專利名稱：超導(dǎo)儲能用雙向三電平軟開關(guān)dc/dc及其電壓側(cè)脈寬控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超導(dǎo)儲能用的直流變換器及其控制方法，特別涉及一種超導(dǎo)儲能用雙向三電平軟開關(guān)DC/DC及其控制方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著超導(dǎo)材料技術(shù)的發(fā)展，超導(dǎo)材料在電力領(lǐng)域的運用越來越得到人們的關(guān)注與重視，世界各國紛紛開展超導(dǎo)電力技術(shù)的研究。其中超導(dǎo)儲能技術(shù)由于能實現(xiàn)脈沖能量調(diào)節(jié)、電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制等多方面的功能而倍受人們的關(guān)注，成為目前唯一商業(yè)化的超導(dǎo)電力技術(shù)。超導(dǎo)儲能技術(shù)一般分為電壓源型和電流源型兩種類型，其中電壓源型和電流源型相比，技術(shù)更為成熟，從而成為超導(dǎo)儲能系統(tǒng)的主流選擇。在電壓源型超導(dǎo)儲能裝置中，需要用DC/DC對超導(dǎo)磁體進行充放電。目前常用的DC/DC技術(shù)要么是需要充放電設(shè)備各一套，如美國專利US005159261“采用充電和放電DC/DC的超導(dǎo)儲能穩(wěn)定裝置”；要么采用一套裝置同時實現(xiàn)充放電的功能，如美國專利US005661646“采用不同相角的多重化DC/DC斬波器”和美國專利US004695932“超導(dǎo)儲能電路”。這些專利雖然采用的拓撲結(jié)構(gòu)不一樣，但是都沒有解決兩個關(guān)鍵的問題1、開關(guān)管的軟開關(guān)問題。這些DC/DC都是通過硬開關(guān)來實現(xiàn)超導(dǎo)磁體的充放電，開關(guān)管開關(guān)應(yīng)力大，損耗大，不僅大大縮短了開關(guān)管的壽命，而且降低了系統(tǒng)的工作效率。2、直流電壓端電壓低，且只有一個直流端電壓接口，無法與先進的多電平電壓源逆變器相連。附

圖1為美國專利US004695932“超導(dǎo)儲能電路”的拓撲結(jié)構(gòu)圖，其中10為用于超導(dǎo)磁體充放電的DC/DC斬波器。它通過開關(guān)管17a和17b的硬開關(guān)來實現(xiàn)對超導(dǎo)磁體的充放電，開關(guān)管的應(yīng)力大，損耗也大；同時，它只有一個直流端電壓接口，如圖中所示的電容9兩端所提供的直流電壓接口，為了減小諧波，它只能通過采用多重化的形式的電壓源換流器與高壓電力系統(tǒng)相連。而多重化的電壓源換流器需要使用多個體積龐大，價格昂貴的工頻變壓器。不僅大大增大了系統(tǒng)的體積，還大大增加了系統(tǒng)的成本。工頻變壓器的體積和成本都占到整個系統(tǒng)的40％以上。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種可以實現(xiàn)能量雙向流動的三電平DC/DC，它能靈活地工作在二電平和三電平狀態(tài)，從而減少電感電流的紋波，而且還能實現(xiàn)電流單元全部開關(guān)管的零電流開關(guān)，電壓單元全部開關(guān)管的零電壓開關(guān)，提高了工作的效率。并且，通過采用變壓器降壓，使得電流單元可以采用電壓容量低而電流容量大的開關(guān)器件，提高了電流單元的通流能力，從而有效地提高了超導(dǎo)磁體的儲能量。由于它的電壓側(cè)有兩個獨立的直流電壓端口，所以可以和三電平的逆變器直接相連，而三電平逆變器技術(shù)已經(jīng)非常成熟，能夠廣泛適應(yīng)于中高壓電力系統(tǒng)，從而避免了使用多個工頻變壓器與高壓電力系統(tǒng)相連，極大地降低了成本和體積。
本發(fā)明的拓撲結(jié)構(gòu)由電壓單元、變壓器單元和電流單元三部分組成。電壓單元為帶中點箝位二極管的兩個三電平半橋組成，三電平半橋的最上端和最下端的開關(guān)管并聯(lián)電容，中間兩個開關(guān)管不并聯(lián)電容?；蛘咭部梢栽谒械拈_關(guān)管上都并聯(lián)電容。其中上下兩個開關(guān)管的電容值遠大于中間兩個開關(guān)管電容值10倍以上。電容的取值可視軟開關(guān)的需要而定。兩個三電平半橋的中點和箝位二極管的中點都與兩個分壓電容器的中點相連。電流單元的結(jié)構(gòu)根據(jù)變壓器單元而定。若為普通變壓器，副邊為全橋形式的電流源逆變器，若為帶中間抽頭的變壓器，副邊為全波形式的電流源逆變器。為了提高功率密度，變壓器可用高頻變壓器。
本發(fā)明的控制方法通過控制原邊逆變器輸出的脈寬控制能量傳輸?shù)拇笮。ㄟ^控制副邊電流源換流器換相的位置來控制充放電，若在原邊逆變器輸出脈寬的前沿換相，則變換器充電，若在后沿換相則變換器放電。它可以工作在二電平和三電平模式，副邊電流紋波小，可大大減小濾波電路的大小和超導(dǎo)磁體的交流損耗。同時，通過控制變壓器原邊三電平橋臂輸出的正負向電壓脈寬的相對大小，還可以解決三電平橋臂中點電壓不平衡的問題。
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
