一种基于三电平拓扑的双向DC/DC变换系统技术方案

本实用新型专利技术涉及一种基于三电平拓扑的双向DC/DC变换系统，包括至少两个DC/DC变换装置，DC/DC变换装置包括依次连接的高压侧变换单元、变压器和低压侧变换单元，高压侧变换单元为三电平拓扑结构，各DC/DC变换装置的高压侧变换单元级联设置，各低压侧变换单元并联设置。变换装置的个数根据实际要求进行设置，并且结合各变换装置的连接方式能够保证系统的电压等级，满足越来越高的电压等级的需求。并且，将三电平拓扑结构放在高压侧可将系统的电压等级提高一倍。系统各开关管需要承受的电压较低，无需使用电压等级较高的开关管，降低系统成本，减小系统体积，进而提高系统的功率密度，同时，减少系统设计和制造工艺难度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于三电平拓扑的双向DC/DC变换系统
本技术涉及一种基于三电平拓扑的双向DC/DC变换系统。
技术介绍
我国疆土面积较大，能源中心与负荷中心分布不平衡，往往需要长距离、大容量的传输线路将能源中心的电能输送到负荷中心，目前使用较多的为传统交流输电，但交流输电有效率不高、占地多及控制复杂等缺点，于是直流输电的优势就相对明显，需要的线路少，控制简单，调节速度快，因此高压大容量DC/DC装置引来了越来越多人的关注。DC/DC装置的高密度及高效率是研究的重点，将LLC谐振应用到DC/DC装置中实现了输入端开关管的零电压导通及输出端二极管的零电流关断的软开关技术，大大减少装置的自身损耗，而且保持高效率的基础上提高开关频率，就能够减小装置的体积，增大功率密度，因此基于LLC谐振的DC/DC变换器得到了快速发展。目前，我公司已研制的双向LLC谐振DC/DC变换装置原理图如附图1所示，该模块拓扑由高压侧全桥变换、双向LLC谐振网络、低压侧全桥变换3部分组成。有学者提出了高压侧和低压侧均为半桥的结构，原理图如2所示，但是和全桥电路一样，未导通开关管承受电压较高(全桥中仅有一个母线电容时，未导通开关管承受该母线电容上的电压，半桥中有两个母线电容，未导通开关管承受两个母线电容上的电压之和)。也有学者在研究将三电平拓扑用到DC/DC变换中，拓扑原理图如附图3所示，该模块也有高压侧变换、高频变压器和低压侧三部分组成，结合LLC谐振也能实现软开关技术，但此电路的能量只能单向流动。比如：申请公布号为CN102891602A的中国专利申请文件公开了几种三电平直流变换器，包括三电平电路、隔离变压器和桥式电路。这几种基于三电平电路的直流变换器由于是单个的变换装置，电压等级较低，无法满足越来越高的电压等级的需求。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种基于三电平拓扑的双向DC/DC变换系统，用以解决传统的DC/DC变换装置的电压等级较低的问题。为实现上述目的，本技术的方案包括一种基于三电平拓扑的双向DC/DC变换系统，包括至少两个DC/DC变换装置，各DC/DC变换装置包括依次连接的高压侧变换单元、变压器和低压侧变换单元，所述高压侧变换单元为三电平拓扑结构，各DC/DC变换装置的高压侧变换单元级联设置，各DC/DC变换装置的低压侧变换单元并联设置。各DC/DC变换装置的低压侧变换单元为半桥拓扑结构。各DC/DC变换装置中设置有双向LLC谐振网络。所述三电平拓扑结构包括并联设置的第一电容串联支路和第一开关管串联支路，所述第一电容串联支路上依次串设有第一电容和第二电容，所述第一开关管串联支路上依次串设有第一开关管模块、第二开关管模块、第三开关管模块和第四开关管模块，所述第一电容和第二电容的连接点与所述第二开关管模块和第三开关管模块的连接点连接，所述第一开关管模块和第二开关管模块的连接点与第三开关管模块和第四开关管模块的连接点之间连接有一条并联支路，所述并联支路上串设有第三电容，所述第一电容串联支路的两端为所述三电平拓扑结构的直流端，所述第二开关管模块的两端为所述三电平拓扑结构的交流端。第一开关管模块、第二开关管模块、第三开关管模块和第四开关管模块均由开关管和反向并联设置的二极管构成。所述半桥拓扑结构包括并联设置的第二电容串联支路和第二开关管串联支路，所述第二电容串联支路上依次串设有第四电容和第五电容，所述第二开关管串联支路上依次串设有第五开关管模块和第六开关管模块，所述第四电容和第五电容的连接点与第五开关管模块和第六开关管模块的连接点为所述半桥拓扑结构的交流端，所述第二电容串联支路的两端为所述半桥拓扑结构的直流端。所述第五开关管模块和第六开关管模块均由开关管和反向并联设置的二极管构成。本技术提供的基于三电平拓扑的双向DC/DC变换系统包括至少两个DC/DC变换装置，根据实际要求设定具体个数，各DC/DC变换装置包括依次连接的高压侧变换单元、变压器和低压侧变换单元，高压侧变换单元为三电平拓扑结构，并且，各DC/DC变换装置的连接方式是：高压侧变换单元级联设置，低压侧变换单元并联设置。