用于柔性直流输电的DC/DC变换器及其控制方法技术

用于柔性直流输电的DC/DC变换器及其控制方法，属于柔性直流输电领域，解决了现有非隔离型高压DC/DC变换器存在器件应力大、系统损耗大和体积大的问题。变换器：二极管串D1和二极管串D2串联在直流低压侧正极与直流高压侧正极之间，二极管串D3和二极管串D4串联在直流低压侧正、负极之间。开关S1和开关S2分别与二极管串D2和二极管串D4并联。半桥子模块串与电感L串联在二极管串D1和二极管串D2的公共端与二极管串D3和二极管串D4的公共端之间。控制方法：根据直流低压侧与直流高压侧之间的功率传输方向设置开关S1和开关S2的通断状态；控制半桥子模块串的充、放电状态，进而在发生功率传输时，维持能量平衡。

DC/DC converter for flexible HVDC transmission and its control method

DC/DC converters for flexible HVDC transmission and their control methods belong to the field of flexible HVDC transmission, which solves the problems of large device stress, large system loss and large volume existing non-isolated HVDC/DC converters. Converter: Diode series D1 and diode series D2 are connected in series between the positive pole of DC low-voltage side and the positive pole of DC high-voltage side. Diode series D3 and diode series D4 are connected in series between the positive pole and negative pole of DC low-voltage side. The switch S1 and switch S2 are connected in parallel with diode string D2 and diode string D4 respectively. The half bridge module is in series with the inductance L between the common ends of the diode series D1 and the diode series D2 and the common ends of the diode series D3 and the diode series D4. Control method: According to the direction of power transmission between DC low voltage side and DC high voltage side, switch S1 and switch S2 are set in on-off state; charge and discharge state of half bridge module string is controlled, and then energy balance is maintained when power transmission occurs.

