一种光伏直流升压变压器拓扑结构及其控制方法

1.本发明属于直流变压器领域，具体涉及一种光伏直流升压变压器拓扑结构及其控制方法。


背景技术：

2.随着能源危机、全球气候变暖以及环境污染等问题的日益严重，光伏发电在全世界得到了越来越多的关注。直流输电和配电技术也正在迅速发展，直流变压器可以实现不同电压等级的直流输配电网互联，提高直流输配电灵活性，但在实际应用中存在开关器件电流电压应力过大等问题。
3.多电平电路能够显著降低开关器件的电压应力，比如三电平电路中，开关器件的电压应力只有输入电压的一半，因此，将全桥变换器的左桥臂更换为三电平桥臂，右桥臂保持为两电平桥臂，形成复合式全桥三电平变换器，可以降低三电平桥臂的电压应力，然而这种复合式全桥三电平变换器中开关器件的电流应力并没有被减小，可靠性不高，整体直流变压器的成本较高、损耗大。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种光伏直流升压变压器拓扑结构及其控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
6.一种光伏直流升压变压器拓扑结构，所述拓扑结构由三电平半桥模块、两电平半桥、变压器漏感l、变压器t和全桥整流模块构成；
7.所述三电平半桥模块并联后构成低压直流端，全桥整流模块输出串联后构成高压直流端口。
8.优选地，所述三电平半桥模块、变压器漏感l的数量均为k，k＝1，2，...，n。
9.优选地，所述三电平半桥模块的桥臂中点与变压器漏感l连接变压器t原边绕组的上端。
10.优选地，所述变压器t原边绕组的数量与三电平半桥模块、变压器漏感l的数量相同。
11.优选地，所述变压器t原边绕组的下端连接两电平半桥桥臂的中点，变压器t副边绕组1连接全桥整流模块1的输入端口，变压器t副边绕组2连接全桥整流模块2的输入端口。
12.优选地，所述全桥整流模块包括全桥整流模块1和全桥整流模块2。
13.优选地，所述全桥整流模块1的输出构成高压直流端口1，全桥整流模块2的输出构成高压直流端口2，高压直流端口1和高压直流端口2进行串联输出。
14.优选地，所述光伏直流升压变压器采用单极性pwm调制方式，通过调制波与高频单极性三角载波进行比较，输出的脉冲序列控制三电平半桥模块，实现三电平模块的高频通断。
15.优选地，所述两电平半桥桥臂进行低频通断控制。
16.一种光伏直流升压变压器拓扑结构的控制方法，所述控制方法有两种，第一种控制方法如下：
17.在每个正半周期开始时刻，通过增加三电平半桥模块中的第一开关管s
k1
与第二开关管s
k2
开通时间，负半周期同理，使输出电流平稳上升至平台阶段，随后再通过单极性pwm调制方式实现三电平模块的高频通断，使输出电流围绕平台电流上下波动，降低器件的电流应力，在每个正半周期即将结束时，通过提前关断三电平半桥模块中的第一开关管s
k1
与第二开关管s
k2
，负半周期同理，使得输出电流快速将为零，实现两电平桥臂的zcs关断；
18.在三电平半桥模块中的第一开关管s
k1
与第二开关管s
k2
同时开通，第三开关管s
k3
与第四开关管s
k4
同时开通，第三开关管s
k3
滞后第一开关管s
k1
半个低频开关周期开通；
19.在每个低频正半周期中，第五开关管s5与三电平半桥模块中的第三开关管s
k3
和第四开关管s
k4
始终保持关闭状态，第六开关管s6的驱动信号始终为高电平，三电平半桥模块中的第一开关管s
k1
与第二开关管s
k2
的驱动信号为高频脉冲信号，三电平半桥模块的第一开关管s
k1
与第二开关管s
k2
开通时，逆变桥输出电压等于直流输入电压，电感电流线性增大，三电平半桥模块的第一开关管s
k1
与第二开关管s
k2