因此，高压侧变换单元级联设置，系统高压侧的电压为各变换装置高压侧的电压之和，系统高压侧的电压等级较高，但是，即便高压侧的电压较高，由于是平均分配给各变换装置，那么，各变换装置的高压侧的电压并非很高，内部的各开关管不用承受较高的电压；而且，低压侧变换单元并联设置，系统低压侧的电压为任意一个变换装置低压侧的电压，满足低压侧的电压需求。因此，通过设置多个变换装置，以及各变换装置的连接方式能够保证系统的电压等级，满足越来越高的电压等级的需求，并且，系统具有三电平拓扑结构的所有优点，三电平拓扑中开关管承受的电压为变换装置高压侧电压的一半，因此，将三电平拓扑结构放在高压侧可将系统的电压等级提高一倍。而且，系统各开关管需要承受的电压较低，无需使用电压等级较高的开关管，降低系统成本，减小系统体积，进而提高系统的功率密度，同时，减少系统设计和制造工艺难度。附图说明图1是现有的双向全桥LLC谐振DC/DC变换装置的电路图；图2是现有的双向半桥LLC谐振DC/DC变换装置的电路图；图3是现有的电容中点钳位DC/DC变换装置的电路图；图4是本技术提供的基于三电平拓扑的双向DC/DC变换装置的电路拓扑图；图5是本技术提供的基于三电平拓扑的双向DC/DC变换系统的电路拓扑图。具体实施方式下面结合附图对本技术做进一步详细的说明。本技术提供一种双向DC/DC变换系统，包括至少两个DC/DC变换装置，具体的个数由所需的电压等级决定，电压等级越高，变换装置的个数设置的越多。各DC/DC变换装置的拓扑结构相同，那么，对于任意一个DC/DC变换装置来说，主要包括高压侧变换单元、变压器和低压侧变换单元，高压侧变换单元与变压器的高压侧绕组连接，变压器的低压侧绕组连接低压侧变换单元，其中，图4中左侧的虚线框为高压侧变换单元，采用三电平拓扑结构，具体为电容中点钳位的三电平拓扑结构；变压器为高频隔离变压器，采用单输入单输出接口，副边绕组没有中间抽头；图4中右侧的虚线框为低压侧变换单元，本实施例中，低压侧变换单元为半桥拓扑结构，即半桥变换电路，并且，变换装置中还设置有双向LLC谐振网络，那么，DC/DC变换装置中，高压侧构成电容中点钳位的三电平拓扑结构与相应的LLC组成的谐振电路，实现高压直流向高频交流的转换，低压侧构成半桥LLC谐振电路。如图4所示，本实施例给出三电平拓扑结构和半桥拓扑结构的一种具体电路，其中，三电平拓扑结构包括并联设置的第一电容串联支路和第一开关管串联支路，第一电容串联支路上依次串设有第一电容和第二电容，分别对应图4中的电容C1和C2，第一开关管串联支路上依次串设有第一开关管模块、第二开关管模块、第三开关管模块和第四开关管模块，各开关管模块由开关管和反向并联设置的二极管构成，提供能量反向流动，本实施例中，开关管为IGBT。其中，第一开关管模块包括开关管Q1和二极管D1，第二开关管模块包括开关管Q2和二极管D2，第三开关管模块包括开关管Q3和二极管D3，第四开关管模块包括开关管Q4和二极管D4，电容C1和电容C2的连接点与开关管Q2和开关管Q3的连接点本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于三电平拓扑的双向DC/DC变换系统，其特征在于，包括至少两个DC/DC变换装置，各DC/DC变换装置包括依次连接的高压侧变换单元、变压器和低压侧变换单元，所述高压侧变换单元为三电平拓扑结构，各DC/DC变换装置的高压侧变换单元级联设置，各DC/DC变换装置的低压侧变换单元并联设置。

【技术特征摘要】
1.一种基于三电平拓扑的双向DC/DC变换系统，其特征在于，包括至少两个DC/DC变换装置，各DC/DC变换装置包括依次连接的高压侧变换单元、变压器和低压侧变换单元，所述高压侧变换单元为三电平拓扑结构，各DC/DC变换装置的高压侧变换单元级联设置，各DC/DC变换装置的低压侧变换单元并联设置。2.根据权利要求1所述的基于三电平拓扑的双向DC/DC变换系统，其特征在于，各DC/DC变换装置的低压侧变换单元为半桥拓扑结构。3.根据权利要求1所述的基于三电平拓扑的双向DC/DC变换系统，其特征在于，各DC/DC变换装置中设置有双向LLC谐振网络。4.根据权利要求1所述的基于三电平拓扑的双向DC/DC变换系统，其特征在于，所述三电平拓扑结构包括并联设置的第一电容串联支路和第一开关管串联支路，所述第一电容串联支路上依次串设有第一电容和第二电容，所述第一开关管串联支路上依次串设有第一开关管模块、第二开关管模块、第三开关管模块和第四开关管模块，所述第一电容和第二电容的连接点与所述第二开关管模块和第三开关管模块的连接点连接，所述第一开关管模块和第二开关管...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜斌，安昱，柳龙，辛德锋，吴金龙，王先为，陈旭东，牛翀，孙亮，魏亚龙，刘永慧，来璐，刘欣和，张浩，
申请(专利权)人：国网浙江省电力公司，西安许继电力电子技术有限公司，许继集团有限公司，许继电气股份有限公司，国家电网公司，
类型：新型
国别省市：浙江,33