CN111541370B - 用于真伪双极互联的柔性直流输电dc/dc变换器 - Google Patents
用于真伪双极互联的柔性直流输电dc/dc变换器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于真伪双极互联的柔性直流输电DC/DC变换器，所述柔性直流输电DC/DC变换器包括晶闸管串Tu1～Tu4、晶闸管串Tl1～Tl4、晶闸管串T1～T2、半桥子模块SMu1～SMuN、半桥子模块SMl1～SMlN、电感L1～L2，半桥子模块SMu1～SMuN和半桥子模块SMu1～SMuN根据各自对应的半桥子模块驱动信号，同步地实现充电或放电，从而当DC/DC变换器的直流低压侧与直流高压侧之间发生功率传输时，能够维持换流器的能量平衡。本发明能在真双极侧需要单极独立运行时继续正常运行而不会导致输送功率完全中断，且具备不需要交流变压器、子模块少、成本低而且体积重量小的特点。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术和柔性直流输电领域，涉及一种柔性直流输电DC/DC变换器，具体涉及一种用于真伪双极互联的柔性直流输电DC/DC变换器。
背景技术
柔性直流输电的网络化是未来的必然趋势，因此需要高压大容量的DC/DC变换器将不同电压等级的直流输电线路互联起来。考虑目前技术水平下的电力电子器件的耐压水平、滤波器体积、变换器效率等因素，采用模块化技术路线是唯一可行的方案。
CN106160463A中提出了一种混合式模块化DC/DC变换器，该DC/DC变换器不需要配置交流变压器和大容量滤波器，有效降低了变换器体积和重量，并且需要的子模块数量少，降低了成本并且提升了效率。但该DC/DC变换器用于连接真双极和伪双极直流输电系统时，不能充分利用真双极系统能够单极独立运行的特点，当真双极一极发生故障或需要检修时，只能完全停止能量传输，具有一定的局限性。
发明内容
为了解决现有的混合式模块化DC/DC变换器在连接真双极和伪双极直流电网时真双极侧无法单极独立运行的问题，本发明提供了一种用于真伪双极互联的柔性直流输电DC/DC变换器。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种用于真伪双极互联的柔性直流输电DC/DC变换器，包括晶闸管串、正极半桥子模块串、负极半桥子模块串、电感L1和电感L2，其中：
所述晶闸管串包括晶闸管串Tu1、晶闸管串Tu2、晶闸管串Tu3、晶闸管串Tu4、晶闸管串Tl1、晶闸管串Tl2、晶闸管串Tl3、晶闸管串Tl4、晶闸管串T1和晶闸管串T2；
所述晶闸管串Tu1、晶闸管串Tu2、晶闸管串Tu3、晶闸管串Tu4、晶闸管串Tl1、晶闸管串Tl2、晶闸管串Tl3、晶闸管串Tl4、晶闸管串T1和晶闸管串T2的电路结构均相同，每个晶闸管串均包括多个正向串联的晶闸管；
所述正极半桥子模块串包括半桥子模块SMu1～半桥子模块SMuN，负极半桥子模块串包括半桥子模块SMl1～半桥子模块SMlN，所有半桥子模块的电路结构均相同，对于正极半桥子模块串和负极半桥子模块串，子模块串中的半桥子模块的电流输出端依次与下一个半桥子模块的电流输入端相连；
所述晶闸管串Tu1和晶闸管串Tu3反向并联，分别与直流低压侧正极和半桥子模块SMu1的电流输入端相连，晶闸管串Tu2和晶闸管串Tu4反向并联，分别与直流高压侧正极和半桥子模块SMu1的电流输入端相连；
所述晶闸管串Tl1和晶闸管串Tl3反向并联，分别与直流低压侧负极和半桥子模块SMlN的电流输出端相连，晶闸管串Tl2和晶闸管串Tl4反向并联，分别与直流高压侧负极和半桥子模块SMlN的电流输出端相连；
所述半桥子模块SMuN的电流输出端与电感L1的第一端相连，电感L1的第二端与电感L2的第一端相连，电感L2的第二端与半桥子模块SMl1的电流输入端相连；