关断时，逆变桥输出电压等于零，电感电流线性减小；
20.在每个低频负半周期中，第六开关管s6与三电平半桥模块中的第一开关管s
k1
和第二开关管s
k2
始终保持关闭状态，第五开关管s5的驱动信号始终为高电平，三电平半桥模块中的第三开关管s
k3
与第四开关管s
k4
的驱动信号为高频脉冲信号，三电平半桥模块中的第三开关管s
k3
与第四开关管s
k4
开通时，逆变桥输出电压等于负的直流输入电压，电感电流沿负方向线性增大，三电平半桥模块中的第三开关管s
k3
与第四开关管s
k4
关断时，逆变桥输出电压为零，电感电流沿负方向线性减小；
21.第二种控制方法如下：
22.在每个正半周期开始时刻，通过增加三电平半桥模块中的第一开关管s
k1
的开通时间，负半周期同理，使输出电流平稳上升至平台阶段，随后再通过单极性pwm调制方式实现三电平模块中第一开关管s
k1
的高频通断，使输出电流围绕平台电流上下波动，降低器件的电流应力，在每个正半周期即将结束时，通过提前关断三电平半桥模块中的第一开关管s
k1
，负半周期同理，使得输出电流快速将为零，实现两电平桥臂的zcs关断；
23.在每个低频正半周期中，第五开关管s5与三电平半桥模块中的第三开关管s
k3
和第四开关管s
k4
始终保持关闭状态，第六开关管s6与三电平半桥模块中的第二开关管s
k2
的驱动信号始终为高电平，三电平半桥模块中的第一开关管s
k1
的驱动信号为高频脉冲信号，三电平半桥模块的第一开关管s
k1
开通时，逆变桥输出电压等于直流输入电压，电感电流线性增大，三电平半桥模块的第一开关管s
k1
关断时，逆变桥输出电压等于直流输入电压的一半，电感电流线性减小；
24.在每个低频负半周期中，第六开关管s6与三电平半桥模块中的第一开关管s
k1
和第二开关管s
k2
始终保持关闭状态，第五开关管s5与三电平半桥模块中的第三开关管s
k3
的驱动信号始终为高电平，三电平半桥模块中的第四开关管s
k4
的驱动信号为高频脉冲信号，三电平半桥模块中的第四开关管s
k4
开通时，逆变桥输出电压等于负的直流输入电压，电感电流沿负方向线性增大，三电平半桥模块中的第四开关管s
k4
关断时，逆变桥输出电压为负的直
流输入电压的一半，电感电流沿负方向线性减小。
25.本发明的有益效果：
26.1、本发明通过多个三电平半桥模块输入并联，可以有效降低开关器件的电压应力以及电流应力；
27.2、本发明中采用的两种控制方式均可实现两电平桥臂的zcs开通和关断，同时也能降低器件的电流应力，提高了直流变压器的可靠性，降低直流变压器的成本和损耗，此外，本发明中采用的第二种控制方式仅有一个开关管工作在高频开关状态，开关损耗进一步减小，变换器效率得到提升。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，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。
29.图1是本发明中拓扑结构的示意图；
30.图2是本发明中三电平半桥模块的原理示意图；
31.图3和图4是本发明中光伏直流升压变压器基本工作波形示意图。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
33.请参阅图1所示，一种光伏直流升压变压器拓扑结构，拓扑结构由多组三电平半桥模块、两电平半桥、变压器漏感l、变压器t和两组全桥整流模块构成，低压直流端由n个三电平半桥模块k并联后构成，全桥整流模块1和全桥整流模块2输出串联后，构成高压直流端口。
34.三电平半桥模块k(k＝1,2,...,n)并联在低压输入端口，三电平半桥模块k的桥臂中点与变压器漏感lk连接变压器t原边绕组k的上端。
35.变压器t原边绕组k(k＝1,2,
