一種星角型整流式大功率直流升壓變換器及其控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種大容量、高效率、低紋波的直流升壓裝置，可應用帶有可再生新能源的直流輸電領域，對于大規模光伏電站、風電場輸出的直流電壓進行升壓后匯入高壓直流母線用于直流輸電。
【背景技術】
[0002]隨著電力電子技術的發展以及大量的可再生新能源的并網，直流輸電的優勢逐漸體現出來。相比于交流輸電，直流輸電在很多的領域具有技術和經濟的優勢，如線路成本低、輸電損耗小、供電可靠性高等。直流輸電只有兩條線路，所需的建設費用少，且在輸送同樣的功率條件下的損耗遠遠小于交流，同時直流輸電不存在頻率穩定和無功功率的問題，電磁輻射也小。由于這些優勢，近年，高壓直流輸電在我國已有了很好的發展，已有一大批的高壓直流輸電項目投入了運行。
[0003]傳統的直流輸電采用交流匯集與直流傳輸并網的模式，該模式技術成熟且已有了很多應用案例。如2006年建成的容量為3000MW的三峽一上海±500kv直流輸電系統、2014年建成的容量為8000MW的哈密南-鄭州海±800kv直流輸電系統。對于傳統的水電廠、火電廠其水輪機或汽輪機輸出電能為交流，所以直接采用交流匯入方便高效。但是隨著大量的可再生新能源的接入，大規模的光伏電站、風電場輸出的電能本身為直流(風機輸出的電能一般要經過整流的環節)，這與當前的交流匯入的方式并不太兼容。于是，有相關的學者提出一種直流匯入與直流傳輸并網的新模式。當前，該模式并無典型的應用案例，且需要大功率直流變壓裝置技術的突破。
[0004]傳統的直流變壓采用斬波技術，而該技術只適用于低壓小功率場合。對于需要進行高壓大功率直流變壓的直流輸電場合，新的直流變壓技術與思路需要被提出。大功率直流變壓裝置需要解決的兩大技術難題為低壓側電流容量與高壓側耐壓的問題。通常的解決方案為進行串并聯連接，并聯分流以解決電流容量的問題。串聯分壓以解決耐壓的問題。但是串并聯又會引入環流以及需要增加冗余提高可靠性的問題。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題是，針對現有技術不足，提供一種星角型整流式大功率直流升壓變換器及其控制方法。
[0006]為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案是:一種星角型整流式大功率直流升壓變換器，包括上下兩個前級η型CLC濾波裝置、上下兩個三相逆變橋、上下兩個三相三繞組升壓變壓器以及上下兩組六相二極管整流橋;所述上下兩個三相逆變橋輸出相差為15°角的兩組三相對稱電壓;所述上下兩個三相逆變橋分別接入上三相三繞組變壓器和下三相三繞組升壓變壓器，兩個三相三繞組變壓器的第一副邊與原邊均采用星形接法，第二副邊與原邊均采用三角形接法;上下兩組三相三繞組升壓變壓器的兩組電壓分別送入上下兩組六相二極管整流橋;兩組六相二極管整流橋串聯連接，且串聯中點引出接地。
[0007]本發明還提供了一種上述星角型整流式大功率直流升壓變換器的控制方法，包括以下步驟:
[0008]1)將給定輸出功率P分別除以高壓直流側電壓[^與―，得到上下兩個三相逆變橋輸出電流的指令值Irrfl和Irrf2;
[0009]2)采樣高壓直流側輸出電流進行低通濾波，然后將低通濾波后的輸出電流對應與輸出電流的指令值Irrfl、Irrf2相減，并將所得的兩個誤差送入PI控制器；
[0010]3)將PI控制器輸出值分別除以輸入側電壓值Uu與Ul2，然后進行三相正弦變換，形成上下兩個三相逆變橋總共6個橋臂的信號波；其中兩組三相正弦變換的參考相位分別為0°和15°，分別對應于上三相逆變橋和下三相逆變橋；