所述晶闸管串T1和晶闸管串T2反向并联，分别与电感L1和电感L2的公共端和接地端相连；
所述半桥子模块SMu1～半桥子模块SMuN以及半桥子模块SMu1～半桥子模块SMuN根据各自对应的半桥子模块驱动信号，同步地实现充电或放电，从而当DC/DC变换器的直流低压侧与直流高压侧之间发生功率传输时，能够维持换流器的能量平衡。
一种上述用于真伪双极互联的柔性直流输电DC/DC变换器的控制方法，包括如下步骤：
步骤一、当真双极和伪双极侧都正常运行时，根据DC/DC变换器高低压侧之间的功率传输方向设置晶闸管串Tu1、晶闸管串Tu2、晶闸管串Tu3、晶闸管串Tu4、晶闸管串Tl1、晶闸管串Tl2、晶闸管串Tl3、晶闸管串Tl4、晶闸管串T1、晶闸管串T2的通断状态；控制半桥子模块SMu1～半桥子模块SMuN以及半桥子模块SMl1～半桥子模块SMlN的充电或放电状态，从而在变换器进行直流高低压侧能量转换时，维持换流器内部能量平衡；
步骤二、当真双极侧因故障和检修等原因需要单极独立运行时，根据DC/DC变换器高低压侧之间的功率传输方向以及真双极侧两极中需要正常运行的极的极性来设置晶闸管串Tu1、晶闸管串Tu2、晶闸管串Tu3、晶闸管串Tu4、晶闸管串Tl1、晶闸管串Tl2、晶闸管串Tl3、晶闸管串Tl4、晶闸管串T1、晶闸管串T2的通断状态；通过控制真双极侧正常运行的一极所对应的子模块串的充电或放电状态以实现变换器能量平衡，真双极侧停止运行的一极所对应的子模块串则始终保持旁路状态。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
本发明的DC/DC变换器能够在真双极侧需要单极独立运行时继续正常运行而不会导致输送功率完全中断，且具备不需要交流变压器、子模块少、成本低而且体积重量小的特点；适用于实现不同电压等级的真伪双极直流电网的互联。
附图说明
图1为本发明提出的用于真伪双极互联的柔性直流输电DC/DC变换器的电路原理图；
图2为晶闸管串的电路原理图；
图3为半桥子模块的电路原理图；
图4为本发明提出的DC/DC变换器的控制原理框图；
图5为本发明提出的DC/DC变换器正常运行工作原理示意图；
图6为本发明提出的DC/DC变换器真双极侧单极独立运行工作原理示意图；
图7为本发明提出的DC/DC变换器的三相并联衍生拓扑结构电路原理图；
图8为本发明提出的DC/DC变换器中的晶闸管串替换为IGCT开关管串的电路原理图；
图9为本发明提出的DC/DC变换器中的晶闸管串替换为IGBT开关管串的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提供了一种用于真伪双极互联的柔性直流输电DC/DC变换器，如图1所示，所述柔性直流输电DC/DC变换器包括晶闸管串Tu1、晶闸管串Tu2、晶闸管串Tu3、晶闸管串Tu4、晶闸管串Tl1、晶闸管串Tl2、晶闸管串Tl3、晶闸管串Tl4、晶闸管串T1和晶闸管串T2、正极半桥子模块串、负极半桥子模块串、电感L1和电感L2，其中：
所述晶闸管串Tu1、晶闸管串Tu2、晶闸管串Tu3、晶闸管串Tu4、晶闸管串Tl1、晶闸管串Tl2、晶闸管串Tl3、晶闸管串Tl4、晶闸管串T1和晶闸管串T2的电路结构均相同，如图2所示，每个晶闸管串均包括多个正向串联的晶闸管；
所述正极半桥子模块串包括半桥子模块SMu1～半桥子模块SMuN，负极半桥子模块串包括半桥子模块SMl1～半桥子模块SMlN，如图3所示，所有半桥子模块的电路结构均相同，对于正极半桥子模块串和负极半桥子模块串，子模块串中的半桥子模块的电流输出端依次与下一个半桥子模块的电流输入端相连；
所述晶闸管串Tu1和晶闸管串Tu3反向并联，分别与直流低压侧正极和半桥子模块SMu1的电流输入端相连，晶闸管串Tu2和晶闸管串Tu4反向并联，分别与直流高压侧正极和半桥子模块SMu1的电流输入端相连；
