一種基于電容分壓結構的高壓直流變壓器及其控制方法
【專利說明】
【技術領域】
[0001]本發明屬于柔性直流輸電及高壓直流變換研究領域，特別涉及一種基于電容分壓結構的高壓直流變壓器及其控制方法。
【【背景技術】】
[0002]隨著能源危機加劇和環境污染日益嚴重，我國正大力開發和利用可再生能源等清潔能源技術[I]。然而，隨著風能、太陽能等可再生能源利用規模日益擴大，其分布式、間歇性等特點使得采用傳統的交流電力系統實現大規模新能源接入面臨電力系統調峰、電力系統安全、電能質量等多方面問題。基于交流網的以上問題，發展直流電網技術已成為解決當前大規模可再生能源接入、滿足能源需求的重要途徑。
[0003]與交流電網相比，直流電網具有輸送功率容量大、損耗小、輸送距離遠、穩定性好等特點，而有廣闊的應用前景。受到傳統DCDC變換器耐壓及容量的限制，目前存在的直流電網中仍然要工頻變壓器來實現和交流電網相連進行電壓變換和聯網，直流輸電仍然作為交流輸電一種輔助功能，沒有直接用于用電設備。為了適應將來將高壓直流輸電直接應用于用電設備，尤其對大規模非并網風力發電等獨立電力系統，需要具有和交流隔離變壓器功能類似的高電壓、大功率DCDC直流變壓裝置，將高壓直流電轉換成滿足用電設備需求的低壓直流電。目前，主要主要研究的方案有以下三種:
[0004](I)器件串聯來承壓；單個IGBT無法滿足非并網風電傳輸系統中直流電壓的范圍要求。目前研究較多的是直接將IGBT串聯使用，在滿足高耐壓要求的同時還可以減少整個系統的成本。由于結構的特殊性及觸發裝置的誤差，實際應用中串聯器件之間會產生端電壓靜態和動態不均衡的問題，將導致過電壓而大大影響器件的使用壽命和電路的工作效率，損壞設備，造成經濟損失。
[0005](2)直流多電平變換器；多電平變換器與兩電平變換器相比，具有開關器件電壓應力低，輸出紋波小等優點，適合應用于高壓大功率場合。多電平直流變換器雖能承受更高的輸入電壓，但隨著電平數的增加，電路拓撲變得復雜，使得其檢測和控制也變得更加的復雜O
[0006](3)多模塊輸入串聯組合變換器。將多個DC-DC變換器模塊輸入串聯，輸出并聯，可以得到輸入串聯輸出并聯(Input-Series Output-Parallel, I SOP)組合變換器，ISOP組合變換器由于其模塊輸入均壓(可使用低壓器件)、輸出均功率等優點，適用于輸入電壓高、輸出電壓低電流大的應用場合。其缺點也比較明顯:隨著模塊的增加，開關器件的數量也大幅增加，器件損耗增大，造成裝置效率不高。
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【發明內容】
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[0007]本發明提供了一種基于電容分壓結構的高壓直流變壓器及其控制方法，采用電容分壓降壓輸出的原理實現DCDC變換，通過控制閉環穩定各個電容電壓的方法，實現能量在串聯電容間的順序傳遞，實現輸出穩壓的目標。
[0008]本發明采用以下技術方案:
[0009]—種基于電容分壓結構的高壓直流變壓器，包括串聯的電容組和輔助電路；所述串聯的電容組至少包括一個分壓電容C3和一個輸出電容C4 ;所述輔助電路包括電感L3，以及開關S3和開關S6，其中，開關S3和電感L3串聯后并聯在分壓電容C3的兩端；當開關S3斷開時，電感L3通過開關S6并聯在輸出電容C4的兩端；所述輸出電容的兩端并聯DC低壓偵牝分壓電容Cl和輸出電容C4的兩端并聯DC高壓側。
[0010]該高壓直流變壓器進一步包括有中央控制器，分壓電容C3、電感L3和開關S3構成一級電容控制回路，該電容控制回路包括有PWM穩壓控制系統。
[0011]所述中央控制器包括功率方向判別模塊和電容電壓參考值計算模塊，所述功率方向判別模塊通過采樣高壓側和低壓側的電流和電壓值，判斷功率流動方向，從而確定電壓控制策略，電容電壓參考值計算模塊根據確定的電壓控制策略，計算PWM穩壓控制器的給定電壓，以此控制電壓穩定。
