一種直流電壓變換裝置及其橋臂控制方法與流程

本發明涉及一種柔性直流輸電領域的電壓變換裝置，具體講涉及一種直流電壓變換裝置及其橋臂控制方法。

背景技術：

柔性直流技術的迅猛發展使直流電網成為可能，直流電網技術無輸電距離限制，不需無功補償設備，有較強的靈活性和可控性，能為大型城市供電、海上風電接入等提供良好的解決手段，有著廣闊的應用前景。

實際應用中，直流電網技術面臨與交流電網類似的電壓等級變換問題，而對于直流電壓變換器的研究，世界范圍內尚處于初步階段。根據直流電網的特性，直流電壓變換器的主要特點需求如下：

1、可實現寬范圍的電壓變比。直流電壓等級的多樣性，要求電壓變換器能夠實現寬范圍的電壓變比，能夠滿足不同場合的要求；

2、雙向功率流動能力。由于直流電網功率調控的靈活性需求，相應的，直流電壓變換器需要具備雙向功率調節能力；

3、故障隔離能力。良好的直流變壓器應滿足在一側發生直流故障情況下，不影響另一側的運行，即具備故障隔離能力；

4、較低的投資、損耗和占地水平。良好的直流變壓器應投資少，具備低損耗水平，同時相應的組件不宜過多導致占地過大。

針對DC-DC變換器已經有了很多的研究成果，在適用于高壓領域并采用擴展性良好的模塊化多電平技術方向上，“面對面”型模塊化多電平變壓器是最基礎的拓撲形式，該拓撲占地大，而且造價高、損耗大，難以大規模推廣應用。

WO2014/056540 A1的“Modular Multilevel DC/DC converter for HVDC applications”號專利披露了一種新型高壓直流輸電的DC-DC變壓器拓撲結構，其中通過共用“面對面”拓撲中的雙端子模塊，有效減小了系統投入的子模塊數量、損耗和占地，但必須采用變壓器隔離電位。

WO2013/026477 A1的“Bidirectional Unisolated DC-DC converter based on cascaded cells”號專利公開了一種基于級聯電池的雙向隔離DC-DC變壓器，其中披露的直接變換至DC的模 塊化多電平結構，省去了變壓器，有效減小了投資和占地，但在低壓側輸出仍需要較大的電抗器或者共軛電抗器，同時針對故障隔離，需要投入額外的全橋子模塊。

綜上所述，傳統的低壓拓撲很難應用到高壓領域，另一方面，基于模塊化多電平技術的DC-DC變壓器，以其良好的擴展性能得到大家的廣泛關注，然而，最初提出的“面對面”型基于模塊化多電平技術的直流變壓器，通過交流變壓器將兩個AC/DC模塊化多電平換流器進行連接進行電壓變換，不但占地大，而且造價高、損耗大，難以進行大范圍推廣。

技術實現要素：

為解決上述現有技術中的不足，本發明的目的是提供一種直流電壓變換裝置及其橋臂控制方法，本發明提供的技術方案通過采用器件串聯結構和子模塊級聯結合的方法，在無變壓器的情況下實現電壓變換，同時還可實現串聯器件的軟開關，并減小投資和占地。為了對披露的實施例的一些方面有一個基本的理解，下面給出了簡單的概括。該概括部分不是泛泛評述，也不是要確定關鍵/重要組成元素或描繪這些實施例的保護范圍。其唯一目的是用簡單的形式呈現一些概念，以此作為后面的詳細說明的序言。

本發明的目的是采用下述技術方案實現的：

本發明提供一種直流電壓變換裝置，所述裝置為單相、兩相或兩相以上結構，每相由基本功能模塊組成，其改進之處在于，所述基本功能模塊包括串聯的器件級聯結構和子模塊級聯結構。

進一步地，所述基本功能模塊包括呈星形連接的兩組器件級聯結構S1和S4以及子模塊級聯結構；所述子模塊級聯結構的一端分別與器件級聯結構S1的一端和器件級聯結構S4的一端連接；所述器件級聯結構S1的另一端連接至低壓端子，所述器件級聯結構S4的另一端連接至接地點；所述子模塊級聯結構的另一端連接至高壓端子。

進一步地，所述基本功能模塊包括呈星形連接的兩組器件級聯結構S1和S4以及子模塊級聯結構；所述子模塊級聯結構的一端分別與器件級聯結構S1的一端和器件級聯結構S4的一端連接；所述器件級聯結構S1的另一端連接至高壓端子，所述器件級聯結構S4的另一端連接至低壓端子；所述子模塊級聯結構的另一端連接至接地點。