進一步說明本發(fā)明。
圖1為現(xiàn)有技術(shù)美國專利US004695932的原理圖。
圖2為本發(fā)明的一個典型的拓撲結(jié)構(gòu)原理圖。圖中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8為開關(guān)管，D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9、D10、D11、D12為二極管，C1、C4、C5、C8為相應(yīng)開關(guān)管上的并聯(lián)電容器，Cd1、Cd2為兩個分壓電容，Llk為變壓器的漏感或外接的諧振電感，Tr為副邊帶中間抽頭的變壓器，T1、T2為電流只能單相流動的開關(guān)或者是雙向流動的開關(guān)與二極管相串聯(lián)的組合，L超導(dǎo)磁體。
圖3為本發(fā)明的實施例1。圖中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8為IGBT，D9、D10、D11、D12為二極管，C1、C4、C5、C8為相應(yīng)開關(guān)管上的并聯(lián)電容器，Cd1、Cd2為兩個分壓電容，Llk為變壓器的漏感或外接的諧振電感，Tr為副邊帶中間抽頭的變壓器，T1、T2為晶閘管，L為超導(dǎo)磁體。
圖4為本發(fā)明的實施例2。圖中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8為IGBT，D9、D10、D11、D12為二極管，C1、C4、C5、C8為相應(yīng)開關(guān)管上的并聯(lián)電容器，Cd1、Cd2為兩個分壓電容，Llk為變壓器的漏感或外接的諧振電感，Tr為副邊帶中間抽頭的變壓器，T1-T4為晶閘管，L為超導(dǎo)磁體。
圖5為本發(fā)明的實施例3。圖中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8為IGBT，D9、P10、D11、D12為二極管，C1、C4、C5、C8為相應(yīng)開關(guān)管上的并聯(lián)電容器，Cd1、Cd2為兩個分壓電容，Llk為變壓器的漏感或外接的諧振電感，Tr為副邊帶中間抽頭的變壓器，T1、T2為IGBT，D1、D2為二極管，L為超導(dǎo)磁體。
圖6為本發(fā)明的實施例4。圖中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8為IGBT，D9、D10、D11、D12為二極管，C1、C4、C5、C8為相應(yīng)開關(guān)管上的并聯(lián)電容器，Cd1、Cd2為兩個分壓電容，Llk為變壓器的漏感或外接的諧振電感，Tr為副邊帶中間抽頭的變壓器，T1-T4為IGBT，D1-D4為二極管，L為超導(dǎo)磁體。
圖7為在二電平模式下的充電時序圖。
圖8為在三電平模式下的充電時序圖。
圖9為在二電平模式下的放電時序圖。
圖10為在三電平模式下的放電時序圖。
圖11為電流單元半控型開關(guān)與全控型開關(guān)觸發(fā)脈沖對比圖。
圖12為在充電模式下分壓電容電壓不平衡控制原理圖。
圖13為在放電模式下分壓電容電壓不平衡控制原理圖。
具體實施例方式
圖2為本發(fā)明的一個典型的拓撲結(jié)構(gòu)原理圖。它由電壓單元、變壓器單元和電流單元三部分組成。其電壓單元由兩個三電平橋臂組成。開關(guān)管Q1-Q4和鉗位二極管D9、D10組成其中一個三電平橋臂。開關(guān)管Q1-Q4頭尾相連，開關(guān)管Q1反并聯(lián)二極管D1，并與電容器C1并聯(lián)，開關(guān)管Q4反并聯(lián)二極管D4，并與電容器C4并聯(lián)。開關(guān)管Q2反并聯(lián)二極管D2，開關(guān)管Q3反并聯(lián)二極管D3。開關(guān)管Q1、Q2的中點與鉗位二極管D9的陰極相連，開關(guān)管Q3、Q4的中點與鉗位二極管D10的陽極相連。D9的陽極與D10的陰極相連，其中點與分壓電容Cd1、Cd2的中點相連。開關(guān)管Q5-Q8和鉗位二極管D11、D12組成其中另一個三電平橋臂。開關(guān)管Q5-Q8頭尾相連，開關(guān)管Q5反并聯(lián)二極管D5，并與電容器C5并聯(lián)，開關(guān)管Q8反并聯(lián)二極管D8，并與電容器C8并聯(lián)。開關(guān)管Q6反并聯(lián)二極管D6，開關(guān)管Q7反并聯(lián)二極管D7。開關(guān)管Q5、Q6的中點與鉗位二極管D11的陰極相連，開關(guān)管Q7、Q8的中點與鉗位二極管D12的陽極相連。D11的陽極與D12的陰極相連，其中點與分壓電容Cd1、Cd2的中點相連。兩個三電平橋臂與兩個串聯(lián)分壓電容Cd1、Cd2并聯(lián)。兩個三電平橋臂的中點A、B與變壓器原邊繞組的兩端相連。變壓器單元為副邊帶中間抽頭的變壓器。其電流單元為由開關(guān)T1、T2組成的電流源換流器。T1、T2的一端與變壓器副邊的兩端相連，另一端相互連接，并與超導(dǎo)磁體L的一端相連，超導(dǎo)磁體L的另一端與變壓器的中間抽頭相連。其中三電平橋臂中間兩個開關(guān)管[Q2]、[Q3]、[Q6]、[Q7]也可以并聯(lián)電容器[C2]、[C3]、[C6]、[C7]，其電容值遠小于上下兩個開關(guān)管[Q1]、[Q4]、[Q5]、[Q8]的并聯(lián)電容[C1]、[C4]、[C5]、[C8]十倍以上。