【技术实现步骤摘要】
用于柔性直流输电的DC/DC变换器及其控制方法
本专利技术涉及一种DC/DC变换器，属于柔性直流输电领域。
技术介绍
近年来，随着柔性直流输电技术的发展，直流输电工程正在从多端直流输电系统向具有网孔的直流电网转变。正如变压器对于交流电网，DC/DC变换器对于直流电网的发展起着至关重要的作用。目前，中低压应用中存在着大量的DC/DC变换器拓扑，然而，这些拓扑因受到器件应力、损耗、成本、电压变化率和滤波器体积重量等因素的制约而无法扩展到上百千伏、上百兆瓦等级。针对高电压大容量的DC/DC电能变换，近年来出现了很多报导。其中，以“面对面”型模块化多电平DC/DC变换器为代表的隔离型DC/DC变换器最早出现。这类DC/DC变换器具有中间交流环节，功率传输需要经过直流-交流-直流的两级全功率变流环节，进而导致该类DC/DC变换器的元器件数量过多，体积大，功率损耗高，成本高昂。为了解决上述问题，研究人员采用模块化多电平直流换流器使模块化多电平换流器直接输出直流电压，形成单级电路结构的非隔离型DC/DC变换器。该类DC/DC变换器能够省去隔离型DC/DC变换器不可避免的交流变压器。然而，为了维持上、下桥臂子模块电容电压的稳定，该类DC/DC变换器需要注入高幅值的交流电压和环流以实现桥臂间的功率交换，这导致器件应力和损耗均明显增大。除此之外，该类DC/DC变换器的输出侧需要安装极为笨重的滤波装置，这导致该类DC/DC变换器的体积过大。
技术实现思路
本专利技术为解决现有非隔离型高压DC/DC变换器存在器件应力大、系统损耗大和体积大的问题，提出了一种用于柔性直流输电的DC/DC变换器及其控制方法。本专利技术所述的用于柔性直流输电的DC/DC变换器包括二极管串D1～二极管串D4、半桥子模块串、电感L、开关S1和开关S2；二极管串D1～二极管串D4的电路结构均相同，每个二极管串均包括多个正向串联的二极管；半桥子模块串包括半桥子模块SM1～半桥子模块SMN，半桥子模块SM1～半桥子模块SMN的电路结构均相同，对于半桥子模块SM1～半桥子模块SMN，前者的电流输出端依次与后者的电流输入端相连；二极管串D1的阳极同时与直流低压侧正极和二极管串D3的阴极相连，二极管串D1的阴极同时与半桥子模块SM1的电流输入端、二极管串D2的阳极和开关S1的第一端相连，二极管串D2的阴极同时与开关S1的第二端和直流高压侧正极相连；半桥子模块SMN的电流输出端与电感L的第一端相连，电感L的第二端同时与二极管串D3的阳极、二极管串D4的阴极和开关S2的第一端相连，二极管串D4的阳极同时与开关S2的第二端、直流低压侧负极和直流高压侧负极相连；半桥子模块SM1～半桥子模块SMN用于根据各自对应的半桥子模块驱动信号，实现同步充电或放电，进而在直流低压侧与直流高压侧之间发生功率传输时，维持能量平衡。本专利技术所述的用于柔性直流输电的DC/DC变换器的控制方法包括：步骤一、根据直流低压侧与直流高压侧之间的功率传输方向设置开关S1和开关S2的通断状态；步骤二、控制半桥子模块SM1～半桥子模块SMN的充、放电状态，进而在直流低压侧与直流高压侧之间发生功率传输时，维持能量平衡。作为优选的是，步骤一的具体内容为：当功率自直流低压侧向直流高压侧传输时，将开关S1和开关S2分别设置为断开状态和接通状态；当功率自直流高压侧向直流低压侧传输时，将开关S1和开关S2分别设置为接通状态和断开状态。作为优选的是，步骤二包括：步骤二一、采用功率控制的方式生成直流高压侧电流参考信号；步骤二二、采用能量平衡控制的方式调节直流低压侧电流参考信号，以使半桥子模块SM1～半桥子模块SMN的电容电压均值等于电容电压参考均值；步骤二三、将直流高压侧电流参考信号与调节后的直流低压侧电流参考信号进行叠加，并将叠加信号作为半桥子模块串电流参考信号；步骤二四、将半桥子模块串电流参考信号与半桥子模块串实际电流信号的差值输入比例积分调节器；步骤二五、基于比例积分调节器输出的半桥子模块串电压控制信号，并采用半桥子模块电容电压平衡控制及调制的方式，得到半桥子模块SM1～半桥子模块SMN的驱动信号。本专利技术的半桥子模块串的充、放电电流路径由直流低压侧与直流高压侧之间的功率传输方向和半桥子模块串两端的实时电压共同决定：当功率自直流低压侧向直流高压侧传输、半桥子模块串两端电压为低压侧电压时，电流流经二极管串D1为半桥子模块串充电；当功率自直流低压侧向直流高压侧传输、半桥子模块串两端电压为高压侧电压时，电流流经二极管串D2为半桥子模块串放电；当功率自直流高压侧向直流低压侧传输、半桥子模块串两端电压为高、低压侧电压之差时，电流流经二极管串D3为半桥子模块串充电；当功率自直流高压侧向直流低压侧传输、半桥子模块串两端电压为高压侧电压时，电流流经二极管串D4为半桥子模块串放电。本专利技术所述的用于柔性直流输电的DC/DC变换器在所述控制方法的控制下，使半桥子模块串在直流低压侧与直流高压侧之间发生功率传输的过程中相应地进行充电或放电，进而实现柔性直流输电DC/DC变换。与现有的非隔离型高压DC/DC变换器相比，本专利技术所述的用于柔性直流输电的DC/DC变换器无需注入高幅值的交流电压和环流以实现桥臂间的功率交换，也无需配备滤波装置。因此，本专利技术所述的用于柔性直流输电的DC/DC变换器能够有效地解决现有非隔离型高压DC/DC变换器的器件应力大、系统损耗大和体积大的问题。附图说明在下文中将基于实施例并参考附图来对本专利技术所述的用于柔性直流输电的DC/DC变换器及其控制方法进行更详细的描述，其中：图1为实施例所述的用于柔性直流输电的DC/DC变换器的电路原理图，其中，iL为直流低压侧实际电流信号，ip为半桥子模块串实际电流信号，iH为直流高压侧实际电流信号，uP为半桥子模块串两端的实际电压，UL为直流低压侧电压，UH为直流高压侧电压；图2为实施例提及的二极管串的电路原理图；图3为实施例提及的半桥子模块的电路原理图；图4为实施例所述的用于柔性直流输电的DC/DC变换器的控制原理框图，其中，Pref为功率参考信号，UC_ref为半桥子模块电容电压均值参考信号，UC_avg为半桥子模块电容电压均值，PI为比例积分调节器，iH_ref为直流高压侧电流参考信号，iL_ref表示直流低压侧电流参考信号，iP_ref为半桥子模块串电流参考信号，uP_ref为半桥子模块串电压控制信号；图5为实施例提及的三相DC/DC变换器并联的衍生拓扑结构的电路原理图。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术所述的用于柔性直流输电的DC/DC变换器及其控制方法作进一步说明。实施例：下面结合图1至图5详细地说明本实施例。参照图1和图2，本实施例所述的用于柔性直流输电的DC/DC变换器包括二极管串D1～二极管串D4、半桥子模块串、电感L、开关S1和开关S2；二极管串D1～二极管串D4的电路结构均相同，每个二极管串均包括多个正向串联的二极管；半桥子模块串包括半桥子模块SM1～半桥子模块SMN，半桥子模块SM1～半桥子模块SMN的电路结构均相同，对于半桥子模块SM1～半桥子模块SMN，前者的电流输出端依次与后者的电流输入端相连；二极管串D1的阳极同时与直流低压侧正极和二极管串D3的阴极相连，二极管串本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于柔性直流输电的DC/DC变换器，其特征在于，所述DC/DC变换器包括二极管串D1～二极管串D4、半桥子模块串、电感L、开关S1和开关S2；二极管串D1～二极管串D4的电路结构均相同，每个二极管串均包括多个正向串联的二极管；半桥子模块串包括半桥子模块SM1～半桥子模块SMN，半桥子模块SM1～半桥子模块SMN的电路结构均相同，对于半桥子模块SM1～半桥子模块SMN，前者的电流输出端依次与后者的电流输入端相连；二极管串D1的阳极同时与直流低压侧正极和二极管串D3的阴极相连，二极管串D1的阴极同时与半桥子模块SM1的电流输入端、二极管串D2的阳极和开关S1的第一端相连，二极管串D2的阴极同时与开关S1的第二端和直流高压侧正极相连；半桥子模块SMN的电流输出端与电感L的第一端相连，电感L的第二端同时与二极管串D3的阳极、二极管串D4的阴极和开关S2的第一端相连，二极管串D4的阳极同时与开关S2的第二端、直流低压侧负极和直流高压侧负极相连；半桥子模块SM1～半桥子模块SMN用于根据各自对应的半桥子模块驱动信号，实现同步充电或放电，进而在直流低压侧与直流高压侧之间发生功率传输时，维持能量平衡。...

