一种高变比大功率模块化DC-DC变换器制造技术

一种高变比大功率模块化DC‑DC变换器，适用于新能源发电的电能送出，尤其是海上风电场的电能送出。它由三相并联而成，以保证功率传输的连续性。三相的结构相同，每一相均由R个相同的分支依次相连而成，分支1直接连接到中压直流侧，而分支R通过一个晶闸管串T

A high ratio and high power modular DC-DC converter

【技术实现步骤摘要】
一种高变比大功率模块化DC-DC变换器
本专利技术涉及一种DC-DC变换器，适用于新能源发电领域。
技术介绍
随着煤炭、石油等自然资源的短缺问题日益严重以及人类环保意识的日益提高，新能源发电受到越来越多的关注。而大规模的可再生能源如海上风能等地处偏远，通过离岸风电场发出的电能需要经过很长的一段距离才能并入大电网。因此如何将新能源发电产生的电能高效率地送出是新能源发电领域要考虑的一大问题。以离岸风电场为例，其需要水下电缆传输电能，若采用交流输电，电缆存在的寄生电容容易导致交流输电的空载损耗太大，从而影响输电效率，而分布电容对直流输电几乎无影响，因此高压直流输电被广泛用于海上风电送出。随着模块化多电平变换器的出现，中压交流汇集系统在离岸风电场的电能送出环节中被广泛采用。在中压交流汇集系统中，多个风机发出的电能首先各自经过一级逆变器和变压器变为中压交流，通过交流电缆汇集到中压交流母线上，再经过一个变压器和一级MMC变为高压直流，然后通过直流电缆送到岸上。可见，这种中压交流汇集系统存在很多弊端，如交流电缆传输电能的效率较低、需要昂贵且笨重的变压器等，这些缺点给海上风电场的建设带来了很多问题。因此，基于DC-DC变换器的中压直流汇集系统应运而生。与中压交流汇集系统的不同之处在于，多个风机发出的电能直接通过直流变换器变为中压直流，并通过直流电缆汇集到中压直流母线，然后通过大功率高变比直流变换器经高压直流电缆送出。与中压交流系统相比，中压直流汇集系统具有更高的传输效率和更小的体积，更适用于海上风电的送出。与高压直流母线相连的将中压直流变为高压直流的DC-DC变换器对于中压直流汇集系统的电能送出至关重要。这个DC-DC变换器要具有较高的变压比、功率足够大、轻量化且具有高可靠性和较高的传输效率。中国专利公布号为CN106357119A的专利《大功率高压光伏直流升压变流器装置及控制方法》提出了一种高压大功率的直流变换器，但该拓扑需要经过整流和逆变两个功率变换环节，使得电路效率较低、元器件数目多且成本较高。
技术实现思路
为解决现有用于新能源发电送出领域的直流变换器效率低、功率变换环节多和成本高的问题，且为了满足中压直流汇集系统对直流变换器高变比、大功率、高效率的需求，本专利技术提出一种适用于新能源发电送出领域直流升压汇集系统的高变比大功率模块化DC-DC变换器。本专利技术所提出的高变比大功率模块化DC-DC变换器由三相变换电路并联而成，每一相变换电路由R个相同的分支电路依次相连而成；每个分支电路由晶闸管串T1、晶闸管串T2、一个半桥桥臂和一个全桥桥臂组成；其中每个半桥桥臂由N个半桥子模块串联在一起并与一个电感串联组成，全桥桥臂由N个全桥子模块串联在一起并与一个电感串联组成；分支电路1的输入端正极与中压直流输入侧的正极相连，分支电路1的输入端负极与中压直流输入侧的负极相连；分支电路1的输出端正极与分支电路2的输入端正极相连，分支电路1的输出端负极与分支电路2的输入端负极相连；分支电路2的输出端正极与分支电路3的输入端正极相连，分支电路2的输出端负极与分支电路3的输入端负极相连；以此类推，直至顺次连至第R个分支电路；分支电路R输入端正极与上一分支电路的输出端正极相连，输入端负极与上一分支电路的输出端负极相连；而输出端正极不再引出，且其输出端负极通过一个晶闸管串TH连至高压直流输出侧的正极；高压直流输出侧的负极与分支电路1的输入端负极、中压直流输入侧的负极相连。晶闸管串T1的阴极端与半桥桥臂的正极相连，晶闸管串串T1的阳极端作为整个分支的输入端正极；半桥桥臂的正极、晶闸管串T1的阴极以及全桥桥臂的正极相连作为整个分支的输出端正极；半桥桥臂的负极与晶闸管串T2的阴极相连，并作为整个分支的输入端负极；全桥桥臂的负极与晶闸管串T2的阳极端相连，作为整个分支的输出端负极。进一步地，所述各个分支电路中的半桥桥臂，由多个半桥子模块HB1～HBN串联并与电感LHB串联而成，半桥子模块HB1的上端子即为半桥桥臂的正极，半桥子模块HB1的下端子与下一个半桥子模块的上端子相连，以此类推，直至连至半桥子模块HBN，而半桥子模块HBN的下端子与电感LHB的上端子相连，电感LHB的下端子即为半桥桥臂的负极。进一步地，所述各个分支中的全桥桥臂，由多个全桥子模块串全桥子模块FB1～FBN串联并与电感LFB串联而成，全桥子模块FB1的上端子即为全桥桥臂的正极，全桥子模块FB1的下端子与下一个全桥子模块的上端子相连，以此类推，直至全桥子模块FBN，而全桥子模块FBN的下端子与电感LFB的上端子相连，电感LFB的下端子即为全桥桥臂的负极。进一步地，所述半桥子模块，由两个反并联二极管的全控型功率开关器件IGBT1、IGBT2以及一个电容C1组成；IGBT1的集电极与电容C1的正极相连，IGBT1的发射极与IGBT2的集电极相连，又从IGBT1的发射极与IGBT1的集电极的连接线上引出一个端子，作为半桥子模块的上端子；IGBT2的发射极与电容C1的负极相连，并从IGBT2的发射极引出一个端子，作为半桥子模块的下端子。进一步地，所述全桥子模块，由四个反并联二极管的全控型功率开关器件IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6以及一个电容C2组成；IGBT3的发射极与IGBT4的集电极相连，并从其连接线上引出一个端子，作为全桥子模块的上端子；IGBT5的发射极与IGBT6的集电极相连，并从其连接线上引出一个端子，作为全桥子模块的下端子；另外，IGBT3的集电极和IGBT5的集电极以及电容C2的正极连接于一点，IGBT4的发射极和IGBT6的发射极以及电容C2的负极连接于一点。进一步地，所述晶闸管串T1、T2以及高压输出侧晶闸管串TH，均由若干个正向串联的晶闸管构成。通过控制每个分支电路中半桥子模块HB1～HBN中全控型功率开关器件的通断，可以实现半桥子模块的投入和切除；通过控制全桥子模块FB1～FBN中全控型功率开关器件的通断，可以实现全桥子模块的正投入、负投入以及切除；此外，还要对每个分支电路中的两个晶闸管串T1、T2和高压直流输出侧晶闸管串TH的开关状态进行控制，从而实现所有的半桥桥臂和全桥桥臂并联在中压直流输入侧对子模块中的电容进行充电，所有的半桥桥臂和全桥桥臂以及高压直流输出侧串联在一起对子模块中的电容进行放电，以实现能量从中压直流侧向高压直流侧的传递。此外，要对子模块的电容电压进行平衡控制，使得能量平衡，从而保证整个高变比大功率模块化DC-DC变换器的正常工作。通过在上述高变比大功率模块化DC-DC变换器中的每一个晶闸管串上均反并联一个晶闸管串，得到一种扩展拓扑，其在原拓扑的基础上，还可以实现所有的半桥桥臂和全桥桥臂串联在高压直流侧对子模块中的电容进行充电，所有的半桥桥臂和全桥桥臂以及中压直流侧串联在一起对子模块中的电容进行放电，即可以实现能量的反向传递。本专利技术中的高变比大功率模块化DC-DC变换器，在能量从中压直流侧向高压直流侧的稳态运行阶段，可以实现所有桥臂并联在低压本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高变比大功率模块化DC-DC变换器，其特征在于它由三相变换电路并联而成，每一相变换电路由R个相同的分支电路依次相连而成；每个分支电路由晶闸管串T

