直流变换器及参数计算方法、计算机设备、存储介质与流程

1.本发明涉及直流输电技术领域，特别是涉及一种直流变换器及参数计算方法、计算机设备、存储介质


背景技术：

2.随着直流电网的大力发展，尤其是近年来柔性直流输电的需求日渐增加，已经在全国范围内建设了多条柔性直流输电工程，在此基础上将多条直流输电线路进行组网以优化输电系统的运行必然称为一种发展趋势。此外，现阶段世界各国都在加大对海上风电场的利用，但是将海上风电场直接通过交流汇集电网向陆地中的电网传输，会存在运行的稳定性差和电缆容性电流大的问题，这进一步加大了直流电网的应用度。
3.dc/dc变换器(直流变换器)在直流电网中主要用于实现不同电压等级之间的功率传输，由于直流输电系统的电压等级一般都是高压或特高压，这就要求应用在直流电网中的dc/dc变换器具备高压大容量的特点。
4.为了提高dc/dc变换器的高压大容量性能，现有的做法是采用多个并行的桥臂并联在直流电网的正极与负极(或中性母线)之间，每一个桥臂包括多个串联的功率子模块，每个功率子模块中都包含多个igbt。然而耐高压的igbt的制备成本高，且仅少量的厂家具备其制造能力。


技术实现要素：

5.基于此，本技术提供了一种直流变换器及其参数计算方法、计算机设备、存储介质，以解决现有的直流变换器存在的结构复杂、笨重和成本高的问题。
6.一种直流变换器，包括：
7.串联在直流变换器的第一端口端的高压端和低压端之间的第一电感和第一电容；
8.串联在直流变换器的第二端口端的高压端和低压端之间的第二电感和第二电容；
9.串联在所述第一端口的高压端和第二端口的高压端之间的第一双向可导通模块和第二双向可导通模块；
10.串联在所述第一双向可导通模块与第二双向可导通模块相连的节点和所述第一端口的低压端之间的功率子模块与第三电感；
11.所述第一端口的低压端与所述第二端口的低压端相连。
12.在一些实施例中，所述第一双向可导通模块与第二双向可导通模块的结构相同。
13.在一些实施例中，所述第一双向可导通模块包括第一晶闸管串与第二晶闸管串，所述第一晶闸管串与第二晶闸管串反向并联连接在所述第一端口的正压端和所述第二双向可导通模块之间；
14.所述第二双向可导通模块包括第三晶闸管串与第四晶闸管串，所述第三晶闸管串与第四晶闸管串反向并联连接在所述第一双向可导通模块和所述第二端口的正压端之间；
15.在所述直流变换器由所述第一端口向所述第二端口传输时功率期间，串联连接的
所述第一晶闸管与第三晶闸管交替触发导通；
16.在所述直流变换器由所述第二端口向所述第一端口传输时功率期间，串联连接的所述第二晶闸管与第四晶闸管交替触发导通。
17.在一些实施例中，包括两个或两个以上串联连接的所述功率子模块；
18.各个所述功率子模块中的至少一个功率子模块包括第一全控器件、第二全控器件和子模块电容；
19.所述子模块电容并联在由所述第一全控器件与第二全控器件串联形成的串联支路两端，所述第一全控器件与第二全控器件相连的节点为所述功率子模块的电流输入输出端；
20.通过控制所述第一全控器件与第二全控器件的开关状态，使所述功率子模块进行功率变换。
21.一种如上述任意一项所述的直流变换器的参数计算方法，包括：
22.根据所述第一端口的高压端与低压端之间的第一电压、所述第二端口的高压端与低压端之间的第二电压、所述功率子模块的运行电压、所述功率子模块的冗余比例计算所述直流变换器中的所述功率子模块的数量；
23.根据所述第一电压与第二电压中的较小电压以及所述直流变换器的容量计算所述功率子模块的额定电流；
24.根据所述容量、所述第一电压的额定变化率、所述第一电压以及触发所述第一双向可导通模块和第二双向可导通模块交替导通的触发信号的触发频率计算所述第一电容的容值；
25.根据所述容量、所述第二电压的额定变化率、所述第二电压以及触发所述第一双向可导通模块和第二双向可导通模块交替导通的触发信号的触发频率计算所述第二电容的容值；
26.根据所述第一电容、第二电容以及所述功率子模块之间的储能关系，计算所述功率子模块中电容的容值。
27.在一些实施例中，计算所述功率子模块的数量n、所述功率子模块的额定电流i、所述第一电容的容值c1、所述第二电容的容值c2的计算公式如下：
[0028][0029][0030][0031][0032]
其中，上述公式中的符号“[]”表示取整符号，u1为所述第一电压、u2为所述第二电压，u
m
为所述运行电压、k为所述冗余比例，p为所述容量、f
s
为触发所述第一双向可导通模块和第二双向可导通模块交替导通的触发信号的触发频率，δ1为所述第一电压u1额定变化率，δ2为所述第二电压的额定变化率。
[0033]