[0011]4)將上述信號波與載波比較后形成PWM信號，控制上下兩個三相逆變橋開關管的開通和關斷，輸出期望的交流電壓信號，經過六相二極管整流橋整流輸出期望的直流電流。
[0012]與現有技術相比，本發明所具有的有益效果為:本發明裝置具有輸送功率大、效率高、高壓側紋波低的特點，原邊能過大電流，副邊可耐高電壓;逆變器輸出三相電壓接入三相三繞組變壓器，其中三繞組變壓器的副邊一采用星形接法，副邊二與原邊采用三角形接法，將電壓接入六相二極管整流橋后整流橋后，輸出12脈波側直流電壓，紋波含量低;控制兩組逆變橋輸出相角差為15°角的兩組三相對稱電壓。將后級的兩組二極管整流橋串聯連接，將中點引出接地，形成雙極性的直流拓撲結構，極間便為24脈波的直流電壓，前級的逆變亦可輸出高頻的交流電壓，如輸出兩倍工頻甚至更高頻率的六相電壓，其后級的直流紋波將會進一步的減小；后級的二極管整流橋各橋臂采用多組二極管串聯的方式，極大的提高了整流橋高壓側的耐壓值;利用中級的變壓器進行升壓，改變了以往直流斬波升壓的思路，將直流升壓的操作換到交流中進行，巧妙的解決了大功率直流變壓困難的難題;低壓直流源輸出接η型CLC濾波裝置，很好的濾除了灌入低壓直流源的諧波電流。
【附圖說明】
[0013]圖1為光伏陣列直流匯集的連接示意圖；
[0014]圖2為本發明所述的大功率雙極性直流升壓裝置拓撲圖；
[0015]圖3(a)和圖3(b)為兩組三相相逆變器輸出電壓矢量圖；
[0016]圖4(a)和圖4(b)為兩組三相三繞組變壓器輸出電壓矢量圖；
[0017]圖5為電流閉環控制框圖。
【具體實施方式】
[0018]圖1為本發明在光伏發電并網中的一個具體應用。如圖所示，光伏陣列可視為一個低壓大電流的直流源，為實現其并網，先要將其電能匯入高壓的直流母線。本發明為其電能的匯入提供了接口。
[0019]參見圖2，本發明的前級逆變橋光伏陣列的直流電壓逆變為兩對相差為15°的對稱三相交流電(如圖3所示)。六相交流電頻率與電壓由逆變橋的控制回路調節。輸出電壓頻率可控制在50Hz?500Hz。兩組三相對稱電壓分別接入兩個三相三繞組變壓器，由前文分析可知，此時，兩個三相三繞組變壓器輸出兩組相差為15°的六相電壓(如圖4所示)。將這兩組電壓送入六相二極管整流橋整成12脈波的直流電壓。其中二極管整流橋每個橋臂的二極管采用多組串聯的方式，以提高耐壓值。兩個六相整流橋的串行連接，中點接地，形成雙極性形式，這樣兩個整流橋的輸出即為24脈波的直流電壓，即為本發明的后級輸出。輸出的電壓直接匯入高壓的直流母線。高壓直流匯集母線可吸收多組的直流升壓變壓器輸出。
[0020]如圖2所示，先將低壓直流側電壓逆變為交流后通過變壓器升壓，最后整流為高壓的直流。其中前級由兩個三相逆變橋組成，且由控制器控制輸出相差為15°角的兩組三相對稱電壓；中間級為兩個三相三繞組電壓器，其中三繞組變壓器的副邊一采用星形接法，副邊二與原邊采用三角形接法。這時副邊一與副邊二的輸出的電壓相角差為30°。后級為六個橋臂的二極管不可控整流裝置，變壓器輸出的兩組電壓分別送入兩組六相二極管整流橋，單個整流橋輸出12脈波的直流電壓。將兩組二極管整流橋串聯連接，將中點引出接地，形成雙極性的直流拓撲結構。每個整流橋的橋臂采用多個二極管串聯，以提高耐壓值。
[0021]參見圖3(a)和圖3(b)為兩組三相相逆變器輸出電壓矢量圖。其中圖3(a)中的Ua、Ub、Uc為上逆變橋輸出電壓矢量，圖3(b)中的Ud、Ue、Uf為下逆變橋輸出電壓矢量。兩組電壓矢量的相角互差15°。