圖3為本發(fā)明的實施例1。圖中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8為IGBT，D9、D10、D11、D12為二極管，C1、C4、C5、C8為相應(yīng)開關(guān)管上的并聯(lián)電容器，Cd1、Cd2為兩個分壓電容，Llk為變壓器的漏感或外接的諧振電感，Tr為副邊帶中間抽頭的變壓器，T1、T2為晶閘管，L為超導(dǎo)磁體。其連接方式與圖2完全相同，只是用相應(yīng)的實際開關(guān)代替理想開關(guān)。其中IGBT可為1MBI600PX-120，晶閘管可以為KA1200。
圖4為本發(fā)明的實施例2。圖中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8為IGBT，D9、D10、D11、D12為二極管，C1、C4、C5、C8為相應(yīng)開關(guān)管上的并聯(lián)電容器，Cd1、Cd2為兩個分壓電容，Llk為變壓器的漏感或外接的諧振電感，Tr為副邊帶中間抽頭的變壓器，T1-T4為晶閘管，L為超導(dǎo)磁體。其電壓單元的連接方式與圖2完全相同。其變壓器單元為普通變壓器，變壓器的原邊與三電平橋臂的兩個中點相連，變壓器的副邊與電流單元的交流電流端相連。其電流單元為由晶閘管T1-T4組成的電流源換流器。T1的陽極與T3的陰極相連，構(gòu)成其中一個橋臂，T2的陽極與T4的陰極相連，構(gòu)成其中另一個橋臂，兩個橋臂相互并聯(lián)，并與超導(dǎo)磁體L并聯(lián)。兩個橋臂的中點與變壓器副邊的兩端相連。其中IGBT可為1MBI600PX-120，晶閘管可以為KA1200。
圖5為本發(fā)明的實施例3。圖中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8為IGBT，D9、D10、D11、D12為二極管，C1、C4、C5、C8為相應(yīng)開關(guān)管上的并聯(lián)電容器，Cd1、Cd2為兩個分壓電容，Llk為變壓器的漏感或外接的諧振電感，Tr為副邊帶中間抽頭的變壓器，T1、T2為IGBT，D1、D2為二極管，L為超導(dǎo)磁體。其連接方式與圖3完全相同。它用IGBT與二極管相互連接作為一個整體，來代替圖3中的一個晶閘管。其中IGBT可為1MBI600PX-120，二極管可為MDN 600C20。
圖6為本發(fā)明的實施例4。圖中Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8為IGBT，D9、D10、D11、D12為二極管，C1、C4、C5、C8為相應(yīng)開關(guān)管上的并聯(lián)電容器，Cd1、Cd2為兩個分壓電容，Llk為變壓器的漏感或外接的諧振電感，Tr為副邊帶中間抽頭的變壓器，T1-T4為IGBT，D1-D4為二極管，L為超導(dǎo)磁體。其連接方式與圖4完全相同。它用IGBT與二極管相互連接作為一個整體，來代替圖4中的一個晶閘管。其中IGBT可為1MBI600PX-120，二極管可為MDN 600C20。
本發(fā)明的具體工作原理和過程如下
本發(fā)明可工作在充電和放電兩種狀態(tài)。充電和放電都可工作在二電平和三電平兩種模式。
在2電平模式中，本發(fā)明變換器在一個開關(guān)周期共有16種開關(guān)模態(tài)，分別對應(yīng)于[t0，t1]、[t1，t2]、[t2，t3]、[t3，t4]、[t4，t5]、[t5，t6]、[t6，t7]、[t7，t8]、[t8，t9]、[t9，t10]、[t10，t11]、[t11，t12]、[t12，t13]、[t13，t14]，[t14，t15]，[t15，t16]，如圖7所示。其中[t0，t8]為前半周期，[t8，t16]為后半周期。下面結(jié)合圖2(設(shè)其中電流單元的開關(guān)器件為晶閘管等半控型開關(guān))，詳細描述其工作過程，其中UA0為第一個三電平橋臂的輸出端A對兩個分壓電容器中點0的電壓，UB0為第二個三電平橋臂的輸出端B對兩個分壓電容器中點0的電壓。UAB為兩個橋臂輸出端的電壓。IP為流過變壓器原邊的電流。另設(shè)變壓器的變比為n(Np/Ns)，Uo為副邊可控整流電路的輸出電壓。
開關(guān)模態(tài)1(對應(yīng)于[t0，t1]其中Cs2，Cs3，Cs6，Cs7分別為開關(guān)管Q2、Q3、Q6、Q7的寄生電容，其值遠小于并聯(lián)電容的值)。t0時刻之前，原邊電流IP從中點0出發(fā)，流向為0-D11-Q6-B-A-Q3-D10-0。t0時刻，Q3關(guān)斷，由于有Cs3，所以是零電壓關(guān)斷。關(guān)斷后，電流IP給Cs3充電，C1放電，充放電結(jié)束后，C1上的電壓為零。IP的流向為0-D11-Q6-B-A-D2-D1。
開關(guān)模態(tài)2(對應(yīng)于[t1，t2])。t1時刻，開通Q1，同時給T1施加觸發(fā)脈沖，由于C1上的電壓為零，所以是零電壓開通。給T1施加觸發(fā)脈沖后，由于T1兩端承受正電壓，在觸發(fā)脈沖的作用下，T1開通，由于變壓器存在漏感，流過T1的電流逐漸增加，T1實現(xiàn)了零電流開通。而此時，T2承受反向電壓，在反向電壓的作用下，流過T2的電流逐漸減少到零，T2過零關(guān)斷，從而實現(xiàn)了零電流關(guān)斷。整個開關(guān)過程結(jié)束后，IP的流向為Q1-Q2-A-B-Q7-D12-0?？煽卣麟娐返妮敵鲭妷篣o正向加在超導(dǎo)磁體上。超導(dǎo)磁體上的電流增加。