在一些实施例中，根据所述第一电容、第二电容以及所述功率子模块之间的储能关系，计算所述功率子模块中电容的容值的步骤包括：
[0034]
根据所述直流变换器的电路结构，分别计算所述第一电容的第一储能值、所述第二电容的第二储能值和所功率子模块中的电容的第三储能值；
[0035]
根据所述第三储能值不小于所述第一储能值，且所述第三储能值不小于所述第二储能值的储能关系，获得所述功率子模块中的电容的容值下限值；
[0036]
将所述下限值与所述模块中的电容容值的预设裕度值相乘，以获得所述功率子模块中的电容的容值。
[0037]
在一些实施例中，在计算所述功率子模块的数量、所述功率子模块的额定电流、所述第一电容的容值、所述第二电容的容值以及所述功率子模块中电容的容值之前，所述参数计算方法还包括：
[0038]
获取所述直流变换器的已知参数，所述已知参数包括所述第一电压、所述第二电压、功率子模块的运行电压、所述功率子模块的冗余比例、所述直流变换器的容量、所述第一电压及第二电压的额定变化率、所述触发频率以及所述预设裕度值。
[0039]
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任意一项所述的参数计算方法的步骤。
[0040]
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任意一项所述的参数计算方法的步骤。
[0041]
本技术提供的直流变换器及其参数计算方法、计算机设备、存储介质，在所述第一端口之间串联第一电感和第一电容，在第二端口之间串联第二电感和第二电容，并在第一端口和第二端口之间设置有用于控制电流流向的第一双向可导通模块与第一双向可导通模块，并将串联的功率变换子模块与第三电感相连在第一双向可导通模块与第一双向可导通模块相连的节点与第一端口的低压端之间，从而构成对称的双向可变换直流变换器，其相比采用由多个功率子模块串联构成的多个桥臂并联形成的直流变换器而言，可明显的降低功率子模块的数量，从而具备轻量和低成本的特点，且其参数计算方法简单。
附图说明
[0042]
为了更清楚地说明本技术实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0043]
图1为依据本技术实施例提供的直流变换器的结构示意图；
[0044]
图2为依据本技术实施例提供的直流变换器中的功率变换子模块示意图；
[0045]
图3为依据本技术实施例中的参数计算方法流程图。
具体实施方式
[0046]
为了便于理解本技术，下面将参照相关附图对本技术进行更全面的描述。附图中给出了本技术的实施例。但是，本技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本技术的公开内容更加透彻全面。
[0047]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本技术。
[0048]
可以理解，本技术所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本技术的范围的情况下，可以将第一电阻称为第二电阻，且类似地，可将第二电阻称为第一电阻。第一电阻和第二电阻两者都是电阻，但其不是同一电阻。
[0049]
可以理解，以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。
[0050]
在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。
[0051]
图1为依据本技术实施例提供的一种直流变换器的拓扑结构示意图。在本实施例中，直流变换器包括第一电容c1、第一电感l1、第二电容c2、第一电感l2、第一双向可导通模块(如图1中的晶闸管串t11、t12)、第二双向可导通模块(如图1中的晶闸管串t21、t22)、功率子模块hb
‑
sm以及第三电感l3。
[0052]
其中，第一电容c1与第一电感l1串联形成第一串联支路，第一串联支路连接在直流变换器第一端口的高压端io11和第一端口的低压端io12之间。第二电容c2与第二电感l2串联形成第二串联支路，第二串联支路连接在直流变换器第二端口的高压端io21和第一端口的低压端io22之间。这里需要声明的是，在本技术中，第一串联支路中不局限于只有第一电容c1与第一电感l1，例如在其它实施例中，第一串联支路中可以包括多个串联的电感和/或多个串联的电容，且电容与电感在第一串联支路中的排序位置不限定。第二串联支路中不局限于只有第二电容c2与第二电感l2，例如在其它实施例中，第二串联支路中可以包括多个串联的电感和/或多个串联的电容，且电容与电感在第二串联支路中的排序位置不限定。第一串联支路的一端与高压端io11相连于节点j1，另一端与低压端io11相连于节点j2。第二串联支路的一端与高压端io21相连于节点j3，另一端与低压端io21相连于节点j4。
