一种直流升压变换器及其控制方法

本发明涉及升压变换，特别是涉及一种直流升压变换器及其控制方法。

背景技术：

1、近年来，化石能源枯竭及气候环境变化问题日趋严重，大力发展新能源发电技术以缓解能源消费对化石能源和土地资源的依赖，是可持续发展的必经之路。中国海上风电资源丰富，靠近沿海经济发达省份，就地消纳优势巨大，且海上风电场风能资源存在相对稳定、平均风速高、风能利用小时数多、不需要占用土地资源等优势，使得发展海上风电技术，建设海上风电场将成为大力发展可再生能源的必然选择。

2、现有的在建或投产的经高压直流输电线路并网的海上风电场，其内部主要使用交流能量汇集系统。由发电机发出的电能需依次通过发电机侧变流器、网侧变流器、升压变压器、整流器后进行高压直流输电，并入岸上交流电网，过程中进行的多次变电环节会造成大量能量损耗，使得经济成本较高，也降低了海上风电系统可靠性。

3、与交流能量汇集系统相比，采用直流技术汇集电能通常使用电力电子变换器，相较于交流工频变换器来说，具有体积较小，重量更轻的优势，且简化了电能变换过程，使得直流汇聚方案在设备的体积、质量、系统损耗及建设成本等方面均具有显著优势。dc/dc升压变换器是全直流型风电场的能量汇集和电能送出的重要环节，其电路拓扑、控制策略及动态特性都对风场能量汇集送出效率及质量具有关键影响，因此如何提升变换效率、降低功率管电压等级、提升设备容量、减小设备体积和重量等问题是当前学者研究的主要内容。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种直流升压变换器及其控制方法，能够有效提高变换效率和设备容量，降低功率管电压等级和设备大小。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种直流升压变换器，包括：电容桥臂、功率电感、输入侧二极管以及输出侧二极管；

4、所述输入侧二极管的正极与输入侧高压端连接；所述输出侧二极管的负极与输出侧高压端连接；所述输入侧二极管的负极和所述输出侧二极管的正极均与所述功率电感的一端连接；所述功率电感的另一端与所述电容桥臂的首端连接；所述电容桥臂的末端与公共低压端连接；

5、所述电容桥臂包括n个子模块以及设置在电容桥臂末端的电容cn+1；其中第n个子模块包括第一igbttn1、第二igbttn2、第三igbttn3以及电容cn；n≤n；所述第一igbttn1的集电极与所述电容cn的负极连接；所述第三igbttn3的集电极与所述电容cn的正极连接；所述第一igbttn1的发射极与电容cn+1的负极连接；所述第三igbttn3的发射极与所述电容cn+1的正极连接；所述第二igbttn2的发射极与所述电容cn的负极连接；所述第二igbttn2的集电极与所述电容cn+1的正极连接。

6、可选地，所述直流升压变换器的输入侧与输出侧电气不隔离。

7、可选地，所述直流升压变换器还包括直流断路器；所述直流断路器设置在所述直流升压变换器的输出侧，用于实现高压侧故障隔离。

8、可选地，所述直流升压变换器的冗余设计包括多组电容桥臂，多组电容桥臂中的各igbt和各电容均逐节点并联。

9、可选地，所述电容桥臂中的各igbt独立驱动。

10、一种直流升压变换器的控制方法，应用于所述的直流升压变换器，所述控制方法包括：

11、通过控制电容桥臂中各igbt的开关模态，使得电容桥臂中各电容在串联状态和并联状态之间来回切换，以并联状态从输入侧吸收电能，以串联状态向输出侧送出电能，由功率电感控制电容组充放电的电流，达到直流升压效果；

