一種六相逆變式大功率直流升壓變換器及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種大容量、高效率、低紋波的直流升壓裝置，可應(yīng)用帶有可再生新能源的直流輸電領(lǐng)域，對(duì)于大規(guī)模光伏電站、風(fēng)電場(chǎng)輸出的直流電壓進(jìn)行升壓后匯入高壓直流母線用于直流輸電。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展以及大量的可再生新能源的并網(wǎng)，直流輸電的優(yōu)勢(shì)逐漸體現(xiàn)出來(lái)。相比于交流輸電，直流輸電在很多的領(lǐng)域具有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì)，如線路成本低、輸電損耗小、供電可靠性高等。直流輸電只有兩條線路，所需的建設(shè)費(fèi)用少，且在輸送同樣的功率條件下的損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于交流，同時(shí)直流輸電不存在頻率穩(wěn)定和無(wú)功功率的問(wèn)題，電磁輻射也小。由于這些優(yōu)勢(shì)，近年，高壓直流輸電在我國(guó)已有了很好的發(fā)展，已有一大批的高壓直流輸電項(xiàng)目投入了運(yùn)行。
[0003]傳統(tǒng)的直流輸電采用交流匯集與直流傳輸并網(wǎng)的模式，該模式技術(shù)成熟且已有了很多應(yīng)用案例。如2006年建成的容量為3000MW的三峽一上?！?00kv直流輸電系統(tǒng)、2014年建成的容量為8000MW的哈密南-鄭州?！?00kv直流輸電系統(tǒng)。對(duì)于傳統(tǒng)的水電廠、火電廠其水輪機(jī)或汽輪機(jī)輸出電能為交流，所以直接采用交流匯入方便高效。但是隨著大量的可再生新能源的接入，大規(guī)模的光伏電站、風(fēng)電場(chǎng)輸出的電能本身為直流(風(fēng)機(jī)輸出的電能一般要經(jīng)過(guò)整流的環(huán)節(jié))，這與當(dāng)前的交流匯入的方式并不太兼容。于是，有相關(guān)的學(xué)者提出一種直流匯入與直流傳輸并網(wǎng)的新模式。當(dāng)前，該模式并無(wú)典型的應(yīng)用案例，且需要大功率直流變壓裝置技術(shù)的突破。
[0004]傳統(tǒng)的直流變壓采用斬波技術(shù)，而該技術(shù)只適用于低壓小功率場(chǎng)合。對(duì)于需要進(jìn)行高壓大功率直流變壓的直流輸電場(chǎng)合，新的直流變壓技術(shù)與思路需要被提出。大功率直流變壓裝置需要解決的兩大技術(shù)難題為低壓側(cè)電流容量與高壓側(cè)耐壓的問(wèn)題。通常的解決方案為進(jìn)行串并聯(lián)連接，并聯(lián)分流以解決電流容量的問(wèn)題。串聯(lián)分壓以解決耐壓的問(wèn)題。但是串并聯(lián)又會(huì)引入環(huán)流以及需要增加冗余提高可靠性的問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，本發(fā)明為大功率直流升壓提出了一種新的思路。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種六相逆變式大功率直流升壓變換器及其控制方法。
[0006]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種六相逆變式大功率直流升壓變換器，包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的升壓變換單元，每個(gè)升壓變換單元包括依次連接的前級(jí)η型CLC濾波裝置、六相逆變橋、六相變壓器以及六相二極管整流橋;所述六相逆變橋包括六個(gè)開關(guān)橋臂，所述六個(gè)開關(guān)橋臂分為兩組，前三個(gè)橋臂為第一組，后三個(gè)橋臂為第二組;第一組三個(gè)橋臂輸出相角差為120°的三相對(duì)稱電壓，第二組三個(gè)橋臂輸出相角差為120°的三相對(duì)稱電壓，且兩組橋臂輸出的三相電壓相位互差30°;六相逆變橋直流輸入側(cè)接直流電壓源，兩個(gè)升壓變換單元的兩個(gè)六相逆變橋?qū)⒅绷鱾?cè)電壓逆變成兩組相差為15°的交流電;兩個(gè)升壓變換單元的兩個(gè)六相二極管整流橋串聯(lián)，且兩個(gè)六相二極管整流橋的串聯(lián)中點(diǎn)引出接地。
[0007]本發(fā)明還提供了一種上述六相逆變式大功率直流升壓變換器的控制方法，包括以下步驟:
[0008]I)將給定輸出功率P分別除以兩個(gè)升壓變換單元的高壓直流側(cè)電壓!^與―，得到兩個(gè)升壓變換單元的兩個(gè)六相逆變橋輸出電流的指令值Irrf1和Irrf2;
