用于直流升压汇集的大功率直流升压变换器及其控制方法与流程

本发明涉及一种用于直流升压汇集的大功率直流升压变换器及其控制方法，适用于新能源发电领域。

背景技术：

光伏发电、风力发电作为可再生能源中的主流发电技术，是解决环境污染与能源枯竭的有效途径，在全球范围内得到了快速的发展。我国目前已成为世界上光伏发电与风力发电装机容量最大的国家。光伏发电与风力发电都依赖于电力电子技术。在光伏发电中，通常需要逆变器将直流电变为交流电，同时风力发电先需要整流器将风机的脉动能量变为直流电，再采用一级逆变器变为交流电并网。然而随着装机容量的不断提升，光伏电站以及风力电站的规模越来越大，多个光伏板或多个风力机组需要采用公共汇集母线进行连接。传统的母线电压等级较低，导致母线电流较大，汇流损耗严重。因此如果能够采用直流中压汇集，则可显著提高系统效率，同时可省去风力发电的后级逆变器，在中压母线上直接采用一级升压变换器将能量输送至直流输电线路。这一技术方案特别适用于海上风电场，有望显著降低海上变流器平台的体积重量。

因此，用于连接中压母线与直流输电线路的高升压比、高效率、大容量直流变换器是这一方案的核心技术。目前可行的技术方案仍较少。cn105846685a和cn106357119a分别提出了高升压比直流变压电路，但电路结构需要整流逆变两个功率变换环节，元器件数目过多，成本以及电路效率上均存在问题。综上，目前已有的大功率升压直流变换器大多采用两级式电能变换电路，采用中间交流环节及变压器实现升压，在体积重量、元件数目、成本以及效率上均存在缺陷，工程实用化困难。

技术实现要素：

为了解决现有大功率升压直流变换器存在体积大、元件数目较多、成本高和效率比较低的问题，本发明提供了一种用于直流升压汇集的大功率直流升压变换器及其控制方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种用于直流升压汇集的大功率直流升压变换器，具有如下两种拓扑结构：

拓扑结构一、

所述大功率直流升压变换器包括半桥模块桥臂单元hb1～hbm、全桥模块桥臂单元fb1～fbm和半桥模块桥臂输出单元hbout，其中：

所述半桥模块桥臂单元hb1～hbm和全桥模块桥臂单元fb1～fbm交替设置；

所述半桥模块桥臂单元hb1的输入级与低压侧直流电压正负极相连，半桥模块桥臂单元hb1的输出级与全桥模块桥臂单元fb1的输入级相连；

所述半桥模块桥臂单元hb2～hbm的输入级与全桥模块桥臂fb1～fb(m-1)单元的输出级相连，半桥模块桥臂单元hb2～hbm的输出级与全桥模块桥臂fb2～fbm的输入级相连；

所述半桥模块桥臂输出单元hbout的输入级与全桥模块桥臂单元fbm的输出级相连，半桥模块桥臂输出单元hbout的输出级与高压侧直流电压正极相连。

拓扑结构二、

所述大功率直流升压变换器包括半桥模块桥臂单元hb1～hbm、全桥模块桥臂单元fb1～fb(m-1)和全桥模块桥臂输出单元fbout，其中：

所述半桥模块桥臂单元hb1～hbm和全桥模块桥臂单元fb1～fb(m-1)交替设置；

所述半桥模块桥臂单元hb1的输入级与低压侧直流电压正负极相连，半桥模块桥臂单元hb1的输出级与全桥模块桥臂单元fb1的输入级相连；

所述半桥模块桥臂单元hb2～hbm的输入级与全桥模块桥臂fb1～fb(m-1)单元的输出级相连，半桥模块桥臂单元hb2～hb(m-1)的输出级与全桥模块桥臂fb2～fb(m-1)的输入级相连；