12、通过调节各igbt的调制信号占空比，实现对输出电压的控制。

13、可选地，所述通过控制电容桥臂中各igbt的开关模态，使得电容桥臂中各电容在串联状态和并联状态之间来回切换，具体包括：

14、当各子模块中的第一igbt和第三igbt开通且第二igbt关断时，电容桥臂中各电容为并联状态，电容桥臂输出电压为单个电容电压；

15、当各子模块中的第一igbt和第三igbt关断且第二igbt开通时，电容桥臂中各电容为串联状态，电容桥臂输出电压为各电容电压之和。

16、可选地，所述通过调节各igbt的调制信号占空比，实现对输出电压的控制，具体包括：

17、通过仿真或理论计算，确定直流升压变换器变比关于占空比单调递增的占空比区间作为工作区间；

18、在工作区间内，将输出电压给定值与输出电压反馈值之差作为pi控制器的输入，pi控制器输出带区间限幅的占空比来实现对输出电压的控制。

19、可选地，所述控制方法还包括：

20、当直流升压变换器输入侧出现短路故障时，实现自隔离功能；

21、当直流升压变换器输出侧出现短路故障时，通过在输出侧加装直流断路器，实现高压侧故障隔离。

22、可选地，所述控制方法还包括：

23、当多组电容桥臂中某一igbt出现故障导致无法开断时，其开关任务由与之并联的其余igbt承担，故障igbt正常开通状态应流通的电流在故障后经其余igbt流通；故障igbt正常关断状态的反并联二极管续流电流经其余igbt的反并联二极管流通。

24、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

25、本发明提供了一种直流升压变换器及其控制方法，该直流升压变换器由输入侧二极管、输出侧二极管、功率电感以及多个子模块组成的电容桥臂构成。本发明提出了一种新型子模块，基于多个子模块中电容的串并联构建一种非隔离型直流升压变换器，所述子模块的igbt具备两种开关模态，可使子模块的电容在串联和并联状态之间来回切换。本发明直流升压变换器具有体积小、重量轻、调制策略简单的优势，能够有效提高变换效率和设备容量，降低功率管电压等级和设备大小。

26、此外，本发明可通过增加串并联的子模块数量来拓展变换器变比，同时，电容桥臂的拓扑结构可减小igbt的电压等级，实现子模块的电容电压自平衡，无需增加额外的控制策略。本发明直流升压变换器可自主隔离输入侧直流短路故障，且通过多组电容桥臂逐节点并联的方式实现冗余设计，提高了直流升压变换器的容错运行能力和工作可靠性。本发明可实现直流大功率大变比变换，在新能源发电厂直流汇集及直流送出领域具有广阔前景。

技术特征：

1.一种直流升压变换器，其特征在于，包括：电容桥臂、功率电感、输入侧二极管以及输出侧二极管；

2.根据权利要求1所述的直流升压变换器，其特征在于，所述直流升压变换器的输入侧与输出侧电气不隔离。

3.根据权利要求1所述的直流升压变换器，其特征在于，还包括直流断路器；所述直流断路器设置在所述直流升压变换器的输出侧，用于实现高压侧故障隔离。

4.根据权利要求1所述的直流升压变换器，其特征在于，所述直流升压变换器的冗余设计包括多组电容桥臂，多组电容桥臂中的各igbt和各电容均逐节点并联。

5.根据权利要求1所述的直流升压变换器，其特征在于，所述电容桥臂中的各igbt独立驱动。

6.一种直流升压变换器的控制方法，其特征在于，应用于权利要求1所述的直流升压变换器，所述控制方法包括：

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述通过控制电容桥臂中各igbt的开关模态，使得电容桥臂中各电容在串联状态和并联状态之间来回切换，具体包括：

8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述通过调节各igbt的调制信号占空比，实现对输出电压的控制，具体包括：

9.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，还包括：

10.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，还包括：

技术总结
本发明公开了一种直流升压变换器及其控制方法，涉及升压变换技术领域。直流升压变换器包括电容桥臂、功率电感、输入侧二极管以及输出侧二极管；电容桥臂包括N个子模块以及电容C<subgt;N+1</subgt;；其中第n个子模块包括第一IGBTT<subgt;n1</subgt;、第二IGBTT<subgt;n2</subgt;、第三IGBTT<subgt;n3</subgt;以及电容C<subgt;n</subgt;；n≤N；第一IGBTT<subgt;n1</subgt;的集电极与电容C<subgt;n</subgt;的负极连接；第三IGBTT<subgt;n3</subgt;的集电极与电容C<subgt;n</subgt;的正极连接；第一IGBTT<subgt;n1</subgt;的发射极与电容C<subgt;n+1</subgt;的负极连接；第三IGBTT<subgt;n3</subgt;的发射极与电容C<subgt;n+1</subgt;的正极连接；第二IGBTT<subgt;n2</subgt;的发射极与电容C<subgt;n</subgt;的负极连接；第二IGBTT<subgt;n2</subgt;的集电极与电容C<subgt;n+1</subgt;的正极连接。本发明能够有效提高升压变换效率和设备容量，降低功率管电压等级和设备大小。

技术研发人员：周荔丹,蒲雯婷,姚钢
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/11