本发明专利技术提供了一种自平衡非隔离型模块化多电平DC‑DC变换器，其由相互连接的功率主回路和功率平衡回路构成；功率平衡回路由多个空气芯电感和二极管组成，空气芯电感和二极管依次串联，功率主回路由输入滤波电感、输出缓冲电感及多个子模块串联链依次串联构成，当子模块处于切除状态时，子模块的母线电容通过功率平衡回路和相邻子模块的母线电容进行能量传递。本发明专利技术避免贯穿变换器桥臂的交流电流，降低开关损耗，减小直流侧滤波电感。
【技术实现步骤摘要】
自平衡非隔离型模块化多电平DC-DC变换器
本专利技术涉及新能源的直流汇聚与传输技术，具体地，涉及一种自平衡非隔离型模块化多电平DC-DC(直流-直流)变换器。
技术介绍
随着能源危机与环境保护问题日益突出，开发和利用清洁可再生能源越来越重要。海上风电具有巨大的潜力。研究大规模海上风电的高效、可靠汇集与传输具有重要意义。以其损耗低、无需无功补偿设备等优势，高压直流输电在大规模新能源远距离传输中得到广泛应用。将直流概念进一步延伸到风场内网，采用中压直流汇聚方案，用功率密度更高的DC-DC变换器取代笨重的交流工频变压器，可以节省不必要的功率变换过程以及海上平台建设成本，同时提高系统可靠性和灵活性。DC-DC变换器是中压汇聚网中匹配电压等级、接入直流设备、实现功率控制的关键设备。因开关耐压限制，常规用于开关电源领域的两电平DC-DC无法用于中压直流电网。若采用隔离型拓扑，兆瓦级大功率中频变压器设计成为瓶颈，需要在功率密度和效率间取舍。采用非隔离型模块化多电平(MMC，modularmultilevelconverter)DC-DC变换器既能克服上述缺点又能满足直流电网的功率控制能力要求。目前常用的非隔离型模块化多电平DC-DC变换器采用常规半桥子模块串联构建上下桥臂结构，为实现子模块之间以及上下桥臂间功率平衡，需要在桥臂间注入环流导致有较大的交流电路流过子模块的电容和开关，增加了开关应力和开关损耗。同时该交流流经直流侧形成较大纹波，需要装设电感量和体积巨大的滤波电感，降低了变换器的功率密度。应用于大变比的场合时，上述环流现象尤为显著。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种自平衡非隔离型模块化多电平DC-DC变换器，其在子模块间以及上下桥臂间构建功率传输回路，避免桥臂内交流电流增加，降低开关损耗，减小直流侧滤波电感。根据本专利技术的一个方面，提供一种自平衡非隔离型模块化多电平DC-DC变换器，其特征在于，所述自平衡非隔离型模块化多电平DC-DC变换器由相互连接的功率主回路和功率平衡回路构成；功率平衡回路由多个空气芯电感和二极管组成，空气芯电感和二极管依次串联，功率主回路由输入滤波电感、输出缓冲电感及多个子模块串联链依次串联构成，每个子模块串联链包括一个切除开关、一个投入开关、一个母线电容，一个切除开关、一个投入开关、一个母线电容依次连接形成一个三角形结构，子模块串联链、一个空气芯电感和一个二极管构成子模块，当子模块处于切除状态时，子模块的母线电容通过功率平衡回路和相邻子模块的母线电容进行能量传递。优选地，所述功率主回路的下面三个子模块串联链构成一个下桥臂，功率主回路的上面四个子模块串联链构成一个上桥臂；每个子模块串联链的平均电压为5kV，输入电压为7.5kV，输出电压为25kV。优选地，所述输出缓冲电感与一个输出侧滤波电容、一个输出侧所接电阻连接，输出侧滤波电容和输出侧所接电阻并联；输出侧滤波电容抑制输出电压纹波，实现稳定直流输出；输出侧所接电阻用来模拟DC-DC变换器的负载，验证功率输出能力。优选地，所述输入滤波电感用来对抑制输入电流纹波；输出缓冲电感用来缓冲桥臂电压纹波，抑制由子模块电容电压波动和开关过程所引起的脉动电流。优选地，所述自平衡非隔离型模块化多电平DC-DC变换器采用电压平衡以及功率传递的交错投切调制方法，该方法包括以下步骤：步骤一：在一个开关周期Ts中的区间[0,DTs]内，所有奇数编号的子模块投入主回路，所有偶数编号的子模块处于切除状态；步骤二：在一个开关周期Ts中的区间[DTs,Ts]内，所有偶数编号的子模块投入主回路，所有奇数编号的子模块处于切除状态。优选地，所述步骤一中，当偶数编号的子模块切除时，偶数编号的子模块的母线电容与相邻奇数编号的子模块的母线电容通过空气芯电感形成谐振回路，母线电容通过空气芯电感向相邻奇数编号子模块电容充电，同时自身存储能量降低。优选地，所述步骤二中，当奇数编号子模块切除时，奇数编号子模块的母线电容与相邻偶数编号的子模块的母线电容通过空气芯电感形成谐振回路，母线电容通过空气芯电感向相邻偶数编号子模块电容充电，同时自身存储能量降低。优选地，所述步骤一中区间[0,DTs]的时间间隔大于两个母线电容及空气芯电感构成平衡回路的谐振周期的一半，保证从步骤一切换到步骤二时，空气芯电感的电流为零。优选地，所述步骤二中区间[DTs,Ts]的时间间隔大于两个母线电容及空气芯电感构成平衡回路的谐振周期的一半，保证从步骤二切换到步骤一时，空气芯电感的电流为零。