【技术特征摘要】
1.用于柔性直流输电的DC/DC变换器，其特征在于，所述DC/DC变换器包括二极管串D1～二极管串D4、半桥子模块串、电感L、开关S1和开关S2；二极管串D1～二极管串D4的电路结构均相同，每个二极管串均包括多个正向串联的二极管；半桥子模块串包括半桥子模块SM1～半桥子模块SMN，半桥子模块SM1～半桥子模块SMN的电路结构均相同，对于半桥子模块SM1～半桥子模块SMN，前者的电流输出端依次与后者的电流输入端相连；二极管串D1的阳极同时与直流低压侧正极和二极管串D3的阴极相连，二极管串D1的阴极同时与半桥子模块SM1的电流输入端、二极管串D2的阳极和开关S1的第一端相连，二极管串D2的阴极同时与开关S1的第二端和直流高压侧正极相连；半桥子模块SMN的电流输出端与电感L的第一端相连，电感L的第二端同时与二极管串D3的阳极、二极管串D4的阴极和开关S2的第一端相连，二极管串D4的阳极同时与开关S2的第二端、直流低压侧负极和直流高压侧负极相连；半桥子模块SM1～半桥子模块SMN用于根据各自对应的半桥子模块驱动信号，实现同步充电或放电，进而在直流低压侧与直流高压侧之间发生功率传输时，维持能量平衡。2.权利要求1所述的用于柔性直流输电的DC/DC变换器的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：步骤一、根据直...

【专利技术属性】
技术研发人员：李彬彬，张书鑫，赵晓东，程达，毛书凯，王圣博，徐殿国，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23