進一步地，所述基本功能模塊包括四組器件級聯結構S1、S4’、S1’和S4以及子模塊級聯結構；所述器件級聯結構S1和S4’連接于高壓端子與低壓端子之間，另兩組器件級聯結構S1’和S4連接于低壓端子與接地點之間；所述子模塊級聯結構一端連接至器件級聯結構S1與S4’之間的連接點，另外一端連接至器件級聯結構S1’與S4之間連接點。

進一步地，所述器件級聯結構由多個電力電子器件串聯組成，所述電力電子器件包括全控型器件(如IGBT，GTO等)及其反并聯二極管、半控型器件(如晶閘管等)或者二極管。

進一步地，所述子模塊級聯結構由多個半橋子模塊級聯結構與電抗器串聯組成、全橋子模塊級聯結構與電抗器串聯組成或全橋子模塊級聯結構與半橋子模塊級聯結構混合組成，所述半橋子模塊由全控型器件串聯后與電容器并聯組成；所述全橋子模塊由H橋與電容器并聯組成；所述H橋的每個橋臂由全控型器件(如IGBT，GTO等)組成；每個全控型器件均反并聯二極管。

進一步地，所述裝置包括至少兩個基本功能模塊時，形成兩相結構或兩相以上結構，即變換單元，所述變換單元的工作頻率為基頻或高頻。

進一步地，在所述器件級聯結構開通或關斷時，調整子模塊級聯結構的投入數量，實現器件級聯結構的軟開關功能。

本發明還提供一種直流電壓變換裝置的橋臂控制方法，所述直流電壓變換裝置中的基本功能模塊通過橋臂控制實現電壓變換；其改進之處在于，所述方法依據基本功能模塊的連接方式不同包括下述實現方式：

1)所述基本功能模塊包括呈星形連接的兩組器件級聯結構S1和S4以及子模塊級聯結構；所述子模塊級聯結構的一端分別與器件級聯結構S1的一端和器件級聯結構S4的一端連接；所述器件級聯結構S1的另一端連接至低壓端子，所述器件級聯結構S4的另一端連接至接地點；所述子模塊級聯結構的另一端連接至高壓端子；當所述器件級聯結構S1導通時，器件級聯結構S4關斷，低壓端子正極電流通過器件級聯結構S1進入子模塊級聯結構，所述子模塊級聯結構輸出的電壓為高壓端電壓減低壓端電壓，用于補償高壓端和低壓端的電壓差；當器件級聯結構S4導通時，器件級聯結構S1關斷，低壓端和高壓端的電流差通過器件級聯結構S4注入子模塊級聯結構，子模塊級聯結構輸出的電壓為高壓端電壓，用于補償高壓端對地電壓差；

2)基本功能模塊包括呈星形連接的兩組器件級聯結構S1和S4以及子模塊級聯結構；所述子模塊級聯結構的一端分別與器件級聯結構S1的一端和器件級聯結構S4的一端連接；所述器件級聯結構S1的另一端連接至高壓端子，所述器件級聯結構S4的另一端連接至低壓端子；所述子模塊級聯結構的另一端連接至接地點；當所述器件級聯結構S1導通時，所述器件級聯結構S4關斷，高壓端正極電流通過器件級聯結構S1進入子模塊級聯結構，所述子模塊級聯結構輸出的電壓為高壓端電壓，用于補償高壓端對地電壓差；當所述器件級聯結構S4導通時，所述器件級聯結構S1關斷，低壓端電流通過器件級聯結構S4注入子模塊級聯結構， 所述子模塊級聯結構輸出的電壓為低壓端電壓，用于補償低壓側對地電壓差；

3)所述基本功能模塊包括呈星形連接的四組器件級聯結構S1、S4’、S1’和S4以及子模塊級聯結構；所述器件級聯結構S1和S4’連接于高壓端子與低壓端子之間，另兩組器件級聯結構S1’和S4連接于低壓端子與接地點之間；所述子模塊級聯結構一端連接至器件級聯結構S1與S4’之間的連接點，另外一端連接至器件級聯結構S1’與S4之間連接點；當所述器件級聯結構S1和S1’導通時，所述器件級聯結構S4和S4’關斷，高壓端正極電流通過器件級聯結構S1和S1’進入子模塊級聯結構，所示子模塊級聯結構輸出的電壓為高壓端電壓減低壓端電壓，用于補償高壓端和低壓端的電壓差；當所述器件級聯結構S4和S4’導通時，所述器件級聯結構S1和S1’關斷，低壓端和高壓端的電流差通過所述器件級聯結構S4和S4’注入子模塊級聯結構，所述子模塊級聯結構輸出的電壓為低壓端電壓，用于補償低壓端對地電壓差。