【技术特征摘要】
1.一种高变比大功率模块化DC-DC变换器，其特征在于它由三相变换电路并联而成，每一相变换电路由R个相同的分支电路依次相连而成；每个分支电路由晶闸管串T1、晶闸管串T2、一个半桥桥臂和一个全桥桥臂组成；其中每个半桥桥臂由N个半桥子模块串联在一起并与一个电感串联组成，全桥桥臂由N个全桥子模块串联在一起并与一个电感串联组成；
分支电路(1)的输入端正极与中压直流输入侧的正极相连，分支电路(1)的输入端负极与中压直流输入侧的负极相连；分支电路1的输出端正极与分支电路2的输入端正极相连，分支电路1的输出端负极与分支电路2的输入端负极相连；分支电路2的输出端正极与分支电路3的输入端正极相连，分支电路2的输出端负极与分支电路3的输入端负极相连；以此类推，直至顺次连至第R个分支电路；
分支电路R的输入端正极与上一分支电路的输出端正极相连，输入端负极与上一分支电路的输出端负极相连；而输出端正极不再引出，且其输出端负极通过一个晶闸管串TH连至高压直流输出侧的正极；
高压直流输出侧的负极与分支电路1的输入端负极、中压直流输入侧的负极相连；
晶闸管串T1的阴极端与半桥桥臂的正极相连，晶闸管串T1的阳极端作为整个分支的输入端正极；半桥桥臂的正极、晶闸管串T1的阴极以及全桥桥臂的正极相连，作为整个分支的输出端正极；半桥桥臂的负极与晶闸管串T2的阴极相连，并作为整个分支的输入端负极；全桥桥臂的负极与晶闸管串T2的阳极端相连，作为整个分支的输出端负极。


2.根据权利要求1所述的一种高变比大功率模块化DC-DC变换器，其特征在于并联而成的三相变换电路，其三相电流依次错相120度。


3.根据权利要求1所述的一种高变比大功率模块化DC-DC变换器，其特征在于所述各个分支电路中的半桥桥臂，由多个半桥子模块HB1～HBN串联并与电感LHB串联而成，半桥子模块HB1的上端子即为半桥桥臂的正极，半桥子模块HB1的下端子与下一个半桥子模块的上端子相连，以此类推，直至连至半桥子模块HBN，而半桥子模块HBN的下端子与电感LHB的上端子相连，电感LHB的下端子...

【专利技术属性】
技术研发人员：李彬彬，刘建莹，李磊，赵晓东，王志远，张书鑫，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;23