[0053]
在本实施例中，上述第一双向可导通模块与第二双向可导通模块串联在高压端io11和高压端io21之间。在一些实施例中，为了便于控制，第一双向可导通模块与第二双向可导通模块的构成相同，二者均由两个晶闸管串反向并联而成。如图1所示，第一双向可导通模块包括第一晶闸管串t11、第二晶闸管串t12，而第二双向可导通模块包括第三晶闸管串t21、第四晶闸管串t22。其中，第一晶闸管串t11与第三晶闸管串t21串联在高压端io11和高压端io11之间，第三晶闸管串t12与第四晶闸管串t22串联在高压端io11和高压端io11之间。具体的，第一晶闸管串t11的阴极与第三晶闸管串t21的阳极相连与节点j5，第一晶闸管串t11的阳极与节点j1相连，第二晶体管串t12的阴极与节点j3相连，第二晶闸管串t12的阳极与第四晶闸管串t22的阴极相连与节点j5，第二晶闸管串t12的阴极与节点j1相连，第四晶体管串t22的阳极与节点j3相连。在其它实施例中，第一双向可导通模块与第二双向可导通模块还可以均由两个其它晶体管串，如igbt串反向并联而成。因此，在本技术中，第一双向可导通模块与第二双向可导通模块的具体结构不做限定，能够实现电流流向控制的晶体
管或二极管都可作为第一双向二可导通模块的构成元器件。此外，在本技术中，晶闸管串、晶体管串、二极管串分别指多个晶闸管串联构成的串、多个晶体管串联构成的串、多个二极管串联构成的串。
[0054]
继续参考图1所示，第一双向可导通模块与第二双向可导通模块相连于节点j5，功率子模块hb
‑
sm和第三电感l3串联形成的第三串联支的一端与节点j5相连，另一端与低压端io12相连于节点j6。在本实施例中，低压端io22与低压端io12属于相同的电气节点，及低压端io22也与节点j6相连。在本技术中，第三串联支路中至少包括一个功率子模块hb
‑
sm和第三电感l3。在本技术实施例中，为了提高直流变换器的容量，在第三串联支路中包括有多个串联的功率子模块hb
‑
sm。
[0055]
在本技术中，直流变换器为双向功率变换器，即直流变换器的可以将功率由第一端口传输至第二端口，也可以将功率由第二端口传输至第一端口。因此，第一端口中的一个可作为直流变换器的输入端口，则另一个作为直流变换器的输出端口。此外，在本技术中，第一端口的高压端是指第一端口有电压输入或输出时，第一端口的电压大小高的一端为高压端，电压大小低的一端为低压端。一般的，端口的低压端接零电位，即第一端口的低压端与第二端口的低压端的大小均为0，则第一端口的高压端的电压大小等于由所述第一端口输入或输出的电压大小，而第二端口的高压端的电压大小等于由所述第二端口输入或输出的电压大小。
[0056]
功率变换子模块hb
‑
sm在本实施例中为如图2所示的半桥结构，其由第一全控器件tm1、第二全控器件tm2和子模块电容cm构成。其中，子模块电容cm并联在由第一全控器件tm1与第二全控器件tm2串联形成的串联支路两端，第一全控器件tm1与第二全控器件tm2连的节点为功率子模块hb
‑
sm的电流输入输出端。具体的，第一全控器件tm1的电流输入端与子模块电容cm的正端相连，第一全控器件tm1的电流输出端与第二全控器件tm2的电流输入端相连与节点j7,第二全控器件tm2的电流输出端与子模块电容cm的负端相连于节点j8。功率子模块hb
‑
sm通过节点j7与j8与直流变换器中的其它节点或端子相连，即节点j7与j8为功率子模块hb
‑
sm的电流输入输出端子。例如在多个串联连接的功率子模块hb
‑
sm中，后一个功率子模块中的节点j7与前一个功率子模块hb
‑
sm中的子模块电容的负端相连，以实现各个功率子模块hb
‑
sm中的子模块电容以串联的方式进行连接。通过在第一全控器件tm1与第二全控器件tm2的控制端施加控制信号，以控制第一全控器件tm1和第二全控器件tm2的开关状态，使功率子模块hb
‑
sm进行功率变换。第一全控器件tm1与第二全控器件tm2均由igbt器件构成。在其它实施例中，功率变换子模块还可以由全桥或其它结构的功率变换模块构成。
[0057]
下面结合上述描述和图1对依据本技术提供的直流变换器的工作过程做进一步解释说明。
[0058]
