[发明专利]一种适用于高压大功率场合的谐振升压直/直变换器及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及直流变换器领域，可应用于大功率升压场合。

背景技术

风力发电是当今世界发展最快的新能源利用形式之一，海上风力发电因具有不占用陆上土地、风能资源丰富等特点而受到世界沿海各国的普遍重视。随着海上风电场容量的不断增加以及离岸距离的增大，采用高压直流(High Voltage Direct Current，HVDC)输电已成为必然趋势。HVDC输电具有不受容性电流影响、可调节有功和无功功率输出等优点，但传统的基于中压交流母线的海上风电场系统，需要采用体积巨大、笨重的工频升压变压器，对风机塔架以及海上换流站平台的建设提出了很高要求。针对上述缺点，近年来国内外兴起了对基于中压直流母线海上风电场系统的研究，通过利用高压大功率升压直流变换器替代传统的工频升压变压器，可大大减小系统体积和重量。高压大功率升压直流变换器是该系统中的关键核心部件，风机产生的电能都需要通过它进行电压变换和功率传输损耗是大功率传输。

目前国内外学者均对该系统中的高压大功率升压直流变换器开展了一些研究，先后提出了多种可行的拓扑电路。模块组合多电平直流变换器非常适合应用于高压大功率场合，这种变换器通过中频变压器将两个模块组合多电平变换器连接起来，其主要缺点是大功率高电压中频变压器的制造极其困难。文献“Multiple module high gain high voltage DC-DC transformers for offshore wind energy systems”提出了一种由一个Boost变换器和一个Buck/Boost变换器输入并联输出串联的结构，开关器件和二极管的电压和电流应力相对减小。但由于开关器件的硬开关和二极管的反向恢复损耗导致了变换器效率较低。文献“Analysis and comparison of medium voltage high power DC/DC converters for offshore wind energy systems”提出了一种基于谐振开关电容的直流升压变换器，可以实现开关管的软开关和模块化结构，但是其不仅输出电压调整率较差而且需要大量电容器。英国阿伯丁大学的Jovcic教授在文献“Step-up dc-dc converter for megawatt size applications”中提出了一种新型的谐振升压变换器，不但可以实现开关器件的软开关和避免二极管的反向恢复问题，还可实现很高的升压比。但该类谐振升压变换器也存在如下一些不足：开关器件都需要具有反向电压阻断能力；谐振电容、谐振电感和所有开关器件的电压应力都近似为输出电压；谐振电感单向磁化，磁芯利用率不高，导致谐振电感体积和重量都较大，损耗也相应增加。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种适用于高压大功率场合的谐振升压直/直变换器及其控制方法，既实现输出升压又实现了开关管的近似零电压关断和整流二极管的零电流关断，同时使得谐振单元和开关器件的电压应力不超过输出电压的二分之一。

技术方案：一种适用于高压大功率场合的谐振升压直/直变换器，包括全桥逆变电路、谐振单元以及整流单元；所述全桥逆变电路的输入端连接直流输入电源，全桥逆变电路的输出端连接所述整流单元的输入端，所述整流单元的输出端连接负载，所述谐振单元与全桥逆变电路的输出端以及整流单元的输入端并联连接。

作为本发明的优选方案，所述全桥逆变电路包括一至第四开关管、第一原边二极管以及第二原边二极管；所述原边第一二极管、第一开关管、第三开关管依次串联构成第一支路，所述原边第二二极管、第二开关管、第四开关管的依次串联构成第二支路，所述第一支路以及第二支路并联在直流输入电源两端；

所述整流单元包括第一整流二极管、第二整流二极管、第一滤波电容以及第二滤波电容；所述第一整流二极管和第二整流二极管正向串联连接构成第三支路，所述第一滤波电容和第二滤波电容串联连接构成第四支路，所述第三支路和第四支路并联在负载两端；

所述谐振单元为由电感和电容构成的LC并联谐振电路；所述LC并联谐振电路的一端连在所述第一开关管和第三开关管的相接端，同时连在第一滤波电容和第二滤波电容的相接端；所述LC并联谐振电路的另一端连在所述第二开关管和第四开关管的相接端，同时连在所述第一整流二极管和第二整流二极管的相接端。

一种适用于高压大功率场合的谐振升压直/直变换器的控制方法：所述控制方法的一个控制周期分为连续的八个阶段，其中：

第一阶段：t₀＜t＜t₁