開關(guān)模態(tài)3(對應(yīng)于[t2，t3])。t2時刻，Q1關(guān)斷，由于Q1兩端有電容C1，所以是零電壓關(guān)斷。Q1關(guān)斷后，IP給C1充電，Cs3放電，充放電過程結(jié)束后，C1兩端的電壓為分壓電容Cd1兩端的電壓，Cs3兩端的電壓接近于零，IP的流向為0-D9-Q2-A-B-Q7-D12-0。
開關(guān)模態(tài)4(對應(yīng)于[t3，t4)。t3時刻，開通Q3，由于Cs3兩端的電壓接近于零，所以是零電壓開通。原邊電流IP的流向不變。
開關(guān)模態(tài)5(對應(yīng)于[t4，t5])。t4時刻，Q7關(guān)斷，IP給Cs7充電，給C5放電，充放電過程結(jié)束后，C5兩端的電壓為零，IP的流向為0-D9-Q2-A-B-D6-D5。
開關(guān)模態(tài)6(對應(yīng)于[t5，t6)。t5時刻Q5開通，并給T2觸發(fā)信號。由于C5上的電壓為零，所以是零電壓開通。給T2施加觸發(fā)脈沖后，由于T2兩端承受正電壓，在觸發(fā)脈沖的作用下，T2開通，由于變壓器存在漏感，流過T2的電流逐漸增加，T2實現(xiàn)了零電流開通。而此時，T1承受反向電壓，在反向電壓的作用下，流過T1的電流逐漸減少到零，T1過零關(guān)斷，從而實現(xiàn)了零電流關(guān)斷。整個開關(guān)過程結(jié)束后，IP的流向為Q5-Q6-B-A-Q3-D10-0?？煽卣麟娐返妮敵鲭妷篣o正向加在超導(dǎo)磁體上。超導(dǎo)磁體上的電流增加。
開關(guān)模態(tài)7(對應(yīng)于[t6，t7])。t6時刻Q5關(guān)斷IP給C5充電，Cs7放電，充放電過程結(jié)束后，C5上的電壓等于分壓電容Cd1上的電壓，Cs7上的電壓接近于零。IP的流向為0-D11-Q6-B-A-Q3-D10-0。
開關(guān)模態(tài)8(對應(yīng)于[t7，t8])，t7時刻Q7開通，由于Cs7上的電壓接近于零，所以是零電壓開通。
以上為兩電平模式下，超導(dǎo)磁體充電的上半周期的開關(guān)過程，從開關(guān)過程可以看出，它實現(xiàn)了完全的軟開關(guān)，下半周的開關(guān)過程與上半周相似，這里不再贅述。
在3電平模式中，本發(fā)明變換器在一個開關(guān)周期共有24種開關(guān)模態(tài)，分別對應(yīng)于[t0，t1]、[t1，t2]、[t2，t3]、[t3，t4]、[t4，t5]、[t5，t6]、[t6，t7]、[t7，t8]、[t8，t9]、[t9，t10]、[t10，t11]、[t11，t12]、[t12，t13]、[t13，t14]、[t14，t15]，[t15，t16]、[t16，t17]、[t17，t18]、[t18，t19]、[t19，t20]、[t20，t21]、[t21，t22]、[t22，t23]、[t23，t24]，如圖8所示。其中[t0，t12]為前半周期，[t12，t24]為后半周期。下面結(jié)合圖2，詳細描述其工作過程。
開關(guān)模態(tài)1(對應(yīng)于[t0，t1])。t0時刻之前，原邊電流IP從中點0出發(fā)，流向為0-D11-Q6-B-A-Q3-D10-0。t0時刻，Q3、Q6關(guān)斷，電流IP給Cs3、Cs6充電，C1、C8放電，充放電結(jié)束后，IP的流向為D8-D7-B-A-D2-D1。由于IP流經(jīng)Q1、Q2的反并聯(lián)二級管回到電源正端，Q1上的電壓為零，同理Q8上的電壓也為零。
開關(guān)模態(tài)2(對應(yīng)于[t1，t2])。t1時刻，開通Q1、Q8，同時給T1施加觸發(fā)脈沖，由于Q1、Q8上的電壓為零，并且有電容C1、C8，所以是零電壓開通。給T1施加觸發(fā)脈沖后，由于T1兩端承受正電壓，在觸發(fā)脈沖的作用下，T1開通，由于變壓器存在漏感，流過T1的電流逐漸增加，T1實現(xiàn)了零電流開通。而此時，T2承受反向電壓，在反向電壓的作用下，流過T2的電流逐漸減少到零，T2過零關(guān)斷，從而實現(xiàn)了零電流關(guān)斷。整個開關(guān)過程結(jié)束后，IP的流向為Q1-Q2-A-B-Q7-Q8?？煽卣麟娐返妮敵鲭妷篣o正向加在超導(dǎo)磁體上。超導(dǎo)磁體上的電流增加。
開關(guān)模態(tài)3(對應(yīng)于[t2，t3])。t3時刻Q8關(guān)斷，IP給C8充電，Cs6放電，充放電過程結(jié)束后，Cs6兩端的電壓接近于零，C8兩端的電壓為分壓電容Cd2兩端的電壓，IP的流向為Q1-Q2-A-B-Q7-D12-0。
開關(guān)模態(tài)4(對應(yīng)于[t3，t4])。t3時刻，Q6開通，由于Cs6兩端的電壓接近于零，所以是零電壓開通。IP的流向與開關(guān)模態(tài)3相同。