若第一端口为直流变换器的输入端口，则直流变换器需要将由第一端口传输的能量在各个功率变换子模块中进行变换后再传输至第二端口。用电压来描述这一变换过程就是直流变换器将第一端口的第一电压变换后由第二端口输出与第一电压不同等级的第二电压。这里的第一电压和第二电压都是直流电压。当第一端口为输入端口时，在由第一端口向第二端口传输能量期间，第二晶闸管串t12和第四晶闸管串t22一直处于断开状态，第一晶闸管串t11和第三晶闸管串t21交替触发导通，使得由串联的功率子模块hb
‑
sm构成的功
率变换模块交替的与第一端口、第二端口电连接，即第一双向可导通模块与第二双向可导通模块在由第一端口指向第二端口的方向交替触发导通。在第一晶闸管串t11导通期间，第一端口输入的能量由经第一电容c1和第一电感l1给各个功率子模块hb
‑
sm中的电容充电，第三晶闸管串t21导通期间后再由各个功率子模块hb
‑
sm中的电容由经第二电感l2和第二电容c2放电，以在第二端口输出第二电压，从而实现了由第一电压到第二电压的变换。
[0059]
反之，第二端口为直流变换器的输入端口，则直流变换器需要将由第二端口传输的能量在各个功率变换子模块中进行变换后再传输至第一端口。用电压来描述这一变换过程就是直流变换器将第二端口的第二电压变换后由第一端口输出与第二电压不同等级的第一电压。这里的第一电压和第二电压都是直流电压。当第二端口为输入端口时，在由第二端口向第一端口传输能量期间，第一晶闸管串t11和第三晶闸管串t21一直处于断开状态，第二晶闸管串t12和第四晶闸管串t22交替触发导通，使得由串联的功率子模块hb
‑
sm构成的功率变换模块交替的与第一端口、第二端口电连接，即第一双向可导通模块与第二双向可导通模块在由第二端口指向第一端口的方向交替触发导通。在第四晶闸管串t22导通期间，第二端口输入的能量由经第二电容c1和第二电感l1给各个功率子模块hb
‑
sm中的电容充电，第二晶闸管串t12导通期间后再由各个功率子模块hb
‑
sm中的电容由经第一电感l1和第一电容c1放电，以在第一端口输出第一电压，从而实现了由第二电压到第一电压的变换。
[0060]
依据本技术提供的直流变换器中，在所述第一端口之间串联第一电感和第一电容，在第二端口之间串联第二电感和第二电容，并在第一端口和第二端口之间设置有用于控制电流流向的第一双向可导通模块与第一双向可导通模块，并将串联的功率变换子模块与第三电感相连在第一双向可导通模块与第一双向可导通模块相连的节点与第一端口的低压端之间，从而构成对称的双向可变换直流变换器，其相比采用由多个功率子模块串联构成的多个桥臂并联形成的直流变换器而言，可明显的降低功率子模块的数量，从而具备轻量和低成本的特点。
[0061]
本技术还提供了根据本技术提供的直流变换器的参数计算方法，如图3所示，其为本实施例提供的参数计算方法的方法流程图，需要说明的是在本实施例中限定的各个步骤的先后顺序在其它实施例中可以进行调整，即本技术中以下的各个步骤的先后顺序不做限定，各个步骤可以以并行的方式进行，即各个步骤同时进行，各个步骤也可以串行进行，即各个步骤在不同的时间点完成。当然，在一些实施例中，以下的各个步骤中的几个步骤可以串行的方式进行及、剩余的其它步骤可以串行的方式进行。
[0062]
具体的，如图3所示，依据本技术实施例提供的参数计算方法包括：
[0063]
s1：根据第一端口的高压端与低压端之间的第一电压、第二端口的高压端与低压端之间的第二电压、功率子模块的运行电压、功率子模块的冗余比例计算直流变换器中的功率子模块的数量。
[0064]
在直流变换器的实际制造过程中，第一电压的大小和第二电压的大小在设计需求确定时便已经确定。在本技术中，第一电压的大小是指第一端口端输入或输出的电压的额定值，及该第一端口的电压等级，而第二电压的大小是指第二端口端输入或输出的电压的额定值，及第一端口的电压等级。例如，在本实施例中，需要由第一端口传输能量到第二端口，将进行100kv的输入电压转化成50kv输出电压，则第一电压u1＝100kv，第二电压u2＝50kv。
[0065]
具体的，根据公式(1)计算直流变换器中的功率子模块的数量n，公式(1)如下：
[0066][0067]
这里，公式中的符号“[]”表示取整符号，u1为第一电压、u2为第二电压，u
m
为所述运行电压、k为功率子模块的冗余比例。例如在本实施例中，u1＝100kv，u2＝50kv，um为2kv,k为6％，则根据公式(1)计算出直流变换器中需要串联53个功率子模块。
[0068]
s2：根据第一电压与第二电压中的较小电压以及直流变换器的容量计算功率子模块的额定电流。
[0069]
进一步的，可根据公式(2)计算功率子模块的额定电流i，公式(2)如下：
[0070][0071]
其中，公式(2)中，u1为第一电压、u2为第二电压，p为直流变换器的容量，一般在制造直流变换器之前，其需要的目标容量就已经确定，例如在本实施例中，u1＝100kv，u2＝50kv，p＝100mw，则计算获得的功率子模块的额定电流i＝2ka。