所述晶闸管串Tl1和晶闸管串Tl3反向并联，分别与直流低压侧负极和半桥子模块SMlN的电流输出端相连，晶闸管串Tl2和晶闸管串Tl4反向并联，分别与直流高压侧负极和半桥子模块SMlN的电流输出端相连；
所述半桥子模块SMuN的电流输出端与电感L1的第一端相连，电感L1的第二端与电感L2的第一端相连，电感L2的第二端与半桥子模块SMl1的电流输入端相连；
所述晶闸管串T1和晶闸管串T2反向并联，分别与电感L1和电感L2的公共端和接地端相连；
所述半桥子模块SMu1～半桥子模块SMuN以及半桥子模块SMu1～半桥子模块SMuN根据各自对应的半桥子模块驱动信号，同步地实现充电或放电，从而当DC/DC变换器的直流低压侧与直流高压侧之间发生功率传输时，能够维持换流器的能量平衡。
如图4、图5和图6所示，上述用于真伪双极互联的柔性直流输电DC/DC变换器的控制方法包括如下步骤：
步骤一、当真双极和伪双极侧都正常运行时，根据DC/DC变换器高低压侧之间的功率传输方向设置晶闸管串Tu1、晶闸管串Tu2、晶闸管串Tu3、晶闸管串Tu4、晶闸管串Tl1、晶闸管串Tl2、晶闸管串Tl3、晶闸管串Tl4、晶闸管串T1、晶闸管串T2的通断状态；控制半桥子模块SMu1～半桥子模块SMuN以及半桥子模块SMl1～半桥子模块SMlN的充电或放电状态，从而在变换器进行直流高低压侧能量转换时，维持换流器内部能量平衡；具体方法如下：
(1)当DC/DC变换器从直流低压侧向直流高压侧传输功率时(P>0)，将晶闸管串Tu1、晶闸管串Tl1、晶闸管串Tu2、晶闸管串Tl2进行控制开关状态，晶闸管串Tu3、晶闸管串Tl3、晶闸管串Tu4、晶闸管串Tl4始终设置为关断状态，晶闸管串T1、晶闸管串T2始终设置为开通状态；
(2)当DC/DC变换器从直流高压侧向直流低压侧传输功率时(P<0)，将晶闸管串Tu3、晶闸管串Tl3、晶闸管串Tu4、晶闸管串Tl4进行控制开关状态，晶闸管串Tu1、晶闸管串Tl1、晶闸管串Tu2、晶闸管串Tl2始终设置为关断状态，晶闸管串T1、晶闸管串T2始终设置为开通状态；
(3)采用定电压或定功率控制方式给出直流高压侧电流参考信号；通过能量平衡控制环节给出直流低压侧电流参考信号，使半桥子模块SMu1～半桥子模块SMuN以及半桥子模块SMl1～半桥子模块SMlN的平均电容电压跟踪给定值；将直流高压侧和低压侧的电流参考信号相加得到子模块串的电流参考信号，并将反馈的子模块串电流与参考信号的差送入比例积分调节器，然后得到子模块串的电压参考信号；将子模块串电压参考信号送入调制及子模块平衡控制环节，得到各个子模块的驱动信号；
步骤二、当真双极侧因故障和检修等原因需要单极独立运行时，根据DC/DC变换器高低压侧之间的功率传输方向以及真双极侧两极中需要正常运行的极的极性来设置晶闸管串Tu1、晶闸管串Tu2、晶闸管串Tu3、晶闸管串Tu4、晶闸管串Tl1、晶闸管串Tl2、晶闸管串Tl3、晶闸管串Tl4、晶闸管串T1、晶闸管串T2的通断状态；通过控制真双极侧正常运行的一极所对应的子模块串的充电或放电状态以实现变换器能量平衡，真双极侧停止运行的一极所对应的子模块串则始终保持旁路状态；具体方法如下：
(1)当直流高压侧真双极中的正极独立运行，DC/DC变换器从直流低压侧向直流高压侧传输功率时(P>0)，将晶闸管串Tu1、晶闸管串Tl1、晶闸管串Tu2、晶闸管串T2进行控制开关状态，其余晶闸管串始终设置为关断状态；
(2)当直流高压侧真双极中的负极独立运行，DC/DC变换器从直流低压侧向直流高压侧传输功率时(P>0)，将晶闸管串Tu1、晶闸管串Tl1、晶闸管串Tl2、晶闸管串T1进行控制开关状态，其余晶闸管串始终设置为关断状态；
(3)当直流高压侧真双极中的正极独立运行，DC/DC变换器从直流高压侧向直流低压侧传输功率时(P<0)，将晶闸管串Tu3、晶闸管串Tl3、晶闸管串Tu4、晶闸管串T1进行控制开关状态，其余晶闸管串始终设置为关断状态；