所述全桥模块桥臂输出单元fbout的输入级与半桥模块桥臂单元hbm的输出级相连，全桥模块桥臂输出单元fbout的输出级与高压侧直流电压正极相连。

一种利用上述大功率直流升压变换器进行直流升压汇集控制的方法，包括如下步骤：

步骤一、控制半桥子模块sm1hb～smnhb的充、放电状态，进而在直流低压侧与直流高压侧之间发生功率传输时，维持能量平衡，具体步骤如下：

步骤一一、采用功率控制的方式生成流出半桥子模块串电流参考信号；

步骤一二、采用能量平衡控制的方式调节流入半桥子模块串电流参考信号，以使半桥子模块sm1hb～smnhb的电容电压均值等于电容电压参考均值；

步骤一三、将流出半桥子模块串电流参考信号与调节后的流入半桥子模块串电流参考信号进行叠加，并将叠加信号作为半桥子模块串电流参考信号；

步骤一四、将半桥子模块串电流参考信号与半桥子模块串实际电流信号的差值输入比例积分调节器；

步骤一五、基于半桥子模块串电压控制信号，并采用半桥子模块电容电压平衡控制及调制的方式，得到半桥子模块sm1hb～smnhb的驱动信号；

步骤二、控制全桥子模块sm1fb～smnfb的充、放电状态，进而在直流低压侧与直流高压侧之间发生功率传输时，维持能量平衡，具体步骤如下：

步骤二一、采用功率控制的方式生成流出全桥子模块串电流参考信号；

步骤二二、采用能量平衡控制的方式调节流入全桥子模块串电流参考信号，以使全桥子模块sm1fb～smnfb的电容电压均值等于电容电压参考均值；

步骤二三、将流出全桥子模块串电流参考信号与调节后的流入全桥子模块串电流参考信号进行叠加，并将叠加信号作为全桥子模块串电流参考信号；

步骤二四、将全桥子模块串电流参考信号与全桥子模块串实际电流信号的差值输入比例积分调节器；

步骤二五、将比例积分调节器输出的电压信号与关断晶闸管串所需的反压参考信号叠加，并将叠加信号作为全桥子模块串的电压参考信号；

步骤二六、基于全桥子模块串电压参考信号，并采用全桥子模块电容电压平衡控制及调制的方式，得到全桥子模块sm1fb～smnfb的驱动信号。

本发明具有如下优点：

1、本发明用于直流升压汇集的大功率直流升压变换器在控制方法的控制下，使半桥子模块串和全桥子模块串在直流低压侧与直流高压侧之间发生功率传输的过程中相应地进行充电或放电，进而实现柔性直流输电升压汇集dc/dc变换。

2、与现有的大功率升压直流变换器相比，本发明用于直流升压汇集的大功率直流升压变换器无需注入高幅值的交流电压和环流以实现桥臂间的功率交换，也无需配备滤波装置，更重要的是充分利用各半桥子模块串和全桥子模块串，具有可调且较高的升压比。

3、本发明用于直流升压汇集的大功率直流升压变换器能够有效地解决现有大功率升压直流变换器存在体积大、元件数目较多、成本高和效率比较低的问题。

附图说明

图1为用于直流升压汇集的大功率直流升压变换器输出单元为半桥模块桥臂输出单元的电路原理图，其中，il为直流低压侧实际电流信号，ih为直流高压侧实际电流信号，ul为直流低压侧电压，uh为直流高压侧电压；

图2为用于直流升压汇集的大功率直流升压变换器输出单元为全桥模块桥臂输出单元的电路原理图，其中，il为直流低压侧实际电流信号，ih为直流高压侧实际电流信号，ul为直流低压侧电压，uh为直流高压侧电压；

图3为半桥模块桥臂单元的电路原理图，其中，ilhb为半桥模块桥臂单元实际输入电流信号，iphb为半桥子模块串实际电流信号，uphb为半桥子模块串两端的实际电压，ihhb为半桥模块桥臂单元实际输输出电流信号，uinhb为半桥模块桥臂单元输入电压，uouthb为半桥模块桥臂单元输出电压；

图4为全桥模块桥臂单元的电路原理图，其中，ilfb为全桥模块桥臂单元实际输入电流信号，ipfb为全桥子模块串实际电流信号，upfb为全桥子模块串两端的实际电压，ihfb为全桥模块桥臂单元实际输输出电流信号，uinfb为全桥模块桥臂单元输入电压，uoutfb为全桥模块桥臂单元输出电压；

