[发明专利]双向直流变换器及其宽范围运行调制方法

说明书

本发明属于电力电子变换器领域，具体涉及了一种双向直流变换器及其宽范围运行调制方法，旨在解决常规大功率双向变换器工作电压低、运行范围窄的问题。本发明包括：在高压侧和低压侧采用半桥串联的结构；分别在高压侧串联高压侧滤波电容和高压侧高频谐振模块；分别在低压侧串联低压侧滤波电容和低压侧高频谐振模块；高压侧和低压侧通过高频变压器连接。本发明变换器适用于高电压应用中，并通过综合采用四种调制策略，使变换器适用于宽范围运行工况，同时保证谐振腔的等效增益范围变化较小，开关频率变化范围较窄。本发明具有结构简单、效率高、工作范围宽的优点，特别适合应用于电力电子变压器等中压电压的应用场合。

技术领域

本发明属于电力电子变换器领域，具体涉及了一种双向直流变换器及其宽范围运行调制方法。

背景技术

近年来，电力电子变压器由于具有很高的可控性，以及功率潮流控制、电能质量控制、多端口接入等功能和高功率密度、高效率等优点，受到了广大学者的关注，被认为是未来柔性配电网能源路由的关键装备。

目前，基于模块化级联结构的隔离型电力电子变压器是目前高压大容量下应用的主要方案，其中隔离型双向直流变换器是其中实现高压电气隔离、电压变换等核心功能的关键环节，其对整个系统的效率、功率密度、可靠性、可控性等性能具有关键作用。然而，由于功率器件耐压、隔离型电路拓扑等方面的限制，使得直流变换模块电压低、级联数量多、电压变化范围窄，导致系统结构复杂、可靠性低、成本高、体积和重量大等问题，这些问题已成为制约系统功率密度提高的最主要障碍。

通过采用高压功率器件，可极大的提升直流变换模块的电压等级，减少模块数量，但10kV甚至更高电压等级的功率器件在驱动、保护等应用技术和系统可靠性、大功率应用等方面仍有较大挑战，而且，其基于常规拓扑仍无法解决宽电压范围运行的难题。采用多电平技术的直流变换器虽然可采用常规电压较低的功率器件满足高电压、大功率的应用要求，但随着电压的升高，需要的电容或二极管数量会增加，电路拓扑也变得十分复杂，且存在电容分压不均、钳位管电压应力高等问题，为其在高电压双向直流变换器中的应用带来极大挑战，另外，其调制模式与常规两电平拓扑相同，同样仍无法解决宽电压范围运行的难题。

综上所述，基于现有电压等级较低的商业器件，如何构造具有更高电压等级、更宽工作范围且结构简洁、集成度高、灵活实用的双向直流电路拓扑是目前电力电子变压器中亟需解决的关键问题之一。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即常规大功率双向变换器工作电压低、运行范围窄的问题，本发明提供了一种双向直流变换器，该双向直流变换器包括高压侧滤波电容、高压侧半桥串联模块、高压侧高频谐振模块、高频变压器、低压侧高频谐振模块、低压侧半桥串联模块和低压侧滤波电容；

所述高压侧滤波电容包括串联的电容C_H1和电容C_H2，用于对高压侧电压进行滤波；

所述低压侧滤波电容包括串联的电容C_L1和电容C_L2，用于对低压侧电压进行滤波；

所述高压侧半桥串联模块包括串联的第一半桥和第二半桥，所述第一半桥包括串联的开关管Q₁和开关管Q₂，所述第二半桥包括串联的开关管Q₃和开关管Q₄，当功率从高压侧流向低压侧时，用于将高压侧直流逆变为高频交流并输入高压侧高频谐振模块，当功率从低压侧流向高压侧时，用于对输入的高频交流进行整流；

所述低压侧半桥串联模块包括串联的第三半桥和第四半桥，所述第三半桥包括串联的开关管S1和开关管S₂，所述第四半桥包括串联的开关管S₃和开关管S₄，当功率从低压侧流向高压侧时，用于将低压侧直流逆变为高频交流并输入低压侧高频谐振模块，当功率从高压侧流向低压侧时，用于对输入的高频交流进行整流；