一种基于模块化多电平换流器的准零电流开关DC/DC变换器制造技术

本发明专利技术提供一种基于模块化多电平换流器的准零电流开关DC/DC变换器，所述DC/DC变换器包括低压侧模块化多电平换流器、LCL谐振电路和高压侧模块化多电平换流器；所述低压侧模块化多电平换流器通过LCL谐振电路和高压侧模块化多电平换流器连接。本发明专利技术提供的技术方案利用LCL谐振电路实现了两侧MMC换流器的近似软开关，降低了损耗；通过合理配置两侧MMC的子模块个数及运行模式减少LCL电路的电气应力和电压变化率，改善LCL的电磁环境，提高DC/DC变换器的可靠性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种直流变换器，具体涉及一种基于模块化多电平换流器的准零电流开关DC/DC变换器。
技术介绍
基于常规直流及柔性直流的直流电网技术为解决大规模可再生能源安全高效远距离输送、大型城市及孤岛供电等问题提供了有效的技术手段。高压大容量DC/DC变换器是构建直流电网系统的核心装备之一，该设备实现各个不同电压等级直流输电线路的联接交互，进而形成大规模的直流系统网络。目前，DC/DC变换器技术的研究主要集中在中小功率中低压电压等级，随着高压直流线路的不断建设以及直流电网需求的日益迫切，高压大容量DC/DC变换器技术亟待突破。作为直流电网的关键装备之一，DC/DC变换器的主要特点应包括：①实现不同电压等级直流网络的联接；②潮流方向双向可控；③损耗低，运行效率高；④具备故障隔离作用。DC/DC变换器一般分为两类，一类是直接变压，变换器中不存在交流环节；另一类是间接变压，变换器中存在交流环节。通过考察间接变压的DC/DC变换器拓扑，目前具备技术潜力的拓扑结构主要有两种：一种是基于MMC的隔离型DC/DC变换器拓扑，该变换器低压侧和高压侧换流器采用MMC换流器，并经中频变压器连接，但这种设计由于调制策略、拓扑结构等原因导致两边的MMC无法实现软开关，在较高频运行下损耗高；另一种是LCL型DC/DC变换器，该变换器低压侧和高压侧换流器采用两电平全桥变换器，并经LCL电路相连，在高电压场合需采用IGBT直接串联的方式，这种拓扑设计的问题在于交流侧的电压差很大，电感容量较大，且采用方波运行模式会恶化装置的电磁环境。
技术实现思路
基于目前MMC的隔离型DC/DC变换器损耗高以及所用高压大容量中频隔离变压器制造困难、LCL-DC/DC变换器中LCL电路的电压应力大以及变换器电磁环境差的问题，本专利技术提出一种基于模块化多电平换流器的准零电流开关DC/DC变换器，该DC/DC变换器利用LCL谐振网络实现了两侧MMC的近似软开关，降低了损耗；通过合理配置两侧MMC的子模块个数及运行模式减少LCL电路的电气应力和电压变化率，改善LCL的电磁环境，提高DC/DC变换器的可靠性。本专利技术的目的是采用下述技术方案实现的：一种基于模块化多电平换流器的准零电流开关DC/DC变换器，其改进之处在于，所述DC/DC变换器包括低压侧模块化多电平换流器、LCL谐振电路和高压侧模块化多电平换流器；所述低压侧模块化多电平换流器通过LCL谐振电路和高压侧模块化多电平换流器连接。其中，所述低压侧模块化多电平换流器和高压侧模块化多电平换流器均由两相四桥臂构成，每相的上下两桥臂通过串联电抗器连接，所述上下两桥臂均包括级联的MMC子模块。其中，所述MMC子模块由直流电容器、两个IGBT芯片、均压电阻和超高速旁路开关组成；所述两个IGBT芯片串联形成IGBT芯片串联支路，所述超高速旁路开关与下管IGBT并联，所述IGBT芯片串联支路、均压电阻和直流电容器并联，下管IGBT集电极引出MMC子模块的正极输出，下管IGBT发射极引出MMC子模块的负极输出。其中，所述低压侧MMC换流器桥臂子模块数量为低压侧直流电压除以额定子模块电容电压的商取整，高压侧MMC换流器桥臂子模块数量为低压侧MMC桥臂子模块数量的(N+1)/2～N倍，其中，N为DC/DC变换器高压侧与低压侧直流电压的比值。其中，所述低压侧模块化多电平换流器和高压侧模块化多电平换流器的交流侧均处于高频运行工况，交流频率均达到500Hz～2000Hz。其中，所述LCL谐振电路包括两个电感和谐振电容，其中一个电感的一端与低压侧模块化多电平换流器的一相连接；另一端与另一个电感的一端连接；另一个电感的另一端与高压侧模块化多电平换流器的一相连接；所述谐振电容的两端分别连接低压侧模块化多电平换流器的另一相和高压侧模块化多电平换流器的另一相。其中，所述LCL谐振电路中两个电感所需的无功功率由谐振电容提供，保证低压侧模块化多电平换流器和高压侧模块化多电平换流器输出的无功功率为0，以减小低压侧和高压侧模块化多电平换流器的功率损耗，同时实现低压侧和高压侧模块化多电平换流器的交流基波电压和交流基波电流同相位。其中，所述低压侧模块化多电平换流器和高压侧模块化多电平换流器均工作于梯形波模式，低压侧模块化多电平换流器和高压侧模块化多电平换流器的交流输出电压均为梯形波电压。其中，所述低压侧模块化多电平换流器和高压侧模块化多电平换流器的交流梯形电压的上升沿和下降沿分别对应于低压侧和高压侧交流基波电流过零区域，进一步减小低压侧和高压侧模块化多电平换流器中功率器件的开关损耗；且梯形波的斜率可控，便于控制LCL谐振电路所承受的电压变化率。本专利技术提供的技术方案具有的优异效果是：1、本专利技术提供的变换器两侧采用MMC换流器，通过半桥子模块串联承受高电压，避免了LCL-DC/DC变换器中IGBT器件串联技术，可应用于电压等级高，传输容量大的应用场合，且扩展性强；2、本专利技术提供的变换器采用LCL谐振电路连接两MMC换流器，避免了基于MMC的隔离型DC/DC变换器中高压大容量中频隔离变压器的制造限制，并有效实现低压侧和高压侧MMC换流器的零无功功率控制和准零电流开关，减小了DC/DC变换器的损耗。3、本专利技术提供的变换器通过配置高压侧MMC子模块个数以及运行模式，可以有效减小LCL电路的电压应力和承受的电压变化率，改善DC/DC变换器的电磁环境，提高了系统可靠性。附图说明图1是本专利技术提供的基于模块化多电平换流器的准零电流开关DC/DC变换器电路图；图2是本专利技术提供的模块化多电平换流器子模块结构图；图3是本专利技术提供的模块化多电平换流器梯形工作模式图，其中：(a)为低压端MMC交流侧电压与基波电流波形图；(b)为高压端MMC交流侧电压与基波电流波形图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步的详细说明。以下描述和附图充分地示出本专利技术的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本专利技术的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本专利技术的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“专利技术”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的专利技术，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个专利技术或专利技术构思。本专利技术提供一种基于模块化多电平换流器的准零电流DC/DC变换器，如图1所示。所述变换器包括低压侧模块化多电平换流器、LCL谐振电路和高压侧模块化多电平换流器；所述低压侧模块化多电平换流器通过LCL谐振电路和高压侧模块化多电平换流器连接。所述低压侧模块化多电平换流器和高压侧模块化多电平换流器均由两相四桥臂构成，每相的上下两桥臂通过串联电抗器连接，所述上下两桥臂均包括级联的MMC子模块。所述MMC子模块如图2所示，包括直流电容器、两个IGBT芯片、两个均压电阻和晶闸管组成；其中，两个IGBT芯片串本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于模块化多电平换流器的准零电流开关DC/DC变换器，其特征在于，所述DC/DC变换器包括低压侧模块化多电平换流器、LCL谐振电路和高压侧模块化多电平换流器；所述低压侧模块化多电平换流器通过LCL谐振电路和高压侧模块化多电平换流器连接。