與最接近的現有技術相比，本發明提供的技術方案具有的優異效果是：

1、本發明提供的技術方案可實現寬范圍的電壓變比。直流電壓等級的多樣性，要求電壓變換器能夠實現寬范圍的電壓變比，能夠滿足不同場合的要求；

2、具備雙向功率流動能力。由于直流電網功率調控的靈活性需求，直流電壓變換器需要具備雙向功率調節能力；

3、具有好的故障隔離能力。良好的直流變壓器應滿足在一側直流故障情況下，另一側的運行不受到任何影響，即具備故障隔離能力；

4、低的投資、損耗和占地水平。良好的直流變壓器應投資少，具備低損耗水平，同時相應的組件不宜過多導致占地過大。

為了上述以及相關的目的，一個或多個實施例包括后面將詳細說明并在權利要求中特別指出的特征。下面的說明以及附圖詳細說明某些示例性方面，并且其指示的僅僅是各個實施例的原則可以利用的各種方式中的一些方式。其它的益處和新穎性特征將隨著下面的詳細說明結合附圖考慮而變得明顯，所公開的實施例是要包括所有這些方面以及它們的等同。

附圖說明

附圖用來提供對本發明的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與本發明的實施例一起用于解釋本發明，并不構成對本發明的限制。在附圖中：

圖1是本發明提供的半橋或全橋子模塊結構圖，其中(a)為半橋子模塊結構；(b)為全 橋子模塊結構；

圖2是本發明提供的基本功能模塊結構圖，其中(a)為基本功能模塊結構圖一；(b)為基本功能模塊結構圖二；(c)為基本功能模塊結構圖三；

圖3是本發明提供的三相變換單元結構圖，其中(a)為三相變換單元結構圖一；(b)為三相變換單元結構圖二；(c)為三相變換單元結構圖三。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步的詳細說明。

以下描述和附圖充分地示出本發明的具體實施方案，以使本領域的技術人員能夠實踐它們。其他實施方案可以包括結構的、邏輯的、電氣的、過程的以及其他的改變。實施例僅代表可能的變化。除非明確要求，否則單獨的組件和功能是可選的，并且操作的順序可以變化。一些實施方案的部分和特征可以被包括在或替換其他實施方案的部分和特征。本發明的實施方案的范圍包括權利要求書的整個范圍，以及權利要求書的所有可獲得的等同物。在本文中，本發明的這些實施方案可以被單獨地或總地用術語“發明”來表示，這僅僅是為了方便，并且如果事實上公開了超過一個的發明，不是要自動地限制該應用的范圍為任何單個發明或發明構思。

本發明提供一種直流電壓變換裝置，所述裝置為單相或者多相結構，每相由基本功能模塊組成，所述基本功能模塊包括串聯的器件級聯結構和子模塊級聯結構；主要有三種實現形式：

如圖2(a)所示，所述基本功能模塊包括呈星形連接的兩組器件級聯結構S1和S4以及子模塊級聯結構；所述子模塊級聯結構的一端分別與器件級聯結構S1的一端和器件級聯結構S4的一端連接；所述器件級聯結構S1的另一端連接至低壓端子(V_L)，所述器件級聯結構S4的另一端連接至接地點；所述子模塊級聯結構的另一端連接至高壓端子(V_H)。

如圖2(b)所示，所述基本功能模塊包括呈星形連接的兩組器件級聯結構S1和S4以及子模塊級聯結構；所述子模塊級聯結構的一端分別與器件級聯結構S1的一端和器件級聯結構S4的一端連接；所述器件級聯結構S1的另一端連接至高壓端子(V_H)，所述器件級聯結構S4的另一端連接至低壓端子(V_L)；所述子模塊級聯結構的另一端連接至接地點。

如圖2(c)所示，所述基本功能模塊包括呈星形連接的四組器件級聯結構S1、S4’、S1’和S4以及子模塊級聯結構；所述器件級聯結構S1和S4’連接于高壓端子(V_H)與低壓端子(V_L)之間，另兩組器件級聯結構S1’和S4連接于低壓端子(V_L)與接地點之間；所述子 模塊級聯結構一端連接至器件級聯結構S1與S4’之間的連接點，另外一端連接至器件級聯結構S1’與S4之間連接點。

器件級聯結構由多個電力電子器件串聯組成，所述電力電子器件包括全控型器件(如IGBT，GTO等)及其反并聯二極管、半控型器件(如晶閘管等)或者二極管。

子模塊級聯結構由多個半橋子模塊級聯結構與電抗器串聯組成或全橋子模塊級聯結構與電抗器串聯組成，所述半橋子模塊由全控型器件串聯支路與電容器并聯組成；所述全橋子模塊由H橋與電容器并聯組成；所述H橋的每個橋臂由全控型器件組成；每個全控型器件(如IGBT，GTO等)均反并聯二極管，半橋或全橋子模塊結構圖如圖1(a)和(b)所示。