[0009]2)采樣高壓直流側(cè)輸出電流進(jìn)行低通濾波，然后將低通濾波后的兩個(gè)高壓直流側(cè)輸出電流分別與輸出電流的指令值Irrfl、Irrf2相減，誤差送入PI控制器；
[0010]3)將PI控制器輸出值分別除以兩個(gè)升壓變換單元輸入側(cè)電壓值U11與U12，然后對(duì)Uu與U12進(jìn)行三相正弦變換，形成兩個(gè)升壓變換單元的兩個(gè)六相逆變橋總共12個(gè)橋臂的信號(hào)波;其中四組橋臂的三相正弦變換的參考相位分別為0°、30°、15°、45° ;
[0011]4)將所述信號(hào)波與載波比較后形成PWM信號(hào)控制六相逆變橋開關(guān)管的開通和關(guān)斷，輸出期望的交流電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)六相二極管整流輸出期望的直流電流。
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所具有的有益效果為:本發(fā)明裝置具有輸送功率大、效率高、高壓側(cè)紋波低的特點(diǎn)，原邊能過(guò)大電流，副邊可耐高電壓。前級(jí)采用六相逆變，將直流側(cè)電壓逆變成非對(duì)稱的六相交流電；功率平均分配在六個(gè)橋臂上，相比于三相逆變電路，每個(gè)橋臂的電流容量減少了一半，六相電壓經(jīng)后級(jí)整流后可形成12脈波的直流電。將兩組前級(jí)相位差為15°的六相逆變電路并聯(lián)運(yùn)行、后級(jí)的兩組六相整流電路串聯(lián)運(yùn)行后，電壓輸出變?yōu)?4脈波的直流電，其能顯著的減少高壓側(cè)直流側(cè)紋波;前級(jí)的逆變亦可輸出高頻的交流電壓，如輸出兩倍工頻甚至更高頻率的六相對(duì)稱電壓，其后級(jí)的直流紋波將會(huì)進(jìn)一步的減小;后級(jí)的二極管整流橋各橋臂采用多組二極管串聯(lián)的方式很好的提高了整流橋高壓側(cè)的耐壓值;利用中級(jí)的變壓器進(jìn)行升壓，改變了以往直流斬波升壓的思路，將直流升壓的操作換到交流中進(jìn)行，巧妙的解決了大功率直流變壓困難的難題;低壓直流源輸出接型CLC濾波裝置，很好的濾除了灌入低壓直流源的諧波電流。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為光伏陣列直流匯集的連接示意圖；
[0014]圖2為本發(fā)明所述的大功率雙極性直流升壓裝置拓?fù)鋱D；
[0015]圖3為電流閉環(huán)控制框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]參見圖1，此為本發(fā)明在光伏發(fā)電并網(wǎng)中的一個(gè)具體應(yīng)用。如圖所示，光伏陣列可視為一個(gè)低壓大電流的直流源，為實(shí)現(xiàn)其并網(wǎng)，先要將其電能匯入高壓的直流母線。本發(fā)明為其電能的匯入提供了接口。
[0017]參見圖2，本發(fā)明的前級(jí)逆變橋?qū)蓚€(gè)光伏陣列的直流電壓逆變?yōu)橄嗖顬?5°的非對(duì)稱六相交流電，其中六相前三相與后三相分別對(duì)稱且相位相差30°角。每個(gè)光伏陣列的輸出功率均勻的分配在逆變橋的6個(gè)橋臂上。六相交流電頻率與電壓由逆變橋的控制回路調(diào)節(jié)。輸出電壓頻率可控制在50Hz?500Hz。逆變橋輸出的交流電壓經(jīng)六相升壓變壓器升壓，后由六相二極管整流橋整成12脈波的直流電壓。其中二極管整流橋每個(gè)橋臂的二極管采用多組串聯(lián)的方式，以提高耐壓值。兩個(gè)六相整流橋的串行連接，中點(diǎn)接地，形成雙極性形式，這樣兩個(gè)整流橋的輸出為24脈波的直流電壓，即為本發(fā)明的后級(jí)輸出。輸出的電壓直接匯入高壓的直流母線。高壓直流匯集母線可吸收多組的直流升壓變壓器輸出。
[0018]如圖2所示，先將低壓直流側(cè)電壓逆變?yōu)榻涣骱笸ㄟ^(guò)變壓器升壓，最后整流為高壓的直流。其中前級(jí)的逆變側(cè)采用兩個(gè)6橋臂IGBT電路，上下兩個(gè)逆變電路分別發(fā)出兩組相差為30°的三相相對(duì)稱交流電壓，且上下兩個(gè)逆變橋輸出電壓相差15°角。中間級(jí)為六相升壓變壓器，后級(jí)為六個(gè)橋臂的二極管不可控整流裝置，每個(gè)橋臂采用多個(gè)二極管串聯(lián)，提高耐壓值。
[0019 ]參見圖3，為控制逆變橋的輸出功率，本發(fā)明采樣輸出側(cè)電流做PI調(diào)節(jié)，該方法包括以下步驟:
[0020]I)將給定功率輸出P分別除以高壓直流側(cè)電壓!^與!^得到上下兩個(gè)逆變橋輸出電流的指令值Irefl和Irrf2;