開關(guān)模態(tài)5(對應(yīng)于[t4，t5])。t4時刻，Q1關(guān)斷，由于有C1所以是零電壓關(guān)斷，C1關(guān)斷后，IP給C1充電，Cs3放電，充放電過程結(jié)束后，C1兩端的電壓等于分壓電容Cd1兩端的電壓，Cs3兩端的電壓接近于零。IP的流向為0-D9-Q2-A-B-Q7-D12-0。
開關(guān)模態(tài)6(對應(yīng)于[t5，t6])。t5時刻，Q3開通，由于Cs3上的電壓接近于零，所以是零電壓開通。IP的流向不變。
開關(guān)模態(tài)7(對應(yīng)于[t6，t7])。t6時刻，Q2、Q7關(guān)斷，由于有Cs2、Cs7，所以是零電壓關(guān)斷。IP給Cs2、Cs7充電，C4、C5放電，充放電過程結(jié)束后，Cs2、Cs7兩端的電壓分別等于分壓電容Cd2、Cd1兩端的電壓，C4、C5兩端的電壓等于零。IP的流向為D4-D3-A-B-D6-D5。
開關(guān)模態(tài)8(對應(yīng)于[t7，t8])。t7時刻，Q4、Q5開通，同時給T2施加觸發(fā)脈沖，因為Q4、Q5上的電壓為零，且有C4、C5，所以是零電壓開通。給T2施加觸發(fā)脈沖后，由于T2兩端承受正電壓，在觸發(fā)脈沖的作用下，T2開通，由于變壓器存在漏感，流過T2的電流逐漸增加，T2實現(xiàn)了零電流開通。而此時，T1承受反向電壓，在反向電壓的作用下，流過T1的電流逐漸減少到零，T1過零關(guān)斷，從而實現(xiàn)了零電流關(guān)斷。整個開關(guān)過程結(jié)束后，IP的流向為Q5-Q6-B-A-Q3-Q4。可控整流電路的輸出電壓Uo正向加在超導(dǎo)磁體上。超導(dǎo)磁體上的電流增加。
開關(guān)模態(tài)9(對應(yīng)于[t8，t9])。t8時刻，Q4關(guān)斷，由于有C4所以是零電壓關(guān)斷。IP給C4充電，Cs2放電，充放電過程結(jié)束后，C4兩端的電壓等于Cd2兩端的電壓，Cs2兩端的電壓接近于零。IP的流向為Q5-Q6-B-A-Q3-D10-0。
開關(guān)模態(tài)10(對應(yīng)于[t9，t10])。t9時刻，Q2開通，由于Cs2兩端的電壓接近于零，所以是零電壓開通。IP的流向不變。
開關(guān)模態(tài)11(對應(yīng)于[t10，t11])。t10時刻，Q5關(guān)斷，由于有C5，所以是零電壓關(guān)斷，IP給C5充電，Cs7放電。充放電過程結(jié)束后C5兩端的電壓等于分壓電容Cd1兩端的電壓，Cs7兩端的電壓接近于零。Ip的流向為0-D11-Q6-B-A-Q3-D10-0。
開關(guān)模態(tài)12(對應(yīng)于[t11，t12])。t11時刻，Q7開通，由于Cs7兩端的電壓接近于零，所以是零電壓開通。
以上為三電平模式下超導(dǎo)磁體充電的上半周期的開關(guān)過程，從開關(guān)過程可以看出，它實現(xiàn)了完全的軟開關(guān)，下半周的開關(guān)過程與上半周相似，這里不再贅述。
放電也可以工作在2L和3L模式，下面分別對這兩種模式進行詳細描述。
在2電平模式中，本發(fā)明變換器在一個開關(guān)周期共有20種開關(guān)模態(tài)，分別對應(yīng)于[t0，t1]、[t1，t2]、[t2，t3]、[t3，t4]、[t4，t5]、[t5，t6]、[t6，t7]、[t7，t8]、[t8，t9]、[t9，t10]、[t10，t11]、[t11，t12]、[t12，t13]、[t13，t14]、[t14，t15]，[t15，t16]、[t16，t17]、[t17，t18]、[t18，t19]、[t19，t20]，如圖9所示，其中[t0，t10]為上半周期，[t10，t20]為下半周期，下面結(jié)合圖2，詳細描述其工作過程。
開關(guān)模態(tài)1(對應(yīng)于[t0，t1])。t0時刻之前，原邊電流IP從中點0出發(fā)，流向為0-D11-Q6-B-A-Q3-D10-0。t0時刻，Q3關(guān)斷，電流IP給Cs3充電，C1放電，充放電結(jié)束后，IP的流向為0-D11-Q6-B-A-D2-D1。由于IP流經(jīng)Q1、Q2的反并聯(lián)二級管回到電源正端，C1上的電壓為零，此時Uo上的電壓為負，超導(dǎo)磁體上所加的電壓與電流的方向相反，超導(dǎo)磁體放電。
開關(guān)模態(tài)2(對應(yīng)于[t1，t2])。t1時刻，開通Q1，由于C1上的電壓為零，所以是零電壓開通。電流IP的流向不變，Uo上的電壓仍為負，超導(dǎo)磁體繼續(xù)放電。
開關(guān)模態(tài)3(對應(yīng)于[t2，t3])。t2時刻，給T1觸發(fā)信號，由于T1兩端承受正電壓，在觸發(fā)脈沖的作用下，T1開通，由于變壓器存在漏感，流過T1的電流逐漸增加，T1實現(xiàn)了零電流開通。而此時，T2承受反向電壓，在反向電壓的作用下，流過T2的電流逐漸減少到零，T2過零關(guān)斷，從而實現(xiàn)了零電流關(guān)斷。整個開關(guān)過程結(jié)束后，IP的流向為Q1-Q2-A-B-Q7-D12-0?？煽卣麟娐返妮敵鲭妷篣o正向加在超導(dǎo)磁體上。超導(dǎo)磁體上的電流增加。