[0072]
s3：根据直流变换器的容量、第一电压的额定变化率、第一电压以及触发第一双向可导通模块和第二双向可导通模块交替导通的触发信号的触发频率计算第一电容的容值。
[0073]
具体的，根据公式(3)计算第一电容c1的容值c1，公式(3)如下：
[0074][0075]
公式(3)中，u1为第一电压、p为直流变换器的容量、f
s
为触发信号的触发频率、δ1为所述第一电压u1额定变化率，例如在本实施例中，u1＝100kv，p＝100mw、δ1＝5％、f
s
＝100hz，则计算获得的c1＝200μf。
[0076]
s4：根据直流变换器的容量、第二电压的额定变化率、第二电压以及触发第一双向可导通模块和第二双向可导通模块交替导通的触发信号的触发频率计算第二电容的容值。
[0077]
具体的，根据公式(4)计算第二电容c2的容值c2，公式(4)如下：
[0078][0079]
公式(4)中，u2为第二电压、p为直流变换器的容量、f
s
为触发信号的触发频率、δ2为所述第二电压u2额定变化率，例如在本实施例中，u2＝50kv，p＝100mw、δ2＝5％、f
s
＝100hz，则计算获得的c2＝800μf。
[0080]
s5:根据第一电容、第二电容以及功率子模块之间的储能关系，计算功率子模块中电容的容值。
[0081]
具体的，根据第一电容、第二电容以及功率子模块之间的储能关系，计算功率子模块中电容的容值的步骤包括：
[0082]
s51：根据直流变换器的电路结构，分别计算第一电容c第一储能值p1、第二电容c2的第二储能值p2和功率子模块中的电容的第三储能值p3。
[0083]
s52：根据第三储能值p3不小于第一储能值p1，且第三储能值p3不小于第二储能值p2的储能关系，获得所述功率子模块中的电容的容值下限值。
[0084]
具体的，第一储能值p1、第一储能值p2和第三储能值p3的计算公式分别如公式
(5)、(6)、(7)所示：
[0085][0086][0087][0088]
公式(5)、(6)、(7)的各个参数表示与上述各个公式中的相同，再此不再累述。在本实施例中，各个已知参数的取值与上述各个实施例中的相同，则根据上述的储能关系，计算功率子模块中的电容的容值c
m
的下限值为10mf。
[0089]
s53：将下限值与模块中的电容容值的预设裕度值相乘，以获得功率子模块中的电容的容值。
[0090]
在本实施例中，预设的裕度值为1.5，则最终计算出的功率子模块中的电容的容值c
m
为15mf。
[0091]
此外，在依据本技术提供的参数计算方法，在执行上述五个步骤之前还包括执行获取所述直流变换器的已知参数的步骤。这里的已知参数包括第一电压、第二电压、功率子模块的运行电压、功率子模块的冗余比例、直流变换器的容量、第一电压及第二电压的额定变化率、触发频率以及预设裕度值，以及在计算完各个参数后，还需要将各个参数进行存储或输出。
[0092]
此外，本技术还提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时实现依据本技术提供的任意一实施例中的参数计算方法的步骤。
[0093]
以及，本技术还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现依据本技术提供的任意一实施例中的参数计算方法的步骤。
[0094]
依据本技术提供的直流变换器中，在所述第一端口之间串联第一电感和第一电容，在第二端口之间串联第二电感和第二电容，并在第一端口和第二端口之间设置有用于控制电流流向的第一双向可导通模块与第一双向可导通模块，并将串联的功率变换子模块与第三电感相连在第一双向可导通模块与第一双向可导通模块相连的节点与第一端口的低压端之间，从而构成对称的双向可变换直流变换器，其相比采用由多个功率子模块串联构成的多个桥臂并联形成的直流变换器而言，可明显的降低功率子模块的数量，从而具备轻量和低成本的特点，且本技术提供的直流变换器的参数计算方法简单。
[0095]
在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。
[0096]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0097]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来
说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。