…
,n)的下端连接两电平半桥桥臂的中点，变压器t副边绕组1连接全桥整流模块1的输入端口，变压器t副边绕组2连接全桥整流模块2的输入端口。
36.全桥整流模块1的输出构成高压直流端口1，全桥整流模块2的输出构成高压直流端口2，两个高压端口进行串联输出。
37.请参阅图2所示的三电平半桥模块的原理示意图，一种光伏直流升压变压器拓扑结构有两种控制方法，第一种控制方法如下：
38.光伏直流升压变压器采用单极性pwm调制方式，通过调制波与高频单极性三角载波进行比较，输出的脉冲序列用于控制三电平半桥模块k(k＝1,2,...,n)，实现三电平模块的高频通断；两电平桥臂进行低频通断控制，从而实现高频pwm调制的逆变器输出低频的电压和电流。基于此控制方式，在每个正半周期开始时刻，通过增加三电平半桥模块中的第一
开关管s
k1
与第二开关管s
k2
开通时间(负半周期同理)，使输出电流平稳上升至平台阶段，随后再通过单极性pwm调制方式实现三电平模块的高频通断，使输出电流围绕平台电流上下波动，从而降低器件的电流应力；在每个正半周期即将结束时，通过提前关断三电平半桥模块中的第一开关管s
k1
与第二开关管s
k2
(负半周期同理)，使得输出电流快速将为零，从而实现两电平桥臂的zcs关断。
39.在所述三电平半桥模块中的第一开关管s
k1
与第二开关管s
k2
同时开通；第三开关管s
k3
与第四开关管s
k4
同时开通，第三开关管s
k3
滞后第一开关管s
k1
半个低频开关周期开通。
40.在每个低频正半周期中，第五开关管s5与三电平半桥模块中的第三开关管s
k3
和第四开关管s
k4
始终保持关闭状态，第六开关管s6的驱动信号始终为高电平，三电平半桥模块中的第一开关管s
k1
与第二开关管s
k2
的驱动信号为高频脉冲信号。三电平半桥模块的第一开关管s
k1
与第二开关管s
k2
开通时，逆变桥输出电压等于直流输入电压，电感电流线性增大；三电平半桥模块的第一开关管s
k1
与第二开关管s
k2
关断时，逆变桥输出电压等于零，电感电流线性减小。
41.在每个低频负半周期中，第六开关管s6与三电平半桥模块中的第一开关管s
k1
和第二开关管s
k2
始终保持关闭状态，第五开关管s5的驱动信号始终为高电平，三电平半桥模块中的第三开关管s
k3
与第四开关管s
k4
的驱动信号为高频脉冲信号。三电平半桥模块中的第三开关管s
k3
与第四开关管s
k4
开通时，逆变桥输出电压等于负的直流输入电压，电感电流沿负方向线性增大；三电平半桥模块中的第三开关管s
k3
与第四开关管s
k4
关断时，逆变桥输出电压为零，电感电流沿负方向线性减小。
42.第二种控制方法如下：
43.在每个正半周期开始时刻，通过增加三电平半桥模块中的第一开关管s
k1
的开通时间，负半周期同理，使输出电流平稳上升至平台阶段，随后再通过单极性pwm调制方式实现三电平模块中第一开关管s
k1
的高频通断，使输出电流围绕平台电流上下波动，降低器件的电流应力，在每个正半周期即将结束时，通过提前关断三电平半桥模块中的第一开关管s
k1
，负半周期同理，使得输出电流快速将为零，实现两电平桥臂的zcs关断；
44.在每个低频正半周期中，第五开关管s5与三电平半桥模块中的第三开关管s
k3
和第四开关管s
k4
始终保持关闭状态，第六开关管s6与三电平半桥模块中的第二开关管s
k2
的驱动信号始终为高电平，三电平半桥模块中的第一开关管s
k1
的驱动信号为高频脉冲信号，三电平半桥模块的第一开关管s
k1
开通时，逆变桥输出电压等于直流输入电压，电感电流线性增大，三电平半桥模块的第一开关管s
k1
关断时，逆变桥输出电压等于直流输入电压的一半，电感电流线性减小；