開關(guān)模態(tài)4(對應(yīng)于[t3，t4])。t3時刻，Q1關(guān)斷，由于Q1兩端有電容C1，所以是零電壓關(guān)斷。Q1關(guān)斷后，IP給C1充電，Cs3放電，充放電過程結(jié)束后，C1兩端的電壓為分壓電容Cd1兩端的電壓，Cs3兩端的電壓接近于零，IP的流向為0-D9-Q2-A-B-Q7-D12-0。
開關(guān)模態(tài)5(對應(yīng)于[t4，t5])。t4時刻，開通Q3，由于Cs3兩端的電壓接近于零，所以是零電壓開通。原邊電流IP的流向不變。
開關(guān)模態(tài)6(對應(yīng)于[t5，t6])。t5時刻，Q7關(guān)斷，IP給Cs7充電，給C5放電，充放電過程結(jié)束后，Cs7兩端的電壓為分壓電容Cd1兩端的電壓，C5兩端的電壓為零，IP的流向為0-D9-Q2-A-B-D6-D5，此時Uo上的電壓為負，超導(dǎo)磁體上所加的電壓與電流的方向相反，超導(dǎo)磁體放電。
開關(guān)模態(tài)7(對應(yīng)于[t6，t7])。t6時刻，開通Q5，由于C5兩端的電壓為零，所以是零電壓開通。原邊電流IP的流向不變。Uo上的電壓仍為負，超導(dǎo)磁體繼續(xù)放電。
開關(guān)模態(tài)8(對應(yīng)于[t7，t8])。t7時刻，給T2觸發(fā)信號，由于T2兩端承受正電壓，在觸發(fā)脈沖的作用下，T2開通，由于變壓器存在漏感，流過T2的電流逐漸增加，T2實現(xiàn)了零電流開通。而此時，T1承受反向電壓，在反向電壓的作用下，流過T1的電流逐漸減少到零，T1過零關(guān)斷，從而實現(xiàn)了零電流關(guān)斷。整個開關(guān)過程結(jié)束后，IP的流向為Q5-Q6-B-A-Q3-D10-0?？煽卣麟娐返妮敵鲭妷篣o正向加在超導(dǎo)磁體上。超導(dǎo)磁體上的電流增加。
開關(guān)模態(tài)9(對應(yīng)于[t8，t9])。t8時刻，Q5關(guān)斷，由于Q5兩端有電容C5，所以是零電壓關(guān)斷。Q5關(guān)斷后，IP給C5充電，Cs7放電，充放電過程結(jié)束后，C5兩端的電壓為分壓電容Cd1兩端的電壓，Cs7兩端的電壓接近于零，IP的流向為0-D11-Q6-B-A-Q3-D10-0。
開關(guān)模態(tài)10(對應(yīng)于[t9，t10])。t9時刻，開通Q7，由于Cs7兩端的電壓接近零，所以是零電壓開通。原邊電流IP的流向不變。
以上為2電平模式下超導(dǎo)磁體放電的上半周期的開關(guān)過程，從開關(guān)過程可以看出，它實現(xiàn)了完全的軟開關(guān)，下半周的開關(guān)過程與上半周相似，這里不再贅述。
在三電平模式中，本發(fā)明變換器在一個開關(guān)周期共有28種開關(guān)模態(tài)，分別對應(yīng)于[t0，t1]、[t1，t2]、[t2，t3]、[t3，t4]、[t4，t5]、[t5，t6]、[t6，t7]、[t7，t8]、[t8，t9]、[t9，t10]、[t10，t11]、[t11，t12]、[t12，t13]、[t13，t14]、[t14，t15]，[t15，t16]、[t16，t17]、[t17，t18]、[t18，t19]、[t19，t20]、[t20，t21]、[t21，t22]、[t22，t23]、[t23，t24]、[t24，t25]、[t25，t26]、[t26，t27]、[t27，t28]，如圖10所示。其中[t0，t14]為前半周期，[t14，t28]為后半周期。下面結(jié)合圖2，詳細描述其工作過程。
開關(guān)模態(tài)1(對應(yīng)于[t0，t1])。t0時刻之前，原邊電流IP從中點0出發(fā)，流向為0-D11-Q6-B-A-Q3-D10-0。t0時刻，Q3關(guān)斷，電流IP給Cs3充電，C1放電，充放電結(jié)束后，IP的流向為0-D11-Q6-B-A-D2-D1。由于IP流經(jīng)Q1、Q2的反并聯(lián)二級管回到電源正端，C1上的電壓為零，此時Uo上的電壓為負，超導(dǎo)磁體上所加的電壓與電流的方向相反，超導(dǎo)磁體放電。
開關(guān)模態(tài)2(對應(yīng)于[t1，t2])。t1時刻，開通Q1，由于C1上的電壓為零，所以是零電壓開通。電流IP的流向不變，Uo上的電壓仍為負，超導(dǎo)磁體繼續(xù)放電。
開關(guān)模態(tài)3(對應(yīng)于[t2，t3])。t2時刻，關(guān)斷Q6，由于Q6上有寄生電容Cs6，所以是零電壓關(guān)斷，IP給Cs6充電，C8放電，充放電過程結(jié)束后，Cs6上的電壓等于分壓電容Cd2上的電壓，C8上的電壓等于零，IP的流向為D8-D7-B-A-D2-D1，若兩個分壓電容上的電壓平衡，Uo上的電壓為開關(guān)模態(tài)2時的兩倍，超導(dǎo)磁體放電的速度加快。
開關(guān)模態(tài)4(對應(yīng)于[t3，t4])。t3時刻，開通Q8，由于C8上的電壓為零，所以是零電壓開通。電流IP的流向不變，Uo上的電壓與上個開關(guān)模態(tài)相同，超導(dǎo)磁體繼續(xù)放電。
開關(guān)模態(tài)5(對應(yīng)于[t4，t5])。t4時刻，T1觸發(fā)信號，由于T1兩端承受正電壓，在觸發(fā)脈沖的作用下，T1開通，由于變壓器存在漏感，流過T1的電流逐漸增加，T1實現(xiàn)了零電流開通。而此時，T2承受反向電壓，在反向電壓的作用下，流過T2的電流逐漸減少到零，T2過零關(guān)斷，從而實現(xiàn)了零電流關(guān)斷。整個開關(guān)過程結(jié)束后，IP的流向為Q1-Q2-A-B-Q7-Q8?？煽卣麟娐返妮敵鲭妷篣o正向加在超導(dǎo)磁體上。超導(dǎo)磁體上的電流增加。