[0021]2)采樣高壓直流側(cè)輸出電流Ic1Alci2,進(jìn)行低通濾波，后與輸出電流的指令值Irrfl和Irrf2分別相減，誤差送入PI控制調(diào)節(jié)；
[0022]3)將PI調(diào)節(jié)輸出分別除以輸入側(cè)電壓值Ull與U12，后進(jìn)行三相正弦變換，形成上下兩個(gè)逆變橋總共12個(gè)橋臂的信號(hào)波；其中四組三相正弦變換的參考相位分別為0°、30°、15°、45°，分別對(duì)應(yīng)于上逆變橋的前三個(gè)橋臂、上逆變橋的后三個(gè)橋臂、下逆變橋的前三個(gè)橋臂、下逆變橋的后三個(gè)橋臂；
[0023]4)信號(hào)波與載波比較后形成PffM信號(hào)控制IGBT的開關(guān)，輸出期望的交流電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)二極管整流輸出期望的直流電流。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種六相逆變式大功率直流升壓變換器，其特征在于，包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的升壓變換單元，每個(gè)升壓變換單元包括依次連接的前級(jí)型CLC濾波裝置、六相逆變橋、六相變壓器以及六相二極管整流橋;所述六相逆變橋包括六個(gè)開關(guān)橋臂，所述六個(gè)開關(guān)橋臂分為兩組，前三個(gè)橋臂為第一組，后三個(gè)橋臂為第二組;第一組三個(gè)橋臂輸出相角差為120°的三相對(duì)稱電壓，第二組三個(gè)橋臂輸出相角差為120°的三相對(duì)稱電壓，且兩組橋臂輸出的三相電壓相位互差30°;六相逆變橋直流輸入側(cè)接直流電壓源，兩個(gè)升壓變換單元的兩個(gè)六相逆變橋?qū)⒅绷鱾?cè)電壓逆變成兩組相差為15°的交流電；兩個(gè)升壓變換單元的兩個(gè)六相二極管整流橋串聯(lián)，且兩個(gè)六相二極管整流橋的串聯(lián)中點(diǎn)引出接地。2.—種權(quán)利要求1所述六相逆變式大功率直流升壓變換器的控制方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)將給定輸出功率P分別除以兩個(gè)升壓變換單元的高壓直流側(cè)電壓得到兩個(gè)升壓變換單兀的兩個(gè)六相逆變橋輸出電流的指令值Irefl和Irrf2 ; 2)采樣高壓直流側(cè)輸出電流進(jìn)行低通濾波，然后將低通濾波后的兩個(gè)高壓直流側(cè)輸出電流分別與輸出電流的指令值Irrfl、Irrf2相減，誤差送入PI控制器； 3)將PI控制器輸出值分別除以兩個(gè)升壓變換單兀輸入側(cè)電壓值Uii與Ui2，然后對(duì)Uii與U12進(jìn)行三相正弦變換，形成兩個(gè)升壓變換單元的兩個(gè)六相逆變橋總共12個(gè)橋臂的信號(hào)波；其中四組橋臂的三相正弦變換的參考相位分別為0°、30°、15°、45° ; 4)將所述信號(hào)波與載波比較后形成PWM信號(hào)控制六相逆變橋開關(guān)管的開通和關(guān)斷，輸出期望的交流電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)六相二極管整流輸出期望的直流電流。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種六相逆變式大功率直流升壓變換器及其控制方法，升壓變換器包括兩個(gè)前級(jí)π型CLC濾波裝置、兩個(gè)六相逆變橋、兩個(gè)六相變壓器以及兩個(gè)六相二極管整流橋；六相逆變器是由六個(gè)開關(guān)橋臂組成，分成兩組，兩組之間的輸出電壓相位為差為30°；兩個(gè)六相逆變器并列連接，逆變器直流輸入側(cè)接直流電壓源，控制兩個(gè)六相逆變器將直流側(cè)電壓逆變成兩組相差為15°的六相非對(duì)稱交流電，逆變器輸出電壓接交流變壓器升壓；交流變壓器輸出接六相二極管整流橋，兩組二極管整流橋串聯(lián)連接，將中點(diǎn)引出接地。本發(fā)明的直流升壓裝置容量大、效率高、高壓輸出側(cè)直流紋波低，在直流輸電領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。
【IPC分類】H02M3/335, H02J1/10
【公開號(hào)】CN105553275
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201511002917
【發(fā)明人】羅安, 馬伏軍, 賀西, 何志興, 徐千鳴, 易偉浪
【申請(qǐng)人】湖南大學(xué)
【公開日】2016年5月4日
【申請(qǐng)日】2015年12月29日