图5为半桥模块桥臂输出单元的电路原理图，其中，iinhb为半桥模块桥臂输出单元实际输入电流信号，iouthb为半桥模块桥臂输出单元实际输出电流信号，uhb为半桥模块桥臂输出单元输入电压；

图6为全桥模块桥臂输出单元的电路原理图，其中，iinfb为全桥模块桥臂输出单元实际输入电流信号，ioutfb为全桥模块桥臂输出单元实际输出电流信号，ufb为半桥模块桥臂输出单元输入电压；

图7为二极管串的电路原理图；

图8为晶闸管串的电路原理图；

图9为半桥子模块的电路原理图；

图10为全桥子模块的电路原理图；

图11为用于直流升压汇集的大功率直流升压变换器的控制原理框图，其中，pref为功率参考信号，uchb_ref为半桥子模块电容电压均值参考信号，ucfb_ref为全桥子模块电容电压均值参考信号，uchb_avg为半桥子模块电容电压均值，ucfb_avg为全桥子模块电容电压均值，pi为比例积分调节器，ihhb_ref为流出半桥子模块串电流参考信号，ihfb_ref为流出全桥子模块串电流参考信号，ilhb_ref表示流入半桥子模块串电流参考信号，ilfb_ref表示流入全桥子模块串电流参考信号，iphb_ref为半桥子模块串电流参考信号，ipfb_ref为全桥子模块串电流参考信号，iphb为半桥子模块串实际电流信号，ipfb为全桥子模块串实际电流信号，up_pi为全桥子模块串电流参考信号与实际电流信号差值经pi调节器输出的电压信号，ur为关断晶闸管所需的反向电压参考信号，uphb_ref为半桥子模块串电压控制信号，upfb_ref为全桥子模块串电压控制信号；

图12为升压汇集大功率直流升压变换器拓扑结构半桥子模块串工作的原理示意图；

图13为升压汇集大功率直流升压变换器拓扑结构全桥子模块串工作的原理示意图。

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直流升压汇集的大功率直流升压变换器，所述dc/dc变换器具有如下两种拓扑结构：

拓扑结构一、

如图1所示，所述大功率直流升压变换器包括半桥模块桥臂单元hb1～hbm(m的取值由具体电压值决定)、全桥模块桥臂单元fb1～fbm和半桥模块桥臂输出单元hbout，其中：

所述半桥模块桥臂单元hb1～hbm和全桥模块桥臂单元fb1～fbm交替设置；

所述半桥模块桥臂单元hb1的输入级与低压侧直流电压正负极相连，半桥模块桥臂单元hb1的输出级与全桥模块桥臂单元fb1的输入级相连；

所述半桥模块桥臂单元hb2～hbm的输入级与全桥模块桥臂fb1～fb(m-1)单元的输出级相连，半桥模块桥臂单元hb2～hbm的输出级与全桥模块桥臂fb2～fbm的输入级相连；

所述半桥模块桥臂输出单元hbout的输入级与全桥模块桥臂单元fbm的输出级相连，半桥模块桥臂输出单元hbout的输出级与高压侧直流电压正极相连。

拓扑结构二、

如图2所示，所述大功率直流升压变换器包括半桥模块桥臂单元hb1～hbm、全桥模块桥臂单元fb1～fb(m-1)和全桥模块桥臂输出单元fbout，其中：

所述半桥模块桥臂单元hb1～hbm和全桥模块桥臂单元fb1～fb(m-1)交替设置；

所述半桥模块桥臂单元hb1的输入级与低压侧直流电压正负极相连，半桥模块桥臂单元hb1的输出级与全桥模块桥臂单元fb1的输入级相连；

所述半桥模块桥臂单元hb2～hbm的输入级与全桥模块桥臂fb1～fb(m-1)单元的输出级相连，半桥模块桥臂单元hb2～hb(m-1)的输出级与全桥模块桥臂fb2～fb(m-1)的输入级相连；