開關(guān)模態(tài)6(對應(yīng)于[t5，t6])。t5時刻，Q1、Q8關(guān)斷，由于Q1、Q8兩端有電容C1、C8，所以是零電壓關(guān)斷。Q1、Q8關(guān)斷后，IP給C1、C8充電，Cs3、Cs6放電，充放電過程結(jié)束后，C1兩端的電壓為分壓電容Cd1兩端的電壓，C8兩端的電壓等于分壓電容Cd2兩端的電壓，Cs3、Cs6兩端的電壓接近于零，IP的流向為0-D9-Q2-A-B-Q7-D12-0。
開關(guān)模態(tài)7(對應(yīng)于[t6，t7])。t6時刻，開通Q3、Q6，由于Cs3、Cs6兩端的電壓接近于零，所以是零電壓開通。原邊電流IP的流向不變。
開關(guān)模態(tài)8(對應(yīng)于[t7，t8])。t7時刻，Q7關(guān)斷，IP給Cs7充電，給C5放電，充放電過程結(jié)束后，Cs7兩端的電壓為分壓電容Cd1兩端的電壓，C5兩端的電壓為零，IP的流向為0-D9-Q2-A-B-D6-D5，此時Uo上的電壓為負，超導(dǎo)磁體上所加的電壓與電流的方向相反，超導(dǎo)磁體放電。
開關(guān)模態(tài)9(對應(yīng)于[t8，t9])。t8時刻，開通Q5，由于C5兩端的電壓為零，所以是零電壓開通。原邊電流IP的流向不變。Uo上的電壓仍為負，超導(dǎo)磁體繼續(xù)放電。
開關(guān)模態(tài)10(對應(yīng)于[t9，t10])。t9時刻，關(guān)斷Q2，由于Q2上有寄生電容Cs2，所以是零電壓關(guān)斷，IP給Cs2充電，C4放電，充放電過程結(jié)束后，Cs2上的電壓等于分壓電容Cd2上的電壓，C4上的電壓等于零，IP的流向為D4-D3-A-B-D6-D5，若兩個分壓電容上的電壓平衡，Uo上的電壓為開關(guān)模態(tài)2時的兩倍，超導(dǎo)磁體放電的速度加快。
開關(guān)模態(tài)11(對應(yīng)于[t10，t11])。t10時刻，開通Q4，由于C4上的電壓為零，所以是零電壓開通。電流IP的流向不變，Uo上的電壓與上個開關(guān)模態(tài)相同，超導(dǎo)磁體繼續(xù)放電。
開關(guān)模態(tài)12(對應(yīng)于[t11，t12])。t11時刻，給T2觸發(fā)信號，由于T2兩端承受正電壓，在觸發(fā)脈沖的作用下，T2開通，由于變壓器存在漏感，流過T2的電流逐漸增加，T2實現(xiàn)了零電流開通。而此時，T1承受反向電壓，在反向電壓的作用下，流過T1的電流逐漸減少到零，T1過零關(guān)斷，從而實現(xiàn)了零電流關(guān)斷。整個開關(guān)過程結(jié)束后，IP的流向為Q5-Q6-B-A-Q3-Q4?？煽卣麟娐返妮敵鲭妷篣o正向加在超導(dǎo)磁體上。超導(dǎo)磁體上的電流增加。
開關(guān)模態(tài)13(對應(yīng)于[t12，t13])。t12時刻，Q4、Q5關(guān)斷，由于Q4、Q5兩端有電容C4、C5，所以是零電壓關(guān)斷。Q4、Q5關(guān)斷后，IP給C4、C5充電，Cs2、Cs7放電，充放電過程結(jié)束后，C4、C5兩端的電壓分別為分壓電容Cd2、Cd1兩端的電壓，Cs2、Cs7兩端的電壓接近于零，IP的流向為0-D11-Q6-B-A-Q3-D10-0。
開關(guān)模態(tài)14(對應(yīng)于[t13，t14])。t13時刻，開通Q2、Q7，由于Cs2、Cs7兩端的電壓接近于零，所以是零電壓開通。原邊電流IP的流向不變。
以上為三電平模式下超導(dǎo)磁體放電的上半周期的開關(guān)過程，從開關(guān)過程可以看出，它實現(xiàn)了完全的軟開關(guān)，下半周的開關(guān)過程與上半周相似，這里不再贅述。
從整個充放電的過程可以看出，這種超導(dǎo)儲能用的雙向三電平DC/DC能夠完全實現(xiàn)軟開關(guān)，具有非常高的工作效率。
以上為電流單元采用半控型器件如晶閘管的工作原理。對于電流單元采用全控型開關(guān)與二極管串聯(lián)的形式，其控制方法幾乎完全相同，唯一不同的是電流單元的觸發(fā)脈沖，兩者脈沖對比如圖11所示。其中T1、T2為半控型開關(guān)的觸發(fā)脈沖，S1、S2為全控型開關(guān)的觸發(fā)脈沖。對于半控型開關(guān)，t0時刻，給T1觸發(fā)脈沖，此時加在T1上的電壓大于零，由于變壓器有漏感，流過T1的電流逐漸增加，T1零電流開通，而加在T2上的電壓小于零，流過T2的電流逐漸減小，T2過零關(guān)斷，實現(xiàn)零電流關(guān)斷。對于全控型開關(guān)，t0時刻，給S1觸發(fā)脈沖，此時加在S1上的電壓大于零，由于變壓器有漏感，流過S1的電流逐漸增加，S1零電流開通，而加在S2上的電壓小于零，流過S2的電流逐漸減小到零，當(dāng)S2減小到零后，t1時刻，關(guān)斷S2，從而實現(xiàn)零電流關(guān)斷。