(4)当直流高压侧真双极中的负极独立运行，DC/DC变换器从直流高压侧向直流低压侧传输功率时(P<0)，将晶闸管串Tu3、晶闸管串Tl3、晶闸管串Tl4、晶闸管串T2进行控制开关状态，其余晶闸管串始终设置为关断状态；
(5)当直流高压侧真双极中的正极独立运行时，半桥子模块SMu1～半桥子模块SMuN正常进行充放电控制，而半桥子模块SMl1～半桥子模块SMlN始终处于旁路状态；当直流高压侧真双极中的负极独立运行时，半桥子模块SMl1～半桥子模块SMlN正常进行充放电控制，而半桥子模块SMu1～半桥子模块SMuN始终处于旁路状态。
在实际应用中，可以将本发明所述的用于真伪双极互联的柔性直流输电DC/DC变换器通过多相并联运行的方式来获得连续的直流波形。图7为本发明提出的DC/DC变换器的三相并联衍生拓扑结构电路原理图。
本发明中，所述晶闸管串亦可采用IGCT开关管串或IGBT开关管串代替，分别如图8和图9所示。
虽然在本文中参照了特定的实施方法来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方法来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (6)
1.一种用于真伪双极互联的柔性直流输电DC/DC变换器的控制方法，其特征在于所述柔性直流输电DC/DC变换器包括晶闸管串、正极半桥子模块串、负极半桥子模块串、电感L1和电感L2，其中：
所述晶闸管串包括晶闸管串Tu1、晶闸管串Tu2、晶闸管串Tu3、晶闸管串Tu4、晶闸管串Tl1、晶闸管串Tl2、晶闸管串Tl3、晶闸管串Tl4、晶闸管串T1和晶闸管串T2；
所述正极半桥子模块串包括半桥子模块SMu1~半桥子模块SMuN，负极半桥子模块串包括半桥子模块SMl1~半桥子模块SMlN，对于正极半桥子模块串和负极半桥子模块串，子模块串中的半桥子模块的电流输出端依次与下一个半桥子模块的电流输入端相连；
所述晶闸管串Tu1和晶闸管串Tu3反向并联，分别与直流低压侧正极和半桥子模块SMu1的电流输入端相连，晶闸管串Tu2和晶闸管串Tu4反向并联，分别与直流高压侧正极和半桥子模块SMu1的电流输入端相连；
所述晶闸管串Tl1和晶闸管串Tl3反向并联，分别与直流低压侧负极和半桥子模块SMlN的电流输出端相连，晶闸管串Tl2和晶闸管串Tl4反向并联，分别与直流高压侧负极和半桥子模块SMlN的电流输出端相连；
所述半桥子模块SMuN的电流输出端与电感L1的第一端相连，电感L1的第二端与电感L2的第一端相连，电感L2的第二端与半桥子模块SMl1的电流输入端相连；
所述晶闸管串T1和晶闸管串T2反向并联，分别与电感L1和电感L2的公共端和接地端相连；
所述方法包括如下步骤：
步骤一、当真双极和伪双极侧都正常运行时，根据DC/DC变换器高低压侧之间的功率传输方向设置晶闸管串Tu1、晶闸管串Tu2、晶闸管串Tu3、晶闸管串Tu4、晶闸管串Tl1、晶闸管串Tl2、晶闸管串Tl3、晶闸管串Tl4、晶闸管串T1、晶闸管串T2的通断状态；控制半桥子模块SMu1~半桥子模块SMuN以及半桥子模块SMl1~半桥子模块SMlN的充电或放电状态，从而在变换器进行直流高低压侧能量转换时，维持换流器内部能量平衡；
步骤二、当真双极侧需要单极独立运行时，根据DC/DC变换器高低压侧之间的功率传输方向以及真双极侧两极中需要正常运行的极的极性来设置晶闸管串Tu1、晶闸管串Tu2、晶闸管串Tu3、晶闸管串Tu4、晶闸管串Tl1、晶闸管串Tl2、晶闸管串Tl3、晶闸管串Tl4、晶闸管串T1、晶闸管串T2的通断状态；通过控制真双极侧正常运行的一极所对应的子模块串的充电或放电状态以实现变换器能量平衡，真双极侧停止运行的一极所对应的子模块串则始终保持旁路状态。
2.根据权利要求1所述的用于真伪双极互联的柔性直流输电DC/DC变换器的控制方法，其特征在于所述步骤一的具体步骤如下：