[0022]參見圖4(a)和圖4(b)為兩組三相三繞組變壓器輸出電壓矢量圖。其中圖4(a)中的UA1、UB1、UC1為第一組三相三繞組變壓器副邊一輸出的電壓矢量，UA2、UB2、UC2為第一組三相三繞組變壓器副邊二輸出的電壓矢量；圖4(b)中的UD1、UE1、UF1S第二組三相三繞組變壓器副邊一輸出的電壓矢量，UD2、UE2、UF2為第二組三相三繞組變壓器副邊一輸出的電壓矢量。四組電壓矢量輸出，通過二極管整流形成24脈波直流輸出。
[0023 ]參見圖5，為控制逆變橋的輸出功率，本發明采樣輸出側電流做PI調節，該方法包括以下步驟:
[0024]1)將給定功率輸出P分別除以高壓直流側電壓[^與!^得到上下兩個逆變橋輸出電流的指令值Irefl和Irrf2;
[0025]2)采樣高壓直流側輸出電流ΙοΑΙμ，進行低通濾波，后與輸出電流的指令值Irrfl和Irrf2分別相減，誤差送入PI控制調節；
[0026]3)將PI調節輸出分別除以輸入側電壓值Uu與Ul2，后進行三相正弦變換，形成上下兩個逆變橋總共6個橋臂的信號波;其中兩組三相正弦變換的參考相位分別為0°和15°，分別對應于上逆變橋和下逆變橋。
[0027]4)信號波與載波比較后形成PWM信號控制IGBT的開關，輸出期望的交流電壓信號，經過二極管整流輸出期望的直流電流。
【主權項】
1.一種星角型整流式大功率直流升壓變換器，其特征在于，包括上下兩個前級31型CLC濾波裝置、上下兩個三相逆變橋、上下兩個三相三繞組升壓變壓器以及上下兩組六相二極管整流橋;所述上下兩個三相逆變橋輸出相差為15°角的兩組三相對稱電壓;所述上下兩個三相逆變橋分別接入上三相三繞組變壓器和下三相三繞組升壓變壓器，兩個三相三繞組變壓器的第一副邊與原邊均采用星形接法，第二副邊與原邊均采用三角形接法;上下兩組三相三繞組升壓變壓器的兩組電壓分別送入上下兩組六相二極管整流橋;兩組六相二極管整流橋串聯連接，且串聯中點引出接地。2.—種權利要求1所述星角型整流式大功率直流升壓變換器的控制方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)將給定輸出功率P分別除以高壓直流側電壓^與―，得到上下兩個三相逆變橋輸出電流的指令值Irefl和Irrf2; 2)采樣高壓直流側輸出電流進行低通濾波，然后將低通濾波后的輸出電流對應與輸出電流的指令值Irrfl、Irrf2相減，并將所得的兩個誤差送入PI控制器； 3)將PI控制器輸出值分別除以輸入側電壓值Uu與Ul2，然后進行三相正弦變換，形成上下兩個三相逆變橋總共6個橋臂的信號波；其中兩組三相正弦變換的參考相位分別為0°和15°，分別對應于上三相逆變橋和下三相逆變橋； 4)將上述信號波與載波比較后形成PWM信號，控制上下兩個三相逆變橋開關管的開通和關斷，輸出期望的交流電壓信號，經過六相二極管整流橋整流輸出期望的直流電流。
【專利摘要】本發明公開了一種星角型整流式大功率直流升壓變換器及其控制方法，升壓變換器包括兩個前級π型CLC濾波裝置、兩個三相逆變橋、兩個三相三繞組升壓變壓器以及兩個六相二極管整流橋；π型CLC濾波裝置濾除灌入低壓直流網絡的交流諧波電流；控制兩個三相逆變器輸出相差為15°角的兩組三相對稱電壓；兩組三相對稱電壓分別接入三相三繞組變壓器，變壓器采用Y/Y/△接法。變壓器輸出的兩組電壓分別送入兩組六相二極管整流橋，單個整流橋輸出12脈波的直流電壓。將兩組二極管整流橋串聯連接，將中點引出接地。本發明的直流升壓裝置容量大、效率高、高壓輸出側直流紋波低，在直流輸電領域有很好的應用前景。
【IPC分類】H02M7/25, H02M3/335
【公開號】CN105429472
【申請號】CN201511005834
【發明人】羅安, 何志興, 馬伏軍, 賀西, 徐千鳴, 易偉浪
【申請人】湖南大學
【公開日】2016年3月23日
【申請日】2015年12月29日