中點不平衡問題是所以三電平DC/DC必須解決的問題，本發(fā)明也不例外。本發(fā)明提供一種通過改變兩個三電平橋臂中點輸出電壓正負脈寬的相對大小來控制中點不平衡的方法。設(shè)分壓電容Cd1上的電壓大于分壓電容Cd2的電壓。如圖12所示，在充電時，使正向脈寬大于負向脈寬，這樣流出分壓電容Cd1的電流Icd1大于流入的電流，Cd1的電壓Ucd1下降；而流入分壓電容Cd2的電流Icd2大于流出的電流，Cd2的電壓Ucd2上升，流出兩個分壓電容Cd1、Cd2中點電流Io的平均值小于零。Cd1和Cd2上的電壓趨于相等。如圖13所示，在放電時，由于原邊電流的流向相反，在放電時，使正向脈寬小于負向脈寬，這樣流入分壓電容Cd1的電流Icd1小于流入分壓電容Cd2的電流Icd2，Cd1的電壓Ucd1相對Cd2減小，流出兩個分壓電容Cd1、Cd2中點電流Io的平均值小于零。Cd1和Cd2上的電壓趨于相等。需要特別說明的是，中點不平衡的控制并不局限于縮短正向或負向脈寬，也可以通過增加脈寬的方式，總而言之，就是通過控制正負向電壓脈寬的相對大小來控制中點電壓的不平衡。通過這種方式，中點不平衡的問題就能得以解決。
權(quán)利要求
1.超導(dǎo)儲能用雙向三電平軟開關(guān)DC/DC，其特征在于它由電壓單元、變壓器單元和電流單元三部分組成；電壓單元由兩個三電平橋臂組成；開關(guān)管[Q1-Q4]和鉗位二極管[D9]、[D10]組成其中一個三電平橋臂；開關(guān)管[Q1-Q4]頭尾相連；開關(guān)管[Q1]反并聯(lián)二極管[D1]，并與電容器[C1]并聯(lián)，開關(guān)管[Q4]反并聯(lián)二極管[D4]、并與電容器[C4]并聯(lián)，開關(guān)管[Q2]反并聯(lián)二極管[D2]，開關(guān)管[Q3]反并聯(lián)二極管[D3]；開關(guān)管[Q1]、[Q2]的中點與鉗位二極管[D9]的陰極相連，開關(guān)管[Q3]、[Q4]的中點與鉗位二極管[D10]的陽極相連；[D9]的陽極與[D10]的陰極相連，其中點與分壓電容[Cd1]、[Cd2]的中點相連；開關(guān)管[Q5-Q8]和鉗位二極管[D11]、[D12]組成其中另一個三電平橋臂；開關(guān)管[Q5-Q8]頭尾相連，開關(guān)管[Q5]反并聯(lián)二極管[D5]，并與電容器[C5]并聯(lián)，開關(guān)管[Q8]反并聯(lián)二極管[D8]，并與電容器[C8]并聯(lián)，開關(guān)管[Q6]反并聯(lián)二極管[D6]、開關(guān)管[Q7]反并聯(lián)二極管[D7]；開關(guān)管[Q5]、[Q6]的中點與鉗位二極管[D11]的陰極相連，開關(guān)管[Q7]、[Q8]的中點與鉗位二極管[D12]的陽極相連；鉗位二極管[D11]的陽極與[D12]的陰極相連，其中點與分壓電容[Cd1]、[Cd2]的中點相連；兩個三電平橋臂與兩個串聯(lián)分壓電容[Cd1]、[Cd2]并聯(lián)；兩個三電平橋臂的中點A、B與變壓器原邊繞組的兩端相連；變壓器單元若為副邊帶中間抽頭的變壓器，其電流單元為由開關(guān)[T1]、[T2]組成的電流源換流器；開關(guān)[T1]、[T2]的一端與變壓器副邊的兩端相連，另一端相互連接，并與超導(dǎo)磁體[L]的一端相連，超導(dǎo)磁體[L]的另一端與變壓器的中間抽頭相連；其中三電平橋臂中間兩個開關(guān)管[Q2]、[Q3]、[Q6]、[Q7]也可以并聯(lián)電容器[C2]、[C3]、[C6]、[C7]，其電容值遠小于上下兩個開關(guān)管[Q1]、[Q4]、[Q5]、[Q8]的并聯(lián)電容[C1]、[C4]、[C5]、[C8]十倍以上。
2.應(yīng)用于權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)儲能用雙向三電平軟開關(guān)DC/DC電壓側(cè)脈寬控制方法，其特征在于通過控制電壓單元逆變器輸出的電壓脈寬來控制能量傳輸?shù)拇笮?，而通過控制電流單元開關(guān)換相的位置來控制充放電，若在原邊逆變器輸出電壓脈寬的前沿換相，則變換器充電，若在后沿換相則變換器放電；通過控制三電平橋臂輸出正負向電壓脈寬的相對大小來控制中點電壓的不平衡。
全文摘要
一種超導(dǎo)儲能用雙向三電平軟開關(guān)DC/DC，包括電壓單元、變壓器單元和電流單元。電壓單元為帶中點箝位二極管的兩個三電平半橋，三電平半橋最上端和最下端的開關(guān)管并聯(lián)電容，中間兩個開關(guān)管不并聯(lián)電容，亦可在所有開關(guān)管上都并聯(lián)電容。兩個三電平半橋的中點和箝位二極管的中點都與兩個分壓電容器連線的中點相連。電流單元的結(jié)構(gòu)決定于變壓器單元若為普通變壓器，副邊為全橋式電流源逆變器，若為帶中間抽頭的變壓器，副邊為全波式電流源逆變器。本發(fā)明通過控制電壓單元輸出的脈寬控制能量傳輸?shù)拇笮?，通過控制副邊電流單元開關(guān)觸發(fā)的位置控制充放電，通過控制三電平橋臂輸出的正負向電壓脈寬的相對大小，解決三電平橋臂中點電壓不平衡問題。
文檔編號H02M3/335GK1845433SQ200610011908
公開日2006年10月11日 申請日期2006年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月16日
發(fā)明者郭文勇, 趙彩宏, 歐陽羿, 辛理夫, 李學(xué)斌 申請人:中國科學(xué)院電工研究所