（1）当DC/DC变换器从直流低压侧向直流高压侧传输功率时，将晶闸管串Tu1、晶闸管串Tl1、晶闸管串Tu2、晶闸管串Tl2进行控制开关状态，晶闸管串Tu3、晶闸管串Tl3、晶闸管串Tu4、晶闸管串Tl4始终设置为关断状态，晶闸管串T1、晶闸管串T2始终设置为开通状态；
（2）当DC/DC变换器从直流高压侧向直流低压侧传输功率时，将晶闸管串Tu3、晶闸管串Tl3、晶闸管串Tu4、晶闸管串Tl4进行控制开关状态，晶闸管串Tu1、晶闸管串Tl1、晶闸管串Tu2、晶闸管串Tl2始终设置为关断状态，晶闸管串T1、晶闸管串T2始终设置为开通状态；
（3）采用定电压或定功率控制方式给出直流高压侧电流参考信号；通过能量平衡控制环节给出直流低压侧电流参考信号，使半桥子模块SMu1~半桥子模块SMuN以及半桥子模块SMl1~半桥子模块SMlN的平均电容电压跟踪给定值；将直流高压侧和低压侧的电流参考信号相加得到子模块串的电流参考信号，并将反馈的子模块串电流与参考信号的差送入比例积分调节器，然后得到子模块串的电压参考信号；将子模块串电压参考信号送入调制及子模块平衡控制环节，得到各个子模块的驱动信号。
3.根据权利要求1所述的用于真伪双极互联的柔性直流输电DC/DC变换器的控制方法，其特征在于所述步骤二的具体步骤如下：
（1）当直流高压侧真双极中的正极独立运行，DC/DC变换器从直流低压侧向直流高压侧传输功率时，将晶闸管串Tu1、晶闸管串Tl1、晶闸管串Tu2、晶闸管串T2进行控制开关状态，其余晶闸管串始终设置为关断状态；
（2）当直流高压侧真双极中的负极独立运行，DC/DC变换器从直流低压侧向直流高压侧传输功率时，将晶闸管串Tu1、晶闸管串Tl1、晶闸管串Tl2、晶闸管串T1进行控制开关状态，其余晶闸管串始终设置为关断状态；
（3）当直流高压侧真双极中的正极独立运行，DC/DC变换器从直流高压侧向直流低压侧传输功率时，将晶闸管串Tu3、晶闸管串Tl3、晶闸管串Tu4、晶闸管串T1进行控制开关状态，其余晶闸管串始终设置为关断状态；
（4）当直流高压侧真双极中的负极独立运行，DC/DC变换器从直流高压侧向直流低压侧传输功率时，将晶闸管串Tu3、晶闸管串Tl3、晶闸管串Tl4、晶闸管串T2进行控制开关状态，其余晶闸管串始终设置为关断状态；
（5）当直流高压侧真双极中的正极独立运行时，半桥子模块SMu1~半桥子模块SMuN正常进行充放电控制，而半桥子模块SMl1~半桥子模块SMlN始终处于旁路状态；当直流高压侧真双极中的负极独立运行时，半桥子模块SMl1~半桥子模块SMlN正常进行充放电控制，而半桥子模块SMu1~半桥子模块SMuN始终处于旁路状态。
4.根据权利要求1所述的用于真伪双极互联的柔性直流输电DC/DC变换器的控制方法，其特征在于所述晶闸管串Tu1、晶闸管串Tu2、晶闸管串Tu3、晶闸管串Tu4、晶闸管串Tl1、晶闸管串Tl2、晶闸管串Tl3、晶闸管串Tl4、晶闸管串T1和晶闸管串T2的电路结构均相同，每个晶闸管串均包括多个正向串联的晶闸管。
5.根据权利要求1所述的用于真伪双极互联的柔性直流输电DC/DC变换器的控制方法，其特征在于所述正极半桥子模块串和负极半桥子模块串中所有半桥子模块的电路结构均相同。
6.根据权利要求1所述的用于真伪双极互联的柔性直流输电DC/DC变换器的控制方法，其特征在于所述晶闸管串替换为IGCT开关管串或IGBT开关管串。
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| CN110323933B (zh) * | 2019-08-07 | 2021-03-23 | 哈尔滨工业大学 | 具有故障阻断能力的柔性直流输电dc/dc变换器 |
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2020
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