基本功能模塊可以拓展至兩相結構，或者增加相數至三相甚至更多相，三相變換單元結構圖如圖3(a)、(b)和(c)所示，從而形成變換單元，變換單元又可以形成并聯或者雙極結構。同時，變換單元的工作頻率不限于基頻，還可以是高頻運行。

本發明的直流變換裝置拓撲的另外一種有利特點是，通過在器件級聯結構開通或者關斷時刻，調整子模塊級聯結構投入的數量，可以有效實現器件級聯結構的軟開關。

本發明還提供一種直流電壓變換裝置的橋臂控制方法，所述直流電壓變換裝置中的基本功能模塊通過橋臂控制實現電壓變換；包括：

1、對于圖2(a)給出的基本功能模塊結構，當所述器件級聯結構S1導通時，器件級聯結構S4關斷，低壓端子正極電流通過器件級聯結構S1進入子模塊級聯結構，所述子模塊級聯結構輸出的電壓為高壓端電壓減低壓端電壓，用于補償高壓端和低壓端的電壓差；當器件級聯結構S4導通時，器件級聯結構S1關斷，低壓端和高壓端的電流差通過器件級聯結構S4注入子模塊級聯結構，子模塊級聯結構輸出的電壓為負的高壓端電壓，用于補償高壓端對地電壓差。

2、對于圖2(b)給出的基本功能模塊結構，當所述器件級聯結構S1導通時，所述器件級聯結構S4關斷，高壓端正極電流通過器件級聯結構S1進入子模塊級聯結構，所述子模塊級聯結構輸出的電壓為高壓端電壓，用于補償高壓端對地電壓差；當所述器件級聯結構S4導通時，所述器件級聯結構S1關斷，低壓端電流通過器件級聯結構S4注入子模塊級聯結構，所述子模塊級聯結構輸出的電壓為低壓端電壓，用于補償低壓側對地電壓差。

3、對于圖2(c)給出的基本功能模塊結構，當所述器件級聯結構S1和S1’導通時，所述器件級聯結構S4和S4’關斷，高壓端正極電流通過器件級聯結構S1和S1’進入子模塊級聯結構，所示子模塊級聯結構輸出的電壓為高壓端電壓減低壓端電壓，用于補償高壓端和低壓端的電壓差；當所述器件級聯結構S4和S4’導通時，所述器件級聯結構S1和S1’關 斷，低壓端和高壓端的電流差通過所述器件級聯結構S4和S4’注入子模塊級聯結構，所述子模塊級聯結構輸出的電壓為低壓端電壓，用于補償低壓端對地電壓差。

本發明提供的直流電壓變換裝置僅采用器件串聯結構和一定數量的子模塊串聯實現電壓變換，投資少，損耗小，同時，高頻運行對損耗的提升少；兩端直流側電壓電流質量高，不需要其他濾波器；功率雙向流動，同時變比范圍寬。

在上述的詳細描述中，各種特征一起組合在單個的實施方案中，以簡化本公開。不應該將這種公開方法解釋為反映了這樣的意圖，即，所要求保護的主題的實施方案需要清楚地在每個權利要求中所陳述的特征更多的特征。相反，如所附的權利要求書所反映的那樣，本發明處于比所公開的單個實施方案的全部特征少的狀態。因此，所附的權利要求書特此清楚地被并入詳細描述中，其中每項權利要求獨自作為本發明單獨的優選實施方案。

本領域技術人員還應當理解，結合本文的實施例描述的各種說明性的邏輯框、模塊、電路和算法步驟均可以實現成電子硬件、計算機軟件或其組合。為了清楚地說明硬件和軟件之間的可交換性，上面對各種說明性的部件、框、模塊、電路和步驟均圍繞其功能進行了一般地描述。至于這種功能是實現成硬件還是實現成軟件，取決于特定的應用和對整個系統所施加的設計約束條件。熟練的技術人員可以針對每個特定應用，以變通的方式實現所描述的功能，但是，這種實現決策不應解釋為背離本公開的保護范圍。

上文的描述包括一個或多個實施例的舉例。當然，為了描述上述實施例而描述部件或方法的所有可能的結合是不可能的，但是本領域普通技術人員應該認識到，各個實施例可以做進一步的組合和排列。因此，本文中描述的實施例旨在涵蓋落入所附權利要求書的保護范圍內的所有這樣的改變、修改和變型。此外，就說明書或權利要求書中使用的術語“包含”，該詞的涵蓋方式類似于術語“包括”，就如同“包括，”在權利要求中用作銜接詞所解釋的那樣。此外，使用在權利要求書的說明書中的任何一個術語“或者”是要表示“非排它性的或者”。

最后應當說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制，盡管參照上述實施例對本發明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員依然可以對本發明的具體實施方式進行修改或者等同替換，這些未脫離本發明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請待批的本發明的權利要求保護范圍之內。