[发明专利]一种直流电力电子变压器及其控制方法和装置

说明书

本发明提供一种直流电力电子变压器及其控制方法和装置，属于直流电力电子变压器技术领域。该控制方法针对Boost模块采用Boost电压环、Boost电流环和电压均衡环的控制策略；针对DC/DC变换模块采用DC/DC电压环和DC/DC电流环的控制策略；其中，计算高压直流母线电压测量值与所有处于投入状态的功率变换单元的Boost母线电压值之和的比值，得到初始控制量，将得到的初始控制量减去Boost电流环的输出值用于作为Boost模块的控制信号；DC/DC电流环的输出值和DC/DC变换模块的电压增益用于作为DC/DC变换模块的控制信号。本发明能提高控制系统的运行稳定性。

技术领域

本发明涉及一种直流电力电子变压器及其控制方法和装置，属于直流电力电子变压器技术领域。

背景技术

输入串联输出并联(Input Series Output Parallel，ISOP)型电力电子变压器，在实现中高压直流配网(10kV电压等级或更高)与低压直流微网(750V、380V电压等级或更低)的电压变换、能量交换和电器隔离功能中，发挥着十分重要的作用。

如图1所示，为现有的一种ISOP型电力电子变压器，包括k个功率变换单元和m个冗余备用单元，各功率变换单元和各冗余备用单元的输入端串联后用于连接高压直流母线，各功率变换单元和各冗余备用单元的输出端并联后用于连接低压直流母线，k≥1，m≥1；每个单元均包括投切开关、Boost模块和DC/DC变换模块；其中，每个单元的一种具体结构可如图2所示，投切开关包括并联设置的机械可控开关K1和双向晶闸管T3；Boost模块由输入电感L和一个半桥模块构成，半桥模块由上下两个包含反并联二极管的IGBT开关管Sb1、Sb2串联组成；DC/DC变换模块由原边全桥、电容C1、中频变压器T、副边全桥和电容C2组成，原边全桥和副边全桥均由两个桥臂并联构成，每个桥臂由上下两个包含反并联二极管的IGBT开关管串联构成，其中原边全桥的一个桥臂由IGBT开关管S1、S2串联构成，另一个桥臂由IGBT开关管S3、S4串联构成，副边全桥的一个桥臂由IGBT开关管S5、S6串联构成，另一个桥臂由IGBT开关管S7、S8串联构成。

其中，Boost模块在其上下两个IGBT开关管的脉冲封锁之后，由于反并联二极管的存在，电容不会直接通过旁路回路短路放电。通过常开Boost模块的下管Sb2、开通双向晶闸管T3或闭合机械可控开关K1，可以对相应的单元进行旁路。各单元高压侧采用自取电方式进行控制供电，Boost模块、DC/DC变换模块的原边全桥、机械可控开关的闭合控制信号以及双向晶闸管控制信号的供电都取自高压侧母线电容。

ISOP型电力电子变压器的一般运行方式为：在运行初期，k个功率变换单元处于投入状态，m个冗余备用单元处于旁路状态，在发现某一个功率变换单元故障后，旁路该故障的功率变换单元，并投入一个冗余备用单元，即这种运行方式下，处于投入状态的单元始终为k个。但是，由于冗余备用单元的启动与预充电需要较长的过程，因此采用这种运行方式，会延长故障发生时刻到控制系统重新进入稳态运行时刻的时间。为了解决该问题，可采用以下运行方式：即在运行初期，k个功率变换单元和m个冗余备用单元皆投入运行，在某一个功率变换单元故障后，直接旁路该故障的功率变换单元，其余单元继续工作，当旁路的故障变换单元数达到m个时，只有k个单元处于投入状态。这种运行方式下，冗余备用单元以热备用方式运行在控制系统中，使得在某个功率变换单元出现故障时，能够实现故障的快速隔离，并使控制系统能迅速进入稳态运行。

ISOP型电力电子变压器的一般控制策略如图3-1和图3-2所示，当冗余备用单元以热备用方式运行在控制系统中时，根据图3-1所示的控制策略，当有故障的功率变换单元被旁路时，处于投入状态的单元个数会减少(变化趋势为从k+m个减少到k个)，由于Boost母线电压设定值不变，当处于投入状态的单元个数减少时，单元Boost输入端电压和母线端电压比值大幅变化，对应Boost占空比会发生明显的变化，很容易使控制系统出现不稳定或者调节效果不佳的状况。