[发明专利]一种双向多电平升降压变换器及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种适用于高压大功率场合的双向多电平升降压变换器及其控制方法。

背景技术

随着电力电子技术的发展，对电能变换装置的要求越来越高，其中变换器的高效率、高功率密度一直是电力电子技术发展的趋势之一。在高压大功率应用场合，受限于开关器件承受的高电压应力，开关频率难以提高，导致系统体积大、效率低。如何保证在高压大功率场合下实现电能变换装置的高效率、高功率密度就显得至关重要。

目前很多应用场合，如舰船综合电力系统、新能源发电系统中的储能电站、大容量UPS供电系统、城市轨道交通、高速铁路电气等，都需要电力电子变换器具备能量双向流动，并且同时具备升压和降压功能。因此，有必要研究高压大功率场合下，电力电子变换器双向升降压拓扑结构和控制方法。

目前较为成熟的双向升降压变换器包括双向两电平变换器和双向三电平变换器。目前得到应用的双向两电平升降压直流变换器中，双向Buck-Boost变换器的开关管电压应力为输入电压或输出电压，但在任意一个能量流动方向上不能同时实现升压和降压变换；双向Cuk变换器和双向Sepic-Zeta能在两个方向上同时实现升压和降压变换，但是开关管的电压应力高，不适合高压应用场合；四开关Buck-Boost变换器变换器输入与输出同极性，开关管电压应力为输入电压或输出电压，能在两个方向上同时实现升压和降压变换，并且能在宽输入电压范围内实现高效率电能变换。上述几种变换器各有优劣，但是开关器件承受的电压应力仍然较高。例如舰船综合电力系统中，为满足全电力推进，直流母线电压高达3000V～6000V，高速铁路电气中直流母线电压为DC2160V～2600V，城市轨道交通的电源电压通常采用DC750V或DC1500V，在这些应用场合，即使是采用四开关Buck-Boost变换器，开关器件承受的电压应力还是很高，仍然限制了开关器件的选择和频率的提升。

三电平直流变换器具有开关管电压应力低，输入和输出滤波器体积小等优点，适用于高输入或输出电压的功率变换场合。具有双向升降压功能的三电平直流变换器，并且得到应用的主要有：双向三电平Buck变换器和双向三电平Boost变换器。双向三电平Buck变换器的开关管电压应力为输入电压的一半，双向三电平Boost变换器的开关管电压应力为输出电压的一半，这两种拓扑很适合高压场合，但是双向三电平Buck变换器和双向三电平Boost变换器只能在一个方向上实现升压或降压的变换。

此外，具有双向升降压功能的变换拓扑还有带高频隔离变压器的DC/DC变换器，主要包括双向正激变换器、双向反激变换器、双端有源桥变换器等。其中双向正激变换器、双向反激变换器主要应用在中小功率场合，而双端有源桥变换器主要适用于中等功率场合，如果需要在大功率场合应用，需要多个变换器并联工作，工程实现困难。

发明内容

本发明的目的是针对高压大功率，并且需要能量双向流动的场合，提出适用的双向多电平变换器及相应的控制方法。

本发明具体的技术方案为一种双向多电平升降压变换器，其特征在于包括双向三电平单元A、双向三电平单元B、电感L_b及控制系统，双向三电平单元A包括开关管T₁、开关管T₂、开关管T₃、开关管T₄及分压电容C_b1、C_b2；双向三电平单元B包括开关管T₅、开关管T₆、开关管T₇、开关管T₈及分压电容C_b3、C_b4，