所述全桥模块桥臂输出单元fbout的输入级与半桥模块桥臂单元hbm的输出级相连，全桥模块桥臂输出单元fbout的输出级与高压侧直流电压正极相连。

本发明中，半桥模块桥臂数目与全桥模块桥臂数目相同时，此时桥臂输出单元为全桥模块桥臂输出单元，高压侧直流电压相对于低压侧直流电压的升压比为偶数倍，而半桥模块桥臂数目比全桥模块桥臂数目多一时，此时桥臂输出单元为半桥模块桥臂输出单元，高压侧直流电压相对于低压侧直流电压的升压比为奇数倍。

如图3所示，半桥模块桥臂单元hb1～hbm电路结构均相同，每个半桥模块桥臂单元包括二极管串d0、半桥子模块串和电感lhb，其中：半桥子模块串包括半桥子模块sm1hb～smnhb(n的取值由具体低压侧电压等级决定)，半桥子模块sm1hb～smnhb的电路结构均相同，对于半桥子模块sm1hb～smnhb，前者的电流输出端依次与后者的电流输入端相连；二极管串d0的阳极与半桥模块桥臂单元输入级正极相连，二极管串d0的阴极同时与半桥模块桥臂单元输出级正极和半桥子模块sm1hb的电流输入端相连；半桥子模块smnhb的电流输出端与电感lhb的第一端相连，电感lhb的第二端同时与半桥模块桥臂单元输入级负极和半桥模块桥臂单元输出级负极相连。

如图4所示，全桥模块桥臂单元fb1～fbm电路结构均相同，每个全桥模块桥臂单元包括晶闸管串t0、全桥子模块串和电感lfb，其中：全桥子模块串包括全桥子模块sm1fb～smnfb，全桥子模块sm1fb～smnfb的电路结构均相同，对于全桥子模块sm1fb～smnfb，前者的电流输出端依次与后者的电流输入端相连；晶闸管串t0的阳极同时与全桥模块桥臂单元输出级正极和电感lfb的第二端相连，晶闸管串t0的阴极与全桥模块桥臂单元输入级负极相连；全桥子模块smnfb的电流输出端与电感lfb的第一端相连，电感lfb的第二端同时与晶闸管串t0阴极和全桥模块桥臂单元输出级正极相连；全桥子模块sm1fb的电流输入端同时与全桥模块桥臂单元输入级正极和全桥模块桥臂单元输出级负极相连。

如图5所示，半桥模块桥臂输出单元hbout包括二极管串d1、二极管串d2、半桥子模块串和电感lhbout，其中：半桥子模块串包括半桥子模块sm1hb～smnhb，半桥子模块sm1hb～smnhb的电路结构均相同，对于半桥子模块sm1hb～smnhb，前者的电流输出端依次与后者的电流输入端相连；二极管串d1的阳极与半桥模块桥臂输出单元输入级正极相连，二极管串d1的阴极同时与二极管串d2阳极和半桥子模块sm1hb的电流输入端相连；二极管串d2的阳极同时与二极管串d1阴极和半桥子模块sm1hb的电流输入端相连，二极管串d2的阴极与半桥模块桥臂输出单元输出级正极相连；半桥子模块smnhb的电流输出端与电感lhbout的第一端相连，电感lhbout的第二端与半桥模块桥臂输出单元输入级负极相连。

如图6所示，全桥模块桥臂输出单元fbout包括晶闸管串t1、二极管串d3、全桥子模块串和电感lfbout，其中：全桥子模块串包括全桥子模块sm1fb～smnfb，全桥子模块sm1fb～smnfb的电路结构均相同，对于全桥子模块sm1fb～smnfb，前者的电流输出端依次与后者的电流输入端相连；闸管串t1的阳极同时与电感lfbout的第二端和二极管串d3阳极相连，晶闸管串t1的阴极与全桥模块桥臂输出单元输入级负极相连；二极管串d3的阳极同时与晶闸管串t1阳极和电感lfbout的第二端相连相连，二极管串d3的阴极与全桥模块桥臂输出单元输出级正极相连；全桥子模块smnfb的电流输出端与电感lfbout的第一端相连，电感lfbout的第二端与晶闸管串t1阴极和二极管串d3阳极相连；全桥子模块sm1fb的电流输入端与全桥模块桥臂输出单元输入级正极相连。