[0012]所述PffM穩壓控制系統通過調節對應的兩個開關導通的占空比穩定電壓。
[0013]每一級的PffM穩壓控制系統獨立控制。
[0014]所述中央控制器進一步包括有過流、過壓、功率保護模塊，通過檢測高壓、低壓側的電流電壓，判斷是否超過設定閾值，從而輸出開關管的保護驅動信號。
[0015]分壓電容C3、電感L3、開關S3和開關S6形成一級能量電路，所述的高壓直流變壓器包括有多級能量電路，多級能量電路之間串聯連接，保證:當功率由高壓側流向低壓側時，將最上一級電容的能量逐級搬運到輸出電容上；當功率由低壓側流向高壓側時，將最底一級電容的能量逐級搬運到上層電容上。
[0016]—種基于電容分壓結構的高壓直流變壓器的控制方法，包括以下步驟:(1)分別采集高壓側和低壓側的電流和電壓，計算功率方向，然而確定選擇升壓控制或降壓控制；
(2)采集功率輸入側的高壓，計算獨立PffM穩壓控制系統的給定電壓，PffM穩壓控制系統根據給定電壓調節對應的兩個開關導通的占空比，穩定電壓。
[0017]在步驟(2)中，通過采樣功率輸入側的電壓值，根據變壓器的變比，計算每一級電容電壓的參考值，發送給各級的PWM穩壓控制系統，作為PWM穩壓控制系統的給定電壓。
[0018]與現有技術相比，本發明至少具有以下有益效果:本發明采用電容分壓降壓輸出的原理實現DCDC變換，通過控制閉環穩定各個電容電壓的方法，實現能量在串聯電容間的順序傳遞，實現輸出穩壓的目標。
[0019]每一級電容只需兩個開關器件配合，結構簡單，控制簡單；同電壓、同功率等級下，與多模塊輸入串聯輸出并聯組合變換器結構相比開關器件使用數量明顯降低，使得開關損耗大大降低，裝置效率將大幅提高；由于損耗降低，裝置的散熱條件和散熱器體積將會降低，整體裝置體積和重量也可以大大減小。
【【附圖說明】】
[0020]圖1是本發明的主電路拓撲圖；
[0021 ] 圖2是本發明控制結構框圖；
[0022]圖3是本發明中央控制器功能框圖；
[0023]圖4是本發明主電路拓撲模塊化結構圖；
[0024]圖5是本發明三模塊串聯結構的低壓側輸入電容電壓及高壓側電容串聯輸出電壓的仿真波形；
[0025]圖6是本發明三模塊串聯結構中模塊的儲能電感電流、電感串聯開關管電流、及開關器件驅動信號的仿真波形。
【【具體實施方式】】
[0026]下面結合附圖對本發明做詳細描述:
[0027]圖1所示為本發明提供的一種基于電容分壓結構的高壓直流變壓器的主電路拓撲，為了方便敘述，以四個電容串聯分壓結構為例(實際可以根據直流變比確定串聯電容個數)進行說明:
[0028]本發明提供的一種基于電容分壓結構的高壓直流變壓器包括串聯的電容組和輔助電路，所述電容組包括分壓電容Cl、分壓電容C2、分壓電容C3，以及輸出電容C4 ;所述輔助電路包括電感L1、電感L2、電感L3，以及開關S1、開關S2、開關S3、開關S4、開關S5，以及開關S6。其中，開關SI和電感LI串聯后并聯在電容Cl的兩端，開關S2和電感L2串聯后并聯在電容C2的兩端，開關S3和電感L3串聯后并聯在電容C3的兩端；當開關SI斷開時，電感LI通過開關S4并聯在分壓電容C2的兩端；當開關S2斷開時，電感L2通過開關S5并聯在分壓電容C3的兩端；當開關S3斷開時，電感L3通過開關S6并聯在輸出電容C4的兩端；輸出電容的兩端并聯DC低壓側，串聯在一起的分壓電容Cl至C4的兩端并聯DC高壓側。
[0029]實現原理如下所述:
[0030]I)實現降壓時，功率由高壓側流向低壓側，通過電容串聯，使高壓側電壓在串聯電容上分壓，通過一個或多個電容輸出電壓從而實現降壓DCDC變換。如果僅采用電容分壓后直接輸出電壓，C1、C2、C3、C4的電壓分布就會產生變化，由于輸出電容C4上接有負載，輸出電容C4上的電壓將逐漸降為零，而分壓電容Cl、C2、C3上的電壓會逐漸上升，從而輸出電容C4無法實現正常穩壓輸出。所以需要附加輔助電路來維持各個電容上