具备一定冗余运行能力，功率投切器件与投切开关的并联使用使得投切过程快速安全；

2)通过对输入和输出电压的闭环控制，可以输出稳定的直流电压，通过引入占空比控制量修正因子，实现动态过程中输入均压闭环和输出电压闭环的分别控制，输入均压控制器和输出电压控制器可以分别设计其参数，简化了控制器的设计，改善了变换器的动态控制性能，输出电能质量较高；

3)所述变换器以模块化组合式变换器为基础，大幅降低了开关器件的应力，提高了系统的功率密度，单个模块设计和系统热设计更简单，单个模块设计完成后系统组合使用简便，同时也有利于系统扩容；通过控制可以使系统冗余运行，故障切除功能使一同具有一定的容错性，整体可靠性较高，使用寿命较长，应用上具有很大优势。

附图说明

图1为适用于中压直流供电系统的高可靠隔离式直流变换器拓扑结构图；

图2为适用于中压直流供电系统的高可靠隔离式直流变换器控制框图

图3为隔离式直流变换器模块故障切除及故障消失后投入流程图。

具体实施方式

参见图1～图3。

本发明的适用于中压直流供电系统的高可靠隔离式直流变换器结构，将dc10kv转换为dc+375v，实现不同电压等级直流母线互联或供给负载使用。

高可靠隔离式直流变换器输入端串联输入电感l1与18个投切隔离功率模块的输入端，形成dc10kv输入，各投切隔离功率模块将dc625v转换为dc+375v，各模块输出端并联形成变换器dc+375v输出端。

本实施例中，所述一种适用于中压直流供电系统的高可靠隔离式直流变换器结构及其控制方法具备以下明显优势：

1)系统具有10％～20％的冗余运行能力，可靠性高，当某模块出现故障时仍可以继续运行并正常输出电能，不会整机停运；

2)当系统发生外部故障即输入侧直流母线故障时可以通过控制各模块投切功率器件si(投切开关)开通(合上)并闭锁输入逆变环节vi1～vi4开关管脉冲将变换器从故障处切除，保护器件；发生模块内部故障时可以仅将故障模块投切功率器件si(投切开关)开通(合上)并闭锁输入逆变环节vi1～vi4开关管脉冲，由于输出端是各模块并联，故障模块切除后仍可以正常输出；由于di的防短路作用，cvi的电压得到保持，故障消失后可以重新快速投入，无需再对cvi充电，缩短了充电时间和暂态过程。

3)变换器系统采用一种基于占空比修正因子的新型多层控制方法，在双闭环控制的基础上引入修正因子，其控制策略步骤为将各模块输入电容电压vcdi与输入电压平均值vinave作差送入输入均压控制器，得到高频逆变电路的占空比信号修正因子；将输出电压vo与基准值voref作差送入输出电压控制器，得到高频逆变电路的占空比信号，再叠加前述占空比信号修正因子，最后通过pwm波调制生成vi1～vi4的驱动信号，控制输入的均压和输出电压的稳定。

本实施例中，当发生模块内部故障时要切除时除了开通该模块投切功率器件si、合上该模块投切开关并闭锁故障模块的vi1～vi4开关管脉冲之外，还需要将正常运行的模块数减1，作为信号送入控制器进行计算，当故障消除需要投入该模块时，除关断该模块投切功率器件si、打开该模块投切开关并开通该模块的vi1～vi4开关管脉冲之外，还需要将正常运行的单元数加1，作为信号送入控制器进行计算。

适用于该变换器的新型控制方法具体设计及占空比控制量修正算法如下：

如图1所示，忽略投切电路，由于功率模块为移相全桥变换器，其输入输出关系为：

式中k为变压器的原副边匝比，di(i＝1,2,…,18.)为各模块的有效占空比。系统稳态时有d1＝d2＝…＝d18，vcd1＝vcd2＝…＝vcd18＝vin/18＝vinave，其中vinave为输入电压平均值；输入电压不平衡时，第i个输入均压控制器产生的占空比变化量为δdi，即对平均电压、电压变化量及占空比变化量作如下规定(n＝18)：

vcdi＝vinave+δvcdi(3)

di＝d+δdi(4)

对式(1)各式求和可得

将式(3)(4)代入(5)可得

展开得

定义输入影响因子为

当m＝0时，输入电压变化量对输出电压无影响，由此可得占空比修正因子为：

因此，当δdn满足式(9)时，可满足m＝0，由式(7)可得此时输入电压变化量和占空比变化量对输出电压无影响，即输入均压环节的扰动和调节对输出电压的稳定性没有影响。因此根据式(9)引入占空比修正因子进行补偿，可以实现输入均压控制器和输出电压控制器参数的分别设计，互不影响。由此可得到本变换器的控制方案，控制框图如图2所示。

18个模块只需要17个均压环和一个共用的输出电压环。对于前17个模块，输出电压控制器的输出信号d与输入均压调节器的输出信号δdi相减后与三角波交截，通过pwm调制产生第i个模块的输入逆变环节开关管脉冲信号。d与相加后与三角波交截，通过pwm调制产生第18模块的输入逆变环节开关管脉冲信号。

图2所示的控制框图中，δdn满足式(9)，因此可以保证输入影响算子m＝0，即说明输入均压闭环不影响输出电压闭环的调节，即实现了输入均压闭环和输出电压闭环的分立控制。因此，输入均压闭环和输出电压闭环可分离为18个单输入单输出闭环，其中17个均压环、1个输出电压环，每个闭环之间相互独立互不影响，大大简化了18个闭环补偿网络的设计和优化。

图3为适用于该直流变换器模块故障切除及故障消失后投入流程图。当投切隔离功率模块i发生故障时，关闭该模块的高频逆变电路的vi1～vi4驱动脉冲，并开通该模块投切电路的si，且合上该模块投切开关，即可快速将故障单元切除，再调整正常运行模块数目及输入均压控制器的输入量，从而使电源装置能调节到正常输入电压水平。当故障消除后，开启该模块的高频逆变电路的vi1～vi4驱动脉冲，并关断该模块投切电路的si，且打开该模块投切开关，同时调整正常运行模块数目及输入均压控制器的输入量，即可快速投入该模块。