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：本专利技术在非隔离型模块化多电平DC-DC变换器的模块间以及上下桥臂间引入功率平衡回路，以此避免了贯穿桥臂中和直流侧的交流环流，减少了开关应力、开关损耗和直流侧滤波需求。相邻子模块采用交错投切方式，在其母线电容间构建平衡回路，实现传递能量和电压的自动平衡，无需采样和控制。在所提供的交错调制方案中，可以实现子模块的切除和投入过程开关电流最小，降低了电磁干扰和开关损耗。综上，本专利技术提出的非隔离型模块化多电平DC-DC变换器，通过增加辅助回路，避免交流环流减少开关电流应力，具有更高的功率密度和效率，更适应于直流风机接入中压直流电网场合。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为所提出的非隔离型模块化多电平DC-DC变换器及子模块的电路结构图；图2为步骤一中所有奇数子模块投入同时所有偶数子模块切除时电流流通路径示意图(以下桥臂含三个子模块为例)；图3为步骤二中所有偶数子模块投入同时所有奇数子模块切除时电流流通路径示意图(以下桥臂含三个子模块为例)；图4为功率平衡回路中开关脉冲及电压电流波形图(以三号子模块为例)；(Sodd_out为三号其切除开关的驱动脉冲，vc3为其子模块母线电容电压，vc4为其相邻子模块母线电容电压。iD为平衡回路中二极管电流，iIGBT为切除开关中流过电流。)图5为上下桥臂中所有子模块母线电容电压波形图(以下桥臂含三个子模块、下桥臂含五个子模块为例)；图6为非隔离型模块化多电平DC-DC变换器输出侧电压波形图；图7为非隔离型模块化多电平DC-DC变换器输入侧电压波形图。(Sodd_in奇数子模块的投入开关的驱动脉冲信号，Vdc1为输入侧电压波形，Vlower为下桥臂投入电压波形。)图8为子模块的结构示意图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。将所提供的非隔离型模块化多电平DC-DC变换器应用于海上风场直流汇聚网，具体可用直流风机和中压电网的接口DC-DC变换器。在仿真软件中搭建图1所示本专利技术所提供的非隔离型模块化多电平DC-DC变换器主电路拓扑，并进行分析和验证。如图1至图8所示，本专利技术自平衡非隔离型模块化多电平DC-DC变换器由相互连接的功率主回路S1和功率平衡回路S2构成；功率平衡回路由多个空气芯电感L1和二极管D1组成，空气芯电感和二极管依次串联，功率主回路由输入滤本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种自平衡非隔离型模块化多电平DC‑DC变换器，其特征在于，所述自平衡非隔离型模块化多电平DC‑DC变换器由相互连接的功率主回路和功率平衡回路构成；功率平衡回路由多个空气芯电感和二极管组成，空气芯电感和二极管依次串联，功率主回路由输入滤波电感、输出缓冲电感及多个子模块串联链依次串联构成，每个子模块串联链包括一个切除开关、一个投入开关、一个母线电容，一个切除开关、一个投入开关、一个母线电容依次连接形成一个三角形结构，子模块串联链、一个空气芯电感和一个二极管构成子模块，当子模块处于切除状态时，子模块的母线电容通过功率平衡回路和相邻子模块的母线电容进行能量传递。
【技术特征摘要】
1.一种自平衡非隔离型模块化多电平DC-DC变换器，其特征在于，所述自平衡非隔离型模块化多电平DC-DC变换器由相互连接的功率主回路和功率平衡回路构成；功率平衡回路由多个空气芯电感和二极管组成，空气芯电感和二极管依次串联，功率主回路由输入滤波电感、输出缓冲电感及多个子模块串联链依次串联构成，每个子模块串联链包括一个切除开关、一个投入开关、一个母线电容，一个切除开关、一个投入开关、一个母线电容依次连接形成一个三角形结构，子模块串联链、一个空气芯电感和一个二极管构成子模块，当子模块处于切除状态时，子模块的母线电容通过功率平衡回路和相邻子模块的母线电容进行能量传递。2.根据权利要求1所述的自平衡非隔离型模块化多电平DC-DC变换器，其特征在于，所述功率主回路的下面三个子模块串联链构成一个下桥臂，功率主回路的上面四个子模块串联链构成一个上桥臂；每个子模块串联链的平均电压为5kV，输入电压为7.5kV，输出电压为25kV。3.根据权利要求1所述的自平衡非隔离型模块化多电平DC-DC变换器，其特征在于，所述输出缓冲电感与一个输出侧滤波电容、一个输出侧所接电阻连接，输出侧滤波电容和输出侧所接电阻并联；输出侧滤波电容抑制输出电压纹波，实现稳定直流输出；输出侧所接电阻用来模拟DC-DC变换器的负载，验证功率输出能力。4.根据权利要求1所述的自平衡非隔离型模块化多电平DC-DC变换器，其特征在于，所述输入滤波电感用来对抑制输入电流纹波；输出缓冲电感用来缓冲桥臂电压纹波，抑制由子模块电容电压波动和开关过程所引起的脉动电流。5.根据权利要求1所述的自平衡非隔离型模块化多电平DC-DC...
【专利技术属性】
技术研发人员：蔡旭，孙长江，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31
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