45.在每个低频负半周期中，第六开关管s6与三电平半桥模块中的第一开关管s
k1
和第二开关管s
k2
始终保持关闭状态，第五开关管s5与三电平半桥模块中的第三开关管s
k3
的驱动信号始终为高电平，三电平半桥模块中的第四开关管s
k4
的驱动信号为高频脉冲信号，三电平半桥模块中的第四开关管s
k4
开通时，逆变桥输出电压等于负的直流输入电压，电感电流沿负方向线性增大，三电平半桥模块中的第四开关管s
k4
关断时，逆变桥输出电压为负的直流输入电压的一半，电感电流沿负方向线性减小。
46.请参阅图3所示，图3为拓扑结构在第一种控制方式下的基本工作波形，工作时序如下：
47.1)、在t
0-t1时间段，三电平半桥模块中第一开关管s
k1
与第二开关管s
k2
保持导通，逆变桥输出电压为正，电感电流i
lk
从零开始平稳增加，并在t1时刻增加至平台电流值；
48.2)、在t
1-t2时刻，开关管s6始终处于导通状态，而三电平半桥模块中第一开关管s
k1
与第二开关管s
k2
在高频驱动信号下处于高频通、断状态。当开关管s
k1
与第二开关管s
k2
导通时，逆变桥输出电压等于输入电压，正方向的电感电流增加；开关管s
k1
与第二开关管s
k2
关断时，逆变桥输出电压等于零，正方向的电感电流减小，电感电流在平台电流值附近波动；
49.3)、在t
2-t3时刻，三电平半桥模块中第一开关管s
k1
与第二开关管s
k2
关断，电感电流开始减小，并在t3时刻降为零。
50.4)、在t4时刻，两电平半桥中下桥臂开关管s6关断，经过死区时间后上桥臂开关管s5导通，逆变桥输出电压反向，负半周期开始，工作状态与正半周期类似。
51.请参阅图4所示，图4为拓扑结构在第二种控制方式下的基本工作波形，工作时序如下：
52.1)、在t
0-t1时间段，三电平半桥模块中第一开关管s
k1
与第二开关管s
k2
保持导通，逆变桥输出电压等于直流输入电压，电感电流i
lk
从零开始平稳增加，并在t1时刻增加至平台电流值；
53.2)、在t
1-t2时刻，开关管s6与三电平半桥模块中第二开关管s
k2
始终处于导通状态，而三电平半桥模块中第一开关管s
k1
在高频驱动信号下处于高频通、断状态。当开关管s
k1
导通时，逆变桥输出电压等于输入电压，正方向的电感电流增加；开关管s
k1
关断时，逆变桥输出电压等于输入电压的一半，正方向的电感电流减小，电感电流在平台电流值附近波动；
54.3)、在t
2-t3时刻，三电平半桥模块中第一开关管s
k1
，电感电流开始减小，并在t3时刻降为零。
55.4)、在t4时刻，两电平半桥中下桥臂开关管s6与三电平半桥模块中第二开关管s
k2
关断，经过死区时间后上桥臂开关管s5导通，逆变桥输出电压反向，负半周期开始，工作状态与正半周期类似。
56.通过上述工作过程可以看出，本发明采用的两种控制方式一方面可使输出电流快速上升至平台值，进而降低器件的电流应力；另一方面可以实现两电平桥臂的zcs开通和关断，进而降低开关损耗。此外，本发明采用的第二种控制方式仅有一个开关管工作在高频开关状态，可进一步降低开关损耗，提高变换器的效率。本发明通过三电平半桥模块输入并联，可以有效降低开关器件的电压应力以及电流应力，进而降低成本，提高直流变压器的可靠性。
57.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点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表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
58.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。