【技术特征摘要】
1.一种基于模块化多电平换流器的准零电流开关DC/DC变换器，其特征在于，所述DC/DC变换器包括低压侧模块化多电平换流器、LCL谐振电路和高压侧模块化多电平换流器；所述低压侧模块化多电平换流器通过LCL谐振电路和高压侧模块化多电平换流器连接。2.如权利要求1所述的准零电流开关DC/DC变换器，其特征在于，所述低压侧模块化多电平换流器和高压侧模块化多电平换流器均由两相四桥臂构成，每相的上下两桥臂通过串联电抗器连接，所述上下两桥臂均包括级联的MMC子模块。3.如权利要求2所述的准零电流开关DC/DC变换器，其特征在于，所述MMC子模块由直流电容器、两个IGBT芯片、均压电阻和超高速旁路开关组成；所述两个IGBT芯片串联形成IGBT芯片串联支路，所述超高速旁路开关与下管IGBT并联，所述IGBT芯片串联支路、均压电阻和直流电容器并联，下管IGBT集电极引出MMC子模块的正极输出，下管IGBT发射极引出MMC子模块的负极输出。4.如权利要求2所述的准零电流开关DC/DC变换器，其特征在于，所述低压侧MMC换流器桥臂子模块数量为低压侧直流电压除以额定子模块电容电压的商取整，高压侧MMC换流器桥臂子模块数量为低压侧MMC桥臂子模块数量的(N+1)/2～N倍，其中，N为DC/DC变换器高压侧与低压侧直流电压的比值。5.如权利要求2所述的准零电流开关DC/DC变换器，其特征在于，所述低压侧模块化多电平换流器和高压侧模块化多电平换流器的交流侧均处...

【专利技术属性】
技术研发人员：王新颖，汤广福，贺之渊，魏晓光，张升，周万迪，丁骁，肖湘宁，
申请(专利权)人：国网智能电网研究院，国网浙江省电力公司，国家电网公司，华北电力大学，
类型：发明
国别省市：北京;11