如图7所示，二极管串d0～d3的电路结构均相同，每个二极管串均包括多个正向串联的二极管。

如图8所示，晶闸管串t0和t1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。

如图9所示，半桥子模块sm1hb～smnhb均包括第一全控型器件igbt1、第二全控型器件igbt2和电容c1，第一全控型器件igbt1与第二全控型器件igbt2串联，电容c1与串联的第一全控型器件igbt1和第二全控型器件igbt2并联；第一全控型器件igbt1和第二全控型器件igbt2的公共连接点作为电流输入端，第二全控型器件igbt2与电容c1的公共连接点作为电流输出端。

如图10所示，全桥子模块sm1fb～smnfb均包括全控型器件s1～s4和电容c2，全控型器件s1与全控型器件s4串联，全控型器件s2与全控型器件s3串联，电容c2与串联的全控型器件s1、全控型器件s4和串联的全控型器件s2、全控型器件s3并联；全控型器件s1与全控型器件s4的公共连接点作为电流输入端，全控型器件s2与全控型器件s3的公共连接点作为电流输出端。

本发明中，半桥子模块sm1hb～smnhb根据各自对应的半桥子模块的驱动信号，全桥子模块sm1fb～smnfb根据各自对应的全桥子模块的驱动信号，实现同步充电或放电，进而在直流低压侧与直流高压侧之间发生功率传输时，维持能量平衡。

本发明提供了一种利用上述大功率直流升压变换器进行直流升压汇集控制的方法，如图11～13所示，所述控制方法包括如下步骤：

步骤一、控制半桥子模块sm1hb～smnhb的充、放电状态，进而在直流低压侧与直流高压侧之间发生功率传输时，维持能量平衡，具体步骤如下：

步骤一一、采用功率控制的方式生成流出半桥子模块串电流参考信号；

步骤一二、采用能量平衡控制的方式调节流入半桥子模块串电流参考信号，以使半桥子模块sm1hb～smnhb的电容电压均值等于电容电压参考均值；

步骤一三、将流出半桥子模块串电流参考信号与调节后的流入半桥子模块串电流参考信号进行叠加，并将叠加信号作为半桥子模块串电流参考信号；

步骤一四、将半桥子模块串电流参考信号与半桥子模块串实际电流信号的差值输入比例积分调节器；

步骤一五、基于半桥子模块串电压控制信号，并采用半桥子模块电容电压平衡控制及调制的方式，得到半桥子模块sm1hb～smnhb的驱动信号。

步骤二、控制全桥子模块sm1fb～smnfb的充、放电状态，进而在直流低压侧与直流高压侧之间发生功率传输时，维持能量平衡，具体步骤如下：

步骤二一、采用功率控制的方式生成流出全桥子模块串电流参考信号；

步骤二二、采用能量平衡控制的方式调节流入全桥子模块串电流参考信号，以使全桥子模块sm1fb～smnfb的电容电压均值等于电容电压参考均值；

步骤二三、将流出全桥子模块串电流参考信号与调节后的流入全桥子模块串电流参考信号进行叠加，并将叠加信号作为全桥子模块串电流参考信号；

步骤二四、将全桥子模块串电流参考信号与全桥子模块串实际电流信号的差值输入比例积分调节器；

步骤二五、将比例积分调节器输出的电压信号与关断晶闸管串所需的反压参考信号叠加，并将叠加信号作为全桥子模块串的电压参考信号；

步骤二六、基于全桥子模块串电压参考信号，并采用全桥子模块电容电压平衡控制及调制的方式，得到全桥子模块sm1fb～smnfb的驱动信号。

本发明用于直流升压汇集的大功率直流升压变换器无需配置交流变压器，而且换流器件均为二极管和晶闸管，具有效率高、体积小和成本低的优点。本发明采用半桥子模块串和全桥子模块串半桥子模块串交替排列，从而实现较高且可调的升压比。因此，本发明用于直流升压汇集的大功率直流升压变换器的元器件数量少，功率损耗低，发热量小，升压比较高且可调节，适用于实现不同电压等级直流系统间的大功率传输。